綠色巖土工程研究現狀及展望

彭濤，任東興，鄧安

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綠色巖土工程研究現狀及展望

彭濤，任東興，鄧安

（中冶成都勘察研究總院有限公司，成都 610023）

面對日益嚴重的環境問題，人們逐漸開始關注巖土工程的可持續發展，綠色巖土工程理念由此應運而生。該文對近十年來綠色巖土工程研究領域所取得的成果、研究現狀等進行了述評，厘定了綠色巖土工程的定義，闡述了眾多典型的綠色鉆探技術、場地形成理論、新型綠色基坑支護技術、環保低碳邊坡防護技術、集約型綠色地基基礎施工技術、固體廢棄物及建筑垃圾處置利用及荒漠化防治，分析與討論了綠色巖土工程目前面臨的問題，并提出了今后研究重點。

綠色巖土工程；可持續發展；低碳；展望

20世紀以來，全球城市化的熱潮，使得世界各地都在進行大規模建造房屋來滿足人類的需求。然而，持續的土木工程活動雖然滿足了人類生活的需要，但卻消耗了巨大的自然資源，并引發一系列如溫室效應、水土流失、土地荒漠化、資源能源緊缺、生物多樣性銳減、廢棄物泛濫等災害[1, 2]。目前，我國每年土木工程建設的總量約為全世界的1/3，建筑能耗已經占到國民經濟總能耗的18%[3, 4]；據聯合國政府間氣候變化專門委員會（IPCC）統計，建筑業碳排放比例高達36%。因此，面對資源約束趨緊、環境污染嚴重、生態系統退化的嚴峻形勢，倡導和踐行巖土工程的“綠色”革命，實施可持續發展戰略，是中國乃至世界土木工程發展的必由之路[5]。

1 綠色巖土工程的定義

綠色巖土工程，國內外尚沒有嚴格的定義。目前，關于綠色巖土工程概念的相關報道，僅有黃運飛[6]提出綠色巖土是一種思維，也是一種方法，更是一系列工法的總成，貫穿于巖土工程的全過程中，涵蓋綠色巖土工程規劃設計、綠色巖土工程施工、綠色巖土工程材料等多個方面。

可以預見的綠色巖土工程研究內容

國內外關于綠色建筑、綠色施工的概念、評價體系及標準基本成熟[7-10]結合綠色建筑、綠色施工等相關概念及其內涵，綜合前人的研究成果，本文認為綠色巖土工程是指將安全性、經濟性、綠色性、可持續發展的理念貫穿于巖土工程的全壽命周期內，最大限度地節約資源、保護環境、減少污染，其最終目的是實現工程與自然和諧共生。其定義內涵為：①綠色巖土是一種思維和方法，更是一系列工法的總成；②綠色巖土的全壽命周期，是指貫穿于巖土工程的全過程中，即規劃、勘察、設計、施工、監（檢）測、維護、報廢等全過程；③巖土工程的綠色性、可持續性，是指在保證質量安全、可靠的基礎上，重視巖土工程改造過程對資源的需求、對環境的影響，實現巖土工程向生態化、低碳化轉型；④綠色巖土工程是要求降低對工程區水文地質、工程地質、環境地質的影響。可以預見的綠色巖土工程研究內容如圖。

2 綠色巖土工程研究現狀

2.1 綠色鉆探技術

綠色鉆探技術是在地質勘探實施過程中，遵循綠色、可持續的原則，基于技術手段創新，最大限度地減少鉆探對生態環境的擾動和影響。吳金生等[11]在四川省若爾蓋為代表的高原生態脆弱區，采用“一基多孔、一孔多支”以及生物聚合物環保泥漿等措施，減少了鉆探孔數量和搬遷必需的道路建設，降低了泥漿組分以及廢漿液對環境的污染。李政昭等[12]將常規的回轉取心鉆進方法與潛孔錘跟管鉆進優化組合，形成空氣潛孔錘取心跟管鉆進技術，既解決了鉆孔巖心松散易被泥漿沖失和鉆孔漏失等難題，又因不需要液態介質（泥漿）降低了對環境的影響。

2.2 場地形成理論

近年來，與國外建筑設計單位合作進行主題樂園及工業等項目時，在巖土工程規劃階段，外方提出了場地形成概念。迪士尼公司在建設上海主題樂園時，場地形成是其建設樂園的第一步，主要是根據現有的地質條件、土地用途及挖填方平衡等，確定地基處理方法并對場地進行預處理，使場地在標高、地基強度、沉降控制等方面達到一定水平，以滿足擬建建筑物對場地在后續建造期間及使用期間有足夠的安全度[13, 14]。

