地下水對城市地下空間工程施工安全影響*

高 巖 鐘春玲

(吉林建筑大學土木工程學院,長春 130118)

地下水作為天然形成的地下水質(zhì),廣泛地存在于地表巖土之中,阻礙地下工程及地上工程基礎工程施工,對建筑工程的影響較大.地下水分布較為復雜,它不僅受一般規(guī)律影響,還受到巖土性質(zhì)、地理環(huán)境條件與季節(jié)變換、結(jié)構(gòu)形式、人類活動等不同因素的相互影響,各種因素可能單獨影響,也可能多個因素共同影響.

1 地下水對城市地下空間工程施工的影響

城市地下空間工程施工時，遇到膠結(jié)差的砂巖泥巖等穩(wěn)定性差的軟弱圍巖,一旦遇到涌水,巖體崩潰,可能伴有突泥、流砂事故發(fā)生易埋沒結(jié)構(gòu),影響作業(yè)面安全.地下空間工程開挖時破壞含水層或含水的破碎帶、斷層、大溶洞容易發(fā)生較大的集中涌水,水量大流速快,會迅速增加地下工程空間內(nèi)的積水,設備及施工人員的安全受到威脅.當?shù)叵滤ㄟ^流砂層、膠結(jié)性差的長石砂巖、斷層破碎帶、充填泥化粘土的大溶洞等地質(zhì)條件時,攜帶大量的泥砂涌入隧道或地下施工作業(yè)面內(nèi),形成淤積.如果涌水量大,排水設備不足,導致施工作業(yè)區(qū)長期積水,不僅降低圍巖穩(wěn)定性,也嚴重威脅結(jié)構(gòu)的自身安全.大量攜帶泥砂的地表水、地下水流入施工結(jié)構(gòu)空間內(nèi),使地表水位迅速下降,降低了可利用水位,在重力、真空吸蝕和沖蝕作用下,造成地面塌陷或產(chǎn)生地面陷穴、地面裂縫.

地下水位的變化,對城市地下空間工程施工影響很大.水位上升,會對地下結(jié)構(gòu)物有浮托作用,降低地基承載力.就建筑物結(jié)構(gòu)本身而言,當基礎底面下壓縮層內(nèi)水位上升,水浸濕和軟化巖土,使地基土的強度降低,壓縮性增大,建筑結(jié)構(gòu)易產(chǎn)生沉降,導致地基發(fā)生嚴重的變形,因此也要高度重視水浮力對工程的作用[1].

地下水一方面改變著巖土體的物理、化學和力學性質(zhì),另一方面也改變著地下水自身的物理、力學性質(zhì)以及化學成分.地下水的水質(zhì)對城市地下空間工程結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大影響,為盡量減少腐蝕性地下水對地下結(jié)構(gòu)的影響,我們應該深入分析地下水腐蝕的機理、腐蝕因素,以便于更好地采取有效措施降低地下水對城市地下空間工程結(jié)構(gòu)的腐蝕,增強結(jié)構(gòu)的安全性、耐久性、防水性.

城市地下空間工程降水施工時細小土粒易隨著地下水流動、同時使軟弱土層產(chǎn)生固結(jié)下沉, 破壞土的承載情況.地層擾動引起施工區(qū)域一定作用范圍內(nèi)不同程度的工程地質(zhì)環(huán)境變化.若處理不當,將會對臨近建(構(gòu))筑產(chǎn)生位移、沉降、傾斜、裂縫破壞, 對已有地下建筑物、地下貯水池、停車場、人防工程等產(chǎn)生沉降、變形、位移和傾斜等,容易使各種地下排水排污、輸氣輸電的管溝開裂和錯位,影響地上周邊的正常生活.

2 城市地下空間工程安全事故及事故原因分析

搜集了(2003～2011)國內(nèi)近十年由地下水引發(fā)的城市地下空間開發(fā)重大事故,多發(fā)生涌水、滲水、流砂等事故共9項,如表1所示.事故不僅給工程造成巨大的經(jīng)濟損失、人員傷亡,也給社會造成嚴重的負面影響,足以引起人們的關注.需要加大對地下水的研究力度,找出合理有效的事故防治措施及事故處理措施,以便于減少事故的發(fā)生率,降低損失.

