乳山某基坑地下水滲流破壞事故分析

于曉洋

（山東省魯南地質(zhì)工程勘察院（山東省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局第二地質(zhì)大隊(duì)），山東 濟(jì)寧 272100）

0 引言

近年來，基坑事故頻頻發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失甚至人身傷害。誘發(fā)基坑事故的因素多種多樣，其中地下水是影響基坑安全性的一項(xiàng)重要因素，如果無法對(duì)地下水進(jìn)行有效地控制，將會(huì)對(duì)基坑造成嚴(yán)重的安全隱患。

基于事故現(xiàn)場的各項(xiàng)調(diào)查和試驗(yàn)數(shù)據(jù)，是分析事故原因最直觀、最可靠的手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，數(shù)值模擬目前也成為了一種有效的輔助手段，很多專家學(xué)者［1-6］已成功利用不同的數(shù)值模擬軟件對(duì)基坑事故作出分析。

1 概況

1.1 工程概況

基坑位于山東省乳山市南部，擬開挖部分為單層地下車庫。基坑北側(cè)為待建空地，東側(cè)毗鄰社區(qū)衛(wèi)生服務(wù)中心大院，南側(cè)及西側(cè)均為道路。其中南側(cè)空間較為寬裕，其他方向受地物及待建區(qū)域影響空間有限（見圖 1）。基坑?xùn)|側(cè)及南側(cè)建筑均采用毛石條形基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深約 3.0 m。基坑西南側(cè)路南有水塘，尺寸 28.4 m×46.6 m，水位與周邊地下水水位一致。

圖1 基坑平面圖（單位：mm）

基坑開挖底標(biāo)高 5.10 m，地面標(biāo)高 11.10～11.30 m，基坑深度 6.0～6.2 m，周長約 283.1 m。基坑安全等級(jí)二級(jí)，局部三級(jí)。

1.2 場地巖土工程條件

根據(jù)勘察報(bào)告提供的資料，場地支護(hù)深度內(nèi)的工程地質(zhì)條件簡述如下。

1）雜填土。雜色，松散，濕，成分混雜，主要為黏性土及砂土，建筑垃圾等。該層分布普遍，一般厚度 2.30～2.80 m，平均厚度 2.55 m，該層土回填時(shí)間較短，約 1～5 年。密實(shí)度和均勻性差別較大。

2）粉質(zhì)黏土。灰黃色，可塑。厚度 2.20～3.30 m，平均 2.79 m。本層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn) 23 次，標(biāo)貫擊數(shù) 7～9。

3）中粗砂。灰色，飽和，稍密到中密，局部混細(xì)砂。一般厚度 2.60～3.30 m。本層進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn) 28 次，標(biāo)貫擊數(shù) 13～20。

4）強(qiáng)風(fēng)化花崗巖。灰白色，中粗粒花崗結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要礦物成份為石英、長石、云母，巖芯呈粗礫砂狀、碎塊狀、易擊碎，錘擊聲啞，風(fēng)化程度隨深度增加逐漸變?nèi)酢Ｔ搶游创┩福畲蠼衣逗穸?7.0 m，于本層中進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn) 11 次，錘擊數(shù)為 60～93 擊。依據(jù)野外定性鑒別特征，可劃分為極軟巖，完整程度為破碎，巖石基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅴ級(jí)。

各層土的物理力學(xué)參數(shù)如表 1 所示。

表1 土的物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

場地地下水為第四系潛水，微承壓，孔內(nèi)穩(wěn)定水位埋深 0.90～1.30 m，高程 10.0 m 左右。中粗砂層及基巖風(fēng)化層為主要含水層，大氣降水和地下徑流為主要補(bǔ)給源，排泄以蒸發(fā)和地下徑流為主，水位隨季節(jié)變化幅度約為 0.5～1.0 m。

1.3 基坑支護(hù)及地下水控制方案

如圖 1 所示，基坑西側(cè)、北側(cè)及東側(cè) A-B-C-D 區(qū)間均采用 SMW 工法樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索垂直支護(hù)方案。事故則發(fā)生在基坑南側(cè) D-A 區(qū)間，D-A 區(qū)間采用 1∶1.0 坡率法放坡，坡面掛 50×50×1.6 mm 成品鋼絲網(wǎng)，噴射 C20 混凝土面層 50 mm，坡體設(shè)置泄水孔，坡頂線外 1.0 m 處設(shè)置 650 mm 三軸水泥土攪拌樁截水帷幕，支護(hù)斷面如圖 2 所示。

