某沿海城市地道桥基坑工程事故分析与处理

战亚男 杨 新 杨慧林

(1.天津建源工程设计咨询有限公司，天津 300074；2.北京中铁天瑞机械设备有限公司，北京 100040；3.中交铁道设计研究总院有限公司，北京 100088)

近年来，随着国内基础设施的持续建设，海相沉积软土区域的基坑工程事故发生较多。业内对不同区域的海相软土特征进行了许多研究[1-3]，并就该类型地层中发生的基坑事故处理进行了分析与总结[4-5]。沿海区域原始地貌情况复杂，地层层序不稳定，软黏土抗剪强度指标具离散性，参数若选择不合理，可能影响工程的风险评价[6]。基坑降水导致邻近基础水位下降、水体浮托力减小及地基土的荷载增加，从而造成建筑物的下沉[7]。同时，邻近基坑的建筑物会产生地面超载，对基坑变形也有不利影响[8]。当二者相互作用时，易造成基坑变形超标或坍方，并伴随建筑物不均匀沉降，从而导致其使用功能的下降或破坏[9]。

发生上述情况后，必须及时对基坑、建筑物进行有针对性的工程处置[10]，多采用提高基坑围护结构强度的措施保证基坑安全[11]。另一方面，采用系统的控制性排水措施也能起到稳定地层并控制建筑物差异沉降的作用[12]。

以下以某沿海城市地道桥基坑工程事故为例，分析其事故原因并给出事故处理措施，可为类似工程提供参考借鉴。

1 工程概况及事故概述

1.1 工程背景及目标

该工程实例为某沿海城市热电厂建设配套工程，拟在该市港务局所辖铁路专用线下修筑顶进式7.6 m单孔地道桥一座(线下南北向长度31.8 m)。地道桥预制及顶进作业位于铁路专用线(共3股)的南侧，基坑深约6.0 m，基坑西北为港务局铁路专用线调度指挥楼。基坑南侧采用钢板桩防护，并设置顶进后背梁作为顶进承载结构，其余三面均采用放坡开挖(各方向坡面的放坡率分别为：东面1∶1、北面1∶1.5、西面1∶0.3)，基坑北侧距离最近的铁路股道约7.0 m；基坑西侧距离调度指挥楼外墙约10.5 m。工程总平面见图1。

为排降地下水，共设计降水井12眼，分别位于基坑周边。其中，基坑东侧4眼，基坑西侧与调度楼之间4眼，基坑南侧1眼，基坑北侧3眼(见图1)。

图1 工程总平面

港务局铁路专用线调度指挥楼由主、副楼组成(主楼四层、副楼两层)，主、副楼采用分块筏板基础，地上结构之间设置沉降缝。

1.2 地质资料

该工程区域内场地条件平整，为典型的沿海滩涂地貌，铁路路基与自然地面基本持平。地层自上而下为：素填土(厚约0.7 m)、粉土(厚约5.5 m)、粗砂(下卧层，未贯穿)，地下潜水位于地面以下1.0 m。地层分布见图2。

图2 基坑与建筑物剖面关系

1.3 事故早期处置

该工程于当年10月5日进场施工，分别于10月24日、11月5日对基坑西侧和东侧的两排降水井实施降水作业。10月20日开始对基坑土方进行开挖。

11月1日，基坑西北角出现小坍方，施工单位采用坑内填土压重方式封闭坍方面。

11月2日至4日，为防止坍方进一步扩展，在基坑西侧边坡打入5根密排的I56工字钢，经过试挖，止坍效果并不明显。

11月8日，采用预应力全长锚固型水泥锚索作为密排工字钢的外拉受力体系，引孔作业后实施了灌浆作业。

11月10日，基坑西侧铁路调度楼主、副楼之间的沉降缝突然扩展，呈现下窄上宽的形态，上部最大张开量为39 mm。

11月11日晨，沉降缝进一步张开，上部最大张开量为52 mm，随即停止了基坑内的作业及降水作业，对基坑周边的不利堆载予以清除。

至此，基坑施工全面停止，进入抢险状态。

1.4 抢险思路

(1)从设计角度分析事故发生的原因，以便对事故进行正确的技术响应。

(2)从施工角度，应对基坑周边土体进行有效加固，以保证后续施工。

(3)从保证环境安全的角度，需要采取有效措施控制铁路调度楼的进一步沉降及倾斜，保证结构安全及使用功能。

2 基坑事故分析与建筑物安全评价

2.1 基坑致险因素分析

在确定系统性的基坑整治及建筑控沉方案前，应详尽分析基坑病害产生的原因。依据现场实际情况，认为造成工程事故的原因主要有以下几个。

(1)地质条件与地勘资料存在较大差异

原地质资料显示基坑所在地层为粉土，下卧层为粗砂，而实际揭露地层为淤泥质软土，且范围较大。经核实，设计采用的地质资料为邻近道路的勘察孔资料，距离本工程基坑约80 m。因此，基坑西边坡采用1∶0.3的坡率及网喷支护的措施不能保证安全。

