某深基坑坍塌事故分析及處理

李國銀,彭柏興

(1.長沙水業(yè)集團(tuán)有限公司,湖南長沙 410015; 2.長沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)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(yè)集團(tuán)有限公司,湖南長沙 410015; 2.長沙市規(guī)劃勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院,湖南長沙 410007)

系統(tǒng)分析了某深基坑坍塌事故的原因,得出了如下認(rèn)識(shí):①巖質(zhì)基坑側(cè)壁受光滑結(jié)構(gòu)面影響,設(shè)計(jì)應(yīng)按平面滑動(dòng)模式驗(yàn)算整體穩(wěn)定性;②根據(jù)不同斷面地質(zhì)條件與受力特點(diǎn)劃分不同支護(hù)單元,合理設(shè)計(jì)構(gòu)造措施;③采取動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)法,結(jié)合開挖情況,分析地層參數(shù)、邊界條件與設(shè)計(jì)前提是否吻合并及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì);④重視施工監(jiān)測(cè)結(jié)果,并采取應(yīng)對(duì)措施等。

深基坑;坍塌;結(jié)構(gòu)面;動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì);構(gòu)造措施

隨著城市化進(jìn)程加快,城市建設(shè)中高層、超高層建筑迅猛發(fā)展,高層建筑基礎(chǔ)往往埋置較深,出現(xiàn)大量的深基坑需要支護(hù),特別是在城市中心,由于場(chǎng)地狹窄,市政管網(wǎng)密集,對(duì)深基坑的變形控制的要求甚高。目前很多專家學(xué)者對(duì)深基坑各種支護(hù)形式的沉降變形分析、設(shè)計(jì)方法對(duì)比選擇、錨固機(jī)理、支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力分析及支護(hù)結(jié)構(gòu)與土的相互作用等進(jìn)行了較深入的研究[1～5],但對(duì)基坑坍塌事故發(fā)生的原因分析及如何汲取經(jīng)驗(yàn)避免事故的發(fā)生文獻(xiàn)較少。本文以某深基坑為例,對(duì)坍塌事故的原因進(jìn)行了詳細(xì)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(cè)原四水廠內(nèi),南鄰沁園春小區(qū),分A、B兩區(qū),共4棟(①#～④#棟),其中A區(qū)擬建建筑物為①#、②#棟,①#棟層數(shù)為10層,高度約40 m,框架～剪力墻結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)埋置深度2.3 m,單位荷重15 000 kPa;②#棟層數(shù)為27層～32層,高度約100 m,框支剪力墻結(jié)構(gòu),基礎(chǔ)埋置深度5.7 m,單位荷重20 000 kPa。B區(qū)③#棟為32層,高度約100 m,框支剪力墻結(jié)構(gòu);④#棟為26層,框支剪力墻結(jié)構(gòu)。地下負(fù)4層。正負(fù)零標(biāo)高為52.2 m,基坑底標(biāo)高為33.5 m,最大高差達(dá)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(shí)不能拆移,但為了趕工期,暫時(shí)不修建地下室,先進(jìn)行塔樓施工,為使源水管正常運(yùn)營,需對(duì)源水管采取保護(hù)措施,因此對(duì)源水管下方的土體進(jìn)行支護(hù)加固處理,局部基坑平面如圖1所示。原設(shè)計(jì)采用9 m～12 m長間距1.2 m的錨桿進(jìn)行支護(hù),在基坑邊坡的中間留了一個(gè)1 m寬的平臺(tái),設(shè)計(jì)剖面如圖2所示。

圖1 基坑平面圖

圖2 設(shè)計(jì)剖面圖

2 工程地質(zhì)、水文地質(zhì)條件

場(chǎng)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(fēng)化板巖碎塊、建筑垃圾構(gòu)成,層厚0.40 m～11.50 m。

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

粉質(zhì)粘土③:褐黃、褐紅色,硬塑～堅(jiān)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(shí)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(shí)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(fēng)化板巖⑥:褐黃、紫紅、褐灰色,原巖結(jié)構(gòu)可辨,多風(fēng)化呈土狀,具殘余結(jié)構(gòu)強(qiáng)度,巖芯多呈土狀～碎塊狀,易軟化崩解。厚1.00 m～6.70 m。

強(qiáng)風(fēng)化板巖⑦:褐黃、紫紅、褐灰色,板狀構(gòu)造,節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖體破碎,層厚0.60 m～24.60 m。

