1、1上海地区突发工程性地质灾害处置关键技术综述陆惠泉 1 李众 2（1.上海地矿工程勘察院 2.上海市地矿建设有限责任公司，上海，20072）作者简介：陆惠泉（1963） ，男，高级工程师，主要从事基础工程施工和城市地质灾害处置与研究工作。摘 要本文立足于上海特大型城市所处的脆弱地质环境条件，通过对上海地区地质灾害尤其是突发工程性地质灾害类型及其工程诱因的系统分析，结合工程实例阐述了地质灾害应急处置的基本程序与关键技术。关键词上海，突发地质灾害，应急处置，关键技术Summary of Crucial Emergency Treatments for The Unexpected Geologic
2、al Disasters Caused by Construction in ShanghaiLu huiquan1 Li Zhong2（1.Shanghai Institute of Geological Engineering Exploration，2. Shanghai Geological Construction Co., Ltd Shanghai， 200072）Abstract: According that Shanghai is a mega city with fragile geological conditions, this paper expounded the
3、basic procedures and crucial technologies of geological disasters emergency treatments with practical engineering examples from Analysis the type and incentives of engineering geological disaster especially unexpected engineering geological disaster in Shanghai.Key words:Shanghai; Unexpected geologi
4、cal disasters; Crucial emergency treatments.前言上海地势低平，滨江临海，第四纪地层深厚，软弱土层广泛分布，地质环境条件相对脆弱。上海地质灾害易发区约占市域面积的 95%以上，但上海地区突发性的自然地质灾害较少，以人为因素引发居多。由于上海地区脆弱的地质环境，在工程建设过程中，特别是地下工程建设中，由于土体受挖、顶、降水、地面堆载等外载荷的作用，稍有不慎即容易发2生基坑变形坍塌（边坡失稳） 、地面塌陷、砂土液化、水土突涌、地裂缝等灾害事故，从而严重影响到城市安全、干扰城市居民的生活。故在上海地区应将工程性地质灾害作为突发性地质灾害防治的重点。1. 上海
5、地区易发地质灾害类型及致灾原因分析上海座落于软土覆盖层发育的临江滨海平原，其自身的地貌地质环境特征（水文、工程地质特征） ，决定了在外动力作用下其产生的地质灾害具有独特的灾种类型。经过上海地质工作者多年的调查、监测和分析研究认为，本地区存在或可能引发的地质灾害灾种类型主要有：抽汲地下流体或工程负载引发的地面沉降，软土地基变形（含不均匀沉降） 、边坡失稳、砂土液化、水土突涌、岸带冲淤、浅层天然气害、水土污染等八种。11.1 上海地区易发工程性地质灾害类型随着上海城市规模的迅速扩大，工程建设项目和地下交通网络、地下空间开发项目日益增多，加上地下管网的建设和老化现象等一系列人类工程活动因素，加之上海
6、地区特殊的地质环境条件，引发了一系列像地面沉降、软土地基形变（含不均匀沉降） 、边坡失稳、砂土液化、水土突涌等地质灾害。上述灾害发生的主要原因归纳起来是由于工程活动引起的。这些灾害在工程建设上的表现形式主要为基坑变形坍塌、地面塌陷、地裂缝等工程性地质灾害，使上海本身非常脆弱的地质环境更加脆弱，且这类工程性地质灾害正日益成为上海地区突发性地质灾害的主体。由于地质灾害具有明显的叠加性和衍生性特征，对由此可能引发的次生灾害也成为影响城市建设和城市发展的不可忽视的重要因素。1.1.1 基坑变形坍塌基坑工程是施工开挖与结构工程、岩土工程、环境工程、地质条件等诸多因素交叉，是一项涉及范围广泛且又具有时空效
