基坑工程事故原因分析与控制

张利生

【摘 要】本文分析了基坑工程质量事故的主要原因，提出了基坑工程勘察、设计、施工、监测的关键控制点。

【关键词】基坑工程；质量事故；原因分析；关键控制点

【中图分类号】TU94+1 TV551.4+2

【文献标识码】A

【Abstract】This paper analyzes the main causes of the excavation engineering quality accident， and puts forward the key control points of the excavation engineering survey， design， construction， monitoring.

【Key words】Excavation engineering；Quality accident；Cause analysis；Key control point.

1. 前言

（1）20世纪以来，随着城市化进程的迅速发展，以城市人口爆炸、居住空间狭窄和城市绿地减少为特征的“城市综合症”正在中国城市，特别是大城市中逐渐形成。

（2）为了世界各国可持续发展决策的制定，1992年6月联合国环境与发展大会通过了《21世纪议程》，提出了以可持续发展模式作为未来的共同发展战略。在建设可持续发展城市的过程中，为了充分利用有限的土地资源，城市地下空间的开发利用起了非常重要的作用，并随着高层建筑的迅速崛起而得到了长足的发展，由此而产生了大量深基坑工程，且规模越来越大。从80年代初开始，我国逐渐涉入深基坑设计与施工领域，在深圳地区的第一个深基坑支护工程率先应用了信息化施工法，大大节省了工程造价[1]。进入90年代后，为了总结我国深基坑支护设计与施工经验，开始着手编制深基坑支护设计与施工的有关法规。目前，基坑工程已成为我国城市岩土工程的主要内容之一。

2. 基坑工程特点

基坑工程具有许多特点，概括起来有以下几点：

（1）与场地自然地质及环境条件密切相关。

基坑工程一般情况下作为临时工程，安全储备可以相对小些，但它与场地岩土工程条件、环境地质条件息息相关，不同区域有着各自不同的特点，设计施工时必须全面考虑水文、气象、工程地质、环境地质条件及其在施工中的变化，充分了解工程场地所处的地质环境与基坑开挖的关系及相互影响。基坑工程常处于密集的既有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程的附近，其技术复杂性远甚于永久性的基础结构或上部结构，稍有不慎，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施，造成巨大损失。

（2）与主体结构地下室的施工密切相关。

基坑支护开挖所提供的空间主要是为主体结构的地下室施工所用，因此任何基坑设计在满足基坑安全及周围环境保护的前提下，要合理地满足施工的易操作性和工程工期的要求。

（3）技术综合性强。

由于场地水文地质、工程地质条件复杂、岩土性质变化多端不均匀，致使勘察数据离散性大、精度低，给基坑工程的设计与施工带来了很大的难度。而基坑工程包含着挡土、支护、降水、挖土等许多紧密联系的环节，任何一个环节的失效都将导致整个工程的失败。

因此，从事基坑工程的技术人员需要具有综合运用岩土工程的知识及经验、建筑结构及力学知识、施工条件及经验等各方面的知识。

（4）基坑工程技术挑战性强。

基坑工程是岩土工程、结构工程以及施工技术互相交叉的学科，是多种复杂因素交互影响的系统工程，是理论上有待于发展的综合性技术学科。由于其技术复杂、涉及面广、不确定因素多，在建筑工程中最具有技术挑战性，同时也是降低工程造价，确保工程质量的研究重点。

（5）基坑工程失败损失大。

随着旧城改造的推进，各城市的高层、超高层建筑主要集中在建筑密度大、人口密集、交通拥挤的狭小场地中，邻近常有必须永久保护的建筑和市政公用设施。基坑工程一旦失稳，后果不堪设想。

3. 工程事故原因分析

在基坑工程施工中，人们千方百计地控制工程变形，维护工程稳定，降低工程成本，取得了显著的成效，但基坑工程失稳事件也时有发生。产生工程事故的原因很多，有管理体制问题，有工程质量问题，有优化决策问题，也有勘察、设计、施工、监理等其它方面的问题。笔者总结大量工程实例认为，以下几点是发生基坑工程事故的主要原因，也是确保基坑工程有效的关键控制点：

3.1 有效地治理水害是基坑工程成功的关键。

3.1.1 水是基坑工程的天敌，大部分基坑工程事故与水有关。据统计，基坑工程事故中70%以上是水害直接或间接造成的[2]。

3.1.2 地下管道的泄漏、地下水的滲透破坏、大气降水等都可能诱发灾难性事故的发生。正确认识各种土体的渗透规律，优化设计防水、降水、排水方案，并确保其效果是基坑工程成功的关键。

