河南某基坑失穩原因分析及應急方案

張永雨，孫玉永

（1.河南省交通規劃設計研究院股份有公司，河南 鄭州 451450；2.銅陵學院建筑工程學院，安徽 銅陵 244000）

0 引言

隨著我國城市化進程的不斷擴大，城市基礎設施建設也逐漸轉向地下，諸如地下綜合體、地下停車場、地鐵車站等不斷涌現。進行地下空間開發利用，不可避免的會涉及到基坑工程，而基坑工程屬危險性較大的分部分項工程，其安全性受到多種因素的影響，如地層參數、水土壓力、地下水情況、施工機械、施工臨時荷載等因素（徐楊青，2001；楊學林，2012；律文田和李偉勇，2020）。此外，基坑工程一般都作為臨時工程，無論是設計單位還是施工單位對其的重視程度都不如永久性工程，因此也造成了一些基坑工程事故。

本文以某一邊坡失穩基坑工程為背景，通過現場調研、室內實驗、計算分析等手段，系統分析了引起基坑邊坡失穩的原因，并針對性提出了一些應對措施，可為類似基坑工程的設計和施工提供借鑒。

1 工程概況

該項目為高層住宅樓，包括34層住宅3棟、3層商業輔助用房及一層地下車庫，建筑總面積57119.27 m2，位于鄭州市北部，場地地面標高93.1～93.2 m，高層主樓采用錘擊管樁，樁徑400 mm，車庫采用天然地基筏板基礎。

該項目基坑形狀為梯形，周長379.9 m，開挖深度7.5～8.5 m，地下室開挖采用整體分層開挖。基坑東北側為40 m寬主干路的綠化帶，基坑南側、西側為擬建道路。基坑平面布置如圖1所示。

圖1 基坑平面布置圖

2 工程地質條件

場地屬黃河沖積平原，地層主要為第四系沖積的粉土、粉質黏土、細砂層，具體包括：①耕植土，稍密，以粉土為主，埋深0.3～1.0 m，平均厚度約0.52 m；②粉土，稍濕～濕、稍密，埋深0.3～5.8 m，平均厚度約2.9 m；③粉土，稍濕～濕、稍密，埋深5.4～10.9 m，平均厚度約2.7 m；④-1粉質黏土，黃褐色～灰褐色，軟塑，局部可塑，埋深6.7～12.4 m，平均厚度約2.9 m；④-2粉土，灰褐色，局部為黃褐色，濕，稍密，局部夾薄層粉質黏土，埋深7.5～12.4 m，平均厚度約2.45 m；⑤粉質黏土，灰褐色～黃褐色，可塑，局部軟塑，切面較光滑，埋深11.9～15.8 m，平均厚度約3.06 m；⑥粉土，褐黃色，濕，中密，搖震反應迅速，埋深13.0～17.2 m，平均厚度約1.56 m；⑦粉質黏土，黃褐色，可塑，埋深14.8～18.6 m，平均厚度約1.74 m；⑧細砂，灰褐色～黃褐色，飽和，密實，埋深24.5～28.7 m，平均厚度約10.2 m。基坑范圍內的地層設計參數如表1所示。

表1 基坑支護設計土層參數

勘察期間為3月份，該場地初見水位位于地面以下11.20～12.50 m，穩定水位位于地面以下17.61～19.30 m，地下水屬于潛水，含水層主要為下部粉土層或細砂層。由于場地淺部存在粉質黏土相對隔水層，淺部局部存在上層滯水，上層滯水水位埋深約11.60 m，主要受大氣降水補給和地下水開采的影響。

3 基坑設計

依據基坑規模、開挖深度、地質水文條件、周邊環境條件及有關技術規定，基坑側壁安全等級為二級，基坑支護方案采用土釘墻方案，支護平面圖詳見圖1，依據13#鉆孔地層資料設計的Ⅰ-Ⅰ’支護剖面圖詳見圖2。依據各層地質參數，計算Ⅰ-Ⅰ’剖面的整體穩定性安全系數為1.329>1.3，抗隆起穩定安全系數（孫玉永和肖紅菊，2013；侯曉亮和譚曉慧，2015；胡康俊等，2015；蔡露等，2018）最小值為1.615>1.60。

圖2 Ⅰ-Ⅰ’支護剖面圖

4 基坑失穩現狀及機理分析

2017年6月底，設計單位完成基坑支護設計文件，并通過審查后交付甲方，施工單位8月份進場，8月10日開始土方開挖，支護結構施工于8月14日開始依據土方開挖進度進行施工，交叉作業。由于揚塵管控，土方開挖存在突擊現象，支護結構施工跟不上土方開挖進度。基坑開挖至地面下7.2 m時，錘擊管樁施工開始。管樁僅在主樓基礎下，樁徑400 mm，樁間距1.4 m，管樁施工采用跳打原則，隔一打一，先中間后兩邊，1#樓北側距離滑塌區域距離在14.4～29.8 m之間。