7、应的综合性工程。由于以上诸多因素的影响，近年来基坑事故灾害时有发生。根据建设部和相关专业人士对近几年发生的工程事故所做的统计，基坑工程事故一般发生率约占基坑工程数量的 20%左右，有的城市甚至占到 30%左右，在基坑施工中基槽坍塌造成的事故占坍塌事故的近 50%，且有进一步上升趋势。3基坑工程事故的频频发生，造成了重大的损失和严重后果，影响着社会的稳定和可持续发展。上海作为一个正在快速发展中的国际大都市，每年有数于千计的项目在施工，而由于上海所处的特殊地理位置和特殊地质环境条件，每年因基坑变形坍塌、渗漏、流砂、管涌、砂土液化、基底滑移、倾覆等因素引发的大小事故案例也不在少数，因此来自基坑安全的
8、压力非常巨大。1.1.2 地面塌陷工程性地面塌陷发生突然，造成地面建筑物破损严重，威胁着居民的生命财产安全，严重干扰和破坏交通线路和基础设施。随着人类工程经济活动的日益增强，地面塌陷的危害程度越来越大。就上海而言，由人类活动引起的工程性地面塌陷现象也时有发生，对城市的正常人类活动，特别是城市的交通命脉影响较大。2008 年 11 月 15 日杭州地铁施工引起的特大型地面塌陷事故，更是给人们敲响了警钟。1.1.3 地裂缝地裂缝是一种表生地质现象。鉴于上海地区的特殊的地质条件，上海地区的地裂缝主要是由人类工程活动引起的非构造性地裂缝，故本课题重点研究的即为非构造性的，由人类工程活动引发的工程性地裂
9、缝，这种裂缝从成因角度分析，一般并不单独发生，往往随基坑变形坍塌或地面沉降塌陷而伴生，可认为是一种衍生的或次生的地质灾害。1.2 上海地区常见的工程性地质灾害致灾原因分析1.2.1 基坑变形坍塌致灾原因分析（1）基坑工程常见的事故类型基坑工程常见的事故有：悬臂式围护结构过大的内倾位移、内撑或锚杆围护结构失稳发生较大的向内变形、边坡失稳、基底隆起、坑底突涌、周边地面沉降及其他因设计、施工不当而造成的事故。其中，最严重的是基坑变形坍塌灾害，其发生后所造成的损失和引发的后遗症最大。（2）基坑变形坍塌致灾原因分析基坑变形坍塌致灾原因是多方面的，根据课题组搜集的相关案例资料，经过统计分析，其致灾原因主要
10、表现和分布在以下几个方面（表 1）4基坑变形坍塌事故原因统计分析表 表 1第一组 第二组 第三组 合计序号事故发生的主要原因 发生次数（起）占总数比例（% ）发生次数（起）占总数比例（% ）发生次数（起）占总数比例（% ）发生次数（起）占总数比例（%）1建设单位管理问题10 6 6 12 1 1.2 17 2.22 工程勘察原因 7 3.5 18 3.4 5 5.8 30 3.83 工程设计原因 74 46 213 40.8 21 24.4 308 404 工程施工原因 66 41.5 207 39.6 42 48.8 315 40.95 工程监理原因 5 3 / / / / 5 0.66 地
11、下水原因 / / 69 13.2 17 19.8 86 11.27 其他综合原因 / / 9 1.8 / / 9 1.38 合计 162 100 522 100 86 100 770 100注：表中第一组数据摘自唐业清、李君民、崔江等的基坑工程事故分析与处理 ，第二组数据摘自王曙光 深基坑支护事故处理经验录 ，第三组数据来陆惠泉、杨建刚、李众等. 上海地矿工程勘察院 上海市突发性地质灾害应急处置关键技术研究与应用研究报告的相关案例。由上述数据可以看出：设计和施工质量是引发基坑变形坍塌灾害的两大主要因素。1.2.2 地面塌陷致灾原因分析引起地面塌陷的动力因素有自然因素和人为因素，其中人为因素引发
12、的地面塌陷占大多数。从上海地区部分地面塌陷案例资料来分析，上海地区局部的地面塌陷基本均由人为因素引起，主要为基坑变形坍塌、边坡失稳引起的地面塌陷，具体表现为：（1）深基坑开挖，隧道盾构傍通道施工及盾构顶管掘进、进出洞工况时，地层遭受挖、掘，造成损伤而产生地面塌陷。（2）地下工程施工的排水疏干与突水（突泥）作用，使其上方的地表土体失衡，在有地下空洞时产生地面塌陷。5（3）过量开采或抽排地下水，引起地下水位降低，使土体应力失衡，引发地面塌陷。（4）人工振动，在易振动液化地层中人工振动，使土体局部液化，造成水土流失，局部出现空洞，引起地面塌陷。（5）地下水管（自来水、雨水、污水等管道）年久渗水，造成
