金沙洲隧道淤泥质地层明挖深基坑施工风险评估及控制

薛模美,吴 榃,张铁军

(中铁四局集团有限公司,合肥 230023)

1 工程概况

武广铁路客运专线金沙洲隧道位于广州与佛山交界处,隧道全长4 469 m,纵坡设计为20‰的“V”字形坡,在里程DK2 196+300～DK2 196+920段为淤泥质地层明挖深基坑段,该基坑工程毗邻广州西环高速,四周空旷,无大型建筑物。隧道明挖段地质条件差,存在流塑性淤泥质地层,且地下水非常丰富；基坑设计跨度15.5 m,采用明挖顺作直壁式支护开挖方法,基坑围护采用混凝土钻孔灌注桩和钢管支撑以及混凝土支撑体系,桩顶设120 cm×70 cm的冠梁,与桩顶预留钢筋连接成整体,横撑采用φ609 mm(δ=16 mm)@3 m的钢管,支撑竖向间距为3～4 m,软弱富水地段适当增加。为增加支护结构的横向刚度,选用了双拼I56a型钢作为围檩。施工过程中均进行一次换撑,钻孔桩之间外侧采用φ650 mm旋喷桩止水,形成止水帷幕。

基坑所在段地质条件对基坑工程施工的影响很大,根据水文地质条件及施工支护措施对基坑进行分段,各分段地质及支护参数特征见表1、图1。

表1 金沙洲隧道软弱地层明挖基坑分段地质及支护参数

图1 DK2 196+300～DK2 196+430段支护体系示意(单位：m)

2 软弱地层明挖基坑风险辩识

2.1 故障树法风险分析方法

图2 金沙洲隧道明挖基坑支护结构体系失效故障

(1)故障树原理

故障树(fault tree analysis, FTA)是一种描述事故因果关系的有向逻辑树,通过对既定的系统或作业中可能出现的风险事故条件及可能导致的灾害后果,按工艺流程、先后次序和因果关系绘成程序方框图,用规定的逻辑符号表示导致风险事故发生的各种因素之间的逻辑关系,用以分析系统的安全问题或功能问题,并为判明风险事故的发生途径及与灾害、损害之间的关系。

(2)故障树分析步骤

FTA是把系统不希望发生的事件(基坑支护结构体系失效)作为故障树的顶事件,找出导致该风险事件所有可能发生的直接因素和原因,再逐步深入分析,直到找出风险事故的基本原因,即故障树的基本事件。然后利用布尔代数进行简化,求出最小割(径)集,确定各基本事件的结构重要度,利用己有数据统计或实验结果得出基本事件的发生概率,进而得出顶上风险事件的发生概率。

2.2 明挖基坑风险因素分析及故障树编制

金沙洲隧道明挖基坑施工风险产生的原因主要有：基坑勘察设计失误、水处理不当、施工方法错误或不当、工程监测失误、工程管理失误、相邻施工影响、施工质量不达标、环境影响等等。另外,工程各参建方的工作不到位、失职也会导致基坑风险事故,根据以往工程风险事故的统计分析,这三方面导致基坑失稳事故的几率及影响程度较小,因此本文不考虑这方面的影响。

基坑风险事故的发生,主要是基坑支护结构体系失效(T)所造成,支护结构失效破坏的风险影响因素众多,通过对金沙洲隧道明挖基坑段的地质情况、施工情况进行调研分析,包括各种工作程序、各种施工参数、作业条件、环境影响因素等,结合案例分析和专家意见,编制故障树进行风险分析,具体结果见图2。

3 基坑风险评估

3.1 风险发生概率估计

根据工程实际情况,结合以往的深基坑施工经验和有关专家意见,得出各个基本事件的发生概率(表2),然后运用前述FTA故障树分析计算方法算出深基坑支护结构体系事故发生概率以及各种破坏模式的发生概率。

