蘭州市某深基坑支護設(shè)計實例及事故分析

馬 龍

（甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730030）

1 引言

受西部大開發(fā)及“一帶一路”政策紅利的影響，在西北部地區(qū)，尤其是蘭州地區(qū)經(jīng)濟得到前所未有的發(fā)展機遇，由此帶來的城市建設(shè)得到突飛猛進的發(fā)展，涌現(xiàn)出了大量深基坑工程，支護設(shè)計得到廣泛推廣與應用，支護形式由最初簡單的放坡、土釘墻支護、樁錨支護，逐漸發(fā)展出現(xiàn)了內(nèi)支撐、咬合樁等支護形式并得到廣泛應用。基坑支護形式隨之逐漸多樣化，使基坑支護的安全性及可靠性得到一定提升。同時，由于城市建設(shè)步伐較快，基坑支護深度越來越大、周邊環(huán)境越來越復雜，新型支護形式無法得到廣泛推廣，以及設(shè)計施工人員對基坑失穩(wěn)破壞危害性認識不足，支護過程出現(xiàn)一些失敗案例。文章以蘭州地區(qū)某一事故案例進行分析，并對比相似基坑分析，為西北地區(qū)尤其是蘭州地區(qū)基坑支護設(shè)計提供一定的借鑒經(jīng)驗。

2 蘭州市氣象及地質(zhì)資料

2.1 蘭州市氣象條件

根據(jù)甘肅省氣象局資料顯示[1]，蘭州市多年平均氣溫9.1 ℃，多年平均降水量311.7 mm，歷年最大降雨量546.7 mm，歷年平均降水日數(shù)75天；多年平均蒸發(fā)量1 446.4 mm；多年平均相對濕度56%。從20世紀80年代中期開始，西北地區(qū)大致以黃河為界的西部區(qū)域，降水開始呈現(xiàn)逐漸波動增加趨勢[2]。近年來，蘭州地區(qū)及相鄰地區(qū)，均發(fā)生了降水量增加，河流出山口徑流量增大，湖泊及地下水水位上升等現(xiàn)象，從側(cè)面也反映了降雨增加趨勢。

2.2 蘭州階地地形分布特點

蘭州位于西北地區(qū)典型濕陷性黃土高原分布區(qū)，黃河穿城而過，形成兩山夾一河的典型河流溝谷與高低級階地分布特點，蘭州市黃河階地分布如下圖1所示。黃河低階地區(qū)域，濕陷性黃土層厚度較薄，濕陷性較小，含水率較大，下部卵石層為主要含水層，卵石層以下為砂巖。高階地區(qū)，濕陷性土層分布厚度厚，土層濕陷性大、含水率小，無地下水或地下水分布深，下部為碎石類土，碎石層以下為砂巖。

圖1 蘭州市黃河階地分布

2.3 水文資料

蘭州地區(qū)深居內(nèi)陸，地處溫帶半干旱氣候區(qū)。黃河是流經(jīng)蘭州市區(qū)的主要河流，除此以外還有一些間歇性流水的溝谷，如韓家河、黃峪溝等，黃河由西向東流經(jīng)市區(qū)40余公里，豐水年平均流量為1612 m3/s，枯水年平均流量為681 m3/s，多年平均流量為1 064 m3/s。

3 工程案例

3.1 工程概況

文章選取蘭州某深基坑失穩(wěn)案例，對其進行分析。擬建工程位于蘭州市城關(guān)區(qū)段家灘路南側(cè)，擬建物為1棟整體19F局部6F門診醫(yī)技綜合樓，設(shè)有2層地下室，基坑開挖深度為10.2～13.5 m?；又苓叚h(huán)境較為復雜，北側(cè)臨近城市主干道，基坑南側(cè)、東側(cè)及西側(cè)為小區(qū)建筑物及道路，地下管線埋設(shè)較為密集。該基坑位于黃河一級階地區(qū)域，具有濕陷性黃土低階地場地，土層厚度薄、含水率低、濕陷性等級低、地下水位高等濕陷性黃土場地典型特點。

