深厚淤泥地質條件下基坑事故前后的關鍵治理技術

楊凌志

上海建工一建集團有限公司 上海 200120

1 工程概況

1.1 支護體系概況

珠海橫琴島某基坑在兩山間低洼處，東西長290 m，南北寬約70 m，面積約21 000 m2，挖深8.2～11.8 m。支護體系采用樁長28.0～32.3 m的φ1.0 m@1.2 m水下C35鉆孔灌注樁，2道鋼筋混凝土內支撐和基底雙軸水泥攪拌樁滿堂加固。鋼立柱0.6 m 0.6 m，下設φ1.2 m鉆孔樁。

1.2 地質概況

基坑所處地貌為濱海平原，原為魚塘、灘涂，后經吹填、回填形成，基坑涉及地層有填土、淤泥層、粉黏土、中細沙等，其中，淤泥層普遍厚19.7 m，最大厚28.4 m。開挖深度內土層依次為①1填砂、①2素填土、②淤泥。

1.3 基坑周邊環境

基坑東、西、北3側正在堆土覆水預壓軟基處理，堆土高出第1道支撐面約5.7 m，距基坑12.0 m，南側為寬25～40 m反力土臺與第1道支撐面齊平，四周無永久管線與建筑物。

1.4 基坑險情簡介

基坑工程接收時，感官質量較差，支護樁局部夾泥、間隙大，支撐于頂圈梁處出現裂縫、脫開跡象，立柱單方向傾斜，坑內加固稀爛，中部局部底板完成。中間監測結果顯示基坑健康程度非常差，其深層水平位移為報警值的數倍。

此外，監測結果還顯示，第1道支撐中的ZN1-3、ZN1-7等2個監測點和第2道支撐中的ZN2-4、ZN2-6等6個監測點的軸力也遠超相應的報警值與控制值。基于上述情況，需要對基坑進行搶險。

2 險情基坑治理關鍵技術措施

2.1 粘貼鋼板法加固支撐技術

由于基坑北側受到市政道路真空覆土預壓和2層土開挖影響，頂圈梁與圍護樁轉動變形并沉降，其交接處受彎產生的橫向裂縫持續發展。為避免支撐破壞，對支撐末端頂面1/2跨度進行錨固粘鋼補強。粘鋼膠起效較快，從而能快速提高支撐抗彎與抗變形能力。

2.2 型鋼立柱糾偏加固技術

由于鋼立柱垂直度不達標，在基坑變形的作用下，個別鋼立柱的垂直度已嚴重傾斜至1/50。當挖至墊層底，樁柱體長細比增大，基底加固體軟弱約束能力不強，易形成壓屈失穩破壞。

為避免影響支撐結構體系，采用現澆勁性混凝土結構的方法進行加固。即在立柱底周邊2 m范圍內進行配筋早強墊層及時澆筑，剔除樁內浮土、浮漿，超灌混凝土視需要適當保留，結合傾斜方向與偏離尺寸，外包厚度不小于200 mm的鋼筋混凝土。縱向鋼筋和箍筋截面、數量、間距，根據偏心樁柱體系計算結果確定，但不得少于柱底灌注樁鋼筋用量，兩者鋼筋焊接連接。采用早強C40自密實混凝土可基本恢復立柱樁承載力。

2.3 底板分塊限時施工技術

一般情況下，最后一層土方以底板后澆帶進行分塊，按結構施工順序開挖。考慮到基坑變形已超報警值，最后一層土方還得遵循分段、對稱、平衡、跳倉開挖的施工原則。即先行開挖完成中部塔樓區域底板，后分塊開挖裙邊底板（圖1）。大塊施工順序先B、D后A、C、E，小塊按數字順序進行。小塊分塊長度約20 m，每一小塊底板澆筑完成后，再開挖下一小塊。裙邊C30早強墊層加厚至300 mm，內配預制φ16 mm@200 mm雙層雙向鋼筋，在開挖開始的8 h內完成。取消底板外防水，改為內防水，以減少工序，加快施工節拍。剩余鋼筋綁扎、混凝土澆筑作業16 h內完成。背景項目中D-2、D-3兩個分區順利完成，相鄰測斜點變形增加3.3 mm，未觸發臨時報警值。

