某沿海城市地道橋基坑工程事故分析與處理

戰(zhàn)亞男 楊 新 楊慧林

(1.天津建源工程設(shè)計(jì)咨詢有限公司，天津 300074；2.北京中鐵天瑞機(jī)械設(shè)備有限公司，北京 100040；3.中交鐵道設(shè)計(jì)研究總院有限公司，北京 100088)

近年來(lái)，隨著國(guó)內(nèi)基礎(chǔ)設(shè)施的持續(xù)建設(shè)，海相沉積軟土區(qū)域的基坑工程事故發(fā)生較多。業(yè)內(nèi)對(duì)不同區(qū)域的海相軟土特征進(jìn)行了許多研究[1-3]，并就該類型地層中發(fā)生的基坑事故處理進(jìn)行了分析與總結(jié)[4-5]。沿海區(qū)域原始地貌情況復(fù)雜，地層層序不穩(wěn)定，軟黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)具離散性，參數(shù)若選擇不合理，可能影響工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)[6]。基坑降水導(dǎo)致鄰近基礎(chǔ)水位下降、水體浮托力減小及地基土的荷載增加，從而造成建筑物的下沉[7]。同時(shí)，鄰近基坑的建筑物會(huì)產(chǎn)生地面超載，對(duì)基坑變形也有不利影響[8]。當(dāng)二者相互作用時(shí)，易造成基坑變形超標(biāo)或坍方，并伴隨建筑物不均勻沉降，從而導(dǎo)致其使用功能的下降或破壞[9]。

發(fā)生上述情況后，必須及時(shí)對(duì)基坑、建筑物進(jìn)行有針對(duì)性的工程處置[10]，多采用提高基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的措施保證基坑安全[11]。另一方面，采用系統(tǒng)的控制性排水措施也能起到穩(wěn)定地層并控制建筑物差異沉降的作用[12]。

以下以某沿海城市地道橋基坑工程事故為例，分析其事故原因并給出事故處理措施，可為類似工程提供參考借鑒。

1 工程概況及事故概述

1.1 工程背景及目標(biāo)

該工程實(shí)例為某沿海城市熱電廠建設(shè)配套工程，擬在該市港務(wù)局所轄鐵路專用線下修筑頂進(jìn)式7.6 m單孔地道橋一座(線下南北向長(zhǎng)度31.8 m)。地道橋預(yù)制及頂進(jìn)作業(yè)位于鐵路專用線(共3股)的南側(cè)，基坑深約6.0 m，基坑西北為港務(wù)局鐵路專用線調(diào)度指揮樓?；幽蟼?cè)采用鋼板樁防護(hù)，并設(shè)置頂進(jìn)后背梁作為頂進(jìn)承載結(jié)構(gòu)，其余三面均采用放坡開(kāi)挖(各方向坡面的放坡率分別為：東面1∶1、北面1∶1.5、西面1∶0.3)，基坑北側(cè)距離最近的鐵路股道約7.0 m；基坑西側(cè)距離調(diào)度指揮樓外墻約10.5 m。工程總平面見(jiàn)圖1。

為排降地下水，共設(shè)計(jì)降水井12眼，分別位于基坑周邊。其中，基坑?xùn)|側(cè)4眼，基坑西側(cè)與調(diào)度樓之間4眼，基坑南側(cè)1眼，基坑北側(cè)3眼(見(jiàn)圖1)。

圖1 工程總平面

港務(wù)局鐵路專用線調(diào)度指揮樓由主、副樓組成(主樓四層、副樓兩層)，主、副樓采用分塊筏板基礎(chǔ)，地上結(jié)構(gòu)之間設(shè)置沉降縫。

1.2 地質(zhì)資料

該工程區(qū)域內(nèi)場(chǎng)地條件平整，為典型的沿海灘涂地貌，鐵路路基與自然地面基本持平。地層自上而下為：素填土(厚約0.7 m)、粉土(厚約5.5 m)、粗砂(下臥層，未貫穿)，地下潛水位于地面以下1.0 m。地層分布見(jiàn)圖2。

