某工程电梯井开挖塌方原因分析及处理措施

余钰琦，朱兵见

（台州学院 建筑工程学院，浙江 台州 318000）

建筑物地下室的基础梁、承台、电梯井等部位基坑的开挖深度较大，即建筑基坑中存在着坑中坑。在其土方开挖时，以土方塌方为主要形式的事故高发，而且会随着基坑开挖深度的加大而增加。因此，合理的基坑支护结构选型、设计和施工方法是避免此类事故的前提。

目前，常被电梯井等坑中坑选用的设计支护方法有放坡、重力式挡土墙、水泥土搅拌桩、钻孔灌注桩、高压旋喷桩、复合土钉墙及其组合体系等［1］。其中水泥土搅拌桩相互搭接成格栅状的结构形式［2］，也称重力式水泥土墙，造价较低，施工方便，应用比较广泛。然而水泥土搅拌桩抗拉抗弯性能差，在设计时应该严格按照规范要求，满足各项构造要求的同时，做好结构设计计算。

对于局部过深的电梯井基坑开挖，施工中常采用二次开挖的施工方法。然而在基坑工程实际的施工过程中，未能合理考虑开挖方式对基坑支护结构稳定性和变形的影响，不按照施工组织设计和施工方案施工而造成基坑工程事故屡见不鲜［3］。

1 工程事故及分析

1.1 工程概况

某工程由11幢13-18层的高楼和一个连体地下室组成。主体结构安全等级为二级，使用年限50年，总建筑面积为98333.59m2，用地面积41998m2，框架剪力墙结构。防火设计的建筑分类为二类高层，其耐火等级为地上二级，地下室一级，屋面防水等级为Ⅰ级，地基基础设计等级为甲级。结合基坑开挖深度、土质条件、周边环境，根据浙江省《建筑基坑工程技术规程》中对基坑的分类，本基坑工程安全等级为Ⅱ级，基坑侧壁重要性系数为1.0，局部安全等级为Ⅲ级，基坑侧壁重要性系数为0.9。

本工程地下室底板板面标高为+0.450，底板板厚为350mm，周边地梁为暗梁，考虑到底板垫层（垫层厚为150mm）底-0.050，开挖深度为3.55m；主楼底板板面标高为+0.450，底板板厚为350mm，周边承台深度为1.5m，考虑到承台垫层（垫层厚为150mm）底-1.200，开挖深度为4.7m；局部底板板面标高为-0.250，底板板厚为350mm，周边承台深度1.1m，考虑到承台垫层（垫层厚为150mm）底-1.500，开挖深度为5m。电梯井及坑中坑二次开挖深度为2.45m，采用水泥土搅拌桩形式支护。场地内工程桩为钻孔灌注桩。

1.2 各层土的物理力学性质

基坑开挖深度影响范围内各土层物理力学指标如表1所示。表中粘聚力、内摩擦角为固快值，括号内为经验值及折减值，折减系数为0.75。

表1 土层物理力学指标Table.1 The Physical and Mechanical Indexes of Soil

1.3 事故发生部位及相关信息

在本工程7号楼主楼开挖过程中，电梯井部位发生了塌方，并且还导致电梯井部位部分钻孔灌注桩断裂，幸亏当时没有施工人员在电梯井内部施工，不然会造成比较严重的后果。原施工方案中，电梯井处坑中坑拟采用二次开挖的施工方式，而实际开挖时却采用了一次性开挖方式，如图1所示。

电梯井长9.3m，宽5.33m，周边采用水泥搅拌桩围护，三排水泥搅拌桩相互搭接成格栅状，见图2。

图1 实际挖土示意图Fig.1 The actual digging

图2 水泥搅拌桩围护示意图Fig.2 Cement mixing pile retaining schematic diagram

1.4 计算分析塌方原因

1.4.1 一次性开挖到位计算分析

将挖土机和周边堆土的荷载近似取为20kN/m2，且假设填土面水平均匀，计算简图见图3。利用理正深基坑软件，输入各个土层的物理指标，电梯井围护是采用水泥土搅拌桩。按照经验，水泥土的平均重度为19kN/m3，抗拉强度与抗压强度之比为0.15，水泥土搅拌桩的直径为600mm，相邻两桩的搭接长度为150mm，具体尺寸见电梯井水泥搅拌桩围护方案，见图2。水泥土搅拌桩施工后的单轴无侧限抗压强度取1.0Mpa，地下水位为天然地面埋深0.6m。

图3 实际开挖计算简图Fig.3 The actual excavation calculation diagram

此工况记作工况1，其土压力分布图和内力图，见图4。

图4 土压力分布图和内力图Fig.4 Soil pressure distribution and the internal force

最大弯矩截面处离墙顶7.10m，由弯矩图可知，水泥土墙弯矩最大为458.94kN·m，那么弯矩设计值为:M=1.25×1.0×458.94=573.68kN·m.

具体计算结果见表2。

1.4.2 二次开挖时计算分析

很明显，在进行对电梯井这种深构件进行开挖的时候，一次性开挖到位是不合适的，如果当时的开挖方式是按照二次开挖施工方案，分析一下是否安全。

二次开挖示意图如图5所示。

图5 二次开挖示意图Fig.5 The secondary excavation scheme

此工况记作工况2，其土压力分布图和内力图，见图6。

图6 土压力分布图和内力图Fig.6 Soil pressure distribution and the internal force

由弯矩图可知，水泥土墙弯矩最大为111.21kN·m，且最大弯矩处距离墙顶4.77m，那么弯矩设计值为 1.25×1.0×111.21=139.01kN·m.