(2)施工前未开展详尽的工程环境及邻近建筑物调查

①调度楼所在场地地基条件差，基础施工中发现地基为淤泥质软土，但这一重要信息未引起施工方足够重视。

②该场地周边的地层曾因铁路、市政管线、道路施工在不同时期多次被开挖扰动，基坑区域内的土层已非原状土层。

③在基坑开挖过程中，暴露出一根φ60的给水管，另有一废弃的污水井及与其接驳的管线，施工中都有水持续涌出，其对地层土体的破坏作用不容忽视。

(3)不当的施工组织

①地下水未充分降排即开挖基坑土体，基坑边坡溜坍严重。

②采用震动打桩机在基坑内西侧边坡打设工字钢桩，导致淤泥质地层在富水条件下强度降低，加速了邻近地层变形。

③在锚索孔灌浆中，存在浆体外渗，而锚索孔已邻近铁路调度楼基础，进一步恶化了建筑物的地基条件。

(4)施工降水引起建筑物差异沉降

调度楼东侧采用降水井持续降水(西侧未降水)。淤泥质软土地层具有较高的压缩性，在水力梯度差异较大的情况下，造成建筑物东、西两侧固结沉降的差异。

为了解因降水造成的地层差异沉降，按照相关经验公式[13]进行计算

(1)

式中s——计算点的总沉降量/mm；

Ψi——沉降经验修正系数；

Δpi——计算点因水位变化施加于第i层土的平均附加应力/kPa；

Δhi——计算点第i层土的厚度/m；

Esi——第i层土的压缩模量/kPa；取土的自重应力至自重应力与附加应力之和压力段的压缩模量值。

经检算，在建筑物东、西两侧因降水引起的地层差异沉降量达89 mm，这是发生建筑物倾斜及开裂的重要原因。

此外，也不能排除调度楼在基坑施工前有早期的不均匀沉降和先期倾斜的可能，这使结构对地层的变化更为敏感。

2.2 建筑结构安全性评价

在进行现场抢险时，通过对调度楼的实地踏勘，依据结构特点及相关经验[14-15]，先行对建筑物的安全状态进行了评价。开展的主要工作及考察重点如下：

①全面掌握建筑物的竣工图纸，了解建筑物的结构特点。经资料收集，了解到主、副楼结构采用分块的筏板基础，地上结构之间设置有沉降缝。

②依据建筑物外立面不同部位的建筑装修材料剥离状况及裂缝宽度分析，结合地面散水处的裂缝走向及宽度判断，建筑物发生了以东西向为主的差异沉降。

③沉降缝所分割的两侧建筑物内部、外部墙体均未发现裂缝。

④变形比较敏感的短梁、过梁等部位未发现裂缝，装饰剥露等情况。

⑤可能发生应力集中现象的沟、槽、孔、洞等开口部位未发现裂缝。

⑥变形敏感的水平方向管道未发现明显的变形、扭曲现象。

依据裂缝形态及监测数据判断，主、副楼发生了整体的下沉及倾斜，由于主楼距离基坑较近且上部荷载较大，其倾斜值大于副楼，导致建筑物于沉降缝处脱开，且沉降缝上部张开较大。

目前，主、副楼结构尚处于结构安全状态，本阶段尚不必对上部结构进行加固和补强，仅需采取系统的处置措施，避免调度楼进一步倾斜(必要时纠偏)，即可保证结构安全及使用功能。

3 事故处置方案与实施

3.1 基坑支护

为截断可能存在的滑裂面，并在下阶段基坑施工中防止坡面溜坍。采用“密排工字钢-网喷混凝土复合支护体系”作为基坑西侧的防护，全长设置，其参数如下。

(1)打入40工字钢作为主要的悬臂围护骨架，L=9.0 m，间距为0.50 m。要求贯入基坑开挖面以下不小于4.5 m，保证进入粗砂层(通过进尺的难易程度、锤击数量判断)。工字钢桩沿基坑纵向保持顺直，为减少对地层的扰动应适当“跳做”。