圖1 底板土方開挖分區

2.4 自動化信息監測技術

項目部在第三方監測基礎上采取自動化信息監測技術。自動監測站設置于較為安全的南側土臺，監測頻率6 h一次，對東北西3側的頂圈梁頂、第2道支撐頂、鋼立柱頂、傾斜較大的鋼立柱、測斜較大的圍護樁等進行重點觀測記錄（圖2）。使用監測機器人（TS60全站儀）監控測量點的水平、豎直角和斜距，自帶軟件推算三維坐標，通過一組監測點描繪出圍護體的三維數據，可經過4G通信傳輸模塊上傳至云端或直接微機備份，將數據映射輸出，算法整理形成報告，報告通過郵件等方式自動轉發給參建各方管理人員。一個監測機器人采集100個點的數據只需耗時16 min左右，監測頻率可以根據監測點和機器人的布設數量確定[1-4]，以做到一定頻率的實時監測數據刷新和指定監測刷新，使基坑工作狀態實時透明。

圖2 激光監測點位剖面示意

3 基坑事故發生與原因分析

背景項目中底板D-3完成后，開挖至D-4時，基坑發生事故。從基坑破壞形態可初步推斷為圍護體踢腳變形過大而導致第2道支護體系整體破壞，土體從踢腳側隆起，外側地表坍塌（圖3、圖4）。

圖3 基坑支撐斷裂現場

圖4 基坑外塌陷現場

3.1 事故經過

D-4區土方（挖深9.5 m）夜間開挖、局部加筋墊層施工完畢后，次日晨檢發現該區頂圈梁（頂部水平測點）附近出現明顯裂縫（＞0.5 mm），自動監測報告顯示近2次報警點增多，報警值接近核定控制值并有快速變大趨勢。中午，自動監測顯示數個報警點超過實際控制，第三方進行該區域加密監測，同時啟動應急撤離程序。黃昏，現場巡視人員發現D-4圍護體裂縫繼續發展，40 min后東北側支撐與排樁異響，外側土體約50 m半徑范圍內大面積塌陷，遠觀其所在區域5根第2道支撐梁剪斷，墊層與鋼筋已隆起至第2道支撐底。

3.2 事故影響

基坑北側D、E區支護體系完全破壞，東西南3側尚完好；北側相鄰市政道路真空及堆載聯合預壓排水固結作業的封包破壞；D-4區基底13根大直徑鉆孔灌注工程樁發生200 mm偏移；無人員傷亡，直接財產損失1 500萬元，間接損失工期延誤4個月，二次治理費用5 000萬元；施工、搶險、監理、建設單位商譽受損。

3.3 事故原因分析

3.3.1 主要原因

1）深厚淤泥地質未妥當考慮。基坑坑底及圍護體主要以深厚淤泥（孔隙比大于1.5）為主，厚度20～30 m不等，自然放坡在1∶8情況下有流動性，土力學參數極差。圍護體側壁淤泥易流動、坑底易隆起、主動土壓力相對很高。基底厚5 m的淤泥被動土體雖采用水灰比為0.5的20%水泥摻量雙軸攪拌樁網格式加固，但實際固化效果不理想，原施工單位存在偷工減料的可能，開挖到基底時被動土體抗變形能力（黏聚力、摩擦角、被動土壓力系數）與設計不符，易引起圍護體中下部變形過大、淤泥層滑動、坑底隆起等圍護體破壞現象。

2）安全意識缺乏。參建各方安全風險意識缺乏，原圍護體施工單位淤泥基坑施工不合理且僥幸心理較強。當深層水平位移（12～20 m深度）變形達到報警值40 mm的3倍、4倍時，參建各方仍未警覺。直到達到300 mm變形的程度，才在后續標段單位的提醒下認定存在嚴重風險，并安排相關單位組織搶險排險。搶險單位順利完成2塊底板后，亦產生麻痹思想，失去了對深基坑工程大風險的警惕，松懈的情緒加之處置不當，誘發了基坑事故。

3）周邊環境條件工況變化。基坑北側市政道路未經過建設方與主管部門同意，擅自將聯合預壓區域堆載從3.0 m抬高至5.7 m，主動土壓力荷載遠超過80 kPa日設計工況；同時施工單位大型挖機、土方車、混凝土罐車等重型車輛來回碾壓，動荷載影響也對圍護體不利。