10月22日，接甲方通知，基坑開挖至地面以下7.2 m，錘擊管樁正在施工，第5排土釘準備施工，基坑東北側出現坑底隆起、坡角突起、失穩滑塌現象。坡腳土體成軟塑狀，基坑底出現滲水現象，坡面整體沒有破碎，但出現多處貫通的豎向裂縫，坡頂5 m范圍內呈錯臺狀，錯臺高度0.3～1.5 m，邊坡滑塌長度約51 m，坡頂為40 m寬的道路綠化帶。基坑滑塌沒有造成道路變形或開裂。滑塌現狀照片詳見圖3和圖4。

圖3 坡角現狀圖

圖4 坡頂現狀圖

依據基坑設計文件，結合現場施工順序，基坑底部正好位于軟土層④-1層粉質黏土，該層承載力特征值為80 kPa，壓縮模量為3.1 MPa，承載力較低，屬高壓縮性土，當基坑開挖至地面下7.2 m時，在無側限情況下該層變形量增大，邊坡變形逐步顯現。在基坑開挖過程中，挖土機械和拉土車輛的反復碾壓下，④-1層土被擾動，強度進一步下降。當錘擊管樁施工時，上層滯水水位由勘察時的11.60 m（3月份），上升至7.2 m（10月份），水位上升了4.4 m。水位的上升進一步加劇了④-1層土軟化，抗剪強度進一步的下降，變形量進一步加大，邊坡內部拉應力逐步增大，最終拉應力超過土釘極限抗拉強度，導致土釘錨固體破裂，鋼筋被拔出。最終坑底隆起，坡角失穩，出現邊坡滑塌現象。依據邊坡失穩機理的分析，邊坡剪出口位于基坑隆起位置，邊坡的后緣位于坡頂豎向裂縫位置，推測滑動帶（張永雨，2020）位置見圖2中ABC位置。

5 基坑失穩原因分析

基坑失穩滑塌后，對現場施工情況進行了核查，邊坡坡度、面層厚度、面層中鋼筋網、土釘長度、錨固體直徑、鋼筋型號等方面與設計文件基本一致，施工質量基本合格，但質量檢驗與驗收程序缺失。從斷裂的錨固體看，鋼筋沒有完全居中，處于錨固體下部1/3位置。此外，還存在其它如勘察、設計、施工、監測等方面問題。

5.1 勘察因素

（1）地層劃分不合理，建議土層指標參數不準確。復核地質勘察報告，第④-1 粉質黏土層的靜力觸探錐尖阻力范圍0.356～0.963，平均值0.567，標準值0.527，最大值是最小值的2.7 倍，說明指標統計離散性大，地層劃分不盡合理，該層存在更軟弱的夾層，夾層的承載力小于該層的建議值，軟弱夾層正是基坑支護設計及施工的不確定性因素之一。

另外，勘察報告中給出第④-1層粉質黏土層承載力特征值80 kPa，壓縮模量3.1 MPa，黏聚力為23 kPa，內摩擦角為13°。依據《建筑地基基礎設計規范》5.2.5條①，根據土的抗剪強度指標確定地基承載力特征值的公式：

式（1）中：fa為由土的抗剪強度指標確定的地基承載力特征值，kPa；Mb、Md、Mc為承載力系數，無量綱；γ為基礎底面以下土的重度，kN/m3；b為基礎底面寬度，m，大于6 m時按6 m取值，對于砂土小于3 m時按3 m取值；γm為基礎底面以上土的加權平均重度，kN/m3；d為基礎埋置深度，m；ck為基底下一倍短邊寬度的深度范圍內土的黏聚力標準值，kPa。

估算得到該層的承載力特征值為165.0 kPa，與勘察報告給出的建議值（80 kPa）相差較大。因此勘察報告給出的第④-1 層粉質黏土層抗剪強度指標明顯不合理，與該層承載力建議值不匹配。

（2）水文地質條件未完全查清。勘察期間地下水初見水位埋深11.20～12.50 m，穩定水位埋深17.61～19.30 m，上層滯水水位埋深約11.60 m；而基坑開挖至7.2 m時，地基土含水量較大，呈軟塑狀。因此，水文地質條件與實際情況不符，尤其是上層滯水的富存情況，也未進一步評價其對基坑工程的影響。另外，下部承壓水及其與上層滯水的相互關系也未查清。

5.2 設計因素

通過現場取樣試驗，勘察報告提供的④-1層粉質黏土層抗剪強度指標與承載力不匹配，指標偏大。復核Ⅰ-Ⅰ’剖面支護設計，④-1層黏聚力和內摩擦角按11.4 kPa、8.6°估算時，三個工況的整體穩定性驗算安全系數分別為1.276、0.954、0.993，均小于1.3，整體穩定性驗算不滿足規范要求；基底抗隆起穩定性安全系數為0.598，遠小于1.6，抗隆起穩定性驗算不滿足規范要求。

