某地鐵基坑工程失穩(wěn)案例分析

唐凌璐，胡耀明，唐傳政，鄒偉彪，魏林

(1.武漢地震工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071； 2.湖北震泰建設(shè)工程質(zhì)量檢測(cè)有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430071；3.中南勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，湖北 武漢 430074； 4.武漢市市政工程質(zhì)量監(jiān)督站，湖北 武漢 430015；5.中國(guó)水利水電第八工程局有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410004)

1 引 言

近年來(lái)，高層建筑、軌道交通、地下空間工程開(kāi)發(fā)規(guī)模日益擴(kuò)大，相應(yīng)的深基坑工程數(shù)量隨之增加，施工難度也越來(lái)越大。受深基坑工程建設(shè)環(huán)境和施工管理的獨(dú)特性等不確定因素影響，深基坑工程勢(shì)必存在較大的安全事故風(fēng)險(xiǎn)。已有文獻(xiàn)顯示[1]：深基坑工程事故的最大風(fēng)險(xiǎn)源是設(shè)計(jì)失誤和施工質(zhì)量問(wèn)題。事故一旦發(fā)生將產(chǎn)生嚴(yán)重的損失，帶來(lái)不良的社會(huì)影響。因此最大程度減少深基坑施工過(guò)程中的安全事故及造成的損失，是急需解決的課題[2]。

楊陽(yáng)[3]分析了深基坑施工失穩(wěn)破壞的幾種形式和失穩(wěn)破壞的影響因素，認(rèn)為深基坑的穩(wěn)定性受內(nèi)摩擦角和土體的黏聚力影響較大。薛麗影等[4]介紹了深基坑工程的特點(diǎn)和破壞形式，探討了深基坑事故發(fā)生的內(nèi)在因素。針對(duì)北京某地鐵基坑事故，分析了設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)等各方存在的問(wèn)題。

衛(wèi)彬等[5]以上海某地鐵車站深基坑工程為例，明確施工中的難點(diǎn)并給出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，并且在施工期間對(duì)車站基坑的南端頭井、標(biāo)準(zhǔn)段、北端頭井及周邊環(huán)境進(jìn)行了較全面的基坑監(jiān)測(cè)。

本文以地鐵某深基坑失穩(wěn)事故為例，分析在基坑施工過(guò)程中，各個(gè)環(huán)節(jié)、各個(gè)方面會(huì)產(chǎn)生的影響，同時(shí)通過(guò)原因分析，提出加固方案，指導(dǎo)施工。

2 工程概況

某地鐵車輛段出入段線從車輛段站接出，以 250 m的小半徑繞出地面，線間距 5 m，最大縱坡28‰。區(qū)間設(shè)計(jì)里程樁號(hào)R8DK0+083.355～R8DK1+136，出入段線長(zhǎng) 1 052.645m，區(qū)間結(jié)構(gòu)包括區(qū)間主體部分和附屬結(jié)構(gòu)。

區(qū)間采用明挖法施工，采用SMW工法樁+內(nèi)支撐系統(tǒng)和局部放坡開(kāi)挖的圍護(hù)型式支護(hù)，Φ850 mm@600 mm?；訕?biāo)準(zhǔn)寬度為 11.3 m，最大寬度為 15.87 m，最大開(kāi)挖深度為 12.04 m，區(qū)間對(duì)應(yīng)里程樁號(hào)為R8DK0+83.355～R8DK0+930 m，基坑開(kāi)挖面積約為 10 203 m2。

某車輛段出入段線R8DK0+83.355～R8DK0+186段采用3道支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，間距 8 m；第2、3道為鋼支撐Φ609(t=16 mm)，間距 4 m。R8DK0+186～R8DK0+930段采用2道支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，間距 5 m～8 m，第2道為鋼支撐Φ609(t=16 mm)，間距 2.5 m～4 m。基坑平面布置圖、基坑剖平面分別如圖1、圖2所示。

圖1 基坑平面布置圖

圖2 基坑剖平面

2017年3月某日凌晨1：40，施工員現(xiàn)場(chǎng)巡查到DK0+730里程時(shí)，聽(tīng)見(jiàn)基坑有異響，走近時(shí)發(fā)現(xiàn)冠梁及第一道混凝土支撐出現(xiàn)裂紋，且裂紋持續(xù)在發(fā)展。隨即圍護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，冠梁及混凝土支撐已變形拉裂，圍護(hù)結(jié)構(gòu)出段線側(cè)周邊地面已滑移沉降，K0+718位置已開(kāi)挖面與未開(kāi)挖面冠梁斷開(kāi)，坑內(nèi)基底隆起，第二道鋼支撐脫落將挖掘設(shè)備砸壞。施工單位立即組織人員對(duì)基坑進(jìn)行回填，監(jiān)測(cè)單位加大監(jiān)測(cè)范圍及頻率，觀測(cè)變形速率及趨勢(shì)，基坑失穩(wěn)圖如圖3所示。