表2 金沙洲隧道深基坑支护结构体系失效风险发生概率

通过故障树概率重要度的计算分析,DK2 196+300～DK2 196+460、DK2 196+460～DK2 196+505、DK2 196+505～DK2 196+555三段的支护体系失效风险发生概率等级较高,其基本事件X3(存在流塑性淤泥土),X10(桩后地表堆载过大),X12(雨水或者地下管道水渗入),X17(圈梁与桩身连接不牢)的发生概率的变化对顶上事件发生概率的影响程度较大,其中DK2 196+300～DK2 196+460段的基本事件X4(存在溶洞等)对A4(基坑涌水涌沙、基底破坏)的影响非常大,因此风险控制应尽量减少这些基本事件的发生概率,就能大大减少顶上风险事件的发生概率。DK2 196+555～DK2 196+700段支护体系失效风险发生受基本事件X3(存在流塑性软土)、X12(雨水或者地下管道水渗入)、X15(支撑间距过大)、X17(圈梁与桩身连接不牢)影响较大、DK2 196+700～DK2 196+920支护体系失效风险发生受基本事件X8(岩土特性参数偏差)、X6(混凝土质量差)、X12(雨水或者地下管道水渗入)、X15(支撑间距过大)影响较大。

3.2 风险后果损失估计

深基坑工程事故后果主要分为两类：一类是设计、施工、管理及其他原因引起的支护体系的自身破坏,导致经济损失、工期延误,甚至人员伤亡；另一类是支护体系的破坏,从而导致相邻建(构)筑物及市政设施破坏或者深基坑土方开挖引起支护体系变形过大以及降低地下水位造成基坑四周地面产生过大沉降和水平位移,影响相邻建(构)筑物及市政管线的正常使用甚至破坏所造成的损失。

(1)风险后果损失计算模型

金沙洲隧道明挖基坑段为冲积平原区,地表主要是已征收的农田和民房,基坑离广州西环高速公路比较远,开挖前采取了堵水的措施,因此该明挖基坑的开挖对环境影响和第三方财产损失这里不做分析。只考虑基坑支护结构体系破坏造成的经济损失和工期延误,并把工期延误折算成经济损失,而人员伤亡亦忽略不计。

支护结构失效风险后果的损失与初期投资有关,而影响初期投资的主要因素是支护结构设计和施工方案的选择。有支护基坑工程一般包括基坑加固、降水、围护结构施工、支撑体系施工、土方开挖等部分,初期投资计算主要是计算这些工程的投资,这里只计算直接费的直接工程材料费,不计算间接费、利润以及税金等部分。计算方法如下。

支护结构体系的初始投资

CZ=CJG+CZS+CWH+CZC+CTF

式中：CJG为加固总费用；CZS为止水总费用；CWH为围护结构总费用；CZC为支撑体系总费用；CTF为土方开挖总费用。

则支护结构失效损失后果与初始投资的关系可表示为

C=PξCZ

式中，ξ为一常数,支护结构失效损失的后果除支护结构本身的直接经济损失外,还可能造成其他附加损失,例如支护结构的失效有可能导致人员伤亡,对周围的建(构)筑物造成破坏以及工期损失。这方面的精确分析比较困难,可以根据深基坑工程的不同安全等级,通过笼统调整ξ的大小来估算其影响,本报告不考虑环境影响,但考虑到工期延误造成的损失以及工程事故产生的影响,ξ取1.5,P为上节算出的支护结构失效概率。

(2)金沙洲隧道明挖基坑风险后果损失计算

按照上文所述的计算模型,参照金沙洲隧道设计施工图纸工程数量、造价等参数,考虑基坑加固、围护结构、支撑结构、土方开挖、帷幕止水几个方面,计算出基坑支护结构体系失效后每段基坑可能的风险损失,见表3。

表3 金沙洲隧道明挖基坑各分段可能的风险损失 万元

3.3 风险评估结论

根据上述故障树风险评价方法分析及计算结果,依据相关行规,金沙洲隧道软弱地层明挖基坑工程在DK2 196+300～DK2 196+460段风险等级为极高,DK2 196+460～DK2 196+505段和DK2 196+505～DK2 196+555段风险等级为高度,应积极采取措施进行规避,DK2 196+555～DK2 196+700段风险等级为中度,应加强施工管理和风险的监控。考虑到基坑地质条件很差,施工风险极高,因此在开挖、维护、加固以及排水等方面都要制定应急措施,确实做到风险心中有数、风险贯穿管理、安全健康施工。基坑各段支护结构体系失效风险等级见表4。

