金沙洲隧道淤泥質地層明挖深基坑施工風險評估及控制

薛模美,吳 榃,張鐵軍

(中鐵四局集團有限公司,合肥 230023)

1 工程概況

武廣鐵路客運專線金沙洲隧道位于廣州與佛山交界處,隧道全長4 469 m,縱坡設計為20‰的“V”字形坡,在里程DK2 196+300～DK2 196+920段為淤泥質地層明挖深基坑段,該基坑工程毗鄰廣州西環高速,四周空曠,無大型建筑物。隧道明挖段地質條件差,存在流塑性淤泥質地層,且地下水非常豐富；基坑設計跨度15.5 m,采用明挖順作直壁式支護開挖方法,基坑圍護采用混凝土鉆孔灌注樁和鋼管支撐以及混凝土支撐體系,樁頂設120 cm×70 cm的冠梁,與樁頂預留鋼筋連接成整體,橫撐采用φ609 mm(δ=16 mm)@3 m的鋼管,支撐豎向間距為3～4 m,軟弱富水地段適當增加。為增加支護結構的橫向剛度,選用了雙拼I56a型鋼作為圍檁。施工過程中均進行一次換撐,鉆孔樁之間外側采用φ650 mm旋噴樁止水,形成止水帷幕。

基坑所在段地質條件對基坑工程施工的影響很大,根據水文地質條件及施工支護措施對基坑進行分段,各分段地質及支護參數特征見表1、圖1。

表1 金沙洲隧道軟弱地層明挖基坑分段地質及支護參數

圖1 DK2 196+300～DK2 196+430段支護體系示意(單位：m)

2 軟弱地層明挖基坑風險辯識

2.1 故障樹法風險分析方法

圖2 金沙洲隧道明挖基坑支護結構體系失效故障

(1)故障樹原理

故障樹(fault tree analysis, FTA)是一種描述事故因果關系的有向邏輯樹,通過對既定的系統或作業中可能出現的風險事故條件及可能導致的災害后果,按工藝流程、先后次序和因果關系繪成程序方框圖,用規定的邏輯符號表示導致風險事故發生的各種因素之間的邏輯關系,用以分析系統的安全問題或功能問題,并為判明風險事故的發生途徑及與災害、損害之間的關系。

(2)故障樹分析步驟

FTA是把系統不希望發生的事件(基坑支護結構體系失效)作為故障樹的頂事件,找出導致該風險事件所有可能發生的直接因素和原因,再逐步深入分析,直到找出風險事故的基本原因,即故障樹的基本事件。然后利用布爾代數進行簡化,求出最小割(徑)集,確定各基本事件的結構重要度,利用己有數據統計或實驗結果得出基本事件的發生概率,進而得出頂上風險事件的發生概率。

2.2 明挖基坑風險因素分析及故障樹編制

金沙洲隧道明挖基坑施工風險產生的原因主要有：基坑勘察設計失誤、水處理不當、施工方法錯誤或不當、工程監測失誤、工程管理失誤、相鄰施工影響、施工質量不達標、環境影響等等。另外,工程各參建方的工作不到位、失職也會導致基坑風險事故,根據以往工程風險事故的統計分析,這三方面導致基坑失穩事故的幾率及影響程度較小,因此本文不考慮這方面的影響。

基坑風險事故的發生,主要是基坑支護結構體系失效(T)所造成,支護結構失效破壞的風險影響因素眾多,通過對金沙洲隧道明挖基坑段的地質情況、施工情況進行調研分析,包括各種工作程序、各種施工參數、作業條件、環境影響因素等,結合案例分析和專家意見,編制故障樹進行風險分析,具體結果見圖2。

3 基坑風險評估

3.1 風險發生概率估計

根據工程實際情況,結合以往的深基坑施工經驗和有關專家意見,得出各個基本事件的發生概率(表2),然后運用前述FTA故障樹分析計算方法算出深基坑支護結構體系事故發生概率以及各種破壞模式的發生概率。