圖3 基坑失穩(wěn)圖

3 事故原因分析

3.1 勘察設(shè)計(jì)原因

該區(qū)域原始地貌多為魚塘、藕塘、排水溝，存在較厚的淤泥質(zhì)黏土層，但在初步設(shè)計(jì)招標(biāo)至施工圖設(shè)計(jì)階段均未考慮魚塘清淤，也未對(duì)深厚淤泥層進(jìn)行加固處理。

據(jù)勘察資料顯示，詳細(xì)勘察階段的鉆孔間距偏大，因前期地勘過(guò)程中為魚塘，實(shí)際地勘鉆孔平面位置及間距大于規(guī)范要求(規(guī)范要求不大于 50 m，實(shí)際達(dá)到 80 m左右)。此外，勘察階段和后期補(bǔ)勘的數(shù)據(jù)相差較大，且在實(shí)際地形已發(fā)生變化的情形下，并未重新進(jìn)行補(bǔ)勘。經(jīng)險(xiǎn)情發(fā)生后再次進(jìn)行詳勘，詳勘結(jié)果基坑沿線淤泥層變厚，最厚位置淤泥質(zhì)地層增厚 8 m。

在圍護(hù)結(jié)構(gòu)由SMW工法樁變更為 1 m鉆孔灌注樁時(shí)，建設(shè)單位組織的協(xié)調(diào)會(huì)議已明確要求圍護(hù)結(jié)構(gòu)按抗滑樁設(shè)計(jì)，并保留第一道混凝土支撐，與圍護(hù)結(jié)構(gòu)兼做抗滑永久結(jié)構(gòu)。但設(shè)計(jì)單位在計(jì)算圍護(hù)結(jié)構(gòu)受力時(shí)未考慮按滑移體計(jì)算剩余下滑力，只考慮計(jì)算基坑周邊土體荷載。

3.2 周邊環(huán)境發(fā)生較大變化

勘察設(shè)計(jì)完成于2014年，施工單位于2015年進(jìn)場(chǎng)施工，出入段線外側(cè)為河堤，2015年12月底，堤側(cè)開(kāi)始有外來(lái)填土施工，后填土范圍逐步擴(kuò)大并向出入段線方向逼近。2016年2月下旬，填土已侵入出入段線安全影響范圍，并在大堤內(nèi)側(cè)形成長(zhǎng)約 400 m，寬 50 m，高出原地面 10 m的填土區(qū)域。R8DK0+387～+714段因2016年大堤加培工程施工，現(xiàn)場(chǎng)地形較施工設(shè)計(jì)發(fā)生較大變化，地面標(biāo)高由原設(shè)計(jì) 19.0 m～23.4 m，變?yōu)?19.5 m～29.6 m，部分位置標(biāo)高增加近 10 m，且受厄爾尼諾現(xiàn)象影響，2016年武漢市降雨量增加，防汛壓力很大，水務(wù)部門拒絕卸載該區(qū)域培土，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際存在較大出入，雖然建設(shè)單位要求設(shè)計(jì)單位補(bǔ)充了相關(guān)措施，但未起到有效作用。

3.3 開(kāi)挖期間連續(xù)降雨，增大水土壓力

在施工期間，連續(xù)性降雨量較大，而場(chǎng)地排水不暢，堆土靈敏度高，遇水軟化，坡頂一定范圍內(nèi)為新近填土，不密實(shí)，一定變形后顯著出現(xiàn)裂縫，最終雨水軟化堆土引起軟土深層滑移。深層滑移面出現(xiàn)前，土體按連續(xù)介質(zhì)考慮，支護(hù)樁受力為朗肯土壓力模型；當(dāng)滑移面出現(xiàn)后，受力為庫(kù)倫土壓力計(jì)算模型，導(dǎo)致基坑圍護(hù)樁主動(dòng)區(qū)土壓力增大，樁體出現(xiàn)過(guò)大變形。

3.4 監(jiān)測(cè)問(wèn)題

在深基坑施工過(guò)程中，按照法律法規(guī)及規(guī)范要求，施工單位應(yīng)開(kāi)展施工監(jiān)測(cè)，建設(shè)單位應(yīng)委托相關(guān)單位開(kāi)展第三方監(jiān)測(cè)，采取嚴(yán)格的監(jiān)測(cè)措施，通過(guò)觀察基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及周邊環(huán)境的變化，以確保基坑安全。通過(guò)事后調(diào)查分析，發(fā)現(xiàn)基坑監(jiān)測(cè)環(huán)節(jié)也存在一定問(wèn)題。

(1)測(cè)點(diǎn)破壞且未修復(fù)，造成監(jiān)控盲區(qū)。施工單位在圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工時(shí)，埋設(shè)了測(cè)斜管，但在后續(xù)施工冠梁及坑邊臨時(shí)道路施工時(shí)，部分測(cè)斜管遭到了破壞，而施工單位未及時(shí)恢復(fù)，導(dǎo)致在施工過(guò)程中，無(wú)法全面有效反映圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。

