某深基坑坍塌事故分析及处理

李国银,彭柏兴

(1.长沙水业集团有限公司,湖南长沙 410015; 2.长沙市规划勘测设计研究院,湖南长沙 410007)

某深基坑坍塌事故分析及处理

李国银1∗,彭柏兴2

(1.长沙水业集团有限公司,湖南长沙 410015; 2.长沙市规划勘测设计研究院,湖南长沙 410007)

系统分析了某深基坑坍塌事故的原因,得出了如下认识:①岩质基坑侧壁受光滑结构面影响,设计应按平面滑动模式验算整体稳定性;②根据不同断面地质条件与受力特点划分不同支护单元,合理设计构造措施;③采取动态设计法,结合开挖情况,分析地层参数、边界条件与设计前提是否吻合并及时调整设计;④重视施工监测结果,并采取应对措施等。

深基坑;坍塌;结构面;动态设计;构造措施

随着城市化进程加快,城市建设中高层、超高层建筑迅猛发展,高层建筑基础往往埋置较深,出现大量的深基坑需要支护,特别是在城市中心,由于场地狭窄,市政管网密集,对深基坑的变形控制的要求甚高。目前很多专家学者对深基坑各种支护形式的沉降变形分析、设计方法对比选择、锚固机理、支护结构的受力分析及支护结构与土的相互作用等进行了较深入的研究[1～5],但对基坑坍塌事故发生的原因分析及如何汲取经验避免事故的发生文献较少。本文以某深基坑为例,对坍塌事故的原因进行了详细的分析,以供大家借鉴。

1 工程概况

工程位于长沙市银盆南路东侧原四水厂内,南邻沁园春小区,分A、B两区,共4栋(①#～④#栋),其中A区拟建建筑物为①#、②#栋,①#栋层数为10层,高度约40 m,框架～剪力墙结构,基础埋置深度2.3 m,单位荷重15 000 kPa;②#栋层数为27层～32层,高度约100 m,框支剪力墙结构,基础埋置深度5.7 m,单位荷重20 000 kPa。B区③#栋为32层,高度约100 m,框支剪力墙结构;④#栋为26层,框支剪力墙结构。地下负4层。正负零标高为52.2 m,基坑底标高为33.5 m,最大高差达18.7 m。有一直径1.4 m的自来水厂源水管位于本工程地下室顶板上方,比邻塔楼。因市政原因,水管暂时不能拆移,但为了赶工期,暂时不修建地下室,先进行塔楼施工,为使源水管正常运营,需对源水管采取保护措施,因此对源水管下方的土体进行支护加固处理,局部基坑平面如图1所示。原设计采用9 m～12 m长间距1.2 m的锚杆进行支护,在基坑边坡的中间留了一个1 m宽的平台,设计剖面如图2所示。

图1 基坑平面图

图2 设计剖面图

2 工程地质、水文地质条件

场地原始地貌属湘江河流冲积阶地,从上往下依次为:

杂填土①:褐红、褐黄、杂色,稍湿～湿,松散～稍密,由粘性土、风化板岩碎块、建筑垃圾构成,层厚0.40 m～11.50 m。

粉质粘土②:褐黄、褐红、褐灰色,软(顶部)～可塑状态,局部含砾石,层厚0.70 m～3.40 m。

粉质粘土③:褐黄、褐红色,硬塑～坚硬状,局部含砾石,夹粉土,层厚1.00 m～4.60 m。

圆砾④:褐红、褐黄、灰黄色,干～稍湿,中密～密实状,粒径一般0.2 cm～4 cm,大者约5 cm,含量约55%～65%,夹少量卵石及中粗砂薄层,层厚0.90 m～8.50 m。

卵石⑤:褐黄、灰白色,干～稍湿,中密～密实状,粒径一般2 cm～5 cm,大者15 cm,卵石含量60%～70%,层厚0.70 m～5.60 m。

全风化板岩⑥:褐黄、紫红、褐灰色,原岩结构可辨,多风化呈土状,具残余结构强度,岩芯多呈土状～碎块状,易软化崩解。厚1.00 m～6.70 m。

强风化板岩⑦:褐黄、紫红、褐灰色,板状构造,节理、裂隙发育,岩体破碎,层厚0.60 m～24.60 m。

碎裂岩⑧:青灰,碎裂构造,胶结差,易破碎,仅B区ZK1～19、ZK25～26、ZK89～96、ZK118～120等钻孔遇见该层,层厚4.20 m～35.90 m。

