城市地下工程建設(shè)中工程地質(zhì)環(huán)境問題及對策

楊永軍 翟文輝

（河南省地礦局第二地質(zhì)礦產(chǎn)調(diào)查院， 河南 鄭州 450001）

0 前言

城市化進(jìn)程的加快使城市建設(shè)的用地變得越來越緊張，因此建筑業(yè)逐漸開始從地上向地下的空間發(fā)展，其目的就是為了更好的發(fā)展和利用地下的空間。但是地下空間和地上空間的開發(fā)存在差異性，地下空間的內(nèi)部結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，在開發(fā)的過程中稍有不慎就會(huì)影響整個(gè)工程的質(zhì)量，不僅對地下水環(huán)境造成影響，同時(shí)還還可能造成建筑物的塌陷問題，對經(jīng)濟(jì)發(fā)展建設(shè)不力。

1 環(huán)境工程地質(zhì)的研究范圍

為了適用人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的需要，科學(xué)的改造和保護(hù)地質(zhì)環(huán)境促進(jìn)了工程地質(zhì)的興起。工程地質(zhì)學(xué)的發(fā)展主要以地質(zhì)學(xué)理論和方法為基礎(chǔ)，同時(shí)需要結(jié)合環(huán)境科學(xué)以及相關(guān)的學(xué)科。工程地質(zhì)的主要作用是為了更好的查明區(qū)域工程地質(zhì)條件和自然地質(zhì)的作用，在此基礎(chǔ)上研究人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)和地質(zhì)環(huán)境之間的關(guān)系。概括來講，首先，通過對環(huán)境的研究實(shí)現(xiàn)對不良環(huán)境地質(zhì)作用人類工程經(jīng)濟(jì)影響的預(yù)測，為獲得合理的規(guī)劃設(shè)計(jì)和施工方案奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。其次，通過預(yù)測人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對地質(zhì)環(huán)境的影響，闡明人類活動(dòng)對自然界引起的地質(zhì)變化，同時(shí)闡述這種變化對人類的生產(chǎn)生活以及人類的健康產(chǎn)生的影響。人類的工程活動(dòng)可能引發(fā)地震或者是地面沉降、邊坡失穩(wěn)等問題，不科學(xué)的砍伐措施可能引起水土流失。總而言之，開展環(huán)境工程地質(zhì)的目的就是為了研究人類工程經(jīng)濟(jì)活動(dòng)對地質(zhì)環(huán)境的影響，同時(shí)很好的防治這種地質(zhì)環(huán)境的影響，為科學(xué)的保護(hù)地質(zhì)環(huán)境奠定基礎(chǔ)。

2 工程地質(zhì)環(huán)境問題的類別

2.1 地表變形和移動(dòng)

在工程建設(shè)的過程中，地表的變形和移動(dòng)是比較常見的環(huán)境地質(zhì)問題。造成地表變形和移動(dòng)的主要原因是施工操作方法的不當(dāng)以及埋深的問題。為了更好的防止地表的變形和移動(dòng)，許多施工方式和工藝不斷涌出。

2.2 水文環(huán)境的改變

在地下工程施工的過程中對施工所在地區(qū)的水位進(jìn)行處理在一定程度上影響地下工程四周的水位分布。同時(shí)會(huì)對土壤中的巖土層造成破壞，一旦發(fā)生變形的話，勢必影響地下水質(zhì)，嚴(yán)重的話會(huì)將引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，從而影響施工的進(jìn)度。

2.3 損壞原有的建筑物

在工程在進(jìn)行開發(fā)的過程中會(huì)給周圍的建筑物造成不同程度的影響。因此，在進(jìn)行開發(fā)的過程中尤其需要注意這個(gè)問題。此外，在施工的過程中，遇到降水會(huì)造成地層沉降，沉降也可能造成周圍建筑破壞或者管線發(fā)生斷裂。因?yàn)榈刭|(zhì)條件的不同或者排水量的差異性也可能導(dǎo)致地層的不均勻沉降，這些問題的出現(xiàn)可能會(huì)導(dǎo)致建筑物的傾倒或者影響建筑物的正常使用。如果降水量過大的話可能出現(xiàn)圍巖滲透變形的問題，而在滲透水流的作用下土層中的吸力可能變化，從而導(dǎo)致水土流失。此外，補(bǔ)償空隙的不斷增大，滲透的速度也不斷的加快，一些大的顆粒也很容易被水流帶走，導(dǎo)致土體內(nèi)形成水土流失的現(xiàn)象，從而造成土地的坍塌。

