地鐵車站深基坑施工風(fēng)險案例分析及控制對策

喬林祥

(中鐵電氣化局集團有限公司鐵路工程分公司，北京 100036)

隨著城市化推進和城市擴張，城市人口飽和、交通擁堵，城市軌道交通孕育而生。受吸引客流、解決城市交通擁堵的因素，地鐵車站深基坑往往選址在城市繁華地區(qū)，其周邊建筑密集，管線眾多，任何一個環(huán)節(jié)的失誤都會帶來工程風(fēng)險事故，建立一套完善的風(fēng)險管理系統(tǒng)顯得尤為重要［1］。如何減少或降低深基坑工程施工風(fēng)險，正確應(yīng)對深基坑工程施工過程中發(fā)生的各種風(fēng)險事件，已成為工程建設(shè)中相關(guān)技術(shù)及管理人員的必修課。

國內(nèi)外眾多學(xué)者對深基坑工程安全風(fēng)險進行了深入的研究［2-9］，成果較多，其中國際隧道協(xié)會2003年完成了隧道風(fēng)險管理指南《Guideline for Tunneling Risk Management》［9］，標志著隧道及地下工程風(fēng)險研究進入了一個嶄新的階段，但是應(yīng)用到深基坑工程管理上尚不成熟。本文列舉了南京地鐵2號線集慶門大街車站深基坑發(fā)生的典型風(fēng)險事故，對其發(fā)生的原因及處置措施進行了描述，結(jié)合該車站深基坑工程特點，對深基坑施工可能遇到的風(fēng)險予以分析，并總結(jié)出風(fēng)險控制的相應(yīng)對策，希望能對同類工程具有一定的參考價值。

1 工程概況

南京地鐵2號線集慶門大街站位于河西地區(qū)江東南路與集慶門大街交叉口，車站沿江東南路呈南北向布置，埋置于江東南路中部路面以下，為2號線正線、西延支線、遠期6號線的換乘車站。車站總長312.2 m，標準段寬度48.2 m，結(jié)構(gòu)形式為地下2層島式，基坑深度約15.7 m，基坑圍護結(jié)構(gòu)采用φ1 000 mm@800 mm套管咬合樁與5層鋼管內(nèi)支撐體系。車站西側(cè)設(shè)3個通道出入口和2個風(fēng)道4組地面風(fēng)亭，車站東側(cè)設(shè)4個通道出入口。所有附屬結(jié)構(gòu)均為地下1層，待主體結(jié)構(gòu)完工后施工。

場地地貌類型屬長江低漫灘，基坑內(nèi)地層大部分為淤泥質(zhì)粉土。深部承壓含水層粉土與粉砂中的地下水與長江及外秦淮河均有一定的水力聯(lián)系。基坑開挖范圍內(nèi)南端和中部土層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土為主，中部局部含粉砂薄層，北端以及中部偏西土層以淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土、粉砂層為主，降水困難(見表1)。

表1 各巖土層主要物理力學(xué)指標

2 基坑工程風(fēng)險分析

本項目基坑長312.2 m，標準段寬度48.2 m，基坑深度約15.7 m，規(guī)模較大，地處河西長江低漫灘，地質(zhì)條件很差，且周邊建筑物密集，地下管線眾多，交通網(wǎng)絡(luò)縱橫，環(huán)境保護要求高，潛在環(huán)境風(fēng)險及基坑自身風(fēng)險不容忽視，主要風(fēng)險事件詳見表2。

3 風(fēng)險案例

3.1 風(fēng)險事故一

南部端頭井部位土方開挖完畢后，于2006年12月24日21:30澆筑底板時在端頭井中間立柱樁周圍發(fā)生突涌，共涌出泥砂120 m3左右，見圖1。本次突涌造成南端距基坑約20 m的1幢6層點式居民樓向西傾斜，路面最大下沉量約30 cm，立柱樁最大下沉量為6 cm。