3.1.3 水害造成的基坑工程事故主要有以下几种情况：

（1）软土或高水位地区的基坑未作止水帷幕。

基坑开挖时，由于基坑内降水造成基坑内外侧水头差，致使地下水携带着土颗粒从支护结构之间流入基坑，造成基坑周围地基土流失、地面开裂、下沉、邻近建筑物向基坑方向倾斜。

（2）基坑底形成承压水头时，未对基坑底面加固。

当基坑底隔水层厚度较小，或承压水头较大时，基坑的开挖破坏了原来的水压力平衡，使得地下水向上的渗透力大于基坑底土体的浮重力，造成基坑隆起、管涌或流砂。

（3）基坑降水造成周围建筑物不均匀沉降。

基坑工程降排水，一方面减小了地下水对地上建筑物的浮托力，致使土层受压缩而沉降；另一方面孔隙水甚至是细小土颗粒从地下排出，造成土体固结变形，引起地面沉降。降排地下水形成的降落漏斗的曲面展布，必然引起周围建筑物的不均匀沉降，严重时就会造成裂缝、倾斜，甚至倒塌。

3.1.4 另外，暴雨及管道渗漏对基坑工程的安全也会造成很大的威胁。

然而，在基坑工程设计时，设计人员往往不熟悉地下水的埋藏、补给、径流及排泄条件，不了解基坑开挖前后水文地质条件的变化，不懂得地下水渗流运动原理，甚至混淆水文地质基本概念，以致于对水害认识不足，重视不够，造成基坑工程事故。

3.2 合理选择岩土参数是正确设计的根本。

3.2.1 破坏模式以及岩土计算参数的合理化选择，在基坑支护设计中有着至关重要的作用。如果破坏模式或岩土参数不能代表实际地质情况，基坑支护设计无疑是徒劳的。

3.2.2 在基坑土水压力计算中，（1）经典土压力理论用于饱和软土地基的基坑计算比较符合实际，而用于非饱和土则计算结果显得过分保守[2]，造成经济上的浪费。（2）从土的有效应力理论出发，水土分算法的理论根据比较充分，但准确提供计算用岩土参数 与 难度较大；水土合算法理论上存在着较大的缺陷，然而在实际工作中却仍被广泛应用之。一般而言，为使计算结果接近实际情况均需要进行一定的经验修正，这个经验系数的确定带有较大的人为因素。（3）确定岩土参数的试验方法不同，数值往往相差很大。一般来说，在基坑周边降水条件下进行基坑稳定计算，可以采用总应力法，其土体强度指标可由直剪试验取得，但应根据实际情况分别选择不排水剪、固结不排水剪和排水剪试验的土体强度指标；在基坑周边防渗条件下，基坑的稳定性分析宜采用有效应力法，以充分考虑土压力和水压力的作用，这时土体强度指标应由三轴固结试验取得。总之，试验方法原则上应尽量与现场实际受力情况及排水条件一致，并与土压力计算方法相配套。

3.3 重视岩土工程勘察工作，是基坑工程成功的必要条件。

（1）个别岩土工程师对场地的特殊性掉以轻心，主观认为随便打几个钻孔即可进行基坑工程施工。对复杂区段、复杂地层缺乏认真分析的态度，对钻探过程中出现的“异常”现象不能正确地对待，在未查明场地岩土工程条件的情况下，凭借“经验”人为地将场地内不同的岩土层混为一谈，给工程之安全留下了事故隐患。

（2）勘察单位忽视专门水文地质勘察工作，以常规勘察对待基坑工程勘察。对基坑水文地质条件缺乏必要的评价与研究，或评价失误，造成设计人员轻视地下水的作用，造成工程事故。

（3）《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012[3]3.2.1条对基坑工程的岩土工程勘察提出了要求：勘探点范围应根据基坑开挖深度及场地的岩土工程条件确定；基坑外宜布置勘探点，其范围不宜小于基坑深度的1倍；当需要采用锚杆时，基坑外勘探点的范围不宜小于基坑深度的2倍；当基坑外无法布置勘探点时，应通过调查取得相关勘察资料并结合场地内的勘察资料进行综合分析。……

然而，在实际工作中，建设单位为了节省投资，极力干预勘察单位的正常工作，致使勘察工作无法按照规范要求在基坑开挖边界外开展。勘察资料的不准确性，必将造成基坑工程设计的不可靠性。

