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摘要：从高层建筑结构基础施工对周围环境影响的众多因素来看, 工程桩和基坑工程的施工是两个主要因素。因此, 本文将从桩基础和基坑工程施工两方面来讨论城市高层建筑结构基础施工对周边环境的影响, 并就这些问题提出相应的防治措施。
关键词： 高层建筑; 基坑施工; 环境影响
Abstract: from the structure of the high-rise building foundation construction impact on the environment of the many factors to see, engineering piles and foundation pit engineering construction are two main factors. Therefore, this paper from the pile foundation and foundation pit engineering construction two aspects to discuss city high-rise building structure to the periphery environment foundation construction, the effect of these problems and put forward the corresponding prevention and control measures.
Keywords: high building; Foundation pit construction; Environmental impact
中圖分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
1桩基础施工对周边环境的影响
由于城市高层建筑结构自身载荷较大, 对地基处理的要求较高。因此, 在建筑密集地区, 高层建筑结构的基础形式多采用桩基础或桩和其他基础形式组成的复合基础。但由于施工工艺和方法的原因, 桩基础施工往往会对周边环境产生较大的影响, 比如在施工时产生的振动、挤土效应等。
1．1 振动的影响
目前, 桩基础的形式多种多样, 施工方法也不尽相同。有些桩基础施工对周围环境影响较大, 如在夯锤击桩的施工中, 打桩振动容易造成附近建筑物墙体、地面等出现裂缝; 钻孔灌注桩虽可以避免上述不良影响, 但当桩穿过砂层时, 若未能及时用泥浆护孔, 则会造成涌砂、塌孔等, 对周围已有建筑物构成威胁。因此, 在城市建筑密集区, 对桩基础施工方法进行选择时, 应尽量避免采用振动或捶击式桩基础。
1．2 挤土效应
挤土效应是指桩入土时挤开相应体积的土体, 在桩周土体中产生较高的超孔隙水压力。经扰动的土体极易蠕动, 表现为地表、浅层和深层土体发生竖向和水平位移。大量的土体位移会导致邻近建筑物基础的上抬、结构的变形、地坪和墙面的开裂, 损坏地下管线和设施等一系列问题。主要的处理措施如下:
1)合理设计打桩的顺序, 打桩顺序在很大程度上决定了挤土效应的大小。在场地一侧有邻近建筑物时, 应背离建筑物由近向远处打桩; 在场地空旷的条件下, 应按先中央后周围, 由里及外的顺序打桩; 区域大时, 采用跳打可使邻近建筑物变形趋于均衡, 减少差异变形, 防止或减少建筑物的倾斜; 区域小时, 采用间隔打桩, 可减少土体侧向挤压力。
2)设置垂直排水通道, 可加快超孔隙水压力的消散, 减少挤土现象。
3)预钻孔打桩及开挖防挤沟, 其目的是进一步隔断打桩引起的挤土压力及超孔隙水压的传递途径和减少浅层土的积压, 从而可以起到减少对邻近浅埋管线和基础的影响。
2 基坑施工对周围环境的影响
2．1支护结构施工对周围环境的影响
2．1．1 支护桩施工产生的影响
为了满足基坑开挖的稳定, 支护结构常采用排桩( 墙)支护工程: 包括灌注桩、预制桩、板桩等类型。其中很多属于挤土桩或部分挤土桩, 施工时应采取1.2节中的措施, 以减小对周围环境的影响。