4 基坑施工风险控制措施与实施

通过采用故障树法对金沙洲隧道明挖基坑支护结构体系失效风险进行评估和风险发生概率重要度的分析,依据风险评估结果,结合专家意见提出以下基坑施工风险控制措施。

表4 金沙洲隧道基坑各段支护结构体系失效风险等级

注：1.钻孔灌注桩支护结构体系事故发生概率；2.钻孔灌注桩支护结构体系事故估计损失(万元)。

(1)针对前三段X3(存在流塑性淤泥土)、X12(雨水或者地下管道水渗入)的概率重要性高,施工时应重视地下水的影响,包括土层中滞水、地下管道渗漏水、地面无组织排水、以及施工期间的雨水等,严格做好止水、排水和防水工作,防止水的影响造成塌方。本基坑工程采用钻孔灌注桩支护,桩顶设置1.2 m×0.7 m的混凝土冠梁,同时在冠梁顶上增设高1.5 m、37 cm厚混凝土隔墙,高出原地面0.9 m,从而防止地表水流入危及基坑稳定,桩间外侧必要时增设φ600 mm旋喷咬合桩止水墙,严控基坑渗水,效果良好。

(2)针对前三段X10(桩后地表堆载过大)的概率重要性,且地层较软弱,该工程对桩后地表堆载、水平支撑堆载进行严格控制,所有基坑开挖的土方均搬运至远离基坑50 m之外,禁止在桩后修建临时建筑,桩外侧50 m范围不得堆放大体积施工材料、周转料和机器等,同时沿基坑外侧修建6 m宽、30 cm厚混凝土临时便道,规范基坑边缘作业环境,保护基坑的稳定。

(3)DK2 196+300～DK2 196+460段开挖后,对底板下一定深度范围进行详细的工程地质、水文地质勘察,查明溶洞的分布范围及对工程的危害,采用探灌结合的原则,对基岩进行注浆回填处理,查明了DK2 196+325、DK2 196+372两处溶洞,均采用预填充土、石和混凝土,对基岩裂隙进行深孔注浆,以利封堵基岩的承压水和裂隙水,确保基坑稳定。

(4)针对X6(混凝土质量差)、X15(支撑间距过大)的概率重要性,加强施工管理,加强对进场材料的质量把关,严格按相应规范和设计进行质量控制和验收。分段、分层、分步、对称、平衡及限时的原则进行基坑开挖与支撑的施工,分层开挖和加快支撑结构,适当减少每步开挖土方的空间尺寸,并减少每步开挖未支撑前基坑坑壁所暴露的时间,将每层、每区开挖和支撑的施工时间和间距限制在控制指标之内。特别是基底混凝土底板必须紧跟,严禁基底连续开挖大于30 m不施作混凝土底板,确保基坑绝对安全。

(5)加强施工监测工作,对维护桩的水平位移、桩身垂直度,桩身土体的侧向变形、钢支撑的轴力和变形、活络头的例行检查、地下水位以及广州西环高速公路的地表沉降进行监测,及时掌握土体、地下水、围护结构与支撑体系的工作状态信息,及时反馈,为风险跟踪监控提供有力的依据。

5 风险跟踪

通过对金沙洲隧道淤泥质明挖段深基坑进行系统的风险评估和有针对性的控制,对深基坑高风险地段的淤泥地层进行注浆加固，严格做好施工防排水,保证支护结构的刚度和施工质量,金沙洲隧道淤泥质地层明挖基坑施工过程中风险处于可控状态；根据监控量测结果,支护结构体系在整个施工过程中受力和变形在可容许承受范围内,无不期望的风险事故发生。

6 结论

(1)基坑的风险控制主要是保证其支护结构体系不失效,采取故障树进行概率分析和初始投资乘以附加损失系数ξ来估计支护结构体系失效引起的损失,进行基坑支护结构体系失效风险评估在一定程度上是一种有效的方法。

(2)根据FAT法风险分析评估结果,重点采取措施控制淤泥质流塑性软土,桩后地表堆载过大,雨水或者地下管道水渗入,圈梁与桩身连接不牢等因素,有效保证了基坑施工安全。监控结果显示：基坑支护结构体系在施工过程中受力和变形均为可控,无不期望风险事故发生。

(3)金沙洲隧道出口明挖段DK2 196+300～DK2 196+920在流塑状淤泥质地层中施工,基坑最大挖深22.22 m,安全风险巨大,因此有针对性地对深基坑进行了系统的风险分析,对风险源、风险发生概率及其损失和风险预防措施进行专题研究和管理,根据分析评估结果,施工过程中采取了一系列的应对措施,有效地防范了各种风险,确保了施工安全和工程质量,系统的风险评估管理在土木结构工程施工中能够达到预期的目标,值得推广。

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