圖2 D-A 區(qū)間支護(hù)斷面圖（單位：mm）

基坑采用三軸水泥土攪拌樁全封閉截水帷幕進(jìn)行封水，帷幕底部需進(jìn)入④層強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，入巖深度原則上以攪拌鉆頭無法鉆進(jìn)為止。基坑內(nèi)設(shè)置疏干井 8 口、集水坑 12 處，疏干井井深 8.0 m。帷幕施工完成后、基坑開挖之前，利用疏干井將基坑內(nèi)水位降至基底標(biāo)高以下 0.5 m，開挖過程中也可結(jié)合明排的方式同時(shí)進(jìn)行疏干降水。

2 基坑事故

2.1 基坑事故發(fā)生過程

2020 年 8 月，該基坑開挖至基底設(shè)計(jì)標(biāo)高。2021 年 1 月 23 日清晨，施工單位例行巡視時(shí)發(fā)現(xiàn)基坑南側(cè)西半段放坡坡頂與帷幕結(jié)合處出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度最大處 56 mm 左右，裂縫自 A 點(diǎn)以東 2 m 處起向東延伸至施工大門附近，總長度約 35 m，由于南側(cè)放坡段基坑安全等級(jí)為三級(jí)，此時(shí)變形并未達(dá)到基坑變形累計(jì)預(yù)警值，因此，根據(jù)設(shè)計(jì)單位的意見，需采取加強(qiáng)監(jiān)測頻率并進(jìn)行坡腳反壓的方案，但施工單位并未按此執(zhí)行。當(dāng)日下午，坡頂裂縫寬度及范圍持續(xù)發(fā)展，南側(cè)坡體中段以西局部出現(xiàn)坍塌，坡面面層橫向拉裂，露出土體，次日清晨，坡頂裂縫寬度累計(jì)變化值已達(dá) 220 mm 左右，總長度已達(dá) 56.5 m（見圖 3）。

圖3 基坑破壞平面示意圖（單位：mm）

此后，監(jiān)理單位立即發(fā)出停工通知，疏散基坑內(nèi)作業(yè)人員，建設(shè)單位組織相關(guān)責(zé)任單位開會(huì)商討對(duì)策，現(xiàn)場照片如圖 4～圖 6 所示。

圖4 基坑坡面破壞總覽

圖5 基坑坡頂裂縫總覽

圖6 帷幕與坡頂之間土體開裂

2.2 事故現(xiàn)場調(diào)查

除了上述明顯破壞，在對(duì)現(xiàn)場進(jìn)行詳細(xì)踏勘及調(diào)查后，以下幾個(gè)細(xì)節(jié)值得注意。

1）西側(cè)坡頂線與施工臨建之間的硬化地面出現(xiàn)約平行于坡頂線的細(xì)小裂縫，該裂縫最早發(fā)現(xiàn)于事故發(fā)生之前的一個(gè)星期，裂縫距坡頂線距離約 1 倍基坑深度。

2）基坑?xùn)|南側(cè)花壇以北附近地面出現(xiàn)平行于坡頂線的細(xì)小裂縫，該裂縫于事故當(dāng)日清晨巡視時(shí)被發(fā)現(xiàn)，裂縫距坡頂線距離約 2.4 倍基坑深度。

3）基坑?xùn)|半段按原設(shè)計(jì) 1∶1.0 坡率法放坡，此部分未發(fā)生坍塌，面層僅有少量裂縫。中段偏西局部坍塌部分未按設(shè)計(jì)坡率放坡，放坡坡率為 1∶0.8，而西端約 5 m 長度范圍放坡坡率僅為 1∶0.7。

4）放坡坡腳處砂土局部堆積隆起，坡腳面層呈鼓脹式破裂。

5）如圖 4 所示，基坑坑底處地下水水位始終難以降至坑底以下設(shè)計(jì)標(biāo)高，導(dǎo)致坑內(nèi)普遍積水，施工現(xiàn)場泥濘不堪。據(jù)了解，在基坑竣工后的 1 個(gè)月里，疏干井不間斷持續(xù)工作，基坑內(nèi)水位未見明顯降低，而基坑西南側(cè)約 40 m 處的水塘水位明顯下降，水位降深約 2 m。施工單位擔(dān)心水塘水位下降引發(fā)糾紛，隨即將基坑內(nèi)抽取的地下水回灌至水塘中。

