城市地下工程建设中工程地质环境问题及对策

杨永军 翟文辉

（河南省地矿局第二地质矿产调查院， 河南 郑州 450001）

0 前言

城市化进程的加快使城市建设的用地变得越来越紧张，因此建筑业逐渐开始从地上向地下的空间发展，其目的就是为了更好的发展和利用地下的空间。但是地下空间和地上空间的开发存在差异性，地下空间的内部结构比较复杂，在开发的过程中稍有不慎就会影响整个工程的质量，不仅对地下水环境造成影响，同时还还可能造成建筑物的塌陷问题，对经济发展建设不力。

1 环境工程地质的研究范围

为了适用人类工程经济活动的需要，科学的改造和保护地质环境促进了工程地质的兴起。工程地质学的发展主要以地质学理论和方法为基础，同时需要结合环境科学以及相关的学科。工程地质的主要作用是为了更好的查明区域工程地质条件和自然地质的作用，在此基础上研究人类工程经济活动和地质环境之间的关系。概括来讲，首先，通过对环境的研究实现对不良环境地质作用人类工程经济影响的预测，为获得合理的规划设计和施工方案奠定数据基础。其次，通过预测人类工程经济活动对地质环境的影响，阐明人类活动对自然界引起的地质变化，同时阐述这种变化对人类的生产生活以及人类的健康产生的影响。人类的工程活动可能引发地震或者是地面沉降、边坡失稳等问题，不科学的砍伐措施可能引起水土流失。总而言之，开展环境工程地质的目的就是为了研究人类工程经济活动对地质环境的影响，同时很好的防治这种地质环境的影响，为科学的保护地质环境奠定基础。

2 工程地质环境问题的类别

2.1 地表变形和移动

在工程建设的过程中，地表的变形和移动是比较常见的环境地质问题。造成地表变形和移动的主要原因是施工操作方法的不当以及埋深的问题。为了更好的防止地表的变形和移动，许多施工方式和工艺不断涌出。

2.2 水文环境的改变

在地下工程施工的过程中对施工所在地区的水位进行处理在一定程度上影响地下工程四周的水位分布。同时会对土壤中的岩土层造成破坏，一旦发生变形的话，势必影响地下水质，严重的话会将引发地质灾害，从而影响施工的进度。

2.3 损坏原有的建筑物

在工程在进行开发的过程中会给周围的建筑物造成不同程度的影响。因此，在进行开发的过程中尤其需要注意这个问题。此外，在施工的过程中，遇到降水会造成地层沉降，沉降也可能造成周围建筑破坏或者管线发生断裂。因为地质条件的不同或者排水量的差异性也可能导致地层的不均匀沉降，这些问题的出现可能会导致建筑物的倾倒或者影响建筑物的正常使用。如果降水量过大的话可能出现围岩渗透变形的问题，而在渗透水流的作用下土层中的吸力可能变化，从而导致水土流失。此外，补偿空隙的不断增大，渗透的速度也不断的加快，一些大的颗粒也很容易被水流带走，导致土体内形成水土流失的现象，从而造成土地的坍塌。

2.4 洞室围岩失去稳定性

在工程施工的过程中势必会对周围的岩土造成影响，一旦岩土稳定性受到影响，出现重大的事故的概率将提升。此外，在岩土重力作用的影响下，工程开挖期间也不能保证稳定性。在建设的过程中还经常出现围岩失去稳定性的问题。地下工程洞室开挖之后，地下形成了自由的空间，而之前处于积压状态的围岩因为解除束缚可能会向其他的空间膨胀变形，当围岩的应力超过了岩土强度的话就就会失去稳定性，从而被破坏。围岩的变形和破坏具有一定的连续性，肉眼不易察觉，一旦失去稳定性的话破坏性比较大。

3 工程地质环境问题产生的原因

3.1 地下工程施工

在地下工程施工的过程中势必会对岩土层造成破坏，岩土层的破坏会造成对力学平衡的干扰，如果地下工程的埋深比较浅的话，对地上的建筑物会造成不同程度的影响，可能出现沉降和变形的问题，如果出现沉降也可能导致地面塌陷，从而损坏地下管道。

3.2 地下工程建设造成地下水污染

地下工程施工的过程中对水资源的污染也是一个需要重视的问题。污水的不断排放会使地下局部地区的水动力环境受到影响，这也加剧了地下水资源被污染。工程开发的过程中，因为一些因素的影响，很容易使地下水出现径流的现象，之后导致水位的上升，对工程施工进度造成影响，同时威胁工程的质量。