2.4 洞室圍巖失去穩(wěn)定性

在工程施工的過程中勢必會(huì)對周圍的巖土造成影響，一旦巖土穩(wěn)定性受到影響，出現(xiàn)重大的事故的概率將提升。此外，在巖土重力作用的影響下，工程開挖期間也不能保證穩(wěn)定性。在建設(shè)的過程中還經(jīng)常出現(xiàn)圍巖失去穩(wěn)定性的問題。地下工程洞室開挖之后，地下形成了自由的空間，而之前處于積壓狀態(tài)的圍巖因?yàn)榻獬`可能會(huì)向其他的空間膨脹變形，當(dāng)圍巖的應(yīng)力超過了巖土強(qiáng)度的話就就會(huì)失去穩(wěn)定性，從而被破壞。圍巖的變形和破壞具有一定的連續(xù)性，肉眼不易察覺，一旦失去穩(wěn)定性的話破壞性比較大。

3 工程地質(zhì)環(huán)境問題產(chǎn)生的原因

3.1 地下工程施工

在地下工程施工的過程中勢必會(huì)對巖土層造成破壞，巖土層的破壞會(huì)造成對力學(xué)平衡的干擾，如果地下工程的埋深比較淺的話，對地上的建筑物會(huì)造成不同程度的影響，可能出現(xiàn)沉降和變形的問題，如果出現(xiàn)沉降也可能導(dǎo)致地面塌陷，從而損壞地下管道。

3.2 地下工程建設(shè)造成地下水污染

地下工程施工的過程中對水資源的污染也是一個(gè)需要重視的問題。污水的不斷排放會(huì)使地下局部地區(qū)的水動(dòng)力環(huán)境受到影響，這也加劇了地下水資源被污染。工程開發(fā)的過程中，因?yàn)橐恍┮蛩氐挠绊懀苋菀资沟叵滤霈F(xiàn)徑流的現(xiàn)象，之后導(dǎo)致水位的上升，對工程施工進(jìn)度造成影響，同時(shí)威脅工程的質(zhì)量。

3.3 地下工程排水

地下工程建設(shè)的過程中，因?yàn)榈叵碌乃槐容^高，很容易出現(xiàn)突水問題。地下工程建設(shè)中排出的污水很容易影響地下水資源，嚴(yán)重的話將改變整個(gè)施工區(qū)域的水環(huán)境。

3.4 地面沉降

因?yàn)橥饨绛h(huán)境的因素引起地表沉降，地下工程開挖主要影響地層，在開挖過程中可能會(huì)引起地層應(yīng)力的改變，這種情況被稱為二次應(yīng)力場。引起地表沉降的主要原因是開挖面的應(yīng)力釋放和附加應(yīng)力造成，主要原因如下所述，首先，工程開挖引起的附加應(yīng)力。其次，地下工程在施工的過程當(dāng)中對地層的損壞。最后，地下水滲流引起的地下水位變化。土體的固結(jié)沉降如下所述：調(diào)查研究顯示，地下工程施工中引起的地表沉陷和時(shí)間有一定的關(guān)系。施工過程中土體內(nèi)部含水滲出，導(dǎo)致體積不斷的減少，從而造成了土的固結(jié)。土體在固結(jié)過程中也造成了土體的壓縮變形和強(qiáng)力的增加。土體的固結(jié)是造成地下工程地面沉降的重要原因之一。結(jié)合地下工程的實(shí)際特點(diǎn)可以總結(jié)出土體固結(jié)的主要原因。首先，土體中的空隙水壓力發(fā)生變化，從而引起土體的固結(jié)沉降。其次，地下水位的變化引起的固結(jié)沉降。再次，破壞之后造成的沉降。最后，土體的流變造成的沉降。

