某地鐵基坑工程失穩案例分析

唐凌璐，胡耀明，唐傳政，鄒偉彪，魏林

(1.武漢地震工程研究院有限公司，湖北 武漢 430071； 2.湖北震泰建設工程質量檢測有限責任公司，湖北 武漢 430071；3.中南勘察設計院集團有限公司，湖北 武漢 430074； 4.武漢市市政工程質量監督站，湖北 武漢 430015；5.中國水利水電第八工程局有限公司，湖南 長沙 410004)

1 引 言

近年來，高層建筑、軌道交通、地下空間工程開發規模日益擴大，相應的深基坑工程數量隨之增加，施工難度也越來越大。受深基坑工程建設環境和施工管理的獨特性等不確定因素影響，深基坑工程勢必存在較大的安全事故風險。已有文獻顯示[1]：深基坑工程事故的最大風險源是設計失誤和施工質量問題。事故一旦發生將產生嚴重的損失，帶來不良的社會影響。因此最大程度減少深基坑施工過程中的安全事故及造成的損失，是急需解決的課題[2]。

楊陽[3]分析了深基坑施工失穩破壞的幾種形式和失穩破壞的影響因素，認為深基坑的穩定性受內摩擦角和土體的黏聚力影響較大。薛麗影等[4]介紹了深基坑工程的特點和破壞形式，探討了深基坑事故發生的內在因素。針對北京某地鐵基坑事故，分析了設計、施工、監測等各方存在的問題。

衛彬等[5]以上海某地鐵車站深基坑工程為例，明確施工中的難點并給出相應的應對措施，并且在施工期間對車站基坑的南端頭井、標準段、北端頭井及周邊環境進行了較全面的基坑監測。

本文以地鐵某深基坑失穩事故為例，分析在基坑施工過程中，各個環節、各個方面會產生的影響，同時通過原因分析，提出加固方案，指導施工。

2 工程概況

某地鐵車輛段出入段線從車輛段站接出，以 250 m的小半徑繞出地面，線間距 5 m，最大縱坡28‰。區間設計里程樁號R8DK0+083.355～R8DK1+136，出入段線長 1 052.645m，區間結構包括區間主體部分和附屬結構。

區間采用明挖法施工，采用SMW工法樁+內支撐系統和局部放坡開挖的圍護型式支護，Φ850 mm@600 mm。基坑標準寬度為 11.3 m，最大寬度為 15.87 m，最大開挖深度為 12.04 m，區間對應里程樁號為R8DK0+83.355～R8DK0+930 m，基坑開挖面積約為 10 203 m2。

某車輛段出入段線R8DK0+83.355～R8DK0+186段采用3道支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，間距 8 m；第2、3道為鋼支撐Φ609(t=16 mm)，間距 4 m。R8DK0+186～R8DK0+930段采用2道支撐，第1道為鋼筋混凝土支撐，間距 5 m～8 m，第2道為鋼支撐Φ609(t=16 mm)，間距 2.5 m～4 m。基坑平面布置圖、基坑剖平面分別如圖1、圖2所示。

圖1 基坑平面布置圖

圖2 基坑剖平面

2017年3月某日凌晨1：40，施工員現場巡查到DK0+730里程時，聽見基坑有異響，走近時發現冠梁及第一道混凝土支撐出現裂紋，且裂紋持續在發展。隨即圍護結構失穩，冠梁及混凝土支撐已變形拉裂，圍護結構出段線側周邊地面已滑移沉降，K0+718位置已開挖面與未開挖面冠梁斷開，坑內基底隆起，第二道鋼支撐脫落將挖掘設備砸壞。施工單位立即組織人員對基坑進行回填，監測單位加大監測范圍及頻率，觀測變形速率及趨勢，基坑失穩圖如圖3所示。

圖3 基坑失穩圖

3 事故原因分析

3.1 勘察設計原因

該區域原始地貌多為魚塘、藕塘、排水溝，存在較厚的淤泥質黏土層，但在初步設計招標至施工圖設計階段均未考慮魚塘清淤，也未對深厚淤泥層進行加固處理。

據勘察資料顯示，詳細勘察階段的鉆孔間距偏大，因前期地勘過程中為魚塘，實際地勘鉆孔平面位置及間距大于規范要求(規范要求不大于 50 m，實際達到 80 m左右)。此外，勘察階段和后期補勘的數據相差較大，且在實際地形已發生變化的情形下，并未重新進行補勘。經險情發生后再次進行詳勘，詳勘結果基坑沿線淤泥層變厚，最厚位置淤泥質地層增厚 8 m。

在圍護結構由SMW工法樁變更為 1 m鉆孔灌注樁時，建設單位組織的協調會議已明確要求圍護結構按抗滑樁設計，并保留第一道混凝土支撐，與圍護結構兼做抗滑永久結構。但設計單位在計算圍護結構受力時未考慮按滑移體計算剩余下滑力，只考慮計算基坑周邊土體荷載。

3.2 周邊環境發生較大變化

勘察設計完成于2014年，施工單位于2015年進場施工，出入段線外側為河堤，2015年12月底，堤側開始有外來填土施工，后填土范圍逐步擴大并向出入段線方向逼近。2016年2月下旬，填土已侵入出入段線安全影響范圍，并在大堤內側形成長約 400 m，寬 50 m，高出原地面 10 m的填土區域。R8DK0+387～+714段因2016年大堤加培工程施工，現場地形較施工設計發生較大變化，地面標高由原設計 19.0 m～23.4 m，變為 19.5 m～29.6 m，部分位置標高增加近 10 m，且受厄爾尼諾現象影響，2016年武漢市降雨量增加，防汛壓力很大，水務部門拒絕卸載該區域培土，導致原設計與現場實際存在較大出入，雖然建設單位要求設計單位補充了相關措施，但未起到有效作用。