3.3 地下工程排水

地下工程建设的过程中，因为地下的水位比较高，很容易出现突水问题。地下工程建设中排出的污水很容易影响地下水资源，严重的话将改变整个施工区域的水环境。

3.4 地面沉降

因为外界环境的因素引起地表沉降，地下工程开挖主要影响地层，在开挖过程中可能会引起地层应力的改变，这种情况被称为二次应力场。引起地表沉降的主要原因是开挖面的应力释放和附加应力造成，主要原因如下所述，首先，工程开挖引起的附加应力。其次，地下工程在施工的过程当中对地层的损坏。最后，地下水渗流引起的地下水位变化。土体的固结沉降如下所述：调查研究显示，地下工程施工中引起的地表沉陷和时间有一定的关系。施工过程中土体内部含水渗出，导致体积不断的减少，从而造成了土的固结。土体在固结过程中也造成了土体的压缩变形和强力的增加。土体的固结是造成地下工程地面沉降的重要原因之一。结合地下工程的实际特点可以总结出土体固结的主要原因。首先，土体中的空隙水压力发生变化，从而引起土体的固结沉降。其次，地下水位的变化引起的固结沉降。再次，破坏之后造成的沉降。最后，土体的流变造成的沉降。

3.5 斜坡破坏

斜坡破坏主要发生在山区城市，不仅造成严重的经济损失，严重的话可能造成人员的伤亡。斜坡破坏的主要原因是地质的作用和工程地质作用共同引发的，其中工程地质作用所造成的斜坡破坏概率比较大。需要注意的是，并不是所有的破坏都能被称为地质灾害，但是斜坡破坏确实是地质灾害类型之一。滑坡是其破坏的主要形式之一，造成滑坡的主要因素有地震、降雨和人类的活动等，其中最主要的原因是地下工程活动所引起的，地下工程在开挖的过程当中可能会对地上的土体造成影响，引起岩体的开裂和地面的倾斜，在外界环境的影响下导致山体形成滑坡。在隧道建设的过程中，滑坡的现象也是比较普遍的，危害也比较严重。为了更好的提高斜坡沿途的稳定性，降低斜坡破坏的严重性，应该科学的认识到斜坡破坏的内在原因和外部条件之间的关系，掌握两者之间的规律之后再进行科学的预防。特别是现在人类的活动比较繁多，往往会形成密集区，一旦出现斜坡破坏的话，造成的经济损失和人员伤亡是无法估量的，因此在地下工程施工的过程当中尤其要注意斜坡破坏问题。

4 城市地下工程建设环境工程地质研究应解决的关键问题

4.1 城市三维空间的工程地质环境质量评价与分区

地下工程和地上工程存在着严格的差异性，在对地下工程建设评价的过程中应该采取严格的地下三维空间工程地质环境评价，在施工的过程中应该充分的考虑地貌地形、岩土性状和水文地质条件等因素。此外，为了保证地下工程的顺利进行还应该对地下工此外程地质环境质量进行立体分区。

4.2 城市岩土立体结构特征及区划

在工程施工中还应该对城市岩土体立体结构进行研究，分析城市各种类型的地域分布，制定科学的规划措施，更好为城市地下空间的规划和建设提供意见和实用价值。

4.3 区域稳定性的分析与评价

为了更好的提高城市地下工程的质量，应该做好区域稳定性的分析与评价。只有确定规划区域内的结构稳定性，才能提出更加合理的技术设计和可行性的方案。在进行工程选址规划的过程中，应该考虑区域内的地壳稳定性，避免在施工的后期阶段出现问题，从而影响施工的进度。

4.4 施工阶段的工程地质勘查

在地下工程建设中，不同的阶段需要不同的工程地质勘查手段，勘查的主要内容有地质构造、水文地质、地层岩性等，准确和及时的地质能够为施工的顺利进行奠定基础。

4.5 典型工程地质问题的详细研究

在地下工程建设的过程中会面临许多的问题，尤其实地质方面的问题，如地面沉降和围岩失去稳等就是典型的地质问题，地质问题的出现将严重影响工程的规划和建设，必须对可能遇到的地质问题进行事先的规划和详细的研究，这样才能更好的保证地下工程建设的顺利进行，也能将地下工程建设中存在的影响因素降到最低。

5 防治对策研究

5.1 采取全面性的地质勘查

全面性的地质勘查对防治城市地下工程建设中的环境问题和地质问题具有一定的意义。在城市地下工程建设之前，相关的施工单位应该做好一些准备，如对施工现场的周边环境以及相关的情况进行勘察，同时科学的记录勘察的资料，保证资料的完整性和真实性，勘查的资料可以作为城市地下工程建设的重要依据。地下工程挖掘的过程中，可以结合四周地质环境采取不同的挖掘策略，尽可能将对土层的破坏降到最低。可以说勘察工作对城市地下工程建设至关重要，保证勘察数据的完整性对降低城市地下工程项目的施工安全意义重大，在降低城市工程对环境造成不利影响的同时也防止了地质问题的出现。

5.2 重视先进施工技术的引进

先进的技术对防治城市地下工程项目建设对环境的影响具有一定的作用。举例而言，在地下工程项目建设初期阶段采用BIM 技术实现对勘察数据的整理，同时还能建立工程建设模型采取科学的手段建立可行性的方案，及时对方案就行修改和完善。