表2 金沙洲隧道深基坑支護結構體系失效風險發生概率

通過故障樹概率重要度的計算分析,DK2 196+300～DK2 196+460、DK2 196+460～DK2 196+505、DK2 196+505～DK2 196+555三段的支護體系失效風險發生概率等級較高,其基本事件X3(存在流塑性淤泥土),X10(樁后地表堆載過大),X12(雨水或者地下管道水滲入),X17(圈梁與樁身連接不牢)的發生概率的變化對頂上事件發生概率的影響程度較大,其中DK2 196+300～DK2 196+460段的基本事件X4(存在溶洞等)對A4(基坑涌水涌沙、基底破壞)的影響非常大,因此風險控制應盡量減少這些基本事件的發生概率,就能大大減少頂上風險事件的發生概率。DK2 196+555～DK2 196+700段支護體系失效風險發生受基本事件X3(存在流塑性軟土)、X12(雨水或者地下管道水滲入)、X15(支撐間距過大)、X17(圈梁與樁身連接不牢)影響較大、DK2 196+700～DK2 196+920支護體系失效風險發生受基本事件X8(巖土特性參數偏差)、X6(混凝土質量差)、X12(雨水或者地下管道水滲入)、X15(支撐間距過大)影響較大。

3.2 風險后果損失估計

深基坑工程事故后果主要分為兩類：一類是設計、施工、管理及其他原因引起的支護體系的自身破壞,導致經濟損失、工期延誤,甚至人員傷亡；另一類是支護體系的破壞,從而導致相鄰建(構)筑物及市政設施破壞或者深基坑土方開挖引起支護體系變形過大以及降低地下水位造成基坑四周地面產生過大沉降和水平位移,影響相鄰建(構)筑物及市政管線的正常使用甚至破壞所造成的損失。

(1)風險后果損失計算模型

金沙洲隧道明挖基坑段為沖積平原區,地表主要是已征收的農田和民房,基坑離廣州西環高速公路比較遠,開挖前采取了堵水的措施,因此該明挖基坑的開挖對環境影響和第三方財產損失這里不做分析。只考慮基坑支護結構體系破壞造成的經濟損失和工期延誤,并把工期延誤折算成經濟損失,而人員傷亡亦忽略不計。

支護結構失效風險后果的損失與初期投資有關,而影響初期投資的主要因素是支護結構設計和施工方案的選擇。有支護基坑工程一般包括基坑加固、降水、圍護結構施工、支撐體系施工、土方開挖等部分,初期投資計算主要是計算這些工程的投資,這里只計算直接費的直接工程材料費,不計算間接費、利潤以及稅金等部分。計算方法如下。

支護結構體系的初始投資

CZ=CJG+CZS+CWH+CZC+CTF

式中：CJG為加固總費用；CZS為止水總費用；CWH為圍護結構總費用；CZC為支撐體系總費用；CTF為土方開挖總費用。

則支護結構失效損失后果與初始投資的關系可表示為

C=PξCZ

式中，ξ為一常數,支護結構失效損失的后果除支護結構本身的直接經濟損失外,還可能造成其他附加損失,例如支護結構的失效有可能導致人員傷亡,對周圍的建(構)筑物造成破壞以及工期損失。這方面的精確分析比較困難,可以根據深基坑工程的不同安全等級,通過籠統調整ξ的大小來估算其影響,本報告不考慮環境影響,但考慮到工期延誤造成的損失以及工程事故產生的影響,ξ取1.5,P為上節算出的支護結構失效概率。

(2)金沙洲隧道明挖基坑風險后果損失計算

按照上文所述的計算模型,參照金沙洲隧道設計施工圖紙工程數量、造價等參數,考慮基坑加固、圍護結構、支撐結構、土方開挖、帷幕止水幾個方面,計算出基坑支護結構體系失效后每段基坑可能的風險損失,見表3。

表3 金沙洲隧道明挖基坑各分段可能的風險損失 萬元

3.3 風險評估結論

根據上述故障樹風險評價方法分析及計算結果,依據相關行規,金沙洲隧道軟弱地層明挖基坑工程在DK2 196+300～DK2 196+460段風險等級為極高,DK2 196+460～DK2 196+505段和DK2 196+505～DK2 196+555段風險等級為高度,應積極采取措施進行規避,DK2 196+555～DK2 196+700段風險等級為中度,應加強施工管理和風險的監控。考慮到基坑地質條件很差,施工風險極高,因此在開挖、維護、加固以及排水等方面都要制定應急措施,確實做到風險心中有數、風險貫穿管理、安全健康施工。基坑各段支護結構體系失效風險等級見表4。