3.5 斜坡破壞

斜坡破壞主要發(fā)生在山區(qū)城市，不僅造成嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失，嚴(yán)重的話可能造成人員的傷亡。斜坡破壞的主要原因是地質(zhì)的作用和工程地質(zhì)作用共同引發(fā)的，其中工程地質(zhì)作用所造成的斜坡破壞概率比較大。需要注意的是，并不是所有的破壞都能被稱為地質(zhì)災(zāi)害，但是斜坡破壞確實(shí)是地質(zhì)災(zāi)害類型之一。滑坡是其破壞的主要形式之一，造成滑坡的主要因素有地震、降雨和人類的活動(dòng)等，其中最主要的原因是地下工程活動(dòng)所引起的，地下工程在開挖的過程當(dāng)中可能會(huì)對地上的土體造成影響，引起巖體的開裂和地面的傾斜，在外界環(huán)境的影響下導(dǎo)致山體形成滑坡。在隧道建設(shè)的過程中，滑坡的現(xiàn)象也是比較普遍的，危害也比較嚴(yán)重。為了更好的提高斜坡沿途的穩(wěn)定性，降低斜坡破壞的嚴(yán)重性，應(yīng)該科學(xué)的認(rèn)識(shí)到斜坡破壞的內(nèi)在原因和外部條件之間的關(guān)系，掌握兩者之間的規(guī)律之后再進(jìn)行科學(xué)的預(yù)防。特別是現(xiàn)在人類的活動(dòng)比較繁多，往往會(huì)形成密集區(qū)，一旦出現(xiàn)斜坡破壞的話，造成的經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡是無法估量的，因此在地下工程施工的過程當(dāng)中尤其要注意斜坡破壞問題。

4 城市地下工程建設(shè)環(huán)境工程地質(zhì)研究應(yīng)解決的關(guān)鍵問題

4.1 城市三維空間的工程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)與分區(qū)

地下工程和地上工程存在著嚴(yán)格的差異性，在對地下工程建設(shè)評(píng)價(jià)的過程中應(yīng)該采取嚴(yán)格的地下三維空間工程地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)，在施工的過程中應(yīng)該充分的考慮地貌地形、巖土性狀和水文地質(zhì)條件等因素。此外，為了保證地下工程的順利進(jìn)行還應(yīng)該對地下工此外程地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量進(jìn)行立體分區(qū)。

4.2 城市巖土立體結(jié)構(gòu)特征及區(qū)劃

在工程施工中還應(yīng)該對城市巖土體立體結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，分析城市各種類型的地域分布，制定科學(xué)的規(guī)劃措施，更好為城市地下空間的規(guī)劃和建設(shè)提供意見和實(shí)用價(jià)值。

4.3 區(qū)域穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià)

為了更好的提高城市地下工程的質(zhì)量，應(yīng)該做好區(qū)域穩(wěn)定性的分析與評(píng)價(jià)。只有確定規(guī)劃區(qū)域內(nèi)的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，才能提出更加合理的技術(shù)設(shè)計(jì)和可行性的方案。在進(jìn)行工程選址規(guī)劃的過程中，應(yīng)該考慮區(qū)域內(nèi)的地殼穩(wěn)定性，避免在施工的后期階段出現(xiàn)問題，從而影響施工的進(jìn)度。

4.4 施工階段的工程地質(zhì)勘查

在地下工程建設(shè)中，不同的階段需要不同的工程地質(zhì)勘查手段，勘查的主要內(nèi)容有地質(zhì)構(gòu)造、水文地質(zhì)、地層巖性等，準(zhǔn)確和及時(shí)的地質(zhì)能夠?yàn)槭┕さ捻樌M(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

4.5 典型工程地質(zhì)問題的詳細(xì)研究

在地下工程建設(shè)的過程中會(huì)面臨許多的問題，尤其實(shí)地質(zhì)方面的問題，如地面沉降和圍巖失去穩(wěn)等就是典型的地質(zhì)問題，地質(zhì)問題的出現(xiàn)將嚴(yán)重影響工程的規(guī)劃和建設(shè)，必須對可能遇到的地質(zhì)問題進(jìn)行事先的規(guī)劃和詳細(xì)的研究，這樣才能更好的保證地下工程建設(shè)的順利進(jìn)行，也能將地下工程建設(shè)中存在的影響因素降到最低。