3.3.2 間接原因

1）圍護體系存在質量缺陷。圍護單位施工質量較差，經第三方檢測發現圍護體鉆孔灌注樁存在樁長、承載力、強度檢測不合格的情況，Ⅱ類以上樁占比超30%，并存在個別斷樁現象，明顯是對淤泥中成孔灌注樁施工的經驗不足導致。坑內被動土體雙軸水泥攪拌樁加固強度未達到0.8 MPa，第1次試樁后施工參數調整不合理，未進行第2次試樁檢驗判斷。

2）未充分考慮時空效應，施工不當。圍護單位在分2層開挖基坑土方時，未充分采用分段、分塊、對稱、平衡、限時的開挖原則，未充分實踐時空效應理論，在勞動力不充裕、機械安排偏少的情況下，導致開挖加撐的工期較長，圍護體變形極大。搶險單位在裙邊小塊土方開挖及墊層施工完畢后，在無底板暴露時間雖未超過24 h的情況下，但仍觸雷發生險情與事故。

3）應急響應處置不及時不深入。現場巡視人員發現裂縫險情后，各項監測數據尚未收斂，但并未第一時間通報主管部門，未要求建設方啟動應急預案，亦未提醒要求市政道路單位對基坑周邊土體進行卸載，失去了搶救的先機，從而使得變形繼續發展，最后導致踢腳與支撐體系整體破壞。

4 基坑搶險關鍵技術措施

基坑搶險需考慮現場險情工況與應急資源存儲情況，因地制宜。該次搶險本著“以消除不平衡土壓力為主要矛盾，采取對稱、平衡、逐塊、均衡卸載釋放土壓力的措施，采用動態監測技術監控”為主的技術路線，避免二次災害，保障后續基坑狀態安全穩定。

4.1 回填反壓，控制圍護體持續變形

基坑東、西兩側為獨立角撐區域，受事故影響較小，考慮到兩邊市政道路基礎基本完畢，且是后期搶險主要通道。故立即采用沙袋回填錯縫碼放的方法，沙袋縫隙采用粗砂、礦粉鋪滿，坡頂與第1道支撐底相平，頂寬15 m，按1∶1.5放坡至第2道支撐底（土面）。

北側就地取材，回填市政道路堆載沙土，從基坑底回填至第2道支撐底，坡頂寬≥15 m，1∶1.5放坡（圖5）。

圖5 回填反壓控制施工示意

4.2 挖深3倍范圍卸載，減輕不平衡土壓力

北側為真空預壓土體，優先卸載塌方與其周邊20 m范圍區域（D-1、D-2、D-3），卸載總長度約150 m，寬度約50 m，兩級放坡卸載，綜合坡比1∶8。其底平臺卸載至與第2道支撐面相平（標高－0.8 m），寬23 m；中平臺標高＋3.0 m，寬5 m，坡面掛φ8 mm@150 mm 150 mm鋼筋網并噴射厚100 mm的C20混凝土。

南側為平衡支撐水平軸力的反力土臺，寬度25～ 40 m，土臺頂面與基坑底面落差在8 m左右，第2道支撐錯位后，形成只有第1道支撐的大跨度結構，風險較高，必須卸載至地下1層底板底（絕對高程－1.00 m），并與北側同步進行。

4.3 基坑搶險監測技術

卸載過程中，第三方監測單位對已破壞監測點進行補充恢復，每天測量2次，重點關注軸力、測斜、頂圈梁、立柱樁的位移與沉降監測。搶險單位采取全天候巡視與自動化施工監測并保持常態，一旦發現監測點超過審定報警值、裂縫點突變、圍護構件冒煙、脆性聲響、掉灰，立即執行預案，避免發生二次災害。

5 加固治理關鍵技術措施

基坑搶險完成穩定后，需對原圍護體進行性能評估，結合周邊環境、搶險遺留工況與結構特點等綜合考慮，主要解決后續淤泥基坑工程施工、地基基礎與周邊市政工程補強、關鍵線路施工部署等問題。

5.1 北側基坑破壞段治理技術

基坑破壞段外圍已大范圍卸載處理，適合采用重力壩無支撐施工，從而保障主樓結構先行，同時重力壩加固體可補償市政道路基礎承載力問題。

塌方段不考慮原基坑支護結構，采取新增2排SMW工法樁（樁長內側不小于34 m，外側不小于28 m，間距8 m），內嵌三軸攪拌樁和雙軸攪拌樁形成的格柵墻，基坑內側采用高壓旋噴樁和雙軸水泥攪拌樁坑內加固。其他對撐段80%以上深層位移均有200 mm，考慮已經疲勞破壞，按上述方式加固。

