某土巖混合深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌成因分析

王翔宇

（上海市隧道工程軌道交通設(shè)計(jì)研究院，上海200235）

新世紀(jì)以來(lái)，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、城鎮(zhèn)化步伐的加快，為滿足日益增長(zhǎng)的市民出行需求，大運(yùn)量的軌道交通成為經(jīng)濟(jì)強(qiáng)市的首選，主城區(qū)軌道交通線路基本按照地下線進(jìn)行敷設(shè)，基坑支護(hù)工程越來(lái)越多[1]。以重慶地區(qū)為例，其地層以砂巖和砂質(zhì)泥巖為主，上覆填土及粉質(zhì)粘土厚度在4m~20m，基坑開挖后形成典型的巖土混合基坑。因巖土不同介質(zhì)的力學(xué)特性不同，造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式各異，由于諸多原因，其勘察、設(shè)計(jì)、施工等問(wèn)題，造成工程質(zhì)量事故頻頻發(fā)生[2]，筆者通過(guò)分析一個(gè)典型巖土混合基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌原因，理清巖土混合邊坡的破壞模式，總結(jié)支護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌的經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，為類似基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地鐵車站位于石新路鳳鳴山中學(xué)旁，沿石新路近東西向布置，車站為地下兩層島式車站。車站南側(cè)為華宇地塊，東南側(cè)為鳳鳴山中學(xué)。由于場(chǎng)地周邊放坡空間緊張，主體基坑采用垂直開挖，基坑長(zhǎng)227m，標(biāo)準(zhǔn)段寬21.8m，端頭井局部寬26.5m，為土巖混合基坑。

車站場(chǎng)地位于川東南弧形地帶，巖層呈單斜產(chǎn)出。巖層傾向約105~115°，巖層傾角14~18°。下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖及砂質(zhì)泥巖，發(fā)育有兩組構(gòu)造裂隙。場(chǎng)地地下水主要為松散層孔隙水，以上層滯水的型式分布于局部地段的第四系松散層中，水量小，主要由大氣降水及地下排水管網(wǎng)滲漏補(bǔ)給。基坑平面布置圖及周邊環(huán)境見下圖1：

圖1 基坑平面布置圖

2 施工與設(shè)計(jì)

車站南側(cè)邊坡走向?yàn)?0°，傾向350°；邊坡長(zhǎng)約227m，車站邊坡高16.9~23.4m。上部1.5~8.0 為土質(zhì)邊坡，下部為巖質(zhì)邊坡，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)。

1） 上部土質(zhì)邊坡

根據(jù)工程地質(zhì)剖面圖分析，巖土界面平緩，土質(zhì)邊坡受自身穩(wěn)定性控制。

2） 下部巖質(zhì)邊坡

對(duì)于下部的巖質(zhì)邊坡，結(jié)合結(jié)構(gòu)面赤平投影圖分析，邊坡巖體內(nèi)無(wú)外傾結(jié)構(gòu)面，直立切坡后的主要破壞方式為沿近似傾角為45°+Φ/2 約61°的破裂角發(fā)生剪切破壞。直立切坡后邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，該邊坡的巖體類型為III 類，巖體等效內(nèi)摩擦角55 ，巖體破裂角61 （45 +φ/2），巖土物理力學(xué)參數(shù)詳見表1。

表1 巖土物理力學(xué)設(shè)計(jì)參數(shù)推薦值

基坑南側(cè)采用φ800@2000 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)，樁基嵌入下伏中風(fēng)化基巖內(nèi)3 倍樁徑深，設(shè)置7 道3@28 錨桿，豎向間距2.5m，樁間采用噴錨防護(hù)，土層中設(shè)置4m 長(zhǎng)1φ20 豎向間距1.2m 的砂漿錨桿進(jìn)行掛網(wǎng)噴漿，且設(shè)置φ100 直徑泄水孔，2mx2m 梅花形布置，具體支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖2。

3 基坑坍塌原因分析

2015 年7 月底基坑大里程端南側(cè)出現(xiàn)較大水平位移，地面開裂較嚴(yán)重，經(jīng)各方現(xiàn)場(chǎng)查看、綜合分析，認(rèn)為主要原因?yàn)榈叵鹿芫€漏水造成素填土、粉質(zhì)黏土層長(zhǎng)期浸泡，物理力學(xué)性質(zhì)變差，引起地面較大沉降及水平位移，提出對(duì)此處進(jìn)行放坡卸載，且坑內(nèi)增加一道對(duì)撐。

圖2 基坑橫剖面圖

2015 年8 月17 日早晨6 點(diǎn)左右，因強(qiáng)降雨導(dǎo)致卸載凹槽積水無(wú)法及時(shí)排出，使基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)瞬間承受較大側(cè)壓力致使支護(hù)結(jié)構(gòu)坍塌，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)坍塌情況，圍護(hù)結(jié)構(gòu)樁從巖土分界面處倒向坑內(nèi)，而基坑上部土體未發(fā)生大規(guī)模坍塌，樁體因承受土壓力過(guò)大被剪斷（見圖3）。

圖3 基坑支護(hù)坍塌現(xiàn)場(chǎng)圖

事故發(fā)生后，業(yè)主立即組織專家對(duì)事故現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)查，并結(jié)合設(shè)計(jì)方案對(duì)事故原因進(jìn)行分析。8 月16 日夜間，因重慶地區(qū)普降暴雨，且場(chǎng)地內(nèi)排水措施不暢，致使原凹槽內(nèi)積水，樁間預(yù)留泄水孔無(wú)法及時(shí)排出，導(dǎo)致樁體側(cè)壓力瞬間過(guò)大，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)查看，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系存在以下幾點(diǎn)缺陷：

