沈阳某深基坑支护工程事故原因分析

王晓初, 张天宇, 刘 晓

(沈阳大学 建筑工程学院, 辽宁 沈阳 110044)

随着国内经济的发展,土地需求量增加,对地下空间的开发利用越来越广泛.随之而来的是基坑深度的加深和安全要求的提高,使得基坑工程的设计和施工越来越复杂.本文使用理正计算软件对沈阳某深基坑支护工程进行计算,结合规范与实际工程经验找出并分析了事故原因,提出了在深基坑支护工程的注意事项.对基坑挖掘进行规划时,不仅要结合安全系数、基坑深度以及周边条件等现实情况,也应该对主体结构和基础类型等要素进行全面的考量.

按照《 建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497—2009)[1]有关要求:深基坑为挖掘深度高于5 m或虽没有高于5 m,但地质情况以及周围环境都较为复杂的基坑.最近几年,部分研究人员提出可基于稳定系数Ns进行界定,即符合Ns≥7要求的就是深基坑.

(1)

式中:γ为土的重度,kN·m-3;H为开挖深度,m;Cu为土的不固结、不排水抗剪强度,kPa.

深基坑支护的破坏形式分为2类[2-3].

(1) 结构破坏.当作用在结构上的应力超过组成结构材料的许用应力,或结构发生不适于继续服役的变形时,该结构即发生破坏.

(2) 土体破坏.包括基坑四周整体土的滑动造成的失稳或局部土体的滑动造成的失稳,基坑底部土体由于冻胀或失陷引起的隆起失稳,护坡桩锚固端土体由于水平承载力不足引起的失稳(倾覆、滑移等),锚索(杆)、土钉嵌固端失稳,雨水等各种水源所带来的渗透、塌落等.

(3) 基坑开挖引起的周围环境及建筑物破坏.深基坑开挖引起包括周边建筑物发生不均匀沉降造成结构开裂、路面沉降或开裂、周围地下管线开裂等.

1 工程案例分析

1.1 工程概况

该工程位于沈阳市和平区胜利南街东侧,长白二街西侧,南侧紧邻市政规划路,西侧与一地下室接壤,紧邻长白岛内河(见图1).工程重要等级为3级,场地复杂程度为2级,地基复杂程度为2级,岩土工程勘察等级为乙级,开挖深度为5 m,为深基坑支护工程.

该场地拟建12栋高端住宅别墅和1座商务会馆,项目基础形式为筏板基础,2层地下室为地下停车场,工期为18个月,基坑工程于年初施工,计划工期35天.

2014年3月某日,3-3剖面钢管桩施工,第1排锚索及腰梁预应力施工完毕,夜晚土方单位正常出土,凌晨4时许,3-3剖面钢管桩出现大面积倾覆,发生了安全事故.

1.2 地质与水文条件

(1) 地形、地貌.项目所在场地平坦,高程在36.50～41.39 m之间,地貌是经过浑河长时间的冲刷作用而出现的平原,属于浑河高漫滩区.

(2) 地层结构.根据实地勘察与室内试验分析,场地土质分层如下.

①-1耕土.呈黄褐色,构成成分包括黏性土以及植物根系等.稍湿,结构松散.该层分布场区大部,主要分布于18#～20#、27#、28#、41#钻孔,厚度0.50 m,层顶标高39.10～40.05 m.

①杂填土.湿度较小,表层较松散.该层分布不连续,在18#～20#、27#、28#、41#钻孔缺失,层厚0.50～8.50 m,层顶标高36.50～41.39 m.

②粉质黏土.黄褐色,可塑偏软状态,中高压缩性.存在铁质结核,切面稍微散发光泽,没有摇振反应,干强度、韧性中等.该层分布不连续,在场地东北角处缺失,层厚0.80～4.40 m,层顶标高35.84～39.55 m.

③-1细砂.黄褐色,颗粒较均匀,级配不佳,圆形颗粒为主,含黏性土约占15%,湿度较低,紧密度差.该层呈透镜体分布,层厚0.40～3.20 m,层顶标高34.69～37.50 m.

③中粗砂.黄褐色,级配不佳,该层分布不连续,杂填土较厚地段缺失,层厚处于0.40～3.00 m的范围内,层顶标高34.47～36.65 m.

④砾砂.黄褐色,级配不佳,该层分布基本连续,层厚0.60～5.00 m,层顶标高32.11～37.26 m.