4 基坑施工風險控制措施與實施

通過采用故障樹法對金沙洲隧道明挖基坑支護結構體系失效風險進行評估和風險發生概率重要度的分析,依據風險評估結果,結合專家意見提出以下基坑施工風險控制措施。

表4 金沙洲隧道基坑各段支護結構體系失效風險等級

注：1.鉆孔灌注樁支護結構體系事故發生概率；2.鉆孔灌注樁支護結構體系事故估計損失(萬元)。

(1)針對前三段X3(存在流塑性淤泥土)、X12(雨水或者地下管道水滲入)的概率重要性高,施工時應重視地下水的影響,包括土層中滯水、地下管道滲漏水、地面無組織排水、以及施工期間的雨水等,嚴格做好止水、排水和防水工作,防止水的影響造成塌方。本基坑工程采用鉆孔灌注樁支護,樁頂設置1.2 m×0.7 m的混凝土冠梁,同時在冠梁頂上增設高1.5 m、37 cm厚混凝土隔墻,高出原地面0.9 m,從而防止地表水流入危及基坑穩定,樁間外側必要時增設φ600 mm旋噴咬合樁止水墻,嚴控基坑滲水,效果良好。

(2)針對前三段X10(樁后地表堆載過大)的概率重要性,且地層較軟弱,該工程對樁后地表堆載、水平支撐堆載進行嚴格控制,所有基坑開挖的土方均搬運至遠離基坑50 m之外,禁止在樁后修建臨時建筑,樁外側50 m范圍不得堆放大體積施工材料、周轉料和機器等,同時沿基坑外側修建6 m寬、30 cm厚混凝土臨時便道,規范基坑邊緣作業環境,保護基坑的穩定。

(3)DK2 196+300～DK2 196+460段開挖后,對底板下一定深度范圍進行詳細的工程地質、水文地質勘察,查明溶洞的分布范圍及對工程的危害,采用探灌結合的原則,對基巖進行注漿回填處理,查明了DK2 196+325、DK2 196+372兩處溶洞,均采用預填充土、石和混凝土,對基巖裂隙進行深孔注漿,以利封堵基巖的承壓水和裂隙水,確保基坑穩定。

(4)針對X6(混凝土質量差)、X15(支撐間距過大)的概率重要性,加強施工管理,加強對進場材料的質量把關,嚴格按相應規范和設計進行質量控制和驗收。分段、分層、分步、對稱、平衡及限時的原則進行基坑開挖與支撐的施工,分層開挖和加快支撐結構,適當減少每步開挖土方的空間尺寸,并減少每步開挖未支撐前基坑坑壁所暴露的時間,將每層、每區開挖和支撐的施工時間和間距限制在控制指標之內。特別是基底混凝土底板必須緊跟,嚴禁基底連續開挖大于30 m不施作混凝土底板,確保基坑絕對安全。

(5)加強施工監測工作,對維護樁的水平位移、樁身垂直度,樁身土體的側向變形、鋼支撐的軸力和變形、活絡頭的例行檢查、地下水位以及廣州西環高速公路的地表沉降進行監測,及時掌握土體、地下水、圍護結構與支撐體系的工作狀態信息,及時反饋,為風險跟蹤監控提供有力的依據。

5 風險跟蹤

通過對金沙洲隧道淤泥質明挖段深基坑進行系統的風險評估和有針對性的控制,對深基坑高風險地段的淤泥地層進行注漿加固，嚴格做好施工防排水,保證支護結構的剛度和施工質量,金沙洲隧道淤泥質地層明挖基坑施工過程中風險處于可控狀態；根據監控量測結果,支護結構體系在整個施工過程中受力和變形在可容許承受范圍內,無不期望的風險事故發生。

6 結論

(1)基坑的風險控制主要是保證其支護結構體系不失效,采取故障樹進行概率分析和初始投資乘以附加損失系數ξ來估計支護結構體系失效引起的損失,進行基坑支護結構體系失效風險評估在一定程度上是一種有效的方法。

(2)根據FAT法風險分析評估結果,重點采取措施控制淤泥質流塑性軟土,樁后地表堆載過大,雨水或者地下管道水滲入,圈梁與樁身連接不牢等因素,有效保證了基坑施工安全。監控結果顯示：基坑支護結構體系在施工過程中受力和變形均為可控,無不期望風險事故發生。

(3)金沙洲隧道出口明挖段DK2 196+300～DK2 196+920在流塑狀淤泥質地層中施工,基坑最大挖深22.22 m,安全風險巨大,因此有針對性地對深基坑進行了系統的風險分析,對風險源、風險發生概率及其損失和風險預防措施進行專題研究和管理,根據分析評估結果,施工過程中采取了一系列的應對措施,有效地防范了各種風險,確保了施工安全和工程質量,系統的風險評估管理在土木結構工程施工中能夠達到預期的目標,值得推廣。

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