表2 基坑工程安全風(fēng)險事件

圖1 基底突涌發(fā)生示意圖

在搶險過程中對南端頭井部位降水井進行了全面的檢查，發(fā)現(xiàn)原正常工作的12口降水井由于土方開挖坡度不合理，導(dǎo)致坑內(nèi)土體滑移，造成其中8口井連續(xù)遭剪切破壞，至12月24日僅有4口井正常作業(yè)。

參考規(guī)范［10］，對基坑涌水量進行了驗算，發(fā)現(xiàn)所需降水井總數(shù)應(yīng)大于8口工作井，而4口井的抽水量遠遠滿足不了降壓要求。

該處在開挖至底板標高時的承壓水上覆土層僅3 m厚，而承壓水層靜止水頭高度達18 m，經(jīng)驗算rwH水＞r土H土，故發(fā)生突涌。突涌后，啟動應(yīng)急預(yù)案，在突涌四周堆碼土袋反壓封堵，同時迅速搶修部分破壞的降水井，恢復(fù)其降水功能，又增補4口降水井，達到13口井同時降水，解除了險情。

3.2 風(fēng)險事故二

2007年1月13日下午，土方挖至628號和629號樁間時，開始有一股小涌泉出現(xiàn)，當挖機沿樁邊向下再挖除一斗土后，突然發(fā)生管涌，共涌出泥砂45 m3左右，見圖2，造成最近的一處路面下沉40 cm左右，交通中斷3 d。

圖2 基坑管涌發(fā)生示意圖

經(jīng)檢查施工記錄，628號，629號樁成樁過程中未控制好垂直度，造成咬合樁開叉，后進行了高壓旋噴樁處理，旋噴深度達開挖面以下3 m，當時未進行抗管涌驗算，僅憑經(jīng)驗而已。

參考規(guī)范［10］，對基坑抗管涌驗算如下:

其中，KS為抗管涌安全系數(shù)，本基坑取2.0;ic為坑底土體臨界水力梯度;i為坑底土體滲流水力梯度;GS為土粒比重，取值2.8;e為坑底土體天然孔隙比，取值0.9;hw為坑內(nèi)外水頭差，取值13 m;L為最短滲流線路，取值19 m。

經(jīng)計算基坑不滿足抗管涌穩(wěn)定性要求。顯然，本次管涌是咬合樁開叉后加固深度不夠造成的。后經(jīng)在滲漏點上堆碼砂袋反壓，同時在發(fā)生管涌的圍護樁外部迅速進行雙液注漿封堵，注漿深度達底板標高以下6 m，兩天后成功地完成了堵漏工作。

3.3 風(fēng)險事故三

在施工過程中，通過環(huán)境監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，位于基坑?xùn)|南位置，離基坑約20 m遠處的鷺鳴苑小區(qū)15幢住宅樓局部出現(xiàn)裂縫，且向基坑內(nèi)側(cè)發(fā)生傾斜，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)繪制圖如圖3所示。

綜合南京河西地區(qū)軟土地基基礎(chǔ)研究成果可知，該區(qū)復(fù)合地基建筑主要沉降是由于復(fù)合地基下臥層固結(jié)或變形(擾動)引起的，而鷺鳴苑15幢主要沉降是深攪樁持力層水土流失所致，而復(fù)合地基處理深度范圍內(nèi)的壓縮固結(jié)僅為次要因素。根據(jù)該建筑物的基礎(chǔ)形式，所采取的控制措施的目的就是要減小上部土體的擾動及變形，其中地下水的滲流作用也是不可忽視的問題。考慮基坑開挖的時空效應(yīng)，加快基坑施工進度，對于控制由基坑變形引起的建筑物不均勻沉降將起到重要作用。在建筑物與基坑圍護結(jié)構(gòu)間設(shè)置回灌井，也是有效控制既有建筑物不均勻沉降的有效措施。

圖3 建筑房屋傾斜狀況

4 多發(fā)風(fēng)險事件控制措施

4.1 支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)