圖2 基坑與建筑物剖面關(guān)系

1.3 事故早期處置

該工程于當(dāng)年10月5日進(jìn)場(chǎng)施工，分別于10月24日、11月5日對(duì)基坑西側(cè)和東側(cè)的兩排降水井實(shí)施降水作業(yè)。10月20日開(kāi)始對(duì)基坑土方進(jìn)行開(kāi)挖。

11月1日，基坑西北角出現(xiàn)小坍方，施工單位采用坑內(nèi)填土壓重方式封閉坍方面。

11月2日至4日，為防止坍方進(jìn)一步擴(kuò)展，在基坑西側(cè)邊坡打入5根密排的I56工字鋼，經(jīng)過(guò)試挖，止坍效果并不明顯。

11月8日，采用預(yù)應(yīng)力全長(zhǎng)錨固型水泥錨索作為密排工字鋼的外拉受力體系，引孔作業(yè)后實(shí)施了灌漿作業(yè)。

11月10日，基坑西側(cè)鐵路調(diào)度樓主、副樓之間的沉降縫突然擴(kuò)展，呈現(xiàn)下窄上寬的形態(tài)，上部最大張開(kāi)量為39 mm。

11月11日晨，沉降縫進(jìn)一步張開(kāi)，上部最大張開(kāi)量為52 mm，隨即停止了基坑內(nèi)的作業(yè)及降水作業(yè)，對(duì)基坑周邊的不利堆載予以清除。

至此，基坑施工全面停止，進(jìn)入搶險(xiǎn)狀態(tài)。

1.4 搶險(xiǎn)思路

(1)從設(shè)計(jì)角度分析事故發(fā)生的原因，以便對(duì)事故進(jìn)行正確的技術(shù)響應(yīng)。

(2)從施工角度，應(yīng)對(duì)基坑周邊土體進(jìn)行有效加固，以保證后續(xù)施工。

(3)從保證環(huán)境安全的角度，需要采取有效措施控制鐵路調(diào)度樓的進(jìn)一步沉降及傾斜，保證結(jié)構(gòu)安全及使用功能。

2 基坑事故分析與建筑物安全評(píng)價(jià)

2.1 基坑致險(xiǎn)因素分析

在確定系統(tǒng)性的基坑整治及建筑控沉方案前，應(yīng)詳盡分析基坑病害產(chǎn)生的原因。依據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，認(rèn)為造成工程事故的原因主要有以下幾個(gè)。

(1)地質(zhì)條件與地勘資料存在較大差異

原地質(zhì)資料顯示基坑所在地層為粉土，下臥層為粗砂，而實(shí)際揭露地層為淤泥質(zhì)軟土，且范圍較大。經(jīng)核實(shí)，設(shè)計(jì)采用的地質(zhì)資料為鄰近道路的勘察孔資料，距離本工程基坑約80 m。因此，基坑西邊坡采用1∶0.3的坡率及網(wǎng)噴支護(hù)的措施不能保證安全。

(2)施工前未開(kāi)展詳盡的工程環(huán)境及鄰近建筑物調(diào)查

①調(diào)度樓所在場(chǎng)地地基條件差，基礎(chǔ)施工中發(fā)現(xiàn)地基為淤泥質(zhì)軟土，但這一重要信息未引起施工方足夠重視。

②該場(chǎng)地周邊的地層曾因鐵路、市政管線、道路施工在不同時(shí)期多次被開(kāi)挖擾動(dòng)，基坑區(qū)域內(nèi)的土層已非原狀土層。

③在基坑開(kāi)挖過(guò)程中，暴露出一根φ60的給水管，另有一廢棄的污水井及與其接駁的管線，施工中都有水持續(xù)涌出，其對(duì)地層土體的破壞作用不容忽視。