5 防治對策研究

5.1 采取全面性的地質(zhì)勘查

全面性的地質(zhì)勘查對防治城市地下工程建設(shè)中的環(huán)境問題和地質(zhì)問題具有一定的意義。在城市地下工程建設(shè)之前，相關(guān)的施工單位應(yīng)該做好一些準(zhǔn)備，如對施工現(xiàn)場的周邊環(huán)境以及相關(guān)的情況進(jìn)行勘察，同時(shí)科學(xué)的記錄勘察的資料，保證資料的完整性和真實(shí)性，勘查的資料可以作為城市地下工程建設(shè)的重要依據(jù)。地下工程挖掘的過程中，可以結(jié)合四周地質(zhì)環(huán)境采取不同的挖掘策略，盡可能將對土層的破壞降到最低。可以說勘察工作對城市地下工程建設(shè)至關(guān)重要，保證勘察數(shù)據(jù)的完整性對降低城市地下工程項(xiàng)目的施工安全意義重大，在降低城市工程對環(huán)境造成不利影響的同時(shí)也防止了地質(zhì)問題的出現(xiàn)。

5.2 重視先進(jìn)施工技術(shù)的引進(jìn)

先進(jìn)的技術(shù)對防治城市地下工程項(xiàng)目建設(shè)對環(huán)境的影響具有一定的作用。舉例而言，在地下工程項(xiàng)目建設(shè)初期階段采用BIM 技術(shù)實(shí)現(xiàn)對勘察數(shù)據(jù)的整理，同時(shí)還能建立工程建設(shè)模型采取科學(xué)的手段建立可行性的方案，及時(shí)對方案就行修改和完善。

5.3 合理進(jìn)行降水設(shè)計(jì)

在地下工程施工的過程中，因?yàn)閷Φ叵滤斐傻幕邮鹿式?jīng)常發(fā)生，因此應(yīng)該充分的考慮地下水的影響，應(yīng)該對地下水位和人工降水進(jìn)行科學(xué)的設(shè)置。為了保證地下水的可靠性，應(yīng)該采取科學(xué)合理的降水政策，降低降水原因而造成的事故。

5.4 對施工現(xiàn)場的實(shí)時(shí)監(jiān)測

地下工程建設(shè)勢必會(huì)對四周的環(huán)境造成嚴(yán)重影響，為了保證施工的穩(wěn)定性，必須對施工現(xiàn)場進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。通過科學(xué)的監(jiān)測能夠及時(shí)的獲得地下工程的降水信息，對施工的過程進(jìn)行監(jiān)督管理，一旦發(fā)現(xiàn)問題就可以采取科學(xué)的措施，為推進(jìn)工程的穩(wěn)定進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。在進(jìn)行地下工程設(shè)計(jì)過程中，借助計(jì)算機(jī)輔助軟件和計(jì)算機(jī)制圖計(jì)算工具等，這些輔助手段來預(yù)測可能發(fā)生的地質(zhì)環(huán)境問題，從而最大程度的降低工程施工對周圍環(huán)境的影響。

5.5 城市三維空間地質(zhì)環(huán)境質(zhì)量評(píng)價(jià)

工程施工過程中的地質(zhì)環(huán)境評(píng)價(jià)很關(guān)鍵，主要的地質(zhì)評(píng)價(jià)有水文要素、地貌情況等，還包括對巖土層的抗震性的測定，科學(xué)的地質(zhì)環(huán)境測定能夠?yàn)楣こ探ㄔO(shè)的順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

5.6 區(qū)域地層穩(wěn)定性的分析

在進(jìn)行地下工程建設(shè)計(jì)和規(guī)劃之前應(yīng)該考慮地層的穩(wěn)定性，其能夠科學(xué)的預(yù)測在施工的過程當(dāng)中可能出現(xiàn)的地質(zhì)環(huán)境問題，并且能夠制定相應(yīng)的防治預(yù)案。

5.7 做好現(xiàn)場的監(jiān)測工作，開展信息化施工技術(shù)

工程的建設(shè)具有一定的特點(diǎn)，即復(fù)雜性，同時(shí)土體與圍護(hù)結(jié)構(gòu)體相互作用形成一個(gè)動(dòng)態(tài)的變化系統(tǒng)，工程施工的過程中，如果僅僅依靠理論分析和經(jīng)驗(yàn)是很難把握復(fù)雜的施工條件，同時(shí)也不可能制定科學(xué)的開發(fā)方案。在施工的過程中對整個(gè)工程進(jìn)行監(jiān)測的話能夠得了解工程變化的態(tài)勢，對監(jiān)測的信息數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，能夠得出地下工程的變化趨勢。在監(jiān)測的過程當(dāng)中如果發(fā)現(xiàn)險(xiǎn)情要出現(xiàn)的話，可以做及時(shí)的預(yù)警，采取必要的防護(hù)措施，為施工的安全和環(huán)境的安全奠定基礎(chǔ)。如果發(fā)現(xiàn)在施工的過程中存在安全因素的話，應(yīng)該及時(shí)的對施工進(jìn)行修改設(shè)計(jì)。

