引水工程超深圓形基坑施工風險分析與質量控制

胡開富，龔振宇，徐前衛，孫梓栗

(1.云南省滇中引水工程建設管理局昆明分局，云南 昆明 655600；2.中鐵五局電務城通公司，湖南 長沙 410205；3.同濟大學 道路與交通工程教育部重點實驗室，上海 201804)

隨著深基坑工程在國內的發展應用，越來越多的風險問題隨之產生。由于多方因素造成的施工事故層出不窮，對風險的把控失準，就意味著工程建設成本、工期、人員安全等方面難以得到保證，甚至會造成不良的社會影響。因此，對深基坑工程施工中風險要素分析和過程監管安排變得尤為關鍵。通過風險分析理論減小工程事故發生率并降低不必要的損失，是目前工程建設中行之有效的一個方法[1-4]。

針對工程風險評估的問題，目前已有大量的研究。王建波等[5]、陳蓉芳等[6]基于DEA-AHP和BP神經網絡，建立深基坑施工風險評估模型，完成地鐵車站深基坑施工風險預測，確定了風險等級。張錦等[7]、吳波等[8]、陳云超等[9]采用模糊綜合評價法對橋梁、隧道、基坑及公路邊坡失穩風險進行評估，并對高風險的因素采取措施進行控制。徐青等[10]運用DEMA-TEL方法構建了地鐵深基坑施工事故致因網絡模型，歸納出地鐵深基坑事故的基礎因素層、中間致因層和近鄰事故層，提取了導致地鐵深基坑事故的關鍵致因因素，并分析了地鐵深基坑施工致因因素之間的相互關系與重要性。林樹枝等[11]以正在施工的高殿站點為例，通過WBS逐級分解得到的主要工序的失效狀態，建立了風險識別指標體系，再基于層次分析法和模糊評價原理建立三級模糊綜合評判計算模型，并對該車站基坑施工風險進行評估。吳昊城等[12]通過路塹邊坡定量風險評估技術框架，以實際工程為例對高邊坡開挖及加固兩個階段開展定量風險評估，結合風險容許標準進行價值判斷和風險決策，充分論證了該邊坡加固治理及風險評估技術方案的必要性和可行性。陳紹清等[13]建立了深基坑坍塌事故導致人員傷亡的事故樹模型，再通過事故樹建立層次結構模型，結合層次分析法對深基坑坍塌事故的致災因素進行了定性識別和定量分析。郭亮等[14]利用LLE流形方法提取眾多施工振動風險評估樣本影響因素組成的高維數據向量的非線性成分，然后將該非線性成分作為ANFIS評估方法的輸入對施工振動風險樣本進行評估分類，經實例驗證該方法可以有效提高風險評估的準確性，降低錯分率。楊瑞娟等[15]采用LEC法，以明挖法鉆孔灌注樁維護的地鐵車站施工為研究對象，識別施工過程中的安全風險源，并對風險等級做出評價。

雖然目前眾多學者對此開展了大量的研究工作，但是對超深基坑及圓形基坑研究還很少，其特殊的施工工藝對應的施工風險仍需深入研究。本文以滇中引水龍泉倒虹吸盾構接收井接收為例，基于LEC法對地連墻施工、鋼筋施工、起重吊裝、模板工程、基坑開挖施工五個方面進行風險評估，最后在此基礎上提出對應的施工安全控制措施，以期為類似工程提供一定的借鑒和指導作用。

1 工程概況

滇中引水工程龍泉倒虹吸接收井位于昆明市盤龍區昆曲高速與灃源路交叉口西側綠化帶內。接收井工程采用R=10 m圓形基坑結構，基坑周邊環境平面圖如圖1所示。

基坑深77.3 m，屬于超深基坑類型。圍護結構采用1.5 m厚地下連續墻，成槽深度達96.6 m，設計墻深為94.0 m，空槽深度2.6 m，墻底嵌入基巖，共計14幅，先后分兩期施工。地墻接頭型式為銑接頭，墻頂設鎖口圈梁。接收井內襯墻厚度1.0 m，其立面如圖2所示。