2.3 新型綠色基坑支護技術

2.3.1 支護結構與主體結構相結合技術

1935年日本首次提出了逆作法的概念，此后在日本、美國、英國以及我國等，取得了廣泛的應用[15, 16]。對比傳統的臨時支護結構，支護結構與主體地下結構相結合技術具有工期短、變形小、低碳綠色、節約資源等優點[16]。陳其志等[17]以杭州地區某工程為例，采取隧道主體墻和基坑圍護墻“兩墻合一”的形式，優化后整個圍護結構節約鋼筋300～400t，節約混凝土1.5×104m3。岳建勇等[18]在上海某超高層建筑基坑設計利用地下主體結構的梁板作為支撐，剛度大，變形明顯較小，工期較短，同時避免了臨時支撐在施工和拆除過程資源浪費和環境污染。

2.3.2 可回收式錨索、型鋼技術

錨索是樁錨支護結構型式的重要構件。不可回收錨索會永久的留在巖土體中，污染環境，隨著綠色環保意識及地下空間的產權意識在基坑支護設計施工中的不斷增強，可回收錨索得到較大的發展，主要包括機械式回收、力學式回收和化學式回收等，并在基坑支護工程中得到大量應用[19, 20]。盛宏光等（2003）[21]研發了分散型回收式錨索和壓力型回收式錨桿。彭濤等[22]在工程中采用了一種快速預應力錨索，錨孔終端為承壓鋼板，成孔后放入錨索進行張拉鎖定即可，省略了注漿工序，將原本單根錨索20天的工期節約為4天。

SMW工法是一種新型的地下施工技術，主要消耗材料是水泥和H型鋼，水泥漿液與土混合不會產生廢泥漿，無需回收處理泥漿，在基坑回填后，可使用專用起拔機械，回收H型鋼[23, 24]。SMW工法的。張璞等[25]在上海某基坑中應用后墻體剛度增加，型鋼用量明顯下降。

2.3.3 裝配式預應力魚腹梁鋼支撐技術

裝配式預應力魚腹梁鋼支撐系統（IPS）是以鋼絞線、千斤頂和支桿來替代傳統支撐的臨時支撐系統[26]。該支撐系統具有以下優點：可在現場制作或場地加工廠預制；預應力可隨時調節，能較好地控制深基坑的變形，使得基坑周邊的環境得到有效保護；支撐跨度大，便于土方開挖和地下室結構的施工，可明顯縮短工期；用可重復回收利用的鋼支撐材料替代混凝土等建筑材料，節約了工程造價[27, 28]。

2.4 環保低碳邊坡防護技術

三維排水柔性生態邊坡工程系統是考慮柔性生態邊坡受力特點，用軟體的特殊環保材料，替代鋼筋、混凝土、石材等高耗能材料，構建柔性生態護坡的新技術，主要由生態袋、扎口袋和縫袋線、三維排水聯接扣等組成[29]。其采用的生態袋具有透水不透土的特性，其間所采用的的三維排水聯接扣上的垂直孔洞和表面縱橫交錯的凹槽能夠形成立體交錯的三維排水網絡，從而極大的降低了整個系統的水壓力，保證邊坡穩定[30]。

目前，生態型加筋土擋墻包括土工格柵包生態袋加筋土擋墻、綠色加筋格賓擋墻和土工格室加筋土擋墻等。其中，土工格柵包生態袋加筋土擋墻又稱無面板加筋土擋墻，目前應用較多。土工格柵包生態袋加筋土擋墻的墻面由土工格柵反包填土網袋而成，每層土工格柵相互連接形成整體，網袋內填入適宜當地生長的草籽等，時候結束后數月即可形成綠色生態墻面[31]。土工格柵包生態袋加筋土擋墻在電力、水利、公路、鐵路等行業均有廣泛的應用，其中汪正軍[31]在云南怒江某變電站傾角70°高為16m的某邊坡予以應用。

草繩繩網全生態邊坡防護結構采用稻秸桿等廢棄物制作而成，代替現有邊坡防護中所使用的非生態材料，具有可防雨水沖刷、環保、成本低、施工簡單，適合植被綠化等特征。稻秸桿等編制成草繩繩網，經過一定時間段后草繩繩網格最終自然降解在土壤中，轉換為有機肥料[32]。王桂堯等[33]通過測試發現繩網覆蓋在邊坡表面能與植物根系形成水平與垂直雙向加筋效應，可有效提高邊坡抗沖刷能力。