3.4 科学优化设计方案在基坑工程中起着重要的作用。

基坑工程方案的选择，应综合考虑基坑开挖深度、岩土物理力学性质、水文地质条件、周围环境、边坡变形要求、施工设备能力、工期、造价以及支护结构受力特征等多种因素，在充分研究对比技术的先进可靠性、施工的可行性、经济效益、对环境的影响以及作业工期的基础上进行优化决策，不能凭个人经验随意确定，必要时应请有关专家进行技术论证。建设单位也不能对设计单位、施工单位无限度地压低价款、压缩工期，造成资金紧张、时间仓促，遗留问题。

3.5 实施动态信息化施工，及时修改、完善设计方案。

（1）目前，基坑工程设计的理论基础尚不甚成熟，如：采用极限平衡的条分法对粘性土坡的稳定性分析时，假定破裂（滑动）面为直线或圆弧，以及每一土条的下滑力均平行于该土条底面（即滑面），都是不符合实际情况的；基坑工程的时空效应虽然已经引起岩土工程界普遍的关注，但在基坑设计和施工中如何运用还有待于进一步完善与发展；基坑工程的变形控制不仅是时空效应的一个重要内容，也是基坑工程中引人关注的焦点问题，但目前尚无完善的理论方法进行预测。总之，依据理论公式计算的结果难免存在与实际工程不相吻合的情况。另一方面讲，基坑工程设计需以开挖施工时的诸多技术参数为依据，但开挖施工过程中往往会引起支护结构内力和位移以及基坑内外土体变形发生种种意外变化，传统的设计方法难以事先设定或事后处理。

（2）为避免基坑工程事故发生，应进行现场环境监测，实施动态信息化施工，通过对经监测获得的大量数据进行综合整理，分析其变化规律，判定基坑工程的质量状态，并及时向主管部门和设计人员进行信息反馈，以便指导正确施工与设计修改，达到控制基坑变形失稳的目的，同时监控也是检验设计正确性、合理性、科学性及发展基坑工程理论的重要措施；对于环境效应问题，应力求达到岩土工程师、结构工程师、施工工程师，甚至是建设单位的共识与重视，做到未雨绸缪，防患于未然。

3.6 科学有效地组织与管理土方开挖施工。

研究发现，在软土深基坑中精心安排开挖施工分层、分区、分块的部位和充分考虑时空效应及相应支撑设置的时限要求，以有效地控制基坑已开挖部分的无支撑暴露时间和减少土体被扰动的时间与范围，将可以利用尚未被挖及的土体尚能在一定程度上控制其自身位移的潜力，而达到使其协肋控制支护体位移和坑周土体位移的目的。换言之，在基坑开挖施工（包括支撑设置过程）同支护结构及坑周土体位移之间，存在着一定的相关性。因此，科学地安排土方开挖施工顺序和控制施工进度，将有助于控制支护体和坑周土体的位移。

3.7 加强和重视质量检测与验收工作，是基坑工程成功的重要保证。

这是为了掌握支护结构和基坑内外土体移动，随时调整施工参数，优化设计，或采取相应措施，以确保施工安全，顺利进行。施工监测的作用还在于检验设計的正确性，并有利于积累资料，为今后改进设计理论和施工技术提供依据。目前，工程建设市场管理比较混乱，压价竞争现象严重，这势必造成“偷工减料”现象发生，个别施工单位置国家规范、标准于不顾，为了赢利，降低质量要求，放松质量检测与监督，这是值得我们总结的一个方面。今后应加强工程质量的监理与检测工作，重视每一个环节的质量监督，做好过程质量控制，加强工程竣工验收工作，使基坑工程质量事故消灭于萌芽之中。

4. 结语

（1）基坑工程是一个综合性、实践性很强的岩土工程问题，它不仅涉及到土力学中强度、变形与稳定问题，而且还包含了围护结构与土的共同作用问题。基坑工程的稳定性、支护结构的内力和变形以及基坑开挖对周围建筑物和地下管线的影响及保护等，目前均还不能准确地定量分析计算。

（2）在实际工作中，每一个基坑工程都有着各自的特点，每一个成功的基坑工程都具有较高的技术含量。因此，对基坑工程而言，应当提倡精心勘察、精心设计、精心施工、精心监理、精心总结，加强基坑工程的科研工作，促进技术进步。

参考文献

[1] 黄运飞.《深基坑工程实用技术》[M]. 北京：兵器工业出版社，1996.P1.

[2] 唐业清，李启民，崔江余.《基坑工程事故分析与处理》[M].北京：中国建筑工业出版社，1999.P13、P237.

[3] JGJ120-2012.《建筑基坑支护技术规程》[S]. 北京： 中国建筑工业出版社，2012.