13、局部水土流失，导致地面塌陷。（6）回填土未压实。城市改造使得大型掘路工程不断增多，自来水、煤气、电信和供电部门不断开挖路面进行施工。由于“重复建设” 以及工程工期紧张，加之掘路回填与路面修补通常同时进行，导致部分回填土的压实程度达不到规范要求，造成修复后短期内即出现地面塌陷。1.2.3 地裂缝致灾原因分析根据上海地区的地质环境条件，工程性地裂缝主要由以下原因造成：（1）松散土体、潜蚀裂缝：由于地下水或地下管线渗水的冲刷、潜蚀、软化作用等，使松散土体中部分颗粒随水流失，造成土体开裂而形成。（2）地面沉降裂缝：因各类地面沉降塌陷或过量开采地下水引起地面沉降过程中的岩、土体开裂而形成。（3） 坍塌裂
14、缝：由于邻近区域边坡垮塌或基坑变形坍塌造成地表开裂而形成。2. 地质灾害应急处置的基本程序与关键技术路线2.1 地质灾害应急处置的基本程序地质灾害应急处置一般遵循以下基本程序（详见下图 1） 。图 1 地质灾害应急处置基本程序2.2 地质灾害应急处置关键技术路线地质灾害应急处置关键技术主要包括：处置前的探测技术，施工处置技术，6处置过程实时监测技术，次生灾害的预防与控制技术以及处置后的检测、监测评估技术，其关键技术路线详见下图 2。图 2 突发性地质灾害应急处置关键技术路线3. 上海地区突发性工程性地质灾害处置关键技术综述以基坑变形坍塌灾害为例尽管地质灾害种类本身具有多样性，且引发的原因及环境
15、和边界条件也各有差异，但其处置的关键技术具有一定的共性和普遍性。据此，本文仅以基坑变形坍塌灾害为例对上海地区突发性工程性地质灾害处置中具有普遍适用意义的关键技术作一简要综述。3.1 接受指令与策划准备7明确的指令和充分的准备是实施有效应急救援的首要前提，在接受应急救援和处置任务时，必须予以充分重视。3.2 现场调查与评估灾害险情发生后，需迅速组织力量对灾害现场进行调查，查清水文、工程地质情况及周边管线和环境等情况，分析评估灾情状况和发展趋势，为后续救援抢险工作的开展打好基础。3.3 处置前的探测技术处置前的探测旨在摸清现状，找准诱因，确定重点部位，以确保处置方法得当，处置过程有的放矢，提高处置
16、效果。3.3.1 处置前需要探明的技术问题基坑变形坍塌发生时地球物理探测需要查明的地质问题应包括：（1）工程地质层埋深、厚度。（2）含水层的埋深、厚度及分布。（3）圈定基坑外围受灾体的变形的范围、埋深，并对关键地层进行跟踪探测。（4）探明基坑底板的变形、破碎带、裂隙带，并按灾害影响程度进行分区。（5）围护墙体的破碎带、裂缝带现状等。3.3.2 地球物理探测方法的选用基坑变形坍塌可采用地震勘探、地质雷达、高密度电法等进行勘探。不同的地球物理探测方法具有不同的应用条件和技术特点，探测时可根据不同探测目的、探测对象及环境条件选择使用。3.4 施工处置程序与技术方法根据基坑变形坍塌灾害形成及发生的过程
17、及程度，基坑变形坍塌灾害应急处置技术，应按基坑变形发生重大险情和基坑变形坍塌两个不同阶段，分别采取不同的应急处置措施，不仅可以赢得先机，更重要的是可以使处置技术发挥的作用更显著，使灾害可能造成的损失降低到最小。3.4.1 基坑变形发生重大险情时的施工处置程序和技术方法3.4.1.1 一般施工处置程序：坡顶卸荷降水减压坑内临时支撑排水8固结堵漏止水裂缝和空洞回灌围护结构补强3.4.1.2 施工处置技术方法在综合分析物探资料、现场调查资料及评估的基础上，确定处置方法和目标。常规条件下，可按以下处置方法进行处置：(1) 坡顶卸荷在条件允许的前提下（如周边环境空旷） ，在存在重大险情的区域外围，将坡顶
18、一定范围内的土体挖除，减少坡顶荷载，以减少对围护体系的压力，提高围护体系的稳定性。坡顶卸荷，是较直接有效的基坑变形应急方案之一。(2) 降水减压当施工区域上部地层以砂性土为主，且周边近距离（一般基坑开挖深度1.52 倍范围内）无重要构筑物，或对沉降不敏感的建筑物时，则可在坑外采取降水措施，以实现对围护结构的减压。采取降水减压时，应加强水位变化及环境监测并根据监测结果控制降水速率和时间，谨防降水过度引发新的灾害。(3) 基坑内回填或基坑内临时支撑在基坑已发生较大位移而产生现险情时，则在采取坡顶卸荷的同时，可采取在基坑内回填反压或增设临时支撑的方式进行加固处理。若基坑较大，中间土体尚未挖除，则可采