2．1．2 在软土和砂土地区施工人工挖孔桩产生的影响
在软土、砂土地区或地下水位以下, 采用人工挖孔桩时,因挖孔不当容易造成涌砂、塌孔和土体挤入等问题, 后果比较严重, 在城市密集区不宜采用该桩型。在某些工程中, 虽然场区内土层为软土、砂土或夹有软土、砂性土层, 但由于种种原因, 施工人工挖孔桩失败的例子仍然很多。如没有采取有效措施, 则在施工中可能产生管涌、流砂、软土塑性挤出等现象, 引起外围大面积塌陷, 造成周围建筑严重损坏。
2．1．3 压密注浆引起地面隆起和沉降
压密注浆施工对环境的影响与注浆压力、浆液的凝固时间、浆液的稠度等因素有关。如果注浆压力过大, 浆液凝固时间短、稠度大, 地面可能产生一定量的抬升; 如果注浆压力过大, 浆液凝固时间长、稠度稀, 则可能先是产生地面抬起,接着由于压力消散, 而土体受扰动强度下降, 地面因而产生沉降。这样会对周围环境造成严重的影响。
2．1．4 其他影响
在支护结构施工时, 还会对周围环境产生其他一些影响。如土层锚杆施工可能占用规划红线以外的地下空间, 并影响后续工程的施工。
2．2 基坑降水对周围环境的影响
基坑工程开挖绝大多数情况都需要进行人工降低地下水。但是, 基坑工程降水使外围地下水水头下降, 土体产生固结, 有效应力增加, 引起地面沉降, 使邻近建筑物产生不均匀沉降。这也是对地下水处理时, 采用降排法较之阻挡法的最大缺陷。因此, 配合基坑支护进行降水设计和施工时, 必须高度重视降水对邻近建筑物的影响, 把不均匀沉降限制在允许的范围内, 以确保基坑及周围建筑物的安全。
2．3 基坑开挖引起支护结构产生变形
合理的基坑开挖方案, 必须将变形值控制在安全的范围之内, 以保证基坑支护结构的安全, 从而避免周围环境受到较大影响。基坑支护结构的变形值与地质条件、基坑开挖深度、周边荷载条件、暴露时间长短、支护结构的类型及刚度等因素有关。土质条件差, 开挖深度大, 周边荷载大, 暴露时间长, 支护结构刚度小, 则变形值大, 反之, 则变形值小。不同的支护结构有不同的变形特性, 了解支护结构的变形特征, 有助于估计基坑变形的范围。
1) 在基坑开挖深度不大, 或土质条件较好, 场区较为开阔时, 可采用放坡开挖。因为周边环境条件好, 通常允许存在一定的位移值, 位移值的变化幅度也较大, 通常达到几厘米到几十厘米。
2) 土钉墙作为一种柔性支护结构, 通常也会产生一定量的变形, 减小其变形的方法有: 增强竖向支护结构; 对坑外土体加固; 土钉加长和加密。
3) 悬臂式支护结构对开挖深度很敏感, 容易产生较大的变形, 对邻近建筑物产生不良影响, 适用于土质较好、开挖较浅的基坑。
4) 排桩(地下连续墙)结合锚(撑)结构的变形主要由支撑的压缩变形(或锚杆的拉伸) 、排桩( 地下连续墙) 的挠曲变形、坑底支护结构的平移和转动以及围檩的挠曲变形组成。由于支撑( 锚杆)的变形, 排桩、围檩的挠曲变形都以弹性变形为主, 变形值相对较小, 坑底处的位移和转角则主要与坑底土的性质和支护结构的入土深度等几个因素有关。因此, 只要控制住踢脚变形, 支护结构变形值一般较小。在城市环境的复杂条件下, 开挖基坑或深基坑一般采用这种支护形式。
2.4 基坑支护结构失稳对环境的影响
根据已有的基坑工程经验, 如下设计和施工中的不当,常导致邊坡失稳、引起地层的沉陷和水平移动, 并造成基坑周围的地下管网出现破坏。如煤气管道泄漏极易造成爆炸、中毒恶性事故; 而水管断裂, 则使大量压力水冲向支护结构,加速支护结构的破坏。造成支护结构失稳的主要原因有:
1) 支护结构刚度不够, 侧向变形过大;
2) 土层锚杆失效, 使支护变形过大;
3) 桩的入土深度不够或基坑附近堆载过大, 而导致土体沿某一滑面整体滑移破坏;
4) 悬臂结构的侧向位移过大, 导致挡土结构的剪应力过大而开裂, 产生斜向裂缝;
5) 在软土地区挡墙插入坑底深度不够, 大量泥砂绕过挡墙的下端涌入基坑, 引起基坑失稳;
6) 基坑底部的隆起过大, 使基坑整体失稳。
2.5 止水帷幕失效引起的环境问题