碎裂巖⑧:青灰,碎裂構(gòu)造,膠結(jié)差,易破碎,僅B區(qū)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(fēng)化板巖⑨:青灰、深灰色,裂隙發(fā)育,細(xì)石英脈充填,巖質(zhì)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(fēng)化板巖⑩:深灰,裂隙稍發(fā)育,巖芯多呈短柱狀,少量多呈塊狀,較硬巖,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ級(jí), 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(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1 巖土層主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

勘察期間,A區(qū)地勢(shì)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(jié)性變化較大,主要為大氣降水和生活污水下滲補(bǔ)給,穩(wěn)定水位為36.58 m～41.01 m。B區(qū)地勢(shì)較高,其東、南、西側(cè)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(guī)邊支護(hù)邊開挖,施工至坑底設(shè)計(jì)標(biāo)高時(shí),錨桿注漿已完畢,準(zhǔn)備施工槽鋼,所有觀測(cè)均屬正常。10月31日9:00左右,CDE段坡頂?shù)孛姘l(fā)現(xiàn)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(wǎng)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(yè),未造成人員傷亡。事故發(fā)生后,采取坡腳堆土反壓,11月2日坡底堆土高7.5 m,經(jīng)監(jiān)測(cè)確證變形穩(wěn)定后,對(duì)坡體進(jìn)行全面覆蓋,再商議下一步處治方案。

圖3 坍塌現(xiàn)場(chǎng)

4 事故原因分析

土釘擋墻的破壞形式分為內(nèi)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(wěn),沿深遠(yuǎn)土層整體滑移[6]。本基坑破壞屬于沿深遠(yuǎn)土層整體滑移破壞形式。每個(gè)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(fā)的,它與深坑工程地質(zhì)條件、設(shè)計(jì)方案、施工措施、監(jiān)測(cè)及管理等因素有著密切關(guān)系,是個(gè)復(fù)雜的綜合性問題[7]。本基坑事故發(fā)生的主要原因如下:

4.1 地質(zhì)原因

區(qū)域性NE斷裂從場(chǎng)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(fā)育,巖體破碎,膠結(jié)差,巖體強(qiáng)度較低。巖體結(jié)構(gòu)決定了巖體的工程地質(zhì)特性及其在外力作用下的變形破壞機(jī)理。巖石開挖面表明,巖體結(jié)構(gòu)面與最大主應(yīng)力δ1(重力)夾角β非常小,接近平行。結(jié)構(gòu)面發(fā)育密集,巖體完整性極差,坍塌體滑移面可以發(fā)現(xiàn),結(jié)構(gòu)面形態(tài)平直,粗糙度小,表現(xiàn)為光滑結(jié)構(gòu)面特征(如圖4所示)。由于邊坡巖體具有以上結(jié)構(gòu)特征,坡體在重力作用下的破壞機(jī)理表現(xiàn)為近乎破裂張拉破壞。在進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)時(shí),對(duì)巖體抗剪指標(biāo)с、Φ值應(yīng)進(jìn)行折減,并按平面滑動(dòng)模式驗(yàn)算其整體穩(wěn)定。

圖4 巖體結(jié)構(gòu)面

4.2 設(shè)計(jì)原因

(1)不重視動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

基坑底部開挖后,靠近基坑內(nèi)的巖石變成臨空懸掛,巖體之間摩擦力變小,原設(shè)計(jì)計(jì)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(dǎo)致邊坡塌方事故發(fā)生。

KE段前期已經(jīng)開挖,只進(jìn)行簡(jiǎn)單的表面網(wǎng)噴,未作錨固處理,KE段巖土體已經(jīng)發(fā)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(shè)計(jì)未充分認(rèn)識(shí)松弛變形因素。

(2)未合理劃分支護(hù)單元

施工過程中BC支護(hù)段一直穩(wěn)定,但在CE段事故發(fā)生后,BC段變形突然增大,坡頂?shù)乇沓霈F(xiàn)8 mm～15 mm裂縫,鋼筋網(wǎng)撕裂。其原因在于BC段與CE段的槽鋼在C點(diǎn)進(jìn)行了焊接連接,CE坍塌后導(dǎo)致BC段槽鋼變形,地表拉裂。

設(shè)計(jì)時(shí),如根據(jù)不同斷面地質(zhì)條件與受力條件、劃分不同支護(hù)單元,合理設(shè)計(jì)構(gòu)造措施,即使不同單元變形或出現(xiàn)事故,其變形與事故僅限于在本設(shè)計(jì)單元內(nèi),不致影響相鄰單元,擴(kuò)大事故范圍,減少工程損失。