中风化板岩⑨:青灰、深灰色,裂隙发育,细石英脉充填,岩质较硬,上部岩石较破碎,下部较完整,钻孔揭露层厚2.50 m～28.20 m。

微风化板岩⑩:深灰,裂隙稍发育,岩芯多呈短柱状,少量多呈块状,较硬岩,岩体基本质量等级为Ⅲ级, RQD约47～55。仅部分钻孔揭露该层,揭露最大厚度11.89 m。

各岩土层主要物理力学性质指标如表1所示。

表1 岩土层主要物理力学性质指标

勘察期间,A区地势低,部分钻孔遇见地下水,为上层滞水,赋存于杂填土中,水量较小,随季节性变化较大,主要为大气降水和生活污水下渗补给,稳定水位为36.58 m～41.01 m。B区地势较高,其东、南、西侧为高边坡,地下水、地表水排泄通畅,未见地下水。

3 工程事故情况

基坑按常规边支护边开挖,施工至坑底设计标高时,锚杆注浆已完毕,准备施工槽钢,所有观测均属正常。10月31日9:00左右,CDE段坡顶地面发现裂缝,宽1 mm～5 mm,14:00左右,CDE段坡体突然坍塌,坡体坍落到坑底,地面裂缝宽度50 mm～100 mm不等,坡面钢筋混凝土网面被撕裂,部分槽钢焊缝被撕开(如图3所示)。幸亏坑底无人作业,未造成人员伤亡。事故发生后,采取坡脚堆土反压,11月2日坡底堆土高7.5 m,经监测确证变形稳定后,对坡体进行全面覆盖,再商议下一步处治方案。

图3 坍塌现场

4 事故原因分析

土钉挡墙的破坏形式分为内部破坏和外部破坏。外部破坏主要形式有:土钉墙沿基底平移,土钉墙绕墙趾倾覆,墙基土体失稳,沿深远土层整体滑移[6]。本基坑破坏属于沿深远土层整体滑移破坏形式。每个深基坑事故可能都是有许多不利因素组合在一起而共同引发的,它与深坑工程地质条件、设计方案、施工措施、监测及管理等因素有着密切关系,是个复杂的综合性问题[7]。本基坑事故发生的主要原因如下:

4.1 地质原因

区域性NE断裂从场地中北部通过,倾向NW。受断裂影响带范围的工程岩体裂隙发育,岩体破碎,胶结差,岩体强度较低。岩体结构决定了岩体的工程地质特性及其在外力作用下的变形破坏机理。岩石开挖面表明,岩体结构面与最大主应力δ1(重力)夹角β非常小,接近平行。结构面发育密集,岩体完整性极差,坍塌体滑移面可以发现,结构面形态平直,粗糙度小,表现为光滑结构面特征(如图4所示)。由于边坡岩体具有以上结构特征,坡体在重力作用下的破坏机理表现为近乎破裂张拉破坏。在进行支护设计时,对岩体抗剪指标с、Φ值应进行折减,并按平面滑动模式验算其整体稳定。

图4 岩体结构面

4.2 设计原因

(1)不重视动态设计

基坑底部开挖后,靠近基坑内的岩石变成临空悬挂,岩体之间摩擦力变小,原设计计算模型锚杆的锚固段缩短,部分锚固段变成自由段,锚固力大大变小,导致边坡塌方事故发生。

KE段前期已经开挖,只进行简单的表面网喷,未作锚固处理,KE段岩土体已经发生松弛变形。锚杆从CE面锚入KE面,所施工的锚杆在KE面的锚固力大大折减,靠近坡体表面的部分锚杆甚至基本没有锚固力,设计未充分认识松弛变形因素。

(2)未合理划分支护单元

施工过程中BC支护段一直稳定,但在CE段事故发生后,BC段变形突然增大,坡顶地表出现8 mm～15 mm裂缝,钢筋网撕裂。其原因在于BC段与CE段的槽钢在C点进行了焊接连接,CE坍塌后导致BC段槽钢变形,地表拉裂。

设计时,如根据不同断面地质条件与受力条件、划分不同支护单元,合理设计构造措施,即使不同单元变形或出现事故,其变形与事故仅限于在本设计单元内,不致影响相邻单元,扩大事故范围,减少工程损失。