⑤-1中粗砂.黄褐色,级配不佳,该层分布不连续,主要分布于场地中部,层厚1.10～2.40 m,层顶标高31.51～33.10 m.

⑤砾砂.黄褐色,颗粒均匀,级配不佳.该层分布不连续,层厚0.80～3.60 m,层顶标高31.21～32.80 m.

⑥砾砂.黄褐色,颗粒不均匀,级配不佳.局部含有圆砾及粉质黏土夹层,该层分布全区,本次勘探未穿透该层,最大揭露厚度为12.10 m,层顶标高30.12～31.25 m.

各土层物理力学性能指标见表1.

表1 土层物理力学参数Table 1 Physical and mechanics parameters of soil

注： ①-1耕土分布较少,故计算时不予考虑.

2 事故原因分析

2.1 基坑原设计方案

本基坑共3个剖面,原方案采用钢管桩加预应力锚索,桩间喷射细石混凝土的组合垂直支护,场地形状如图1所示.

图1 场地平面图Fig.1 Plan of site

1-1剖面在基坑南侧,护坡桩使用的是钢管桩,直径159 mm,壁厚6 mm,长度9 m,桩间距400 mm,桩顶位于-1 m处.此剖面设1排锚索,位于-2.5 m位置,长度13 m,锚索角度15°,水平间距1.6 m.桩间喷射C20细石混凝土,厚30 mm,内设电焊网.1-1剖面支护结构见图2.

图2桩锚支护结构(1-1剖面)Fig.2 Structure of pile anchor support(section 1-1)

2-2剖面在基坑北侧,护坡桩使用钢管桩,直径159 mm,壁厚6 mm,长度9 m,桩间距400 mm,桩顶位于地表处,此剖面由于距离长白内河较近,故设2排锚索,第1排锚索位于-2 m处,长度10 m,锚索角度15°;第2排锚索位于-3.5 m处,长度10 m,锚索角度15°,水平间距1.6 m.桩间喷射C20细石混凝土,厚30 mm,内设电焊网.2-2剖面支护结构见图3.

图3 桩锚支护结构(2-2剖面)Fig.3 Structure of pile anchor support(section 2-2)

3-3剖面在基坑东侧,该区域杂填土较厚,深度3.50～8.50 m,在建筑红线外有1排管道,管道直径2 m.此剖面护坡桩使用钢管桩,直径159 mm,壁厚6 mm,长度12 m,桩间距400 mm,桩顶位于地表处,锚索位于-1.5 m,即管道上表皮的位置,长度15 m,水平间距1.6 m,锚索角度15°.桩间喷射细石混凝土,厚度30 mm,内设电焊网.3-3剖面支护结构见图4.

2.2 调整方案

事故出现以后,通过重新计量规划,对锚索体系进行更改.决定采用2排锚索.第1排锚索位于管道上表皮-1.5 m的位置,长度23 m,锚索角度15°,第2排锚索位于下表皮-3.5 m的位置,长度18 m,锚索角度15°,水平间距1.2 m,桩间喷射混凝土参数不变.其支护结构见图5.

图4 桩锚支护结构(3-3剖面原设计)Fig.4 Structure of pile anchor support (initial design of section 3-3)

图5 桩锚支护结构(3-3剖面更改后)Fig.5 Structure of pile anchor support (after the alteration of section 3-3)

2.3 基坑支护结构稳定性分析

采用理正深基坑支护F-SPW 7.0版软件进行基坑支护结构稳定性计算,整体稳定计算方法采用瑞典条分法,土条宽度取1.00 m,稳定计算应力采用有效应力法,刚度折减系数K取0.850,内力计算方法采用增量法,支护结构安全等级为2级,支护结构重要性系数取1.0,支护结构采用无冠梁无防水帷幕方式,工况信息如表2所示.

图6与图7分别为事故前地勘报告中给出的参数值和事故后实际测得的参数值,当开挖深度为1.5 m时,原设计桩顶位移微小,符合位移要求,如图6所示.而实际桩顶位移为15.51 mm,有较明显位移,如图7所示.

表2 工况信息Table 2 Work condition information

当第1道锚索施工时,原设计桩顶出现向主动土压力区的位移,说明锚索进入服役状态,可以较好地抵抗侧向土压力,如图8所示.事实上在第1排锚索服役时无法充分抵抗被动土压力区的土压力,桩顶位移微小,如图9所示.