此外,設(shè)計(jì)時(shí)坑內(nèi)土體留置方式欠妥,從平面圖上可以看出,CEK組成一個(gè)三角形土體,坡體構(gòu)成一個(gè)三棱臺(tái),E點(diǎn)為三棱臺(tái)陽角。從受力角度來看,應(yīng)力在E點(diǎn)處集中,最容易變形引起事故的發(fā)生。為了受力合力,E點(diǎn)處應(yīng)進(jìn)行鈍化處理,開挖成圓弧狀最好。

(3)設(shè)計(jì)管理缺失

源水管支護(hù)設(shè)計(jì)是在原基坑設(shè)計(jì)完成后進(jìn)行的設(shè)計(jì)變更,屬重大變更設(shè)計(jì)。從管理程序上講,應(yīng)重新進(jìn)行嚴(yán)格專家論證。但建設(shè)單位與設(shè)計(jì)單位都沒有足夠重視,未對(duì)變更進(jìn)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(shè)計(jì)限值

坡頂另一主體施工單位堆放了部分機(jī)械設(shè)備和材料,導(dǎo)致坡頂荷載嚴(yán)重超標(biāo)。

(2)未按設(shè)計(jì)工序施工

坡腳部位的穩(wěn)定問題也需高度重視,邊坡塌方都與坡腳土體被嚴(yán)重?cái)_動(dòng)有關(guān)[8]。由于工期緊,建設(shè)方忽視了規(guī)范和設(shè)計(jì)規(guī)定,要求最后一層施工一次開挖了5 m,開挖速度快,支護(hù)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(duì)空洞嚴(yán)格充填,坡體受到嚴(yán)重?cái)_動(dòng),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(duì)變形監(jiān)測(cè)結(jié)果重視不足

施工過程中對(duì)監(jiān)測(cè)結(jié)果重視度不夠。事故發(fā)生前的一個(gè)月坍塌體上的9號(hào)、10號(hào)監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形情況如圖5、圖6所示。從基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)情況看前期變形非常緩慢,在事故發(fā)生的前一天變化突然增大,雖然累計(jì)變形量未超過警戒值,但變形率突然增大,是事故前發(fā)的征兆,此時(shí)應(yīng)該重視變形,采取相應(yīng)的措施。

圖5 9#點(diǎn)變形

圖6 10#點(diǎn)變形

5 處理措施

事故發(fā)生后,業(yè)主邀請(qǐng)業(yè)內(nèi)專家、勘察、設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理等進(jìn)行了專題分析,設(shè)計(jì)單位結(jié)合實(shí)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(gè)平臺(tái)。沿既有滑動(dòng)面和潛在滑動(dòng)面設(shè)計(jì)三排鋼管樁,排距300 mm,間距500 mm,現(xiàn)有滑動(dòng)面鋼管樁長11 000 mm,潛在滑動(dòng)面鋼管樁長13 000 mm,同時(shí)加設(shè)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(shí)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(jié) 論

(1)基坑工程需要采用信息法施工,設(shè)計(jì)人員要切實(shí)掌握?qǐng)龅毓こ痰刭|(zhì)條件,不局限于根據(jù)勘察報(bào)告建議參數(shù)進(jìn)行理論計(jì)算。要結(jié)合開挖情況,分析地層、參數(shù)、邊界條件與設(shè)計(jì)條件是否吻合,如有出入,應(yīng)及時(shí)調(diào)整,指導(dǎo)施工。

(2)重大變更設(shè)計(jì),應(yīng)重新進(jìn)行嚴(yán)格的專家論證。

(3)基坑不同斷面應(yīng)根據(jù)相應(yīng)環(huán)境條件、地質(zhì)水文條件、支護(hù)類型,合理劃分設(shè)計(jì)單元,并設(shè)計(jì)合理的構(gòu)造措施,當(dāng)不同單元變形或發(fā)生事故,變形與事故也可控制于該單元內(nèi),不會(huì)牽連其他單元,導(dǎo)致事態(tài)擴(kuò)大。

(4)嚴(yán)格按設(shè)計(jì)工序進(jìn)行施工,坡頂嚴(yán)禁超限堆載,在施工過程中重視對(duì)監(jiān)測(cè)變形進(jìn)行分析,稍有異常,應(yīng)及時(shí)采取有效措施。

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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(shè)計(jì)、施工管理工作。