具体计算结果见表2。

1.4.3 对二次开挖施工方案的改进

对施工单位提供的二次开挖施工方案进行了理论分析，发现也不满足设计需求。仔细分析发现，在建筑基坑支护技术规程（JGJ 120-2012）中6.2.2条写道:重力式水泥土墙的宽度，对淤泥质土不宜小于0.7h，对淤泥不宜小于0.8h，h为基坑深度。而本次设计中，基坑深度为2.45m，故水泥土墙的宽度至少取0.8×2.45=1.96m，而原设计当中的水泥土墙宽度只有1.5m，不符合规范要求，所以很多指标都不能满足设计要求。

因此必须对原设计进行改进，现取水泥土墙宽度为2.4m，其嵌固深度为5.5m，水泥土搅拌桩的直径为900mm，搭接长度为150mm。并对改进后的方案进行计算分析。

此工况记作工况3，其土压力分布图和弯矩图，见图7。

图7 土压力分布图和内力图Fig.7 Soil pressure distribution and the internal force

由弯矩图可知，水泥土墙弯矩最大为181.57kN·m，且最大弯矩处距离墙顶6.36m，那么弯矩设计值为 1.25×1.0×181.57=226.96kN·m.

针对以上各种工况进行计算，具体计算结果见表2。

表2 三种工况下的计算分析Table.2 The Analysis of Three Calculating Conditions

2 处理措施

2.1 按照规范设计，合理安排基坑开挖施工方案

本次事故发生的主要原因，首先是没有按照正确的施工方案进行土方开挖，其次没有按照规范要求进行设计。设计的施工方案是绝对不能出错的，更何况为了开挖进度而不顾危险，将电梯井一次性挖到位从而酿成这起事故。一般来说，对于电梯井这类深构件，必须采用二次开挖。采用分层开挖，第一次开挖时，要大面积挖到基础底板的标高。挖到底板标高后，采用小挖机，对电梯井进行再次开挖。这样对基坑侧壁的土压力就不会很大，发生基坑塌方的危险性就会降低。

2.2 严格控制开挖时基坑顶部堆载

基坑顶部堆载会使支护结构受到的土压力增大，进而引起结构弯矩、剪力增大。对于电梯井这类开挖深度比较大的坑中坑，一定要严格控制坑顶的堆载。

（1）不要随意堆土

在土方开挖的过程中，会出现这样的状况:卸土车数量不足，挖土机在作业时，会把土堆在基坑顶部周围，随着开挖深度增大，坑边堆土越来越多，对基坑侧壁的土压力也大大加大，进而造成基坑塌方事故。

（2）优先采用小型挖土机

为了控制坑顶荷载，尽量放弃使用大挖土机，而采用小型挖土机进行开挖。

（3）合理安排装土车的位置

在挖土机挖土卸土的过程中，装土车的停放位置很重要，不同的装土位置，对基坑侧壁的土压力会有很大差异。一般来说装土位置大部分位于挖土机前方，或者是侧方。现场的挖土机类型为反铲型挖土机，其特点为后退向下，强制切土。按照其特点，要使挖土卸土效率最高，装土车尽可能停在后方，或者是侧面，如果是停在侧面的话，停的位置应尽可能离坑边远一点，这样对基坑侧壁的土压力会小一点，塌方危险性会降低。

2.3 改善水泥土搅拌桩

一般电梯井围护多为水泥土搅拌桩，而水泥土搅拌桩的抗拉强度很低，如果土压力很大，产生的弯曲拉应力超过抗拉极限时，水泥土搅拌桩就提前破坏而起不到挡土的作用。

为此，可以利用SMW工法，即先施工水泥土搅拌桩，在水泥土未凝固之前，将H型钢利用重力和机械振动插入。这样将水泥土和型钢的特点相结合，水泥土可以挡水，而型钢则是更好的挡土材料。在土压力作用下由型钢来抵抗拉应力，这样有效地解决了水泥土搅拌桩抗拉强度不足的问题,使设计更趋可靠合理。还可以插入钢筋或者是毛竹，插入的深度要大于基坑深度［4］。同时，在水泥土搅拌桩内侧采用被动区局部加强措施，提高支护结构抗倾覆、抗滑移的能力［5］。

3 结语

对电梯井等坑中坑的支护，必须要按照相关规范进行设计和施工。一般来说，对于此类深构件施工方案上采取的都是二次开挖。按照土压力的分布特性，随着基坑开挖深度越来越深，基坑侧壁的土压力越来越大，进而造成危险。本次事故的主要原因是没有按照正确的施工方案进行土方开挖，直接一次开挖，基坑太深，导致水泥土墙拉应力、抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性等都不满足规范要求。同时原支护方案也并未严格按照相关规范进行设计。

此类基坑塌方事故是可以采用一定的措施来避免的。首先要做的就是按照合理的施工方案进行施工；其次进行基坑围护设计时，严格按照规范进行设计，合理估计荷载大小；还可以通过控制坑顶的荷载、改善水泥土搅拌桩的性能及适当增大嵌固深度等措施来进行改良。

［1］汤捷，蔡涛，张威，等.武汉王家墩商务区基坑坑中坑设计治理措施［J］.城市勘测，2012（4）:161-163.

［2］JGJ120-2012，建筑基坑支护技术规程［S］.

［3］徐为民，屠毓敏.某工程坑中坑塌滑原因分析及加固设计［J］.岩土力学，2010，31（5）:1555-1558.

［4］吴顺，阳吉宝，陈志博，等.深基坑重力式围护墙的优化设计［J］.土工基础，2014（8）:1-4.

［5］张肖峰，傅文.格栅式水泥搅拌桩在软土基坑工程中的应用［J］.广州土木与建筑.2009（5）:28-30.