3.2 巖土地質(zhì)條件

場地地質(zhì)條件如下：

①全新統(tǒng)人工雜填土層（Q4ml）：該層分布連續(xù)，雜色，成分復雜，主要為碎石、砂土、粉土、碎磚塊、煤渣、白灰等回填建筑垃圾，土質(zhì)不均勻，稍濕，稍密。該層層厚為2.9～3.4 m；

②全新統(tǒng)沖洪積卵石層（Q4al+pl）：該層分布連續(xù)，黃褐色，土質(zhì)不均勻，蟲孔發(fā)育，偶夾細砂薄層，切面稍見光澤，搖振反應迅速，干強度低，韌性低，稍濕-濕，稍密。該層層厚為2.5～4.2 m，層面埋深2.9～3.4 m；

③全新統(tǒng)沖洪積卵石層（Q4al+pl）：該層分布連續(xù)，青灰色，一般粒徑20～100 mm，最大粒徑為110～200 mm，主要成分為花崗巖、石英質(zhì)砂巖等硬質(zhì)巖石，級配不良，磨圓度較好，呈亞圓-圓狀，偶見漂石，骨架顆粒間呈交錯排列連續(xù)接觸，弱風化，以中細砂充填，充填飽滿。稍密-中密。該層層厚為5.6～6.9 m，層面埋深為6.3～7.5 m；

③1全新統(tǒng)沖洪積細砂層（Q4al+pl）：該層分布于卵石層頂部，零星分布，黃褐色，砂質(zhì)較均勻，稍濕，稍密。該層層厚為0.3～1.4 m，層面埋深為5.8～6.3 m；

④新近系風化砂巖層（N）：該層分布連續(xù)，棕紅色，強風化，細粒結(jié)構(gòu)，薄層狀構(gòu)造。泥鈣質(zhì)半膠結(jié)，礦物成分以石英、長石為主。成巖作用較差，巖質(zhì)不純，所見巖芯呈短柱狀及散狀，干時堅硬，遇水擾動或暴露地表極易軟化或風化崩解，擾動后易破碎，呈散沙狀。

3.3 地下水分布條件

場地地下水屬第四系松散巖類孔隙潛水，主要賦存于下部卵石層中，接受大氣降水及側(cè)向徑流的補給，流向東北，勘察期間地下水水位埋深為8.1～8.4 m，相應水位高程1 504.84～1 505.35 m。根據(jù)區(qū)域水文地質(zhì)資料，卵石層的滲透系數(shù)40～50 m/d。

3.4 濕陷性分布

場地內(nèi)2層粉土的濕陷系數(shù)δS＝0.017～0.039，自重濕陷系數(shù)δZS＝0.007～0.015，場地地基土的濕陷等級為Ⅰ級（輕微），最大濕陷深度7.0 m。

4 基坑支護設(shè)計方案

4.1 設(shè)計計算依據(jù)

根據(jù)地勘報告提供的基坑支護設(shè)計參數(shù)見表1。

表1 基坑支護設(shè)計參數(shù)

4.2 基坑支護設(shè)計

根據(jù)對現(xiàn)場基坑周邊環(huán)境的調(diào)查，并對周邊道路、管線及建筑物等進行測量，支護設(shè)計考慮施工空間及施工荷載等外部因素，結(jié)合勘察工程地質(zhì)條件，采用“支護樁及復合土釘墻”等方式進行支護，鑒于該基坑事故案例僅分布于場地東側(cè)復合土釘墻部分，文章僅對復合土釘墻部分進行分析說明。

典型斷面如圖2所示，基坑支護設(shè)計采用理正深基坑7.0軟件進行驗算，最后一工況安全穩(wěn)定系數(shù)為1.402，滿足規(guī)范最小安全系數(shù)要求[3]。

圖2 復合土釘墻支護典型斷面

5 基坑支護失穩(wěn)分析

5.1 基坑支護失穩(wěn)原因分析

在基坑開挖過程中，基坑支護發(fā)生局部失穩(wěn)坍塌事件，坍塌位置位于場地東部，該區(qū)域上部為臨時道路，寬度約為4 m，道路外側(cè)為1層門房，道路下部存在兩條雨污排水管溝，經(jīng)現(xiàn)場查驗，坍塌長度約為15 m，坍塌時基坑開挖深度約為9 m，塌方后側(cè)土體最大滑塌范圍約為2.5 m，塌方前后現(xiàn)場照片如下圖3—圖4所示：