施工期間考慮塌方土體的破壞面可能存在裂隙，以及卸載區域土體下方淤泥力學性質不穩定的因素，采用路基箱優先施工內排SMW工法樁內側的三軸攪拌樁，固化淤泥封堵裂隙，保障后續工法樁施工質量。隨后進行中間區域格柵加固，與外排SMW工法樁形成一整幅重力壩體。

最后，采用雙管旋噴樁內插φ114 mm鋼管進行壩體補縫咬合。頂部設1 200 mm 800 mm的C30圈梁，用厚400 mm的C30內配雙層雙向φ16 mm@180 mm壓頂板相連。壩體外保留搶險卸載階段預留的綜合坡比1∶6的二級放坡。

5.2 南側土臺區域（未破壞段）治理技術

考慮南側卸荷至地下1層底板面，可先行澆筑封底并預留鋼筋，待第2道內支撐拆除后，與圍護體樁頭連接，現澆形成整體，老圍護體與結構共同作用為后續基坑工程提供保障。

5.3 角撐段（高風險段）治理技術

經過檢測東北角支護體系明顯破壞，其他區域均已疲勞破壞，第1道已扭曲的冠梁及支撐梁拆除。在原樁后新增1排鉆孔灌注樁并補充2道內支撐，間隙采用高壓旋噴填充，新做頂圈梁將新老圍護體連接。新圍護樁比原方案選擇更大側向剛度，樁徑放大至1.3 m@1.5 m，并插入砂層2 m，故樁長保證42 m以上。

5.4 支撐拆除技術與控制要點

采取內壓外卸的策略后，2道支撐可同時拆除。但拆除作業還需考慮到坑內回填反壓沙袋和土體能否形成有效換撐，避免拆撐擾動影響新圍護體系強度發展，故約定支撐拆除工況為，相對應的區域坑內局部回填完成時間不小于15 d，內排SMW工法樁完成時間不小于7 d。

同時支撐軸力監測數據表明對撐支撐體系仍有較大的內應力，需采用分區塊分段跳倉拆撐，拆撐順序優化為D-1→C-1→D-2→D-3→C-2（圖6），其中每一分塊第1跨支撐拆除后進行觀察，發現穩定才可大面積拆除。

圖6 支撐拆除平面分塊

6 結語

1）類似珠海橫琴島的深厚淤泥基坑，淤泥流塑、孔隙比大于1.5、含水率61%、具有1～8的高流動性和觸變性等，參建單位應當重視“在泥漿中造浴缸”的基礎工程風險。支護設計時注意圍護樁底應有效固嵌、足夠的側向剛度及換填基底超挖的可能性。施工單位應注意成樁質量和垂直度要求，特別注意粉噴攪拌樁對淤泥加固效果，泥漿護壁樁避免頸縮夾泥，各類樁必須進行試樁檢驗。

2）淤泥地質軟基處理可有效改善土的各項力學性能，當充分考慮圍護體系范圍時，還能極大地改善圍護體主動土體壓力和被動土壓力。大開荒環境下，周邊環境易發生變動，如正在軟基處理（堆載、真空、強夯）可能對圍護體系產生額外荷載。參建單位應當重視堆載法會削弱圍護體抗剪、抗彎、整體抗傾覆能力，但真空法的利弊還需要研究。

3）在深厚淤泥基坑中，時空效應原理有顯著體現，必須分層分塊開挖，以減少空間效應，降低應力水平，分塊大小控制在24 h或16 h內能完成快挖快撐施工，才能有效控制淤泥流變變形位移。嚴格控制挖撐、換撐步序，如盆式開挖留邊土，邊桁架撐分塊、分段、對稱、限時快挖快撐，提高混凝土支撐早期強度，分塊拆撐減少大跨度工況暴露時間等。

4）風險極大且需實時監控管理的基坑工程，甚至是不適宜用人進行巡查監測的沉井沉箱工程，采用自動化監測技術是完全必要的。現在5G通信網絡、云計算、傳感器元件、機器人等技術整合研發難度與投用成本也在降低，本案例所采用自動化監測機器人技術仍處于初級階段，但仍對項目應急疏散、搶險監測起到了積極作用，后續仍有較大的發展前途。