(3)不當(dāng)?shù)氖┕そM織

①地下水未充分降排即開(kāi)挖基坑土體，基坑邊坡溜坍嚴(yán)重。

②采用震動(dòng)打樁機(jī)在基坑內(nèi)西側(cè)邊坡打設(shè)工字鋼樁，導(dǎo)致淤泥質(zhì)地層在富水條件下強(qiáng)度降低，加速了鄰近地層變形。

③在錨索孔灌漿中，存在漿體外滲，而錨索孔已鄰近鐵路調(diào)度樓基礎(chǔ)，進(jìn)一步惡化了建筑物的地基條件。

(4)施工降水引起建筑物差異沉降

調(diào)度樓東側(cè)采用降水井持續(xù)降水(西側(cè)未降水)。淤泥質(zhì)軟土地層具有較高的壓縮性，在水力梯度差異較大的情況下，造成建筑物東、西兩側(cè)固結(jié)沉降的差異。

為了解因降水造成的地層差異沉降，按照相關(guān)經(jīng)驗(yàn)公式[13]進(jìn)行計(jì)算

(1)

式中s——計(jì)算點(diǎn)的總沉降量/mm；

Ψi——沉降經(jīng)驗(yàn)修正系數(shù)；

Δpi——計(jì)算點(diǎn)因水位變化施加于第i層土的平均附加應(yīng)力/kPa；

Δhi——計(jì)算點(diǎn)第i層土的厚度/m；

Esi——第i層土的壓縮模量/kPa；取土的自重應(yīng)力至自重應(yīng)力與附加應(yīng)力之和壓力段的壓縮模量值。

經(jīng)檢算，在建筑物東、西兩側(cè)因降水引起的地層差異沉降量達(dá)89 mm，這是發(fā)生建筑物傾斜及開(kāi)裂的重要原因。

此外，也不能排除調(diào)度樓在基坑施工前有早期的不均勻沉降和先期傾斜的可能，這使結(jié)構(gòu)對(duì)地層的變化更為敏感。

2.2 建筑結(jié)構(gòu)安全性評(píng)價(jià)

在進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)搶險(xiǎn)時(shí)，通過(guò)對(duì)調(diào)度樓的實(shí)地踏勘，依據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及相關(guān)經(jīng)驗(yàn)[14-15]，先行對(duì)建筑物的安全狀態(tài)進(jìn)行了評(píng)價(jià)。開(kāi)展的主要工作及考察重點(diǎn)如下：

①全面掌握建筑物的竣工圖紙，了解建筑物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)。經(jīng)資料收集，了解到主、副樓結(jié)構(gòu)采用分塊的筏板基礎(chǔ)，地上結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有沉降縫。

②依據(jù)建筑物外立面不同部位的建筑裝修材料剝離狀況及裂縫寬度分析，結(jié)合地面散水處的裂縫走向及寬度判斷，建筑物發(fā)生了以東西向?yàn)橹鞯牟町惓两怠?/p>

③沉降縫所分割的兩側(cè)建筑物內(nèi)部、外部墻體均未發(fā)現(xiàn)裂縫。

④變形比較敏感的短梁、過(guò)梁等部位未發(fā)現(xiàn)裂縫，裝飾剝露等情況。

⑤可能發(fā)生應(yīng)力集中現(xiàn)象的溝、槽、孔、洞等開(kāi)口部位未發(fā)現(xiàn)裂縫。

⑥變形敏感的水平方向管道未發(fā)現(xiàn)明顯的變形、扭曲現(xiàn)象。

依據(jù)裂縫形態(tài)及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)判斷，主、副樓發(fā)生了整體的下沉及傾斜，由于主樓距離基坑較近且上部荷載較大，其傾斜值大于副樓，導(dǎo)致建筑物于沉降縫處脫開(kāi)，且沉降縫上部張開(kāi)較大。