圖1 接收井基坑平面示意圖

圖2 接收井立面圖(顯示內外墻)

2 工程重難點

龍泉倒虹吸盾構接收井位于第三系土層中，分析基坑所在的地層環境及尺寸特征，該基坑具有如下典型特點：

(1) 開挖深度大，基坑開挖設計深度達到77.3 m，內直徑為15.0 m，地連墻設計深度達96.6 m，屬于極深的基坑工程，國內外無可借鑒的類似工程經驗。

(2) 地層性狀復雜，土體種類多樣，土層界面繁多，且存在軟弱薄夾層，施工過程風險高。

(3) 施工難度大，伴隨著基坑開挖深度的增加，與之對應的施工步驟增多，基坑穩定性變差，導致基坑施工過程中巖土體位移、力學演變過程復雜，施工難度大。

(4) 該項目為圓形基坑，其受力以環向受壓為主，若結構發生破壞將發生災難性后果，對施工技術及監測水平等要求高。

3 風險評估方法及流程

3.1 評估方法選擇

對于現有的基坑工程而言，風險評估得到越來越多的重視，在實踐中已有多種方法形式通過檢驗，但客觀來說，每一種方法都有其一定的適用范圍和局限性。其中LEC風險評價方法應用較為廣泛，其計算簡便快捷，分類細致，結果可靠，適合在深基坑工程施工過程中使用。

因此，本文根據滇中引水龍泉倒虹吸接收井的實際情況、評價目標、已有的評價基礎資料等，選擇專家打分法中的LEC風險評價法為主要的風險評價方法，可望較好地對該基坑風險進行評估。

3.2 LEC評價法

LEC評價法具體方法如式(1)所示：

D=LEC

(1)

其中:L值為發生事故的可能性，表現為事故產生的概率大小;E值為暴露于危險環境的頻繁程度，表現為危險作業環境的出現周期及相應的人員作業次數;C值為事故產生的后果，表現為人身或財產損害的程度。

根據相關實例對以上三種變量L、E、C進行合理計算，給予相應的分數值及相應說明，如表1—表3所示。

D值為風險分值，直觀表現為評價對象的危險程度。結合L、E、C評估結果，辨別有害因素的影響深度，確定風險分值大小，即工程的危險程度，從而定義風險等級，如表4所示。

表1 發生事故的可能性(L)

表2 暴露于危險環境中的頻繁程度(E)

表3 發生事故產生的后果(C)

表4 危險等級劃分(D)

3.3 整體評估流程

對于本工程，風險評估流程如圖3所示。

4 風險源識別與評價

4.1 地連墻施工過程風險源識別

(1) 導墻施工。導墻是在地下墻挖槽之前構筑的臨時施工設施，它對地下墻施工具有多方面的重要作用，導墻主要用于確定地下墻單元槽段的位置、防止泥漿流失、容納和儲存泥漿溝槽、作為鋼筋籠入槽的支撐物等。圓形基坑超深地下連續墻施工期間，導墻需承受鋼筋籠、澆注混凝土用的導管、成槽機、銑槽機、履帶吊等靜、動荷載的作用。

圖3 風險評估流程圖

導墻施工的風險因素主要包括：①導墻溝寬度超挖或土壁坍塌；②導墻溝內廢棄管道未封堵密實；③導墻的內凈寬度尺寸與內壁面的垂直精度不足；④導墻澆筑混凝土強度、拆模時間不滿足設計要求；⑤拆模后導墻內進行內支撐導致產生向內位移；⑥周邊施工荷載導致導墻偏斜；⑦導墻與槽段中心線不平行；⑧導墻開裂或下沉。

(2) 成槽開挖。圓形基坑超深地下連續墻采用液壓抓斗挖槽過程中，抓斗入槽、出槽應慢速、穩當。開挖到巖面后，撤出液壓抓斗并安裝對位雙輪銑槽機，施工時液壓銑槽機垂直槽段，將液壓銑槽機切割輪對準孔位徐徐入槽切削。