基坑开挖通常要设置止水帷幕。基坑抽水引起的土砂损失以及砂土通过支护结构挤出, 都可能造成基坑外侧地面沉降, 而引起砂土的损失, 其主要原因之一就是由于止水帷幕渗水。支护结构本身引起支挡作用又起止水帷幕作用, 对于渗透性很小的基坑, 还需要设置闭合的止水帷幕(水平向止水帷幕和竖向止水帷幕)。但由于基坑的止水帷幕本身存在缺陷, 如深搅桩搭接不严、地下连续墙接缝不吻合以及由于场地的水文工程地质条件不好, 或由于基坑开挖深度大,周围的动水压力和土压力相对增长, 使得挡土结构产生较大位移, 从而带动止水帷幕的挠曲或侧移, 加之止水帷幕大多为刚性结构, 抵抗变形的能力较弱, 在挠曲和侧移时易开裂,使得在地下水压力作用下, 止水帷幕产生渗漏。当止水帷幕出现渗漏时, 往往来势猛并突发性地大量漏水漏砂, 造成边坡失稳、坍塌、倒桩、附近建筑物和路面急剧沉陷等。
2.6 基坑工程施工的对策
为保护邻近建筑物和市政设施的安全, 需要做好下述工作。
1) 详细了解邻近建筑物和地下管网的分布情况、基础类型、埋深、管线材料、接头情况等, 并分析确定其变形允许值。
2) 根据邻近建筑物和地下管网的允许值。采用合理的基坑工程支护体系, 并对基坑开挖造成的周围地表沉降情况做出估计。判断支护体系是否满足保证邻近建筑物和地下管网的安全要求, 必要时需采取一定的工程措施。
3) 对基坑开挖过程进行现场监测, 测试项目主要有:地面和管线沉降、土体水平位移、地下水位、邻近建筑物沉降及倾斜情况以及支护结构的受力和变形等。通过监测和分析, 指导基坑工程进展, 实行信息化施工。除上述措施外, 采用逆作法和半逆作法施工也有利于减小基坑开挖造成的周围地面沉降, 减小对周围环境的影响。
3 结束语
选用合适的施工机械和施工工艺可以减小施工噪音污染和环境卫生污染。采用合理的施工顺序和施工速度可以减小挤土桩和部分挤土桩的挤土效应, 必要时还可以通过在周围采取钻孔取土和设置防挤沟等措施, 减小挤土效应造成的不良影响。由基坑土方开挖引起的支护结构变形以及降低地下水位造成地面产生沉降和不均匀沉降, 导致对周围建筑物及市政管网的影响是基坑工程对周围环境影响的主要方面。基坑工程对周围环境的影响是不可避免的, 但应减小其影响,并能采取合理的对策, 以保证基坑施工过程中, 邻近建筑物及市政管网的安全和正常使用。
关键词： 高层建筑; 基坑施工; 环境影响
Abstract: from the structure of the high-rise building foundation construction impact on the environment of the many factors to see, engineering piles and foundation pit engineering construction are two main factors. Therefore, this paper from the pile foundation and foundation pit engineering construction two aspects to discuss city high-rise building structure to the periphery environment foundation construction, the effect of these problems and put forward the corresponding prevention and control measures.
Keywords: high building; Foundation pit construction; Environmental impact
中圖分类号：[TU208.3]文献标识码：A 文章编号：
1桩基础施工对周边环境的影响
由于城市高层建筑结构自身载荷较大, 对地基处理的要求较高。因此, 在建筑密集地区, 高层建筑结构的基础形式多采用桩基础或桩和其他基础形式组成的复合基础。但由于施工工艺和方法的原因, 桩基础施工往往会对周边环境产生较大的影响, 比如在施工时产生的振动、挤土效应等。