5.3 合理进行降水设计

在地下工程施工的过程中，因为对地下水造成的基坑事故经常发生，因此应该充分的考虑地下水的影响，应该对地下水位和人工降水进行科学的设置。为了保证地下水的可靠性，应该采取科学合理的降水政策，降低降水原因而造成的事故。

5.4 对施工现场的实时监测

地下工程建设势必会对四周的环境造成严重影响，为了保证施工的稳定性，必须对施工现场进行实时监测。通过科学的监测能够及时的获得地下工程的降水信息，对施工的过程进行监督管理，一旦发现问题就可以采取科学的措施，为推进工程的稳定进行奠定基础。在进行地下工程设计过程中，借助计算机辅助软件和计算机制图计算工具等，这些辅助手段来预测可能发生的地质环境问题，从而最大程度的降低工程施工对周围环境的影响。

5.5 城市三维空间地质环境质量评价

工程施工过程中的地质环境评价很关键，主要的地质评价有水文要素、地貌情况等，还包括对岩土层的抗震性的测定，科学的地质环境测定能够为工程建设的顺利进行奠定基础。

5.6 区域地层稳定性的分析

在进行地下工程建设计和规划之前应该考虑地层的稳定性，其能够科学的预测在施工的过程当中可能出现的地质环境问题，并且能够制定相应的防治预案。

5.7 做好现场的监测工作，开展信息化施工技术

工程的建设具有一定的特点，即复杂性，同时土体与围护结构体相互作用形成一个动态的变化系统，工程施工的过程中，如果仅仅依靠理论分析和经验是很难把握复杂的施工条件，同时也不可能制定科学的开发方案。在施工的过程中对整个工程进行监测的话能够得了解工程变化的态势，对监测的信息数据进行分析，能够得出地下工程的变化趋势。在监测的过程当中如果发现险情要出现的话，可以做及时的预警，采取必要的防护措施，为施工的安全和环境的安全奠定基础。如果发现在施工的过程中存在安全因素的话，应该及时的对施工进行修改设计。

5.8 积极推行地下工程建设系统管理与防御技术

地下工程建设中的防御技术对其顺利施工有一定的影响，为了更好的完成地下工程建设必须要进行勘察、设计、施工、监测。在勘察设计阶段，为了保证施工的安全性，必须对施工地区的地质条件进行仔细的勘察，查明施工地区的地下管线和周围建筑物的具体情况，在方案设计的过程当中综合考虑多方面的因素，要对可能出现的问题进行预见性分析，将施工过程中可能出现的问题进行整理，将相关的建筑和管线的保护纳入到施工设计方案中。此外，应该严格的按照施工的方案进行，对施工过程中存在的问题及时的反馈，对施工过程也需要进行严格的监测，从而施工过程的安全性。此外，在施工的过程当中还应该运用现代的科学技术手段，为工作顺利进行奠定基础。

5.9 推行时空效应的工程技术

经过多年的研究发现，在施工的过程当中应该重视控制基坑的变形问题，用时空效应的工程技术是一条安全经济的途径，该技术能够利用土体自身的基坑开挖过程来控制土体位移的潜力，从而实现保护环境的目的。基坑开挖的过程中应该适当的减少开挖土方的空间尺寸，同时减少暴露的面积。通过时空效应的工程技术来解决软土深基坑稳定和变形的问题。

5.10 做好开挖工作的优化选择

工程的开发方式有很多，举例而言，在基坑工程中，开挖的方式有分层全开挖和中心岛式开挖，不同的开挖的开发方式顺序是不同的。中心岛式开发是从一个方向按照顺序向着另外一个方向开挖的方式，该种方式对基底隆起的地面沉降有一定的缓解作用。因此，为了降低沉降发生的可能性，应该结合地区的实际情况和建筑物周围的情况选择具体的开挖方案。

6 结束语

经济的发展和社会的进步促进了城市化进程的加快，这也使一些地下工程被开发和利用，典型的地下工程有地铁、地下室、地下车库等，同时地下工程和人们的生活密切相关，已经成为我们生活中不可缺少的组成部分，为城市的发展和建设起着重要的作用。地下工程一般都在市区内进行，对市区内的一些基础设施和建筑物等都会造成影响，尤其是施工不当的话，还可能引起地层的位移、变形、沉降和塌陷等，从而对城市的基础设施和道路等造成不同程度的损害。为了更好的提高城市工程建设的效果，避免在建设的过程中出现地质问题和环境问题，需要采取系统和科学的地质环境研究方法，从而提出切实有行的防治措施，降低地下工程施工问题的同时更好保护地下环境。本文主要阐述了城市地下工程建设中的环境地质问题，同时分析了出现问题的原因以及采取科学的防治措施，希望为相关的工作人员提供参考。