(2)工字钢桩顶设置钢筋混凝土冠梁，以保证桩体的共同工作。断面尺寸为1.0 m×1.0 m，为尽早形成强度，可掺入早强剂。

(3)工字钢采用φ22钢筋焊接，竖向间距0.75 m，桩间采用网喷支护，钢筋网片规格为200 mm×200 mm，混凝土标号为C20。应做到随挖、随焊、随喷，在基坑纵向形成作业面；施工中注意土体开挖和基坑支护的“时间-空间”效应；还应防止流塑态土体通过桩间进入基坑。

(4)为减少对土层的扰动，原来打设的5根工字钢不再拔出。为减少其对新打入桩体的影响，可对地面以上部分进行割除。

(5)上述工程措施实施后不再拆除，保留在地层中，基坑加固剖面如图3所示。

图3 基坑加固剖面(单位：m)

3.2 调整后的降水方案

建筑物地基的变形与基坑开挖、降水关系密切，可利用淤泥质地层高压缩性的特点，通过减缓降水后的水力梯度实现西侧的地层固结，减小地基的差异沉降，进而改善建筑物基础的差异沉降，甚至实现纠偏。

在调度楼的周边增加5眼降水井，分别布置在调度楼的西侧(3眼)、南侧(1眼)、北侧(1眼)；在西侧增加水位观察孔(1眼)，早期基坑西侧和调度楼之间的1口降水井作为水位观察孔使用，不再降水。降水井平面布置见图4。

降水井的深度与原设计保持一致(至基坑基底以下5.0 m)，井底深入粗砂层，保证降水中调度楼范围内的水位平稳下降。依据观察孔的测量水位和建筑物的布点测量资料判断地下水位的状态，及时调整各降水井的降水量，保证结构安全。

降水时，新设孔应略早于早期设置的降水孔先行降水，以适当调整地层固结状态。抽出的地下水应引排到附近沟河，防止回流到地层中。降水依据基坑基底开挖面的高度逐渐向下进行，防止地层水位的骤降。

图4 降水井及建筑监测平面

4 监控量测及效果评价

4.1 监测项目

(1)调度楼的沉降及倾斜测点布置于调度楼的主、副楼角点处，位置见图4。

(2)铁路线路沉降及水平位移测点布设于轨枕上。

(3)地层水位高程，可通过水位观测孔测得。

(4)新增复合支护体系的沉降、水平位移测点布设于密排工字钢-网喷混凝土复合支护体系的桩顶冠梁。

(5)在基坑与调度楼之间进行土体测斜，及时了解该土体的水平位移情况。

4.2 工程措施效果评价

在实施上述工程措施后，对建筑物实施了1个多月的持续监测，依据建筑物的变形情况及时调整坑内作业，并调整降水井的降深和抽排流量，创造了基坑内继续作业的条件。施工期间基坑边坡(尤其是基坑西边坡)稳定，建筑物安全。

表1为基坑抢险施工期间建筑物主要特征沉降点的沉降数值记录。

表1 建筑物测点累计沉降记录 mm

说明：正值为上升，负值为下沉。

表1反映出如下信息：

(1)采用西侧先行降水、后期西侧加强降水的措施，有效地控制了建筑物差异沉降的进一步发展，截止到工程完成，西侧较东侧沉降多3.4 mm，实现了小幅度纠偏。

(2)基坑继续开挖期间，主楼、副楼之间未发生较大的差异沉降(最大仅1.0 mm)，工程后期，张开的沉降缝变窄，结构趋于安全。

(3)建筑物南北向未发生显著差异沉降，结构安全。

5 结束语

(1)应重视地质勘察工作，尤其需杜绝采用邻近工程地质资料的不当行为。

(2)设计、施工单位均需对工程环境开展必要的调查，重视工程所在环境的历史变化，从邻近工程推断工程的不利条件。

(3)工程出险后施工单位采用了抢工的办法，希望尽快完成基坑土方作业，心存侥幸，导致工程事故发生，这是地下工程的大忌。

(4)工程出险后采用的限制地层变形、隔断土体滑裂面、针对性降水并实施监测的系统措施是有效的，其制定的抢险原则值得类似工程参考。

(5)抢险后期充分利用了淤泥质地层压缩性大的特点，采用超排地下水、固结建筑物基础下目标地层等措施，在一定程度上实现了建筑物纠偏，并提高了建筑物后期的结构安全性。

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