目前，主、副樓結(jié)構(gòu)尚處于結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)，本階段尚不必對(duì)上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固和補(bǔ)強(qiáng)，僅需采取系統(tǒng)的處置措施，避免調(diào)度樓進(jìn)一步傾斜(必要時(shí)糾偏)，即可保證結(jié)構(gòu)安全及使用功能。

3 事故處置方案與實(shí)施

3.1 基坑支護(hù)

為截?cái)嗫赡艽嬖诘幕衙?，并在下階段基坑施工中防止坡面溜坍。采用“密排工字鋼-網(wǎng)噴混凝土復(fù)合支護(hù)體系”作為基坑西側(cè)的防護(hù)，全長(zhǎng)設(shè)置，其參數(shù)如下。

(1)打入40工字鋼作為主要的懸臂圍護(hù)骨架，L=9.0 m，間距為0.50 m。要求貫入基坑開(kāi)挖面以下不小于4.5 m，保證進(jìn)入粗砂層(通過(guò)進(jìn)尺的難易程度、錘擊數(shù)量判斷)。工字鋼樁沿基坑縱向保持順直，為減少對(duì)地層的擾動(dòng)應(yīng)適當(dāng)“跳做”。

(2)工字鋼樁頂設(shè)置鋼筋混凝土冠梁，以保證樁體的共同工作。斷面尺寸為1.0 m×1.0 m，為盡早形成強(qiáng)度，可摻入早強(qiáng)劑。

(3)工字鋼采用φ22鋼筋焊接，豎向間距0.75 m，樁間采用網(wǎng)噴支護(hù)，鋼筋網(wǎng)片規(guī)格為200 mm×200 mm，混凝土標(biāo)號(hào)為C20。應(yīng)做到隨挖、隨焊、隨噴，在基坑縱向形成作業(yè)面；施工中注意土體開(kāi)挖和基坑支護(hù)的“時(shí)間-空間”效應(yīng)；還應(yīng)防止流塑態(tài)土體通過(guò)樁間進(jìn)入基坑。

(4)為減少對(duì)土層的擾動(dòng)，原來(lái)打設(shè)的5根工字鋼不再拔出。為減少其對(duì)新打入樁體的影響，可對(duì)地面以上部分進(jìn)行割除。

(5)上述工程措施實(shí)施后不再拆除，保留在地層中，基坑加固剖面如圖3所示。

圖3 基坑加固剖面(單位：m)

3.2 調(diào)整后的降水方案

建筑物地基的變形與基坑開(kāi)挖、降水關(guān)系密切，可利用淤泥質(zhì)地層高壓縮性的特點(diǎn)，通過(guò)減緩降水后的水力梯度實(shí)現(xiàn)西側(cè)的地層固結(jié)，減小地基的差異沉降，進(jìn)而改善建筑物基礎(chǔ)的差異沉降，甚至實(shí)現(xiàn)糾偏。

在調(diào)度樓的周邊增加5眼降水井，分別布置在調(diào)度樓的西側(cè)(3眼)、南側(cè)(1眼)、北側(cè)(1眼)；在西側(cè)增加水位觀察孔(1眼)，早期基坑西側(cè)和調(diào)度樓之間的1口降水井作為水位觀察孔使用，不再降水。降水井平面布置見(jiàn)圖4。

降水井的深度與原設(shè)計(jì)保持一致(至基坑基底以下5.0 m)，井底深入粗砂層，保證降水中調(diào)度樓范圍內(nèi)的水位平穩(wěn)下降。依據(jù)觀察孔的測(cè)量水位和建筑物的布點(diǎn)測(cè)量資料判斷地下水位的狀態(tài)，及時(shí)調(diào)整各降水井的降水量，保證結(jié)構(gòu)安全。