(2)未及時(shí)報(bào)警，采取進(jìn)一步處理措施，喪失了最佳處理時(shí)機(jī)，從監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)得知，在開(kāi)挖至基底的前兩天，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的情況如下：①失穩(wěn)段最近的測(cè)斜數(shù)據(jù)顯示，圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移最大已至約 50 mm；②鋼支撐軸力急劇減小，是不正常的現(xiàn)象，是鋼支撐失效、基坑側(cè)壁間發(fā)生滑動(dòng)的征兆；③基坑水平位移速率較大。

根據(jù)地面沉降、斜撐軸力、基坑水平位移三項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)急劇變化的現(xiàn)象，可以推測(cè)事故部位北側(cè)支護(hù)樁中下部發(fā)生了較大的水平位移，支撐出現(xiàn)了松弛，可以認(rèn)為是支撐失效的預(yù)兆，而現(xiàn)場(chǎng)未針對(duì)監(jiān)測(cè)異常及時(shí)預(yù)警，也未針對(duì)上述意外情況采取有效的預(yù)防措施和應(yīng)急措施。

3.5 其他方面原因

在周邊環(huán)境發(fā)生較大變化情況下，施工單位向設(shè)計(jì)單位及時(shí)反饋了現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，設(shè)計(jì)單位也采取了一些技術(shù)措施，將部分區(qū)域圍護(hù)結(jié)構(gòu)由工法樁變更成灌注樁，但在兩種圍護(hù)結(jié)構(gòu)相接位置未采取有效的措施，且由于建設(shè)工期及投資造價(jià)等因素影響，在已施工的圍護(hù)結(jié)構(gòu)區(qū)域未采取其他補(bǔ)強(qiáng)措施，這是圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系的先天不足。在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較大時(shí)，施工單位亦未及時(shí)采取反壓措施，而是冒著失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)繼續(xù)墊層的施工，最終導(dǎo)致失穩(wěn)事故的發(fā)生。

4 加固方案

失穩(wěn)發(fā)生后，建設(shè)單位及時(shí)組織進(jìn)行了反壓回填，通過(guò)勘察單位提供的補(bǔ)勘文件，設(shè)計(jì)單位重新確定了圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，選取具有代表性的剖面R8DK0+685作為計(jì)算剖面，總開(kāi)挖深度 12.5 m，計(jì)算深度 10.5 m。

基坑加固采用放坡+排樁支護(hù)相結(jié)合方式。上部 3 m采用邊坡坡率 1∶3放坡。下部采用鉆孔樁+2道內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)，基坑內(nèi)側(cè)均采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁支護(hù)，基坑北側(cè)外側(cè)采用φ1 500 mm@2 400 mm鉆孔灌注樁加強(qiáng)支護(hù)，基坑南側(cè)外側(cè)采用φ1 200 mm@2 400 mm鉆孔灌注樁加強(qiáng)支護(hù)，灌注樁長(zhǎng)度在28 m～31 m間。除第1道采用C30鋼筋砼支撐外，其余采用φ609，t=16鋼管撐。圍護(hù)樁間采用φ800@1200旋噴樁止水帷幕，止水帷幕深度為基底不小于 1 m。第1道支撐采用C30混凝土支撐，間距 8 m；第2道支撐采用φ800×16鋼管，間距 4 m。被動(dòng)區(qū)采用裙邊+抽條攪拌樁加固，樁徑 650 mm，間距 500 mm。

5 實(shí)施效果

施工單位按照新的圍護(hù)結(jié)構(gòu)及支護(hù)加固設(shè)計(jì)文件編制了基坑開(kāi)挖專項(xiàng)施工方案，施工過(guò)程中嚴(yán)格按照方案實(shí)施，并增大了監(jiān)測(cè)范圍和監(jiān)測(cè)頻率。

典型斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線如圖4所示。

圖4 典型斷面圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變化曲線

6 結(jié) 論

通過(guò)對(duì)基坑失穩(wěn)原因的分析以及加固設(shè)計(jì)方案的監(jiān)測(cè)結(jié)果，得出如下結(jié)論：

(1)基坑失穩(wěn)的原因往往是多方面的因素疊加造成的，在勘察設(shè)計(jì)階段到施工階段的各個(gè)環(huán)節(jié)均存在風(fēng)險(xiǎn)源，各方應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)并采取相應(yīng)措施。

(2)從本工程的勘察設(shè)計(jì)文件、施工中異常情況的分析與處理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與預(yù)報(bào)等方面可以看出，相關(guān)人員在該領(lǐng)域基本的知識(shí)和經(jīng)驗(yàn)仍有待提高。基坑工程的從業(yè)人員應(yīng)具有較高的業(yè)務(wù)素質(zhì)、較全面的專業(yè)知識(shí)，至少應(yīng)掌握巖土工程、結(jié)構(gòu)工程方面必要的知識(shí)、技能和工程經(jīng)驗(yàn)。

(3)在周邊環(huán)境發(fā)生較大變化時(shí)，應(yīng)對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行復(fù)核，并重新進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，加強(qiáng)過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)管理；在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，一旦監(jiān)測(cè)出現(xiàn)異常情況下，應(yīng)及時(shí)分析、反饋基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。相關(guān)各方應(yīng)綜合分析監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常的各方面原因，提出有針對(duì)性的應(yīng)急措施。