生態混凝土是一種新型、環保的建筑材料，實質上是一種有著連續孔隙的多孔混凝土，分為環境友好型生態混凝土和生物相容型生態混凝土兩類[34]。謝新生等[35]研究指出透水混凝土應用于重力擋土墻后，既可抵抗水流沖刷，又改善了河流的生態系統，符合河流生態護坡特征要求。彭濤等[36]在邊坡工程中采用了一種滲水擋土墻，解決了現有擋土墻存在的施工復雜、施工周期長、成本高以及泄水孔容易堵塞等問題，該擋墻具有環保、對周邊水文條件影響小等特點。

2.5 集約型綠色地基基礎施工技術

2.5.1 樁基礎施工技術

鉆孔灌注樁在成樁過程中易出現樁側出現泥皮以及樁端沉渣過厚等現象，為提高單樁承載力，通過在樁端和樁側埋設壓漿管對樁側和樁端進行注漿加固，從而大幅度提高單樁承載力，減少工程樁的使用量，從而節約混凝土[37, 38]。胡春林等[39]研究了后壓漿鉆孔灌注樁單樁豎向承載力特性，表明樁側阻力增強系數介于1.1～2.2之間，樁端阻力增強系數介于1.2～3.0之間。程曄等[40]在樁端壓漿前后分別對8根樁進行了靜載試驗，表明總極限承載力提高率為26.2%～101.1%。

大直徑擴底灌注樁是為了提高單樁承載力，充分利用樁端較好地層，利用人工或機械進行擴孔的樁。大直徑擴底灌注樁由于單樁承載力高、經濟效益好、無噪聲等優點，已成為軟土地區基礎工程的首選方案[41-43]。胡慶紅等[44]對上海某地兩個場地進行研究，表明在樁頂荷載較大時擴底樁的樁端阻力開始得到有效發揮，在最后一級荷載（破壞）作用下，試樁SZ1～SZ3的樁端阻力分別占總荷載的13.3%、47.5%和29.4%。

大直徑現澆混凝土薄壁管樁（簡稱PCC樁）采取振動沉模自動排土現場灌注混凝土而成管樁[45]。現澆薄壁管樁樁身強度高，混凝土標號可從C10至C30，直徑可達1.5m，有效加固深度可達25m以上，與普通樁相比極限承載力提高約1.55倍[46, 47]。與傳統的實心樁相比，具有以下優點：樁表面積大，單方混凝土承載力高，可大量節省混凝土；旋工速度較靜壓樁和鉆孔灌注樁及一般的沉管灌注樁要快，成樁質量穩定；加固范圍大，樁體可與樁周土形成剛性復合地基[48]。

2.5.2 復合地基處理技術

傳統路面地基注漿加固處理主要以水泥注漿和化學注漿為主，水泥注漿技術因技術較為成熟是目前注漿加固的主要方式。但水泥注漿施工時漿液污染路面、土壤和地下水。高聚物注漿是近年來路面養護行業出現的新工藝，是通過注射道路內的高聚物材料間的聚合反應形成的泡沫狀固體，填充空隙和擠密周圍松散基層，防治路面內部病害，其優點是能有效增強路面結構的整體性，非開挖、快速、微創[49]。高聚物注漿具有綠色環保特性，該材料在國內外經過了廣泛的試驗，呈惰性性質，在周圍環境中呈中性，不污染土壤和地下水[50]。

目前，砂土液化地基處理工藝主要以換填法、振沖法、樁基法、注漿法等為主，但這些工藝存在成本高、施工難度大、污染環境等缺點。微生物誘導碳酸鈣沉積（MICP）法是一種新型的地基處理工藝，是在一定的人為環境和營養條件下，通過巖土中微生物新陳代謝作用析出碳酸鈣，使得軟弱砂土得到固化[51]。DeJong等[52]測試了MICP固化樣品的不排水抗剪強度，并采用剪切波速檢測儀實時監控砂樣在固化過程及加載過程中剪切波速Vs的變化情況，試驗結果表明，14cm高松砂砂柱（Dr=35%）連續注漿加固28h后，固化砂樣剪切波速Vs增加為540m/s，是飽和松砂的2.8倍。

載體樁復合地基是由載體（由干硬性混凝土、夯實填充料和擠密土體組成）和混凝土樁身構成的樁，載體樁具有以下幾個優點：通過填料、夯擊擠密土體形成復合載體，單樁承載力與同條件下樁徑和樁長相同的普通混凝土灌注樁相比提高2～4倍；施工過程中無泥漿產生，同時還消耗大量的建筑垃圾和工業廢料，比常規技術節約造價20%以上[53-55]。

