某深基坑坍塌事故分析及處理

李國銀,彭柏興

(1.長沙水業集團有限公司,湖南長沙 410015; 2.長沙市規劃勘測設計研究院,湖南長沙 410007)

某深基坑坍塌事故分析及處理

李國銀1?,彭柏興2

(1.長沙水業集團有限公司,湖南長沙 410015; 2.長沙市規劃勘測設計研究院,湖南長沙 410007)

系統分析了某深基坑坍塌事故的原因,得出了如下認識:①巖質基坑側壁受光滑結構面影響,設計應按平面滑動模式驗算整體穩定性;②根據不同斷面地質條件與受力特點劃分不同支護單元,合理設計構造措施;③采取動態設計法,結合開挖情況,分析地層參數、邊界條件與設計前提是否吻合并及時調整設計;④重視施工監測結果,并采取應對措施等。

深基坑;坍塌;結構面;動態設計;構造措施

隨著城市化進程加快,城市建設中高層、超高層建筑迅猛發展,高層建筑基礎往往埋置較深,出現大量的深基坑需要支護,特別是在城市中心,由于場地狹窄,市政管網密集,對深基坑的變形控制的要求甚高。目前很多專家學者對深基坑各種支護形式的沉降變形分析、設計方法對比選擇、錨固機理、支護結構的受力分析及支護結構與土的相互作用等進行了較深入的研究[1～5],但對基坑坍塌事故發生的原因分析及如何汲取經驗避免事故的發生文獻較少。本文以某深基坑為例,對坍塌事故的原因進行了詳細的分析,以供大家借鑒。

1 工程概況

工程位于長沙市銀盆南路東側原四水廠內,南鄰沁園春小區,分A、B兩區,共4棟(①#～④#棟),其中A區擬建建筑物為①#、②#棟,①#棟層數為10層,高度約40 m,框架～剪力墻結構,基礎埋置深度2.3 m,單位荷重15 000 kPa;②#棟層數為27層～32層,高度約100 m,框支剪力墻結構,基礎埋置深度5.7 m,單位荷重20 000 kPa。B區③#棟為32層,高度約100 m,框支剪力墻結構;④#棟為26層,框支剪力墻結構。地下負4層。正負零標高為52.2 m,基坑底標高為33.5 m,最大高差達18.7 m。有一直徑1.4 m的自來水廠源水管位于本工程地下室頂板上方,比鄰塔樓。因市政原因,水管暫時不能拆移,但為了趕工期,暫時不修建地下室,先進行塔樓施工,為使源水管正常運營,需對源水管采取保護措施,因此對源水管下方的土體進行支護加固處理,局部基坑平面如圖1所示。原設計采用9 m～12 m長間距1.2 m的錨桿進行支護,在基坑邊坡的中間留了一個1 m寬的平臺,設計剖面如圖2所示。

圖1 基坑平面圖

圖2 設計剖面圖

2 工程地質、水文地質條件

場地原始地貌屬湘江河流沖積階地,從上往下依次為:

雜填土①:褐紅、褐黃、雜色,稍濕～濕,松散～稍密,由粘性土、風化板巖碎塊、建筑垃圾構成,層厚0.40 m～11.50 m。

粉質粘土②:褐黃、褐紅、褐灰色,軟(頂部)～可塑狀態,局部含礫石,層厚0.70 m～3.40 m。

粉質粘土③:褐黃、褐紅色,硬塑～堅硬狀,局部含礫石,夾粉土,層厚1.00 m～4.60 m。

圓礫④:褐紅、褐黃、灰黃色,干～稍濕,中密～密實狀,粒徑一般0.2 cm～4 cm,大者約5 cm,含量約55%～65%,夾少量卵石及中粗砂薄層,層厚0.90 m～8.50 m。

卵石⑤:褐黃、灰白色,干～稍濕,中密～密實狀,粒徑一般2 cm～5 cm,大者15 cm,卵石含量60%～70%,層厚0.70 m～5.60 m。

全風化板巖⑥:褐黃、紫紅、褐灰色,原巖結構可辨,多風化呈土狀,具殘余結構強度,巖芯多呈土狀～碎塊狀,易軟化崩解。厚1.00 m～6.70 m。

強風化板巖⑦:褐黃、紫紅、褐灰色,板狀構造,節理、裂隙發育,巖體破碎,層厚0.60 m～24.60 m。

碎裂巖⑧:青灰,碎裂構造,膠結差,易破碎,僅B區ZK1～19、ZK25～26、ZK89～96、ZK118～120等鉆孔遇見該層,層厚4.20 m～35.90 m。