降水時(shí)，新設(shè)孔應(yīng)略早于早期設(shè)置的降水孔先行降水，以適當(dāng)調(diào)整地層固結(jié)狀態(tài)。抽出的地下水應(yīng)引排到附近溝河，防止回流到地層中。降水依據(jù)基坑基底開(kāi)挖面的高度逐漸向下進(jìn)行，防止地層水位的驟降。

圖4 降水井及建筑監(jiān)測(cè)平面

4 監(jiān)控量測(cè)及效果評(píng)價(jià)

4.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目

(1)調(diào)度樓的沉降及傾斜測(cè)點(diǎn)布置于調(diào)度樓的主、副樓角點(diǎn)處，位置見(jiàn)圖4。

(2)鐵路線路沉降及水平位移測(cè)點(diǎn)布設(shè)于軌枕上。

(3)地層水位高程，可通過(guò)水位觀測(cè)孔測(cè)得。

(4)新增復(fù)合支護(hù)體系的沉降、水平位移測(cè)點(diǎn)布設(shè)于密排工字鋼-網(wǎng)噴混凝土復(fù)合支護(hù)體系的樁頂冠梁。

(5)在基坑與調(diào)度樓之間進(jìn)行土體測(cè)斜，及時(shí)了解該土體的水平位移情況。

4.2 工程措施效果評(píng)價(jià)

在實(shí)施上述工程措施后，對(duì)建筑物實(shí)施了1個(gè)多月的持續(xù)監(jiān)測(cè)，依據(jù)建筑物的變形情況及時(shí)調(diào)整坑內(nèi)作業(yè)，并調(diào)整降水井的降深和抽排流量，創(chuàng)造了基坑內(nèi)繼續(xù)作業(yè)的條件。施工期間基坑邊坡(尤其是基坑西邊坡)穩(wěn)定，建筑物安全。

表1為基坑搶險(xiǎn)施工期間建筑物主要特征沉降點(diǎn)的沉降數(shù)值記錄。

表1 建筑物測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降記錄 mm

說(shuō)明：正值為上升，負(fù)值為下沉。

表1反映出如下信息：

(1)采用西側(cè)先行降水、后期西側(cè)加強(qiáng)降水的措施，有效地控制了建筑物差異沉降的進(jìn)一步發(fā)展，截止到工程完成，西側(cè)較東側(cè)沉降多3.4 mm，實(shí)現(xiàn)了小幅度糾偏。

(2)基坑繼續(xù)開(kāi)挖期間，主樓、副樓之間未發(fā)生較大的差異沉降(最大僅1.0 mm)，工程后期，張開(kāi)的沉降縫變窄，結(jié)構(gòu)趨于安全。

(3)建筑物南北向未發(fā)生顯著差異沉降，結(jié)構(gòu)安全。

5 結(jié)束語(yǔ)

(1)應(yīng)重視地質(zhì)勘察工作，尤其需杜絕采用鄰近工程地質(zhì)資料的不當(dāng)行為。

(2)設(shè)計(jì)、施工單位均需對(duì)工程環(huán)境開(kāi)展必要的調(diào)查，重視工程所在環(huán)境的歷史變化，從鄰近工程推斷工程的不利條件。

(3)工程出險(xiǎn)后施工單位采用了搶工的辦法，希望盡快完成基坑土方作業(yè)，心存僥幸，導(dǎo)致工程事故發(fā)生，這是地下工程的大忌。

(4)工程出險(xiǎn)后采用的限制地層變形、隔斷土體滑裂面、針對(duì)性降水并實(shí)施監(jiān)測(cè)的系統(tǒng)措施是有效的，其制定的搶險(xiǎn)原則值得類似工程參考。

(5)搶險(xiǎn)后期充分利用了淤泥質(zhì)地層壓縮性大的特點(diǎn)，采用超排地下水、固結(jié)建筑物基礎(chǔ)下目標(biāo)地層等措施，在一定程度上實(shí)現(xiàn)了建筑物糾偏，并提高了建筑物后期的結(jié)構(gòu)安全性。

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