圖3 基坑失穩(wěn)前開挖照片

圖4 基坑失穩(wěn)后照片

在基坑支護塌方后，對現(xiàn)場進行詳細調(diào)查與詢問，得出主要結(jié)論有以下幾個方面：

（1）通過總體分析，主要為現(xiàn)場施工、監(jiān)理及建設(shè)單位對基坑危害性認識不足，監(jiān)管人員能力有限，監(jiān)管不力，盲目追求工期；

（2）基坑失穩(wěn)前后照片相差時間約為6 d，基坑施工開挖至預應力錨桿標高處，實施分臺階開挖，對支護有利，但錨桿及土釘抗拉強度均未達到抗拉強度設(shè)計值，立即進行下一步基坑開挖，面層強度及預應力錨桿抗拔承載力均未達到設(shè)計要求，盲目進行下一步工序，直接導致上部支護結(jié)構(gòu)強度破壞，基坑失穩(wěn)破壞；

（3）基坑開挖后，場地土層含水率較大，現(xiàn)場人員未對異常情況進行反饋，后期對塌方區(qū)土體進行室內(nèi)含水率試驗，統(tǒng)計值為31.7%、26.8%、22.0%，平均值為26.8%，濕陷性黃土遇水飽和，土體抗剪強度嚴重降低，與設(shè)計使用抗剪強度嚴重不符；

（4）基坑頂部存在一平行支護剖面方向污水管溝，埋深約為3.0 m，基坑開挖后，未切斷管溝污水來源，僅采取簡單封堵措施，基坑失穩(wěn)后可見污水向外滲流，水流量較大；

（5）基坑支護施工過程直至基坑失穩(wěn)前，現(xiàn)場未委托第三方單位對基坑進行變形監(jiān)測，直至開挖回填，未見變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法對該基坑變形進行預測。

5.2 基坑支護設(shè)計及施工建議

（1）加強監(jiān)管人員、現(xiàn)場施工人員培訓及技術(shù)指導，如有異常應及時向設(shè)計人員進行反饋，動態(tài)化施工，信息化管理；

（2）濕陷性黃土地區(qū)基坑支護設(shè)計，尤其是老城區(qū)基坑支護設(shè)計，應注意對周邊環(huán)境調(diào)查，摸清周邊場地雨污水排水方向，管溝破裂應及時改遷或采取嚴格封堵措施；

（3）嚴格按照規(guī)范[4]要求，對基坑進行變形監(jiān)測，實時預測基坑變形發(fā)展趨勢，科學指導，減小基坑失穩(wěn)概率；

（4）濕陷性黃土地區(qū)基坑支護設(shè)計，周邊環(huán)境較為復雜，地下管線分布較為密集時，荷載常因外界環(huán)境而改變，設(shè)計荷載應及時根據(jù)外界環(huán)境變化進行調(diào)整。

6 結(jié)語

通過上述案例分析，可以得出以下結(jié)論：

（1）基坑支護施工前，應加強監(jiān)管人員、現(xiàn)場施工人員培訓及技術(shù)指導，加強基坑支護失穩(wěn)破壞性認識；

（2）基坑支護施工，應嚴格按照設(shè)計及相關(guān)規(guī)范要求，分步實施，支護設(shè)計強度未達到設(shè)計要求，嚴禁實施下一道工序；

（3）水的因素是導致濕陷性黃土地區(qū)基坑失穩(wěn)的主要外界因素，施工過程應加強周邊排水管溝管控與監(jiān)測，防止地下水管溝破裂。當?shù)貙訔l件、外部荷載發(fā)生變化時，應引起足夠重視，及時與設(shè)計人員進行溝通，并提前采取有效處理措施。

（4）濕陷性黃土地區(qū)舊城區(qū)基坑支護設(shè)計，周邊環(huán)境較為復雜，地下管線分布較為密集，荷載常因外界環(huán)境變化而改變，應適當增加安全儲備，防止周邊環(huán)境變化或其他不良因素改變影響基坑安全性。