成槽開挖的風險因素主要包括：①成槽垂直度精度不足；②槽壁加固體侵入槽段范圍內，開挖困難；③抓斗挖槽吃土阻力不均衡，導致槽孔彎曲；④糾偏板處在底層中的位置，如遇銑削切頭在相應較軟的土層，而糾偏板在硬地層時，機頭被硬地層卡住；⑤成槽進尺緩慢，銑槽機銑齒磨損掉刀。⑥銑削地段的基巖中存在溶洞、溶槽、斷層、裂隙等滲漏通道，導致成槽漏漿。

(3) 泥漿制備及處理。圓形基坑超深地下連續墻成槽施工全過程中泥漿始終充滿槽段，將泥漿液面控制在導墻頂面以下50 cm，并高出地下水位1 m作為保證槽壁穩定的手段。

泥漿制備及處理的風險因素主要包括：①泥漿配比不適應工程需要導致護壁失效；②新制泥漿靜置時間過短，膨潤土顆粒未充分溶解，導致測量泥漿參數指標失準；③銑削鉆孔時，置于銑削頭中的泥漿泵抽吸孔底泥漿并經輸漿管路送至地面的泥漿凈化系統未進行除砂處理，導致護壁效果變差；④循環泥漿、劣質泥漿處理不當，混用排入槽段導致護壁效果變差；⑤槽內泥漿液面控制不穩定，水土壓力不平衡導致塌孔；⑥由于槽內塌孔導致泥漿流失，液面迅速下降，未及時調整參數重新建立泥膜護壁。

(4) 刷壁及清孔換漿。為保證在連接縫位置，后期澆筑的混凝土和前期澆筑的混凝土較好的結合，避免漏水，在后續槽段成槽施工時需對前一槽段混凝土表面進行刷壁處理，清除附著在混凝土表面的土體和槽段內護壁泥漿形成的泥皮，以保證相鄰槽段混凝土的有效接觸，増加地下連續墻墻體的整體性。刷完接頭后，采用雙輪銑泵吸反循環方法將孔底沉渣排出。同時，對槽內泥漿進行置換，降低泥漿比重使其以利于混凝土的灌注。

刷壁及清孔換漿的風險因素主要包括：①刷錘在槽體中豎直作業不當導致對墻體表面造成破壞；②槽底孔底淤積厚度過大，導致地下連續墻承載力降低；③槽底沉渣過厚導致超深地墻澆筑后表面沉降明顯。

(5) 接頭施工。圓形基坑超深地下連續墻軸線外放30 cm后直徑為9.55 m，周長60.004 m。地連墻主要采用液壓抓斗和銑槽機相互配合進行成槽施工，劃分14個槽段。槽段連接采用銑接法。即銑掉先施工的地墻端頭部分混凝土形成鋸齒形搭接。

接頭施工的風險因素主要包括：①接頭銑接尺寸測量存在偏差；②接頭處滲漏水。

(6) 鋼筋籠制作及吊裝。圓形基坑超深地下連續墻鋼筋籠深約96 600 mm(含吊筋長2 600 mm)。其中，幅長5 936 mm、幅寬1 500 mm的鋼筋籠重達127.41 t。實際鋼筋籠各預彎角度必須與槽段相匹配。由于地下連續墻超長超重而現場起吊能力有限，鋼筋籠無法一次吊裝完畢。所以現場鋼筋籠采用整體制作，先期用直螺紋套筒連接成整體，待吊裝時再將多段分開單獨吊裝。

鋼筋籠制作及吊裝的風險因素主要包括：①鋼筋籠超重和超長的要求與現場施工場地、機械設備等不匹配；②鋼筋籠焊點質量不佳造成吊裝時骨架扭曲，籠體變形；③吊點設置不當，導致鋼絲繩的偏載和鋼筋籠的偏心；④鋼筋籠整體平整度、垂直度偏差過大，造成吊放困難甚至卡籠；⑤限位方式不當，導致鋼筋籠位置偏移；⑥鋼筋導管導向鋼筋焊接不牢固或導向鋼筋搭接處未能平滑過渡，導致產生搭接臺階卡住澆筑導管；⑦鋼筋籠保護層不滿足設計要求。