因此設計單位應當結合區域經驗正確鑒別和使用勘察資料，尤其是影響基坑設計的關鍵指標。同時還應了解主體設計施工中影響支護結構的主要因素，尤其是大型機械、基樁施工等方面的影響，提出合理的施工時序建議，明確施工中影響支護結構的注意事項。

5.3 施工因素

（1）超挖嚴重，支護不及時。現場施工未嚴格遵循基坑開挖施工的時空效應。土方開挖時，超挖比較嚴重，且支護不及時。依據現場施工記錄，豎向分層厚度超過2.4 m，水平向分段開挖整個基坑東側，分段長度為120 m，土方開挖結束時間與基坑刷坡開始時間間隔近3天，基坑刷坡結束時間與土釘成孔開始時間間隔近2天。

（2）基礎施工擾動。依據廣東省《錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規程》②相關規定，錘擊管樁施工影響范圍較大，至少影響周圍150 m范圍，尤其是對基坑工程和周邊建（構）筑物的影響。本項目主樓基礎采用錘擊管樁，錘重6.3 t，落距3 m，夯擊能為189 kN·m。樁基施工在基坑開挖至7.2 m時進行，但由于壓樁機的行走、管樁的擠土效應以及錘擊振動會造成上層滯水孔隙水壓力增大，水位上升，進而引起坡角土體軟化，抗剪強度降低，從而誘發邊坡變形迅速加大，造成邊坡失穩滑塌。為了獲得施工擾動對坡腳土體的影響程度，邊坡發生失穩后，對坡腳土體進行了現場取樣，依據現場情況在坡體下部和基底土體采取環刀樣，并做了室內直剪試驗。由試驗結果可知，坡體下部土體黏聚力為11.4 kPa，內摩擦角為8.6°，按公式（1）估算承載力特征值為86.4 kPa；受管樁施工影響的基底土體黏聚力9.4 kPa，摩擦角3.5°，估算得到承載力特征值為59.8 kPa。由黏聚力和內摩擦角按公式：

式（2）中：τ為土的抗剪強度，kPa；c為土的黏聚力，kPa；σ為作用于剪切面上的法向應力，kPa；φ為土的內摩擦角，° 。

估算抗剪強度，分別為19.8 kPa、11.4 kPa，可見擾動土體的抗剪強度僅為原土體的57.6%。

因此，地基施工對基底土體影響較大（李亮輝，2019），造成基底土體的抗剪強度和承載力大幅降低，進而影響了邊坡穩定性和基礎穩定性。結合本項目的實際情況，通過土工試驗及原位測試，估算出水位變化及管樁施工對邊坡土體的影響程度，土體的抗剪強度折減系數約為0.576，承載力折減系數約為0.692（鄭瑞雄和劉祖德，2005）。

5.4 變形監測缺失

發生基坑滑塌時，未見基坑變形監測數據，且早期發現地表裂縫時沒有預警也未及時采取應急措施。

6 基坑應急處治方案

依據基坑滑塌現場情況采取如下應急措施：立即停止基坑土方開挖及樁基施工、有險情的坡角堆土反壓，采用明渠和輕型井點迅速降低地下水位，并立即加強邊坡變形監測，了解邊坡的變形發展趨勢，為下一步處治方案選型提供依據。

勘察單位復核現場水文地質條件，提供土層合理的抗剪強度指標，基坑設計單位復核邊坡的穩定性驗算，并結合臨近工程經驗，最終采用工字鋼+土釘墻的復合土釘墻方案（劉彥忠，2002；楊志銀等，2005）進行加固，同時邊坡中部加密一排12 m的土釘，下部未施工的土釘加長至9 m。應急處置方案詳見圖5。

圖5 應急處置方案支護剖面圖

通過應急處治方案的實施，提高了坡角土體的抗剪強度和承載力，處理了失穩滑塌部位，同時確保了基坑其它部位穩定性，后期變形監測中坡頂最大水平位移為26 mm，其它監測值均在規范允許范圍內。

7 結論

（1）由于巖土工程自身的復雜多變性，勘察報告質量參差不齊，多地存在重視承載力特征值、輕視抗剪強度指標的現象，導致抗剪強度與承載力特征值不匹配。因此基坑設計時一定要考慮當地經驗，復核勘察報告的水位、承載力及抗剪強度等關鍵參數。

（2）基坑工程應嚴格遵照基坑開挖合理的時空效應，嚴禁超挖及不及時支護的情況。

（3）基坑設計要充分考慮坑內施工擾動對土層強度的影響，必要時可通過現場試驗獲得更準確的抗剪強度。結合本項目的實際情況，通過土工試驗及原位測試，估算水位變化及管樁施工對邊坡土體的影響程度，土體的抗剪強度折減系數約為0.576，承載力折減系數約為0.692。

注 釋

①中華人民共和國住房和城鄉建設部.2011.建筑地基基礎設計規范:GB 50007-2011[S].北京:中國建筑工業出版社.

②廣東省建設廳.2008.錘擊式預應力混凝土管樁基礎技術規程:DBJ/T 15-22-2008[S].廣州:中國建筑工業出版社.