中風化板巖⑨:青灰、深灰色,裂隙發育,細石英脈充填,巖質較硬,上部巖石較破碎,下部較完整,鉆孔揭露層厚2.50 m～28.20 m。

微風化板巖⑩:深灰,裂隙稍發育,巖芯多呈短柱狀,少量多呈塊狀,較硬巖,巖體基本質量等級為Ⅲ級, RQD約47～55。僅部分鉆孔揭露該層,揭露最大厚度11.89 m。

各巖土層主要物理力學性質指標如表1所示。

表1 巖土層主要物理力學性質指標

勘察期間,A區地勢低,部分鉆孔遇見地下水,為上層滯水,賦存于雜填土中,水量較小,隨季節性變化較大,主要為大氣降水和生活污水下滲補給,穩定水位為36.58 m～41.01 m。B區地勢較高,其東、南、西側為高邊坡,地下水、地表水排泄通暢,未見地下水。

3 工程事故情況

基坑按常規邊支護邊開挖,施工至坑底設計標高時,錨桿注漿已完畢,準備施工槽鋼,所有觀測均屬正常。10月31日9:00左右,CDE段坡頂地面發現裂縫,寬1 mm～5 mm,14:00左右,CDE段坡體突然坍塌,坡體坍落到坑底,地面裂縫寬度50 mm～100 mm不等,坡面鋼筋混凝土網面被撕裂,部分槽鋼焊縫被撕開(如圖3所示)。幸虧坑底無人作業,未造成人員傷亡。事故發生后,采取坡腳堆土反壓,11月2日坡底堆土高7.5 m,經監測確證變形穩定后,對坡體進行全面覆蓋,再商議下一步處治方案。

圖3 坍塌現場

4 事故原因分析

土釘擋墻的破壞形式分為內部破壞和外部破壞。外部破壞主要形式有:土釘墻沿基底平移,土釘墻繞墻趾傾覆,墻基土體失穩,沿深遠土層整體滑移[6]。本基坑破壞屬于沿深遠土層整體滑移破壞形式。每個深基坑事故可能都是有許多不利因素組合在一起而共同引發的,它與深坑工程地質條件、設計方案、施工措施、監測及管理等因素有著密切關系,是個復雜的綜合性問題[7]。本基坑事故發生的主要原因如下:

4.1 地質原因

區域性NE斷裂從場地中北部通過,傾向NW。受斷裂影響帶范圍的工程巖體裂隙發育,巖體破碎,膠結差,巖體強度較低。巖體結構決定了巖體的工程地質特性及其在外力作用下的變形破壞機理。巖石開挖面表明,巖體結構面與最大主應力δ1(重力)夾角β非常小,接近平行。結構面發育密集,巖體完整性極差,坍塌體滑移面可以發現,結構面形態平直,粗糙度小,表現為光滑結構面特征(如圖4所示)。由于邊坡巖體具有以上結構特征,坡體在重力作用下的破壞機理表現為近乎破裂張拉破壞。在進行支護設計時,對巖體抗剪指標с、Φ值應進行折減,并按平面滑動模式驗算其整體穩定。

圖4 巖體結構面

4.2 設計原因

(1)不重視動態設計

基坑底部開挖后,靠近基坑內的巖石變成臨空懸掛,巖體之間摩擦力變小,原設計計算模型錨桿的錨固段縮短,部分錨固段變成自由段,錨固力大大變小,導致邊坡塌方事故發生。

KE段前期已經開挖,只進行簡單的表面網噴,未作錨固處理,KE段巖土體已經發生松弛變形。錨桿從CE面錨入KE面,所施工的錨桿在KE面的錨固力大大折減,靠近坡體表面的部分錨桿甚至基本沒有錨固力,設計未充分認識松弛變形因素。

(2)未合理劃分支護單元

施工過程中BC支護段一直穩定,但在CE段事故發生后,BC段變形突然增大,坡頂地表出現8 mm～15 mm裂縫,鋼筋網撕裂。其原因在于BC段與CE段的槽鋼在C點進行了焊接連接,CE坍塌后導致BC段槽鋼變形,地表拉裂。

設計時,如根據不同斷面地質條件與受力條件、劃分不同支護單元,合理設計構造措施,即使不同單元變形或出現事故,其變形與事故僅限于在本設計單元內,不致影響相鄰單元,擴大事故范圍,減少工程損失。

此外,設計時坑內土體留置方式欠妥,從平面圖上可以看出,CEK組成一個三角形土體,坡體構成一個三棱臺,E點為三棱臺陽角。從受力角度來看,應力在E點處集中,最容易變形引起事故的發生。為了受力合力,E點處應進行鈍化處理,開挖成圓弧狀最好。