19、取“中心岛”方式加设对撑或斜撑，即利用中间余土作为“中心岛”对围护体系加设对撑或斜撑，以稳定围护结构。若土方已挖至基坑标高，此时若围护体系位移尚不影响基础施工时，则可采取加内撑结合快速施工方式，即快速浇筑砼垫层以起到内支撑作用，也可同时利用临近的基础桩架设连梁，并加设斜支撑加固围护体系方式。在此基础上快速实施该区段的基坑底板及地下结构施工，完成基础与围护间的回填，以有效控制围护体系位移变形。(4) 排水固结当基坑险情由于砂土液化、管涌或涌、漏砂土引起时，则在采取“降水减压”措施的同时可在坑内进行降（排）水，以利提高坑内地基土强度，提高坑底土体稳定性，有利于控制险情。此时，须结合围护体系的位移监
20、测，实时调整降排水速度。(5) 堵漏止水91) 当基坑开挖后，出现止水帷幕渗漏水时，则应在围护体系坑内侧迅速设置引流管，并用快速水泥进行封堵，待封堵水泥体强度达到要求后再封堵引流管。2) 在砂性土为主的地层中，宜在围护体系坑外侧采用单液或双液注浆技术进行堵漏。3) 当遇粘性土及 N30 砂性土（N 为标准贯入试验实测锤击数）地层时，则宜选用劈裂注浆或高压旋喷工艺进行堵漏。(6) 裂缝和空洞回灌若因围护体系出现较大位移，导致围护压顶面或墙体后出现裂缝，或因围护体系渗漏造成围护墙体后出现空洞时，则应尽快采用纯水泥浆或低标号水泥砂浆或具有一定强度的发泡类材料（例聚胺酯或低标号膨胀混凝土等）进行回灌填
21、堵，以稳定和控制围护体系。(7) 围护结构补强1) 若险情发生后围护结构尚处于稳定状态，但支护结构本身强度或刚度不能满足后期地下基础工程施工需要时，须对围护结构进行补强处理。2) 围护结构补强包括围护墙体补强和支撑体系结构补强两部分。补强方案应由原围护体系设计单位根据前期处置情况和详细设计计算提出。3) 补强方案实施时，原则上以结构补强为主，若确需对原有部分构件拆除时，须先对加固补强部分进行施工，待其强度达到规范要求时，方可实施对原有部分构件的拆除工作。3.4.2 基坑变形坍塌发生后的应急处置程序和技术方法3.4.2.1 一般处置程序：回填反压空洞及地面沉降塌陷区填灌灌浆充填围护修复重新开挖3
22、.4.2.2 处置方法在综合分析物探资料、现场调查结果及评估的基础上，确定处置方法和目标。常规条件下可按以下处置方法进行处置：（1）回填反压基坑变形坍塌灾害发生后，最快、最有效的办法就是对发生坍塌的区域进行回填反压。即对该区域的坑内快速实施回土或回填砂、石类建材，以控制10灾情的进一步扩大。（2）空洞及地面沉降塌陷区填灌1) 基坑变形坍塌发生后，若在围护体系墙外出现空洞或地面沉降塌陷，应在回填反压趋于稳定后，尽快对空洞或地面沉降塌陷区实施填灌，以稳定和控制处置效果。2）对空洞采用灌砼方式处理时，应注意围护结构修复区的避让。在围护结构修复区可采用低强度膨胀材料充填（如：聚胺酯或低标号膨胀混凝土等
23、） ，待围护结构修复完成后再局部灌浆充填补强。（3）灌浆充填1）对基坑变形坍塌及地面沉降塌陷区引起部分区域土体扰动或回填达不到相应的密实程度形成孔隙时，应及时进行灌浆充填。2）灌浆充填一般采用水泥浆单液注浆或水泥浆加水玻璃双液注浆。（4）围护修复1）基坑变形坍塌发生区域在抢险处置稳定后，应根据周边环境条件及时择址对围护结构进行修复。2）围护修复方案应由原围护结构设计单位在充分总结分析原围护结构坍塌原因和调查评估环境现状的基础上提出。3）修复方案应通过应急救援处置指挥部专家组评审，修复方案必须确保安全、合理、可行。4）实施围护修复方案的施工和监理单位，必须严格执行修复方案的要求和相关规范及标准，确保修复方案正确实施到位，以保证修复的围护结构的安全可靠性。（5）重新开挖1）基坑重新开挖，必须在围护修复部分的结构强度完全达到设计要求，且环境监测结果满足稳定标准后方可进行。2）基坑重新开挖时，必须严格按程序进行监测，发现异常及时通报。情况特殊时，应立即停止挖土作业。待查明原因，或经分析评估无风险隐患存在后，方可继续施工。3.5 处置过程的实时监测