(7) 混凝土澆筑。圓形基坑超深地下連續墻混凝土澆筑量大，澆筑時間長。現場施工采用多輛罐車同時澆筑，在灌筑過程中，每30 min測量一次槽孔內混凝土面深度，每隔2 h測量一次導管埋深及管外混凝土面高度。

混凝土澆筑施工的風險因素有：①導管表面破損，密封性不好；②鋼筋籠吊放就位后未能及時灌注混凝土，間隔時間過長導致泥漿護壁效果變差；③澆搗不連續，導管在混凝土終凝前未全部拔出，發生埋管；④拆管數量及澆筑深度計算有誤導致導管脫開混凝土澆筑面，發生夾泥夾砂，后期地墻易產生滲漏水；⑤混凝土坍落度偏小，流動性不足，澆搗不及時發生堵管；⑥混凝土和易性差，發生離析，后期地墻質量不佳；⑦混凝土進入導管口過快，導管進料口溢出，落入槽段；⑧混凝土澆筑的速度過快，使混凝土下落沖出導管底口向上反沖，鋼筋籠上浮。

4.2 基坑開挖過程風險源識別

根據目前工程案例可知，引起基坑的事故不僅僅是施工引起的，也與勘察、設計階段考慮不全面有關。因此綜合考慮，深基坑工程開挖階段的安全性的影響因素主要包括以下幾個方面。

(1) 地質情況更新。通過地質勘察對基坑開挖前地質條件進行排摸，確定巖土層分層界面，監控地下水位變化范圍。明確開挖涉及的巖土層物理力學參數取值，有條件時對特殊地層性質進行試驗研究。

(2) 基坑降水施工。由于基坑開挖深度大，開挖范圍內主要為粉質黏土、粉土、泥炭質土等含水率大，需布置降水井對坑內進行疏干降水。另外，坑內降水后坑內外水頭差大，極易導致地墻接縫等薄弱處被擊穿造成滲漏，因此坑外針對粉土等承壓含水層布置降壓降水備用井，適當的降低坑外水位，減小水頭壓力。

(3) 基坑開挖方式。土方開挖遵循“豎向整體分節，單節豎向分層、水平分塊、留土護壁、限時完成”的原則進行，每一層采取對稱方式進行，由中間向兩側，逐段逐層開挖。上部-4.1 m～-50.0 m采用整體逆作，局部順作施工，下部-50.0 m～-77.5 m深度范圍內，采用全逆作法施工。

(4) 內襯結構施工。土方分層開挖與地下連續墻人工鑿毛穿插進行，鑿毛結束后，進行內襯結構底模安裝、鋼筋綁扎、鋼模板就位調整，并一次澆筑成環。

4.3 本工程LEC法風險評價表

在地連墻施工過程與基坑開挖過程外，本次風險評估亦對起重吊裝、模板工程、鋼筋工程過程進行風險評估，礙于篇幅限制不再對其風險源進行一一敘述。根據圖 3及式(1)，依據昆明地區其他類似基坑工程工程經驗，并參考專家意見，對本工程59項風險源進行風險評價，其中三級以上風險源評價如表5所示。

由表5可知，滇中引水工程龍泉倒虹吸接收井超深圓形基坑工程59項風險源中二級風險源有3項，三級風險源有12項，重大風險源有3項。高風險主要集中于起重吊裝過程，這是由于本工程為超深基坑，圍護結構采用地下連續墻，基坑深度77.3 m，地連墻深度達到96.6 m，鋼筋籠需要分節吊裝，對鋼筋籠吊點選定及設備選擇方面有著重大考驗，需要制定專項方案并對比論證。此外，在其他方面亦需制定相應風險控制措施，以保證風險處于可接受范圍。

5 結 論

本文以滇中引水龍泉倒虹吸盾構接收井超深圓形基坑為例，首先分析了本工程基坑施工的難點，而后在對地連墻施工過程及基坑開挖過程進行風險識別的基礎上，基于LEC法對本工程進行風險評估，結果表明本工程二級風險源有3項，三級風險源有12項，重大風險源有3項。以上風險因素的分析，有效確保了本工程的安全施工，對其他超深圓形基坑項目也具有一定的參考價值。

表5 本工程LEC風險評價表(部分)