2.6 固體廢棄物及建筑垃圾處置利用

我國經濟處于快速發展之中，固體廢物產生量長期居高不下，2015年全國一般工業固體廢物產生量則達到3.27×109t，。建筑施工過程及房屋拆除過程，主要產生廢舊混凝土、碎磚瓦、廢鋼筋、廢竹木、廢玻璃、廢棄土、廢瀝青等的處理技術和再生產品等固體廢棄物，其排放總量約占固體垃圾40%[56]。李樹遜等[57]開展了道路工程建設中建筑垃圾全生命周期環境影響評價分析，得出廢棄物的回收利用可以有效降低建設成本和環境污染。

2.7 荒漠化防治

作為21世紀威脅人類生存、社會穩定和可持續發展的重要因子，荒漠化已經引起各國的高度重視[58, 59]。荒漠化防治是由水文-土壤-氣候-生物4個主要要素組成的生態系統在退化之后的整體恢復過程，目前，荒漠化防治措施主要有工程措施、化學措施、生物措施、農業措施等[60]。于洋[61]研究表明高山沙地生態系統烏柳林的建設有利于土壤的固定和改良。王文彪等[62]研究表明向日葵秸稈、蘆葦秸稈及玉米秸稈平鋪式沙障在10cm高度處均具有明顯的防風效能，且在沙丘迎風坡蘆葦秸稈沙障的防風效能分別是向日葵秸稈沙障的1.36倍、玉米秸稈沙障的1.76倍。

3 綠色巖土工程發展存在的問題

目前，雖然專家學者們在上述專項技術領域開展了一些探索和實踐，并取得一定的成果，但是綠色巖土發展還面臨以下問題：

3.1 加強綠色巖土工程意識培養

目前人們對綠色巖土的認識仍然不足，如：政府對巖土工程的全壽命周期中實現綠色發展重視度不夠；開發商以贏利目的，對采用綠色工程技術應用效果、成本以及安全性缺乏明確認識；國內設計人員對綠色巖土工程尚未形成統一認識，普遍缺乏綠色巖土工程設計經驗；承包商以及建設單位雖然會按照政府要求在施工中采取措施來降噪、減少擾民和環境污染等，但是采取這些綠色技術時是比較被動、消極的；人們的綠色環保意識還處于啟蒙階段，影響市場需求。

3.2 綠色巖土技術發展存在的問題

目前，國內綠色巖土工程技術尚處在起步階段，研發投入較少，支撐能力較弱。主要表現在以下幾個方面：

3.2.1技術產業化、本土化有待加強

綠色巖土各專項技術近十來年才開始在工程中逐步采用，還沒有占據主導地位，需要進一步實踐推廣；舶來性技術有待本土化，因地制宜，避免盲目的技術堆砌和過高的經濟成本；集成技術自主研發程度不高，許多技術還在“中試”階段，等待市場成熟；綠色巖土與綠色建材產業、節能環保產業和新能源產業等密切相關，但產業間的發展融合度偏低，支撐能力不強。

3.2.2基礎性研究薄弱

綠色巖土實施過程中，不僅局限于巖土工程本身，還需對同時上溯至原材料的生產、運輸，下達工程產生的廢棄物與再利用，然而，相關各種材料全生命周期能耗研究數據極少，這將使得綠色巖土技術從理論走向實踐變得困難；另外學者在研究過程中，多沿用傳統方法，環境因素的影響考慮的不夠全面和深入，今后需轉變和創新研究方法，加強環境因素的影響研究；同時，當前城市地上-地下建成環境日益復雜，新建、改擴建工程與巖土環境的相互影響問題突出，但目前天然地基方案、既有建筑地基、基礎的重復利用等方面研究不夠。

3.2.3設計領域的技術力量和運作機制有待提高

當前，綠色巖土工程規劃、勘察、設計、施工、監（檢）測、維護、報廢等方面專業人才和機構缺乏，不能滿足推進綠色巖土的需要。另外綠色巖土涉及的學科較多，對專業間合作機制提出了新的要求，而在這些方面，目前的發展與調整還普遍滯后。

3.3 綠色巖土技術制度發展存在的問題

綠色巖土工程的發展離不開完善的制度提供內在支持，而當前標準體系未建立、法規制度不健全、激勵政策不足等問題令綠色巖土發展困難重重。

3.3.1綠色巖土標準體系沒有建立

綠色巖土涉及的環節和學科多，雖然各學科已經形成了各自的標準體系，但相互缺乏有機協同；雖然國家出臺的綠色建筑、綠色施工的評價標準，但其針對性強，對綠色巖土工程進行評價適用不夠；另外，綠色巖土技術設計無明確取費標準，現行標準較低，特別是部分建筑開發商重施工、輕勘察設計，盲目壓價，嚴重影響設計者開展綠色巖土工程的積極性。