6）邊坡坡頂線外硬化地面平時(shí)禁止車輛駛?cè)耄马敻浇鼉H臨時(shí)堆放部分砂石及輕型設(shè)備。

通過對(duì)現(xiàn)場的詳細(xì)踏勘及調(diào)查，有助于我們對(duì)事故破壞的原因進(jìn)行剖析。由于現(xiàn)場坡頂附近經(jīng)常堆放砂石及設(shè)備，基坑監(jiān)測點(diǎn)部分破壞，因此，至事故發(fā)生時(shí)監(jiān)測資料部分缺失，只能根據(jù)有限的現(xiàn)場調(diào)查進(jìn)行分析。

3 事故原因分析

3.1 初步分析

從基坑破壞情況來看，截水帷幕內(nèi)側(cè)的坡體頂部發(fā)生了明顯且嚴(yán)重的水平位移，坡面面層橫向拉裂破壞且坡腳處堆積了部分砂土，坡體也必然伴隨豎向沉降。

此次事故中，帷幕與基坑外側(cè)土體緊密相連，并未向基坑內(nèi)側(cè)產(chǎn)生明顯的水平位移，帷幕則與內(nèi)側(cè)土體顯著分離，內(nèi)側(cè)土體產(chǎn)生了類似擋墻一樣傾覆的趨勢(shì)。

由于帷幕內(nèi)側(cè)疏干降水已明顯影響到帷幕外側(cè)的地下水水位，由此可以斷定，基坑截水帷幕已失效，因此，基坑內(nèi)僅有的 8 口疏干井已起不到疏干作用。基坑坑底長期被水浸泡，坑底處地層為砂層，受毛細(xì)作用，土體底部砂層始終處于飽和狀態(tài)，抗剪強(qiáng)度必然有所降低，且發(fā)生破壞的部分均未按照設(shè)計(jì)坡率放坡，導(dǎo)致內(nèi)側(cè)土體抗傾覆能力下降，隨著坡腳處盲溝開挖擾動(dòng)及長期降水，坡腳處砂土已然產(chǎn)生了一定變形和破壞。

3.2 建模分析

為了驗(yàn)證上述分析，通過建立有限元模型對(duì)事故基坑做進(jìn)一步分析。

由現(xiàn)場調(diào)查可知，基坑帷幕已經(jīng)失效，在進(jìn)行建模時(shí)，需要確定帷幕底部失效的高度h（帷幕底至強(qiáng)風(fēng)化花崗巖巖面的距離）。由于基坑內(nèi)水位基本保持不變，可近似將基坑涌水量等同于抽水量，基坑內(nèi) 8 口疏干井持續(xù)工作，每口井每天抽水量約 72 m3，每天基坑涌水量Q近似等于 576 m3。假設(shè)基坑內(nèi)水位為基底以下 0.1 m，h假定為 0.5 m，水力坡降 5.9/8.95=0.57，根據(jù)達(dá)西定律［7］計(jì)算公式：Q=kAi，576=22×228×h×0.57，h=0.2 m 與假設(shè)h=0.5 m 不符，因此調(diào)整假定的h取值及i值，最終確定h=0.2 m。

由位移增量云圖（見圖 7）所示，基坑帷幕內(nèi)側(cè)坡腳、坡面及坡頂?shù)炔课凰苄宰冃屋^為嚴(yán)重，坡腳處尤為突出，而坡頂線外 1～2.4 倍基坑深度范圍均有不同程度的塑性變形，變形相對(duì)來說較輕，坡頂處水平位移最大（見圖 8），模擬結(jié)果與現(xiàn)場坡頂硬化地面處出現(xiàn)的細(xì)小裂縫及坡頂帷幕附近的巨大裂縫十分吻合。

圖7 總增量位移云圖

圖8 總水平位移云圖

本次建模的目的除了要盡可能地接近和還原現(xiàn)場實(shí)際情況，最重要的是要驗(yàn)證初步分析中提到的基坑破壞關(guān)鍵影響因素——地下水滲流。假設(shè)帷幕進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化花崗巖中 1 m，此時(shí)的截水帷幕處于有效工作狀態(tài)，可以得到圖 9 所示的滲流場。地下水繞過帷幕后主要呈水平方向滲流，對(duì)坡腳影響甚微。而在帷幕失效的情況下，如圖 10 所示，坡腳部位成為了明顯的溢出點(diǎn)，這與現(xiàn)場情況和初步分析的結(jié)果完全一致。

圖9 地下水滲流場圖

圖10 地下水滲流場圖

由此，帷幕內(nèi)側(cè)的有限土體產(chǎn)生了局部圓弧形剪切破壞，坡腳處成為了最為薄弱的部位（見圖 11）。

圖11 剪應(yīng)力增量云圖

3.3 事故原因總結(jié)