1．1 振动的影响
目前, 桩基础的形式多种多样, 施工方法也不尽相同。有些桩基础施工对周围环境影响较大, 如在夯锤击桩的施工中, 打桩振动容易造成附近建筑物墙体、地面等出现裂缝; 钻孔灌注桩虽可以避免上述不良影响, 但当桩穿过砂层时, 若未能及时用泥浆护孔, 则会造成涌砂、塌孔等, 对周围已有建筑物构成威胁。因此, 在城市建筑密集区, 对桩基础施工方法进行选择时, 应尽量避免采用振动或捶击式桩基础。
1．2 挤土效应
挤土效应是指桩入土时挤开相应体积的土体, 在桩周土体中产生较高的超孔隙水压力。经扰动的土体极易蠕动, 表现为地表、浅层和深层土体发生竖向和水平位移。大量的土体位移会导致邻近建筑物基础的上抬、结构的变形、地坪和墙面的开裂, 损坏地下管线和设施等一系列问题。主要的处理措施如下:
1)合理设计打桩的顺序, 打桩顺序在很大程度上决定了挤土效应的大小。在场地一侧有邻近建筑物时, 应背离建筑物由近向远处打桩; 在场地空旷的条件下, 应按先中央后周围, 由里及外的顺序打桩; 区域大时, 采用跳打可使邻近建筑物变形趋于均衡, 减少差异变形, 防止或减少建筑物的倾斜; 区域小时, 采用间隔打桩, 可减少土体侧向挤压力。
2)设置垂直排水通道, 可加快超孔隙水压力的消散, 减少挤土现象。
3)预钻孔打桩及开挖防挤沟, 其目的是进一步隔断打桩引起的挤土压力及超孔隙水压的传递途径和减少浅层土的积压, 从而可以起到减少对邻近浅埋管线和基础的影响。
2 基坑施工对周围环境的影响
2．1支护结构施工对周围环境的影响
2．1．1 支护桩施工产生的影响
为了满足基坑开挖的稳定, 支护结构常采用排桩( 墙)支护工程: 包括灌注桩、预制桩、板桩等类型。其中很多属于挤土桩或部分挤土桩, 施工时应采取1.2节中的措施, 以减小对周围环境的影响。
2．1．2 在软土和砂土地区施工人工挖孔桩产生的影响
在软土、砂土地区或地下水位以下, 采用人工挖孔桩时,因挖孔不当容易造成涌砂、塌孔和土体挤入等问题, 后果比较严重, 在城市密集区不宜采用该桩型。在某些工程中, 虽然场区内土层为软土、砂土或夹有软土、砂性土层, 但由于种种原因, 施工人工挖孔桩失败的例子仍然很多。如没有采取有效措施, 则在施工中可能产生管涌、流砂、软土塑性挤出等现象, 引起外围大面积塌陷, 造成周围建筑严重损坏。
2．1．3 压密注浆引起地面隆起和沉降
压密注浆施工对环境的影响与注浆压力、浆液的凝固时间、浆液的稠度等因素有关。如果注浆压力过大, 浆液凝固时间短、稠度大, 地面可能产生一定量的抬升; 如果注浆压力过大, 浆液凝固时间长、稠度稀, 则可能先是产生地面抬起,接着由于压力消散, 而土体受扰动强度下降, 地面因而产生沉降。这样会对周围环境造成严重的影响。
2．1．4 其他影响
在支护结构施工时, 还会对周围环境产生其他一些影响。如土层锚杆施工可能占用规划红线以外的地下空间, 并影响后续工程的施工。
2．2 基坑降水对周围环境的影响
基坑工程开挖绝大多数情况都需要进行人工降低地下水。但是, 基坑工程降水使外围地下水水头下降, 土体产生固结, 有效应力增加, 引起地面沉降, 使邻近建筑物产生不均匀沉降。这也是对地下水处理时, 采用降排法较之阻挡法的最大缺陷。因此, 配合基坑支护进行降水设计和施工时, 必须高度重视降水对邻近建筑物的影响, 把不均匀沉降限制在允许的范围内, 以确保基坑及周围建筑物的安全。
2．3 基坑开挖引起支护结构产生变形
合理的基坑开挖方案, 必须将变形值控制在安全的范围之内, 以保证基坑支护结构的安全, 从而避免周围环境受到较大影响。基坑支护结构的变形值与地质条件、基坑开挖深度、周边荷载条件、暴露时间长短、支护结构的类型及刚度等因素有关。土质条件差, 开挖深度大, 周边荷载大, 暴露时间长, 支护结构刚度小, 则变形值大, 反之, 则变形值小。不同的支护结构有不同的变形特性, 了解支护结构的变形特征, 有助于估计基坑变形的范围。
1) 在基坑开挖深度不大, 或土质条件较好, 场区较为开阔时, 可采用放坡开挖。因为周边环境条件好, 通常允许存在一定的位移值, 位移值的变化幅度也较大, 通常达到几厘米到几十厘米。