3.3 開挖期間連續降雨，增大水土壓力

在施工期間，連續性降雨量較大，而場地排水不暢，堆土靈敏度高，遇水軟化，坡頂一定范圍內為新近填土，不密實，一定變形后顯著出現裂縫，最終雨水軟化堆土引起軟土深層滑移。深層滑移面出現前，土體按連續介質考慮，支護樁受力為朗肯土壓力模型；當滑移面出現后，受力為庫倫土壓力計算模型，導致基坑圍護樁主動區土壓力增大，樁體出現過大變形。

3.4 監測問題

在深基坑施工過程中，按照法律法規及規范要求，施工單位應開展施工監測，建設單位應委托相關單位開展第三方監測，采取嚴格的監測措施，通過觀察基坑支護結構及周邊環境的變化，以確保基坑安全。通過事后調查分析，發現基坑監測環節也存在一定問題。

(1)測點破壞且未修復，造成監控盲區。施工單位在圍護結構施工時，埋設了測斜管，但在后續施工冠梁及坑邊臨時道路施工時，部分測斜管遭到了破壞，而施工單位未及時恢復，導致在施工過程中，無法全面有效反映圍護結構水平位移。

(2)未及時報警，采取進一步處理措施，喪失了最佳處理時機，從監測日報得知，在開挖至基底的前兩天，監測數據異常的情況如下：①失穩段最近的測斜數據顯示，圍護結構水平位移最大已至約 50 mm；②鋼支撐軸力急劇減小，是不正常的現象，是鋼支撐失效、基坑側壁間發生滑動的征兆；③基坑水平位移速率較大。

根據地面沉降、斜撐軸力、基坑水平位移三項監測數據急劇變化的現象，可以推測事故部位北側支護樁中下部發生了較大的水平位移，支撐出現了松弛，可以認為是支撐失效的預兆，而現場未針對監測異常及時預警，也未針對上述意外情況采取有效的預防措施和應急措施。

3.5 其他方面原因

在周邊環境發生較大變化情況下，施工單位向設計單位及時反饋了現場實際情況，設計單位也采取了一些技術措施，將部分區域圍護結構由工法樁變更成灌注樁，但在兩種圍護結構相接位置未采取有效的措施，且由于建設工期及投資造價等因素影響，在已施工的圍護結構區域未采取其他補強措施，這是圍護結構體系的先天不足。在基坑開挖過程中，在監測數據變化較大時，施工單位亦未及時采取反壓措施，而是冒著失穩風險繼續墊層的施工，最終導致失穩事故的發生。

4 加固方案

失穩發生后，建設單位及時組織進行了反壓回填，通過勘察單位提供的補勘文件，設計單位重新確定了圍護結構設計方案，選取具有代表性的剖面R8DK0+685作為計算剖面，總開挖深度 12.5 m，計算深度 10.5 m。

基坑加固采用放坡+排樁支護相結合方式。上部 3 m采用邊坡坡率 1∶3放坡。下部采用鉆孔樁+2道內支撐進行支護，基坑內側均采用φ1 000 mm@1 200 mm鉆孔灌注樁支護，基坑北側外側采用φ1 500 mm@2 400 mm鉆孔灌注樁加強支護，基坑南側外側采用φ1 200 mm@2 400 mm鉆孔灌注樁加強支護，灌注樁長度在28 m～31 m間。除第1道采用C30鋼筋砼支撐外，其余采用φ609，t=16鋼管撐。圍護樁間采用φ800@1200旋噴樁止水帷幕，止水帷幕深度為基底不小于 1 m。第1道支撐采用C30混凝土支撐，間距 8 m；第2道支撐采用φ800×16鋼管，間距 4 m。被動區采用裙邊+抽條攪拌樁加固，樁徑 650 mm，間距 500 mm。

5 實施效果

施工單位按照新的圍護結構及支護加固設計文件編制了基坑開挖專項施工方案，施工過程中嚴格按照方案實施，并增大了監測范圍和監測頻率。

典型斷面圍護結構水平位移變化曲線如圖4所示。

圖4 典型斷面圍護結構水平位移變化曲線

6 結 論

通過對基坑失穩原因的分析以及加固設計方案的監測結果，得出如下結論：

(1)基坑失穩的原因往往是多方面的因素疊加造成的，在勘察設計階段到施工階段的各個環節均存在風險源，各方應對風險源進行辨識并采取相應措施。

(2)從本工程的勘察設計文件、施工中異常情況的分析與處理、監測數據的分析與預報等方面可以看出，相關人員在該領域基本的知識和經驗仍有待提高。基坑工程的從業人員應具有較高的業務素質、較全面的專業知識，至少應掌握巖土工程、結構工程方面必要的知識、技能和工程經驗。

(3)在周邊環境發生較大變化時，應對設計方案進行復核，并重新進行風險評估，加強過程中的風險管理；在基坑開挖過程中，一旦監測出現異常情況下，應及時分析、反饋基坑監測數據。相關各方應綜合分析監測數據異常的各方面原因，提出有針對性的應急措施。