图6 工况1内力图(事故前)Fig.6 Internal force diagram forwork condition 1 (before the accident)

图7 工况1内力图(事故后)Fig.7 Internal force diagram forwork condition 1 (after the accident)

图8 工况2内力图(事故前)Fig.8 Internal force diagram forwork condition (before the accident)

图9 工况2内力图(事故后)Fig.9 Internal force diagram for work condition 2 (after the accident)

当基坑开挖至基坑底部时,原设计中桩身各截面内力值均属正常范围,如图10所示.实际中桩身中部不能抵抗侧向土压力,位移大,发生向基坑内侧倾覆现象,如图11所示.

图10 工况3内力图(事故前)Fig.10 Internal force diagram for work condition 3 (before the accident)

图11 工况3内力图(事故后)Fig.11 Internal force diagram for work condition 3 (after the accident)

在原设计包络图(图12)中显示,桩身各截面内力均属于正常安全范围,符合规范要求.在图13所示的实际结构包络图中,桩身各截面内力变动明显,并不满足规范[1,4-6]规定的要求.

图12 包络图(事故前)Fig.12 Envelope diagram(before the accident)

原设计中嵌固段基坑内侧土反力验算如下.

工况1:

Ps=139.872≤Ep=552.837,土反力满足要求.

工况2:

Ps=133.022≤Ep=552.837,土反力满足要求.

工况3:

Ps=69.016≤Ep=200.443,土反力满足要求.

实际结构中嵌固段基坑内侧土反力验算如下.

图13 包络图(事故后)Fig.13 Envelope diagram(after the accident)

工况1:

Ps=187.892>Ep=156.402,土反力不满足要求.

工况2:

Ps=174.224>Ep=156.402,土反力不满足要求.

工况3:

Ps=161.500>Ep=98.246,土反力不满足要求.

以上各式中:Ps为作用在挡土构件嵌固段上的基坑内侧土反力合力,kN;Ep为作用在挡土构件嵌固段上的被动土压力合力,kN.

通过分析可知,各工况内力图信息反馈和重新实验测得的数据计算结果均不满足要求,桩顶的位移大于安全范围,各个工况挡土构件所抵抗的内侧土反力合力也均没有超过实际土压力,原因是设计阶段就没有充分考虑安全问题,为此次事故埋下了隐患.

2.4 施工原因分析

(1) 由于建筑红线外有1排管道与支护桩平行,锚索施工时为避免碰到管道,在施工时把锚索入射角度调小,同时由于2次补浆不充足,锚索锚固段存浆量低,预应力施工时未能达到设计值,所以导致整体结构没达到规范要求[1,4].

(2) 当天晚上土方单位开挖,在未告知业主单位、总包单位以及基坑支护单位的情况下,擅自对该剖面超挖探砂,以至于在支护结构没有完全建立,并且服役的情况下发生结构破坏.

通过测算可知,支护桩的桩底埋置越浅,结构出现事故的概率越高,使用理正深基坑支护F-SPW 7.0版软件计算,采用原地勘报告给出的参数开挖到-8 m位置时,截面的内力如图14所示.

图14 工况3内力图(超挖)Fig.14 Internal force diagram for work condition 3 (over excavation)

总结分析计算所得的结果和工况3时的内力图(图14)可知,在原设计下超挖导致桩底埋置深度降低也是导致事故发生的原因之一.所以在原设计参数(土体的内摩擦角和黏聚力)选取值均低于实际值的情况下,极大地增加了事故发生的可能性.

3 结 语

(1) 土层黏聚力和内摩擦角的降低会直接影响支护结构的安全性,第1排锚索在支护结构中承担较大反力,故设计时应仔细计算.

(2) 由此基坑支护工程出现的问题来说,有关责任主体缺少岩土领域知识,经验不足,规划存在缺陷.深基坑工程存在非常大的风险,事故具有一定的突发性.所以从业人员应该拥有较高的业务素质,较全面的专业知识和较高的风险意识.

(3) 施工过程中,有关单位和部门应该及时沟通,严格按照图纸要求进行施工,严禁为追求速度而冒险,严禁超挖现象.施工企业应该对现场管理进行强化,提高施工质量.

(4) 基坑设计单位应向基坑施工单位及时了解现场情况,在设计时考虑尽量减少施工难度.设计单位与施工单位应该适时进行交流,恰当应对突发事件,保证基坑施工的安全,防范事故的出现.

(5) 业主单位应对基坑工程加以重视,虽然基坑支护是一个临时结构,但它的风险很高,一旦出现事故,经济损失和社会影响巨大.