3.3.2綠色巖土法規制度不健全

目前，我國綠色巖土法規制度體系缺乏，對綠色巖土的定義、定位均沒有明確，全壽命周期綠色巖土建設管理制度尚未建立；另外政府已有的監管制度只針對的是傳統的巖土工程，綠色巖土工程實施過程中如何實現質量監管是亟需解決的問題；另外巖土工程已有的監管制度，現有的制度對偏重巖土設計、施工，重視節能非常重視，但對節水、節材、節地、廢棄物處理和環境保護方面重視不夠；對巖土設計、施工比較重視，但對廢棄物等方面重視不夠。

3.3.3發展綠色巖土的激勵政策不足

目前，雖有一些與綠色建筑相關的節能、節水、環保等相關的財稅激勵政策，但還沒有專門針對綠色巖土工程的財政、稅收、金融優惠政策，導致開發商、承包商、建設單位等相關主體發展綠色巖土的內生動力不足。

4 結語與展望

當前能源和資源的短缺已成為妨礙我國國民經濟可持續發展的重要因素，因此，在能源資源消耗大戶的土木工程行業，推行綠色巖土技術是可持續發展的重要課題和關鍵環節。針對綠色巖土工程研究現狀及存在的問題，本文認為以下幾個方面是今后一個時期研究的重點問題。

4.1 加強綠色巖土意識培養

通過大力宣傳綠色巖土帶來的各種生態效應，倡導綠色生活方式，加強社會大眾的綠色意識和行為；加強觀念革新，引導本行業專業人員積極思考，在設計工作中逐漸培育綠色巖土工程設計理念，特別是應在注冊巖土工程師職業資格考試中設置相關綠色巖土試題。

4.2 積極推進綠色巖土技術研發

加強引進、消化吸收國外先進適用的綠色巖土技術，多學科、跨專業聯合研究攻關，豐富綠色巖土的理論內涵，積極開展低碳解決方案和低能耗工藝、設備和工法的研究，加快國內綠色巖土關鍵技術研發；為便于綠色巖土工程的實施，應積極研發和引進新的施工技術。

4.3 建立全壽命周期的整合性設計機制

在工程項目的建設規劃階段，樹立全壽命期理念，從整體上及項目全壽命周期上尋求綠色巖土技術與當地經濟發展水平及資源特點、區域特點合理匹配的相結合點，積極采用綠色巖土技術進行設計；設計階段對項目與周邊環境進行宏觀統籌考慮，在具體設計中應精細計算節約造價及資源；施工階段，合理規劃部署，全過程施行綠色施工，實現“四節一環保”的工程建設綠色標準。通過推行綠色巖土工程的設計、施工，促進工程的經濟與生態效益價值共贏。

4.4 健全法規和技術標準體系，建立有效激勵機制

目前，綠色巖土工程尚無明確的法規規定和技術標準，在推進過程中必然受到許多傳統規則的制約，因此，政府部門需加強引導，號召各行業共同參與，并結合當地的經濟社會發展水平和資源稟賦，因地制宜制定綠色巖土工程標準、規范和技術指南；運用經濟杠桿的作用，制訂優惠稅收及補貼政策，通過示范工程的榜樣力量，積極引導市場，吸引投資幫助綠色巖土的發展。

4.5 加快綠色巖土工程標準評價體系的開發與實施

從規劃、勘察、設計、施工、監（檢）測、維護、報廢等全過程入手，并考慮項目各參與方在綠色巖土中的角色，予以理論指導與科學衡量，構建基于全壽命周期的綠色巖土標準評價體系。

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The Research Status and Development of Green Geotechnical Engineering

PENG Tao REN Dong-xing DENG An

(Chengdu Surveying Geotechnical Research Institute Co. Ltd of MCC, Chengdu 610023)

This paper reviews the achievements of green geotechnical engineering in the past ten years and its current present situation. The definition of green geotechnical engineering is given. The green drilling technology, site formation theory, green foundation pit support, slope protection technology, foundation construction technology, utilization of solid waste disposal and desertification control are discussed in detail. The current problems of green geotechnical engineering are analyzed. Key problems solved in further research are put forward.

green geotechnical engineering; sustainable development; low carbon

2017-11-08

彭濤(1981－)，男，四川簡陽人，高級工程師，主要從事巖土工程勘察設計與研究工作

[P642.3]

A

1006-0995（2018）02-0292-07

10.3969/j.issn.1006-0995.2018.02.024