風(fēng)險特點:支護結(jié)構(gòu)失穩(wěn)是基坑開挖時，圍護結(jié)構(gòu)、支撐的強度、剛度或者穩(wěn)定性不足引起支護結(jié)構(gòu)破壞從而導(dǎo)致邊坡坍塌的事故。

控制措施:1)立即停止開挖(停止施工)，疏散現(xiàn)場閑雜人員及涉險建筑物內(nèi)的人員，并盡快進行回填超挖土方或推土反壓等措施;2)詳細檢查圍護結(jié)構(gòu)的支撐變形情況，對變形嚴重超限區(qū)段采取增加支撐或預(yù)應(yīng)力錨桿等措施;3)查找事件的導(dǎo)致因素，消除周邊超載等，防止失穩(wěn)現(xiàn)象擴散;4)如發(fā)生坍塌，對坍塌涉及范圍內(nèi)存在的上水、易燃、易爆、有毒管線重點監(jiān)控，及時通知相關(guān)產(chǎn)權(quán)單位;5)召集專家級有關(guān)人員參加搶險緊急會議，決定應(yīng)急處理方案，并據(jù)此進行應(yīng)急處理;6)調(diào)整分層開挖的高度或增加支撐層數(shù)并嚴格控制，每層開挖后立即進行支撐作業(yè);7)加強監(jiān)控。

4.2 邊坡(護壁)滲漏

風(fēng)險特點:邊坡滲漏是基坑工程多發(fā)現(xiàn)象，同時也是引發(fā)風(fēng)險事故的重要原因之一，多發(fā)生在飽和土的變層處，基坑開挖及使用期間都可能發(fā)生，常造成邊坡坍塌或局部失穩(wěn)。

控制措施:1)盡快查清并切斷水源;2)當出現(xiàn)涌(流)砂并有增加趨勢時，應(yīng)立即封堵涌砂通道(預(yù)埋引水管)，然后對涌砂區(qū)采用注漿等措施加固、填充;3)若在開挖過程中發(fā)生邊坡局部滲漏引起土體塌滑，應(yīng)及時清除松動的土層，用砂袋填補塌坑并在底部預(yù)埋包網(wǎng)的引水管，然后用水泥砂漿抹面，可打入少量鋼釬固定砂袋;4)若發(fā)生較大范圍的坍塌，立即停止土方開挖并向坍塌處推土止滑，然后分片清除虛土，埋管引水，堆填砂袋，打入鋼釬固定砂袋并在面層掛鋼筋絲網(wǎng)、板，然后噴射混凝土面層;5)若樁間滲漏，埋管引水并加強滲漏處的樁間土支護;6)若因滲漏引起樁間土坍塌，先在樁間碼放砂袋擋土并預(yù)埋引水管，然后加強樁間支護、充填樁后空洞;7)若因坍塌造成支護樁產(chǎn)生明顯變形，架設(shè)臨時支撐確保搶險工作安全，然后采用增加支撐或預(yù)應(yīng)力錨桿等措施加固支護體系;8)對周邊環(huán)境及基坑支護結(jié)構(gòu)加強監(jiān)控，當變形較大時，應(yīng)及時召開專家會擬定加固方案，并組織加固。

4.3 基底隆起

風(fēng)險特點:基底隆起一般發(fā)生在軟土地區(qū)，邊坡穩(wěn)定性差，支護結(jié)構(gòu)嵌固端變形大，基坑不降水且基底存在軟弱透水性土層，其下分布有承壓水。

控制措施:1)立即停止開挖，嚴重時進行堆料或回填反壓等;2)立即加設(shè)基坑內(nèi)外沉降監(jiān)測點，并進行實時監(jiān)測;3)對基坑實施注漿加固，但不得采用對地層擾動大的工藝，同時需考慮降低擾動的方法并嚴密監(jiān)控;4)加強基坑內(nèi)降水，但必須對周邊環(huán)境進行監(jiān)控。