1） 從現(xiàn)場(chǎng)坍塌掉的樁體上未發(fā)現(xiàn)錨桿鉆孔，說(shuō)明樁體錨桿未按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行打設(shè)，樁體處于懸臂狀態(tài)，無(wú)法形成強(qiáng)有力的排樁式錨桿擋墻支護(hù)體系。

2） 錨頭與樁體未達(dá)到應(yīng)有的錨固效果，錨桿無(wú)法形成對(duì)樁體的拉力，樁體處于懸臂狀態(tài)。

3） 原基坑面板設(shè)置有2m×3m 梅花形布置Φ100mm 泄水孔，現(xiàn)場(chǎng)僅少量施作，無(wú)法滿足排出樁后土體中的地下水，造成圍護(hù)樁體承受超出設(shè)計(jì)荷載的側(cè)向水壓力。

基于以上幾點(diǎn)原因，支護(hù)體系與原設(shè)計(jì)方案出入較大，在突發(fā)情況下，原支護(hù)體系無(wú)法承受，引起樁體被剪斷。

4 坍塌破壞機(jī)理分析

1） 從坍塌現(xiàn)場(chǎng)清理出的滑裂面上看，最下層滑裂面發(fā)生在土質(zhì)邊坡中，該層土體性狀與勘察資料描述基本一致，按照?qǐng)A弧滑動(dòng)（詳見圖4）；

圖4 基坑支護(hù)坍塌示意圖

2） 結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)坍塌情況，基坑支護(hù)破壞主要原因?yàn)殄^桿僅在下部巖質(zhì)邊坡中打設(shè)，而上部未進(jìn)行打設(shè)，造成支護(hù)樁懸臂過(guò)長(zhǎng)，局部甚至達(dá)15m，且雨水在凹槽中積聚，無(wú)法有效排水；

經(jīng)過(guò)以上原因分析，參照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》

6.2.3 公式[4]土壓力計(jì)算：Ehk=356.9kN/m；

樁體側(cè)壓力根據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》[4]公式計(jì)算，側(cè)向巖土壓力修正系數(shù)取1.1，計(jì)算結(jié)果如下：

豎樁（立柱） 按照受彎構(gòu)件分析，計(jì)算時(shí)可假定立柱與錨桿交點(diǎn)為一鉸支座，底部視基礎(chǔ)嵌固情況，可假定為固定支座或鉸支座，按連續(xù)梁計(jì)算，通常豎樁（立柱） 基礎(chǔ)嵌入基巖內(nèi)的深度超過(guò)2 倍豎樁（立柱） 橫截面尺寸時(shí)，可假定為固定端支座[4]。此立柱嵌入基巖約4m 大于2 倍D，底部按照固定支座考慮。計(jì)算見圖如下：

樁間距2.0m，樁體視為下端鉸接，支承于錨桿支點(diǎn)上的連續(xù)梁來(lái)計(jì)算，連續(xù)梁均布荷載標(biāo)準(zhǔn)值ehk=2.0×47.7=95.4kN/m，e1= (1.5x18+20) ×0.5=23.5 kN/m，經(jīng)計(jì)算立柱最大剪力V=1159KN，φ800 圍護(hù)樁截面不滿足抗剪要求，故立柱基本在土巖分界面處被剪斷。

5 由事故引起的思考

1） 巖土混合邊坡及基坑破壞形式及機(jī)理比較復(fù)雜，設(shè)計(jì)與施工應(yīng)給予支擋結(jié)構(gòu)足夠的重視，以應(yīng)對(duì)極端工況。上部土質(zhì)邊坡或者碎裂結(jié)構(gòu)巖質(zhì)邊坡可能出現(xiàn)圓弧滑動(dòng)，若巖土分界面傾角大于30°，可能沿分界面整體滑動(dòng)；下部巖質(zhì)邊坡若存在外傾結(jié)構(gòu)面可能為平面滑動(dòng)，故巖土混合基坑根據(jù)地勘報(bào)告分別確定其邊坡滑動(dòng)形式，綜合對(duì)比計(jì)算，設(shè)計(jì)時(shí)視情況可取最不利計(jì)算結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2） 應(yīng)特別重視水在邊坡及基坑設(shè)計(jì)中的作用。重慶地區(qū)地下水基本為巖體裂隙水，基坑開挖需預(yù)留充足的泄水孔。若基坑變形比較大時(shí)，在基坑邊卸載需謹(jǐn)慎，支護(hù)結(jié)構(gòu)與卸載土體之間形成的凹槽必須可靠的泄水措施，否則會(huì)增加原圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水壓力，且同時(shí)水體下滲引起土體軟化，粘聚力降低增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的負(fù)荷，造成基坑坍塌。

3） 對(duì)于樁錨、板肋式等外拉型基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，錨索（桿） 與豎向支護(hù)結(jié)構(gòu)的接頭連接必須可靠，建議錨桿與樁體主筋進(jìn)行焊接，焊接長(zhǎng)度滿足規(guī)范要求；在巖土分界面處，豎直支護(hù)結(jié)構(gòu)在巖土分界面處上下2m 范圍箍筋加強(qiáng)，提高結(jié)構(gòu)的抗剪能力。

4） 一些細(xì)小或看似無(wú)足輕重的因素常會(huì)引發(fā)重大工程事故，需要引以為戒。