通過現(xiàn)場詳細(xì)調(diào)查及后續(xù)建模分析，此次事故發(fā)生的原因已清晰明了。

1）由于施工單位截水帷幕存在嚴(yán)重的施工質(zhì)量問題，導(dǎo)致基坑內(nèi)外地下水連通。基坑底部為砂層，是良好的透水層，基坑內(nèi)外水頭差本身就比較大，坡腳附近長期施工降水且設(shè)置的碎石盲溝成為良好的地下水溢出通道，長此以往，地下水滲流導(dǎo)致坡體下部砂土顆粒逐漸流失，坡腳部位砂土強(qiáng)度日益降低，最終形成滑動(dòng)破裂面，且未按設(shè)計(jì)坡率放坡，坡體本身自穩(wěn)性沒有保障，綜合作用導(dǎo)致了坡體破壞變形。

2）在事故發(fā)生之前的 3、4 個(gè)月里，基坑內(nèi)地下水難以疏干且基坑內(nèi)降水引發(fā)周邊地下水水位下降已經(jīng)可以從側(cè)面證明帷幕失效，但該現(xiàn)象并未引起現(xiàn)場參建單位的重視，也未對(duì)帷幕進(jìn)行檢測或加固，導(dǎo)致后續(xù)滲流破壞持續(xù)加劇。

3）此次事故中，當(dāng)發(fā)現(xiàn)坡頂變形裂縫后，施工單位并未按照設(shè)計(jì)中的應(yīng)急預(yù)案進(jìn)行反壓處理，導(dǎo)致基坑在短時(shí)間內(nèi)持續(xù)加劇變形。

4）監(jiān)測單位未能及時(shí)預(yù)警并提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場監(jiān)測點(diǎn)破壞，監(jiān)測工作存在很大漏洞。

4 加固處理方案

由于本次事故并未造成重大破壞和損失，因此，本著安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理、方便快捷的原則進(jìn)行如下加固和修復(fù)。

1）為防止坡體進(jìn)一步變形破壞，首先應(yīng)保證坡體的整體穩(wěn)定性，因此，除了對(duì)坡頂堆載進(jìn)行清理外，加固坡腳成為首要任務(wù)。由于坡底中粗砂較密實(shí)，原本選定的木樁作為抗滑樁難以靜力壓入，因此，只能選用截面較小的 I16 工字鋼引孔壓入，工字鋼長度 3.0 m，水平間距 0.4 m，間隔施工，壓至風(fēng)化巖巖面，施工后隨即用砂袋進(jìn)行反壓。

2）對(duì)于坡頂帷幕附近的裂縫，首先采用砂石進(jìn)行填縫，坡面已滑塌破損的面層，重新修坡掛網(wǎng)，最后統(tǒng)一對(duì)面層及縫隙進(jìn)行噴混凝土處理。

3）由于帷幕失效，受周邊條件限制，重新補(bǔ)打一排帷幕的可能性不大，因此，只能在現(xiàn)狀基礎(chǔ)上對(duì)基坑內(nèi)地下水進(jìn)行處理。除了保持疏干井持續(xù)降水外，基坑坑底開挖寬度約 1 m 的橫向及縱向溝槽，局部回填碎石并安置水泵進(jìn)行明排。

經(jīng)過一系列處理措施，基坑后續(xù)變形得到有效控制，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結(jié)語

本次基坑事故雖未造成嚴(yán)重破壞，但依然給我們帶來很多啟示。

1）地下水滲流作為基坑破壞的一種重要因素，應(yīng)當(dāng)引起足夠的重視，截水帷幕依然是控制地下水滲流的有效手段。

2）基坑安全無小事，基坑施工過程中遇到的異常情況應(yīng)當(dāng)引起參建各方的重視，任何一點(diǎn)小問題后期都有可能發(fā)展成為大的安全隱患，及早地解決問題才能防患于未然。

3）近年來很多基坑事故都是因?yàn)槭┕べ|(zhì)量引發(fā)的，基坑工程雖為臨時(shí)性工程，但任何施工環(huán)節(jié)尤其是隱蔽部位的“投機(jī)取巧”，都可能留有安全隱患。

4）土巖結(jié)合部位的水泥土攪拌樁施工，對(duì)施工隊(duì)伍的能力和施工技術(shù)要求較高，在不考慮經(jīng)濟(jì)因素的前提下，高壓旋噴樁截水帷幕封水和入巖效果更優(yōu)。

5）本次基坑修復(fù)及加固措施，解決了安全隱患，效果顯著，可作為類似工程的參考。Q