5.8 積極推行地下工程建設(shè)系統(tǒng)管理與防御技術(shù)

地下工程建設(shè)中的防御技術(shù)對其順利施工有一定的影響，為了更好的完成地下工程建設(shè)必須要進(jìn)行勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測。在勘察設(shè)計(jì)階段，為了保證施工的安全性，必須對施工地區(qū)的地質(zhì)條件進(jìn)行仔細(xì)的勘察，查明施工地區(qū)的地下管線和周圍建筑物的具體情況，在方案設(shè)計(jì)的過程當(dāng)中綜合考慮多方面的因素，要對可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行預(yù)見性分析，將施工過程中可能出現(xiàn)的問題進(jìn)行整理，將相關(guān)的建筑和管線的保護(hù)納入到施工設(shè)計(jì)方案中。此外，應(yīng)該嚴(yán)格的按照施工的方案進(jìn)行，對施工過程中存在的問題及時(shí)的反饋，對施工過程也需要進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)測，從而施工過程的安全性。此外，在施工的過程當(dāng)中還應(yīng)該運(yùn)用現(xiàn)代的科學(xué)技術(shù)手段，為工作順利進(jìn)行奠定基礎(chǔ)。

5.9 推行時(shí)空效應(yīng)的工程技術(shù)

經(jīng)過多年的研究發(fā)現(xiàn)，在施工的過程當(dāng)中應(yīng)該重視控制基坑的變形問題，用時(shí)空效應(yīng)的工程技術(shù)是一條安全經(jīng)濟(jì)的途徑，該技術(shù)能夠利用土體自身的基坑開挖過程來控制土體位移的潛力，從而實(shí)現(xiàn)保護(hù)環(huán)境的目的。基坑開挖的過程中應(yīng)該適當(dāng)?shù)臏p少開挖土方的空間尺寸，同時(shí)減少暴露的面積。通過時(shí)空效應(yīng)的工程技術(shù)來解決軟土深基坑穩(wěn)定和變形的問題。

5.10 做好開挖工作的優(yōu)化選擇

工程的開發(fā)方式有很多，舉例而言，在基坑工程中，開挖的方式有分層全開挖和中心島式開挖，不同的開挖的開發(fā)方式順序是不同的。中心島式開發(fā)是從一個(gè)方向按照順序向著另外一個(gè)方向開挖的方式，該種方式對基底隆起的地面沉降有一定的緩解作用。因此，為了降低沉降發(fā)生的可能性，應(yīng)該結(jié)合地區(qū)的實(shí)際情況和建筑物周圍的情況選擇具體的開挖方案。

6 結(jié)束語

經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步促進(jìn)了城市化進(jìn)程的加快，這也使一些地下工程被開發(fā)和利用，典型的地下工程有地鐵、地下室、地下車庫等，同時(shí)地下工程和人們的生活密切相關(guān)，已經(jīng)成為我們生活中不可缺少的組成部分，為城市的發(fā)展和建設(shè)起著重要的作用。地下工程一般都在市區(qū)內(nèi)進(jìn)行，對市區(qū)內(nèi)的一些基礎(chǔ)設(shè)施和建筑物等都會(huì)造成影響，尤其是施工不當(dāng)?shù)脑挘€可能引起地層的位移、變形、沉降和塌陷等，從而對城市的基礎(chǔ)設(shè)施和道路等造成不同程度的損害。為了更好的提高城市工程建設(shè)的效果，避免在建設(shè)的過程中出現(xiàn)地質(zhì)問題和環(huán)境問題，需要采取系統(tǒng)和科學(xué)的地質(zhì)環(huán)境研究方法，從而提出切實(shí)有行的防治措施，降低地下工程施工問題的同時(shí)更好保護(hù)地下環(huán)境。本文主要闡述了城市地下工程建設(shè)中的環(huán)境地質(zhì)問題，同時(shí)分析了出現(xiàn)問題的原因以及采取科學(xué)的防治措施，希望為相關(guān)的工作人員提供參考。