2) 土钉墙作为一种柔性支护结构, 通常也会产生一定量的变形, 减小其变形的方法有: 增强竖向支护结构; 对坑外土体加固; 土钉加长和加密。
3) 悬臂式支护结构对开挖深度很敏感, 容易产生较大的变形, 对邻近建筑物产生不良影响, 适用于土质较好、开挖较浅的基坑。
4) 排桩(地下连续墙)结合锚(撑)结构的变形主要由支撑的压缩变形(或锚杆的拉伸) 、排桩( 地下连续墙) 的挠曲变形、坑底支护结构的平移和转动以及围檩的挠曲变形组成。由于支撑( 锚杆)的变形, 排桩、围檩的挠曲变形都以弹性变形为主, 变形值相对较小, 坑底处的位移和转角则主要与坑底土的性质和支护结构的入土深度等几个因素有关。因此, 只要控制住踢脚变形, 支护结构变形值一般较小。在城市环境的复杂条件下, 开挖基坑或深基坑一般采用这种支护形式。
2.4 基坑支护结构失稳对环境的影响
根据已有的基坑工程经验, 如下设计和施工中的不当,常导致邊坡失稳、引起地层的沉陷和水平移动, 并造成基坑周围的地下管网出现破坏。如煤气管道泄漏极易造成爆炸、中毒恶性事故; 而水管断裂, 则使大量压力水冲向支护结构,加速支护结构的破坏。造成支护结构失稳的主要原因有:
1) 支护结构刚度不够, 侧向变形过大;
2) 土层锚杆失效, 使支护变形过大;
3) 桩的入土深度不够或基坑附近堆载过大, 而导致土体沿某一滑面整体滑移破坏;
4) 悬臂结构的侧向位移过大, 导致挡土结构的剪应力过大而开裂, 产生斜向裂缝;
5) 在软土地区挡墙插入坑底深度不够, 大量泥砂绕过挡墙的下端涌入基坑, 引起基坑失稳;
6) 基坑底部的隆起过大, 使基坑整体失稳。
2.5 止水帷幕失效引起的环境问题
基坑开挖通常要设置止水帷幕。基坑抽水引起的土砂损失以及砂土通过支护结构挤出, 都可能造成基坑外侧地面沉降, 而引起砂土的损失, 其主要原因之一就是由于止水帷幕渗水。支护结构本身引起支挡作用又起止水帷幕作用, 对于渗透性很小的基坑, 还需要设置闭合的止水帷幕(水平向止水帷幕和竖向止水帷幕)。但由于基坑的止水帷幕本身存在缺陷, 如深搅桩搭接不严、地下连续墙接缝不吻合以及由于场地的水文工程地质条件不好, 或由于基坑开挖深度大,周围的动水压力和土压力相对增长, 使得挡土结构产生较大位移, 从而带动止水帷幕的挠曲或侧移, 加之止水帷幕大多为刚性结构, 抵抗变形的能力较弱, 在挠曲和侧移时易开裂,使得在地下水压力作用下, 止水帷幕产生渗漏。当止水帷幕出现渗漏时, 往往来势猛并突发性地大量漏水漏砂, 造成边坡失稳、坍塌、倒桩、附近建筑物和路面急剧沉陷等。
2.6 基坑工程施工的对策
为保护邻近建筑物和市政设施的安全, 需要做好下述工作。
1) 详细了解邻近建筑物和地下管网的分布情况、基础类型、埋深、管线材料、接头情况等, 并分析确定其变形允许值。
2) 根据邻近建筑物和地下管网的允许值。采用合理的基坑工程支护体系, 并对基坑开挖造成的周围地表沉降情况做出估计。判断支护体系是否满足保证邻近建筑物和地下管网的安全要求, 必要时需采取一定的工程措施。
3) 对基坑开挖过程进行现场监测, 测试项目主要有:地面和管线沉降、土体水平位移、地下水位、邻近建筑物沉降及倾斜情况以及支护结构的受力和变形等。通过监测和分析, 指导基坑工程进展, 实行信息化施工。除上述措施外, 采用逆作法和半逆作法施工也有利于减小基坑开挖造成的周围地面沉降, 减小对周围环境的影响。
3 结束语
选用合适的施工机械和施工工艺可以减小施工噪音污染和环境卫生污染。采用合理的施工顺序和施工速度可以减小挤土桩和部分挤土桩的挤土效应, 必要时还可以通过在周围采取钻孔取土和设置防挤沟等措施, 减小挤土效应造成的不良影响。由基坑土方开挖引起的支护结构变形以及降低地下水位造成地面产生沉降和不均匀沉降, 导致对周围建筑物及市政管网的影响是基坑工程对周围环境影响的主要方面。基坑工程对周围环境的影响是不可避免的, 但应减小其影响,并能采取合理的对策, 以保证基坑施工过程中, 邻近建筑物及市政管网的安全和正常使用。