(3)設計管理缺失

源水管支護設計是在原基坑設計完成后進行的設計變更,屬重大變更設計。從管理程序上講,應重新進行嚴格專家論證。但建設單位與設計單位都沒有足夠重視,未對變更進行充分完整論證的情況下就予以施工,是造成本次基坑坍塌的原因之一。

4.3 施工原因

(1)坡頂堆載超設計限值

坡頂另一主體施工單位堆放了部分機械設備和材料,導致坡頂荷載嚴重超標。

(2)未按設計工序施工

坡腳部位的穩定問題也需高度重視,邊坡塌方都與坡腳土體被嚴重擾動有關[8]。由于工期緊,建設方忽視了規范和設計規定,要求最后一層施工一次開挖了5 m,開挖速度快,支護跟不上,坡底巖體暴露較長,坡腳巖體垮塌形成空洞,施工方未對空洞嚴格充填,坡體受到嚴重擾動,變形未能得到很好控制,基坑在槽鋼未安裝前,完全垮塌。

(3)對變形監測結果重視不足

施工過程中對監測結果重視度不夠。事故發生前的一個月坍塌體上的9號、10號監測點變形情況如圖5、圖6所示。從基坑監測數據情況看前期變形非常緩慢,在事故發生的前一天變化突然增大,雖然累計變形量未超過警戒值,但變形率突然增大,是事故前發的征兆,此時應該重視變形,采取相應的措施。

圖5 9#點變形

圖6 10#點變形

5 處理措施

事故發生后,業主邀請業內專家、勘察、設計、施工、監理等進行了專題分析,設計單位結合實際情況,綜合專家意見出具了加固處治方案。主要方法是:把塌方體上方的土體卸掉9 000 mm高,形成一個平臺。沿既有滑動面和潛在滑動面設計三排鋼管樁,排距300 mm,間距500 mm,現有滑動面鋼管樁長11 000 mm,潛在滑動面鋼管樁長13 000 mm,同時加設錨索及槽鋼腰梁,加長錨固端,加大錨固力(如圖7、圖8所示)。該方案實施后基坑變形得到了有效控制,取得了良好的效果。

圖7 加固處理方案平面圖

圖8 加固處理方案剖面圖

6 結 論

(1)基坑工程需要采用信息法施工,設計人員要切實掌握場地工程地質條件,不局限于根據勘察報告建議參數進行理論計算。要結合開挖情況,分析地層、參數、邊界條件與設計條件是否吻合,如有出入,應及時調整,指導施工。

(2)重大變更設計,應重新進行嚴格的專家論證。

(3)基坑不同斷面應根據相應環境條件、地質水文條件、支護類型,合理劃分設計單元,并設計合理的構造措施,當不同單元變形或發生事故,變形與事故也可控制于該單元內,不會牽連其他單元,導致事態擴大。

(4)嚴格按設計工序進行施工,坡頂嚴禁超限堆載,在施工過程中重視對監測變形進行分析,稍有異常,應及時采取有效措施。

[1] 鐘肖青,盧建平.錨桿在坡殘積土中錨固機理的探討[J].巖土力學,1996,17(2):53～56.

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[6] 管洪生,王虹.深基坑土釘錨固技術工程應用研究[J].巖土力學,2002,23(S):195～197.

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[8] 朱繼永,倪曉榮.深基坑邊坡失穩實例分析[J].巖石力學與工程學報,2005,25(S2):5410～5412.

Treatment and Accident Analysis for the Slope Collapse in Deep Building Foundation Excavation

Li Guoyin1,Peng Baixing2
(1.Changsha Water Industry Group Co.,Ltd.,Changsha 410015,China; 2.Changsha Investigation&Design Institute,Changsha 410007,China)

In this paper,a comprehensive analysis of the causes of a deep building foundation excavation collapse were carried out,draws the following he following conclusions,it could provide a reference for similar projects.:(1)the stability of rock pits was controlled by structural plane,the stability design should be calculated based on sliding mode plane.(2)The different retaining and protection structure should be designed focus on the geological conditions and stress condition.(3)Information based design should be attached pay more attention on the situation of excavation.the design parameters are consistent with the analysis of the stratum condition and boundary condition.designs must be adjusted in time on it.(4)More attention should be paid on the results of construction monitoring,the corresponding contingency measures must be taken while abnormal deformation happens.

deep building foundation excavation;collapse;structural plane;information based design;structural measures

2014—04—18

李國銀(1978—),男,工程師,主要從事基坑設計、施工管理工作。