4.4 承壓水突涌

風(fēng)險特點:承壓水突涌多發(fā)生在地下水位高且未降水或降水不到位或者因故突然停止降水時。

控制措施:1)開啟所有抽水泵，降低承壓水水位，同時尋找涌水源;2)立即進行回填土方(以粘性土為佳)，或以滲漏點為中心，在四周堆碼土袋墻進行反壓封堵并澆筑混凝土，在繼續(xù)增加反壓重量的同時將土袋墻連為一個整體遏止涌水;3)對內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)進行排查補強，確保基坑圍護結(jié)構(gòu)的整體安全。

4.5 地面(道路)開裂、塌陷

風(fēng)險特點:地面(道路)開裂、塌陷多數(shù)是由基坑圍護變形過大、涌水涌砂、坍塌、失穩(wěn)造成。

控制措施:1)立即停止開挖，進行基坑堆料會回填反壓，交換或抑制路面開裂或塌陷情況;2)加強支護體系，減小基坑變形量;3)用水泥漿將地面裂縫澆灌封閉并抹面，以防雨水滲入及增加開裂面滑動抵抗能力;4)如果路面下土質(zhì)松動或出現(xiàn)空洞，立即采取注漿加固、填充。

4.6 建筑物變形過大

風(fēng)險特點:建筑物變形過大與自身結(jié)構(gòu)、基坑變形、所在地的工程地質(zhì)、地下水位均有一定關(guān)系，變形及風(fēng)險程度涉及建筑物內(nèi)人員及周邊人員的財產(chǎn)及人員安全，社會影響及糾紛大。

控制措施:1)立即停止開挖，組織有關(guān)技術(shù)人員查找建筑物變形過大的原因，并及時消除導(dǎo)致因素;2)若建筑物變形過大，經(jīng)認定涉及結(jié)構(gòu)安全，需及時撤除內(nèi)部人員;3)對開挖影響范圍內(nèi)的建筑物周邊土體采取注漿等措施進行加固，提高地層的承載能力或調(diào)整其變形;4)邀請相關(guān)有資質(zhì)的單位，對建筑物進行結(jié)構(gòu)加固和修補;5)繼續(xù)優(yōu)化基坑開挖、支護施工參數(shù)和工藝;6)加強監(jiān)測頻率、強化監(jiān)測措施和要求。

4.7 管線變形過大

風(fēng)險特點:管線較大的變形下，會發(fā)生管線爆裂、燃氣泄露，甚至人員傷亡事故，直接威脅施工安全，影響居民生活，造成較大的社會影響。

控制措施:1)關(guān)閉管線的控制閥門;2)立即聯(lián)系管線產(chǎn)權(quán)單位與其共同進行原因分析，并進行應(yīng)急處理;3)對局部變形過大但不影響環(huán)境的管線進行修補，對大范圍過大變形的地下管線采用地表注漿加固處理;4)開挖并暴露管線，對其進行懸吊等方式加以保護;5)根據(jù)監(jiān)測情況及時調(diào)整支撐參數(shù)及基坑開挖方案。

5 結(jié)語

在工程項目中，需事先收集工程相關(guān)資料，對風(fēng)險進行識別與分析，完善預(yù)案措施，制定詳細且有針對性的控制措施及應(yīng)急預(yù)案，出現(xiàn)風(fēng)險事件只要做到快速反應(yīng)、及時處理、措施得當，就可以化險為夷。

1)要快速反應(yīng)，處理果斷堅決，尤其對突發(fā)緊急的高風(fēng)險事件。2)操作緊張有序，忙而不亂，加強觀察，根據(jù)需要及時調(diào)整處理方案，必要時啟動應(yīng)急預(yù)案。3)迅速組織緊急專題會議，必要時邀請相關(guān)專家參與，做到原因分析透徹，針對性處理措施明確可行，并有進一步方案準備。4)確定合理的處理方案，隨時做好各種應(yīng)急準備，以防意外。

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