此外,设计时坑内土体留置方式欠妥,从平面图上可以看出,CEK组成一个三角形土体,坡体构成一个三棱台,E点为三棱台阳角。从受力角度来看,应力在E点处集中,最容易变形引起事故的发生。为了受力合力,E点处应进行钝化处理,开挖成圆弧状最好。

(3)设计管理缺失

源水管支护设计是在原基坑设计完成后进行的设计变更,属重大变更设计。从管理程序上讲,应重新进行严格专家论证。但建设单位与设计单位都没有足够重视,未对变更进行充分完整论证的情况下就予以施工,是造成本次基坑坍塌的原因之一。

4.3 施工原因

(1)坡顶堆载超设计限值

坡顶另一主体施工单位堆放了部分机械设备和材料,导致坡顶荷载严重超标。

(2)未按设计工序施工

坡脚部位的稳定问题也需高度重视,边坡塌方都与坡脚土体被严重扰动有关[8]。由于工期紧,建设方忽视了规范和设计规定,要求最后一层施工一次开挖了5 m,开挖速度快,支护跟不上,坡底岩体暴露较长,坡脚岩体垮塌形成空洞,施工方未对空洞严格充填,坡体受到严重扰动,变形未能得到很好控制,基坑在槽钢未安装前,完全垮塌。

(3)对变形监测结果重视不足

施工过程中对监测结果重视度不够。事故发生前的一个月坍塌体上的9号、10号监测点变形情况如图5、图6所示。从基坑监测数据情况看前期变形非常缓慢,在事故发生的前一天变化突然增大,虽然累计变形量未超过警戒值,但变形率突然增大,是事故前发的征兆,此时应该重视变形,采取相应的措施。

图5 9#点变形

图6 10#点变形

5 处理措施

事故发生后,业主邀请业内专家、勘察、设计、施工、监理等进行了专题分析,设计单位结合实际情况,综合专家意见出具了加固处治方案。主要方法是:把塌方体上方的土体卸掉9 000 mm高,形成一个平台。沿既有滑动面和潜在滑动面设计三排钢管桩,排距300 mm,间距500 mm,现有滑动面钢管桩长11 000 mm,潜在滑动面钢管桩长13 000 mm,同时加设锚索及槽钢腰梁,加长锚固端,加大锚固力(如图7、图8所示)。该方案实施后基坑变形得到了有效控制,取得了良好的效果。

图7 加固处理方案平面图

图8 加固处理方案剖面图

6 结 论

(1)基坑工程需要采用信息法施工,设计人员要切实掌握场地工程地质条件,不局限于根据勘察报告建议参数进行理论计算。要结合开挖情况,分析地层、参数、边界条件与设计条件是否吻合,如有出入,应及时调整,指导施工。

(2)重大变更设计,应重新进行严格的专家论证。

(3)基坑不同断面应根据相应环境条件、地质水文条件、支护类型,合理划分设计单元,并设计合理的构造措施,当不同单元变形或发生事故,变形与事故也可控制于该单元内,不会牵连其他单元,导致事态扩大。

(4)严格按设计工序进行施工,坡顶严禁超限堆载,在施工过程中重视对监测变形进行分析,稍有异常,应及时采取有效措施。

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Treatment and Accident Analysis for the Slope Collapse in Deep Building Foundation Excavation

Li Guoyin1,Peng Baixing2
(1.Changsha Water Industry Group Co.,Ltd.,Changsha 410015,China; 2.Changsha Investigation&Design Institute,Changsha 410007,China)

In this paper,a comprehensive analysis of the causes of a deep building foundation excavation collapse were carried out,draws the following he following conclusions,it could provide a reference for similar projects.:(1)the stability of rock pits was controlled by structural plane,the stability design should be calculated based on sliding mode plane.(2)The different retaining and protection structure should be designed focus on the geological conditions and stress condition.(3)Information based design should be attached pay more attention on the situation of excavation.the design parameters are consistent with the analysis of the stratum condition and boundary condition.designs must be adjusted in time on it.(4)More attention should be paid on the results of construction monitoring,the corresponding contingency measures must be taken while abnormal deformation happens.

deep building foundation excavation;collapse;structural plane;information based design;structural measures

2014—04—18

李国银(1978—),男,工程师,主要从事基坑设计、施工管理工作。