表1 由于地下水引起城市地下空間工程施工的事故

圖1 事故發(fā)生概率

城市地下空間工程施工時,較易發(fā)生涌水、滲水、流砂、涌泥、坍塌等事故.由表1可以看出:突泥事故3起,占事故發(fā)生概率的33.33 %;共發(fā)生2起涌水事故占事故發(fā)生概率的22.22 %;流砂事故共2起占事故發(fā)生概率的22.22 %;水泥漿噴涌、滲水各發(fā)生1起,分別占事故發(fā)生概率的11.11 %;圖1可以更清晰地看出每個事故原因所占的概率.當城市地下空間工程施工時有時會發(fā)生涌水，涌水是由于進行地下掘進施工時破壞了含水層結(jié)構(gòu),以致地下水體所儲存的能量以流體、伴隨固體物質(zhì)高速移動的形式，在短時間內(nèi)釋放而產(chǎn)生的一種動力破壞現(xiàn)象.不難看出地下水是發(fā)生這些事故的先決條件.在進行地下工程施工時,必然會破壞地下含水層、潛在含水圍巖,改變了水動力條件和圍巖力學平衡狀態(tài),在水頭壓力和其他壓力綜合作用下,克服了隔水層、斷層、裂隙帶等阻力,以突然的方式涌入施工作業(yè)范圍內(nèi)的現(xiàn)象,涌水又稱之為突水.當工程施工作業(yè)范圍內(nèi)含有大量的砂子、泥漿、碎石時,地下水會攜帶大量泥砂或保水的泥砂突然涌入隧道或坑底,則稱之為突泥.流砂、突泥可以看成為突水的伴生現(xiàn)象,施工時滿足含水圍巖的能量儲存性能、釋放性能、水動力性能和圍巖穩(wěn)定性能等條件時,易發(fā)生涌水、突泥事故.涌水是突泥、流砂發(fā)生的先決條件,沒有地下水的動力和載體,突泥、流砂是不可能發(fā)生的.因此，我們要從根源上防止事故的發(fā)生.

圍護結(jié)構(gòu)、地下連續(xù)墻的連接處易發(fā)生涌水等事故,由于管襯、地下連續(xù)墻幅與幅之間的接頭處存在夾泥、夾砂并且刷壁不到位造成的;少量的涌水事故發(fā)生在地下連續(xù)墻非接頭處,大多因為地下連續(xù)墻水下混凝土澆注質(zhì)量問題;地下連續(xù)墻未進入相對不透水層、地下連續(xù)墻深度不能滿足抗管涌的要求或基底以下承壓水水位未降到抗基底突涌的要求時涌水易發(fā)生于基礎底面[2].

隧道及城市地下空間工程涌水、突泥的形成是一個較復雜的問題,由涌水、突泥等事故的發(fā)生條件和動態(tài)變化特征,可以看出事故原因不僅與施工條件、地下結(jié)構(gòu)有關,更主要是受水文地質(zhì)、地形地貌、地層巖性和地質(zhì)構(gòu)造等地質(zhì)條件的制約.

3 防治措施分析

通過分析地下水對城市地下空間工程安全施工的影響,結(jié)合工程實際施工情況來確定防治措施.

(1) 加強施工管理. 基坑事故絕大部分與地下水有關, 建設單位和工程技術人員在基坑工程設計和施工中應該充分認識地下水的作用, 認真進行地下水的控制和治理.可以通過科學、創(chuàng)新、高效的方法進行施工管理,從而降低地下水在工程施工過程中的影響;

(2) 采用正確的降水施工技術. 在進行降水方案設計時, 必須全面詳細了解工程情況、場地地貌單元、工程地質(zhì)水文地質(zhì)條件、鄰近建筑物基本情況及地下管線的布設情況、施工條件、經(jīng)濟造價等, 防止因考慮問題不周全而導致設計有漏洞;

(3) 針對事故類型選取正確的防治措施. 根據(jù)施工現(xiàn)場施工條件設置反濾層、減小地下水的水力坡度、替換土質(zhì)等措施堵截地下水補給源、阻礙或弱化地下水流動來防治涌水.防治流土可采用人工降水、凍結(jié)、打板樁和水下開挖等方法.防止基坑坍塌可以根據(jù)現(xiàn)場情況采用合理的降水、集中排水、護坡或基坑支爐等措施.采用周轉(zhuǎn)式回灌、緩慢均勻地降低地下水等方法可以更好的防治地面沉降[3].

4 結(jié)語

目前,地下水是困擾城市地下空間工程建設的一大難題,若沒有全面的考慮地下水對施工的影響,一旦出現(xiàn)涌水、流砂等險情時,就會造成結(jié)構(gòu)周邊地面大量沉降、圍護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、坍塌等嚴重的后果,大量的施工人員傷亡和財產(chǎn)損失.應該對地下水進行深入研究,不僅包括施工方法,也要研究結(jié)構(gòu)的材質(zhì),以保證結(jié)構(gòu)的耐久性、安全性.加強施工管理,規(guī)范施工技術,將事故發(fā)生率及破壞程度降到最低.

參 考 文 獻

[1] 顏於滕.淺析地下水對工程建設的影響及對策[J].中國高新技術企業(yè),2009(9):186-187.

[2] 盛習德,李 檉.深基坑圍護結(jié)構(gòu)涌水涌砂防止技術措施[J].現(xiàn)代城市軌道交通,2012(4):43-45.

[3] 文振興.地下水對工程施工影響分析及探討[J].中小企業(yè)管理與科技(下旬刊),2012(2):177-178.