某地铁基坑工程失稳案例分析

唐凌璐，胡耀明，唐传政，邹伟彪，魏林

(1.武汉地震工程研究院有限公司，湖北 武汉 430071； 2.湖北震泰建设工程质量检测有限责任公司，湖北 武汉 430071；3.中南勘察设计院集团有限公司，湖北 武汉 430074； 4.武汉市市政工程质量监督站，湖北 武汉 430015；5.中国水利水电第八工程局有限公司，湖南 长沙 410004)

1 引 言

近年来，高层建筑、轨道交通、地下空间工程开发规模日益扩大，相应的深基坑工程数量随之增加，施工难度也越来越大。受深基坑工程建设环境和施工管理的独特性等不确定因素影响，深基坑工程势必存在较大的安全事故风险。已有文献显示[1]：深基坑工程事故的最大风险源是设计失误和施工质量问题。事故一旦发生将产生严重的损失，带来不良的社会影响。因此最大程度减少深基坑施工过程中的安全事故及造成的损失，是急需解决的课题[2]。

杨阳[3]分析了深基坑施工失稳破坏的几种形式和失稳破坏的影响因素，认为深基坑的稳定性受内摩擦角和土体的黏聚力影响较大。薛丽影等[4]介绍了深基坑工程的特点和破坏形式，探讨了深基坑事故发生的内在因素。针对北京某地铁基坑事故，分析了设计、施工、监测等各方存在的问题。

卫彬等[5]以上海某地铁车站深基坑工程为例，明确施工中的难点并给出相应的应对措施，并且在施工期间对车站基坑的南端头井、标准段、北端头井及周边环境进行了较全面的基坑监测。

本文以地铁某深基坑失稳事故为例，分析在基坑施工过程中，各个环节、各个方面会产生的影响，同时通过原因分析，提出加固方案，指导施工。

2 工程概况

某地铁车辆段出入段线从车辆段站接出，以 250 m的小半径绕出地面，线间距 5 m，最大纵坡28‰。区间设计里程桩号R8DK0+083.355～R8DK1+136，出入段线长 1 052.645m，区间结构包括区间主体部分和附属结构。

区间采用明挖法施工，采用SMW工法桩+内支撑系统和局部放坡开挖的围护型式支护，Φ850 mm@600 mm。基坑标准宽度为 11.3 m，最大宽度为 15.87 m，最大开挖深度为 12.04 m，区间对应里程桩号为R8DK0+83.355～R8DK0+930 m，基坑开挖面积约为 10 203 m2。

某车辆段出入段线R8DK0+83.355～R8DK0+186段采用3道支撑，第1道为钢筋混凝土支撑，间距 8 m；第2、3道为钢支撑Φ609(t=16 mm)，间距 4 m。R8DK0+186～R8DK0+930段采用2道支撑，第1道为钢筋混凝土支撑，间距 5 m～8 m，第2道为钢支撑Φ609(t=16 mm)，间距 2.5 m～4 m。基坑平面布置图、基坑剖平面分别如图1、图2所示。

图1 基坑平面布置图

图2 基坑剖平面

2017年3月某日凌晨1：40，施工员现场巡查到DK0+730里程时，听见基坑有异响，走近时发现冠梁及第一道混凝土支撑出现裂纹，且裂纹持续在发展。随即围护结构失稳，冠梁及混凝土支撑已变形拉裂，围护结构出段线侧周边地面已滑移沉降，K0+718位置已开挖面与未开挖面冠梁断开，坑内基底隆起，第二道钢支撑脱落将挖掘设备砸坏。施工单位立即组织人员对基坑进行回填，监测单位加大监测范围及频率，观测变形速率及趋势，基坑失稳图如图3所示。

图3 基坑失稳图

3 事故原因分析

3.1 勘察设计原因

该区域原始地貌多为鱼塘、藕塘、排水沟，存在较厚的淤泥质黏土层，但在初步设计招标至施工图设计阶段均未考虑鱼塘清淤，也未对深厚淤泥层进行加固处理。

据勘察资料显示，详细勘察阶段的钻孔间距偏大，因前期地勘过程中为鱼塘，实际地勘钻孔平面位置及间距大于规范要求(规范要求不大于 50 m，实际达到 80 m左右)。此外，勘察阶段和后期补勘的数据相差较大，且在实际地形已发生变化的情形下，并未重新进行补勘。经险情发生后再次进行详勘，详勘结果基坑沿线淤泥层变厚，最厚位置淤泥质地层增厚 8 m。

在围护结构由SMW工法桩变更为 1 m钻孔灌注桩时，建设单位组织的协调会议已明确要求围护结构按抗滑桩设计，并保留第一道混凝土支撑，与围护结构兼做抗滑永久结构。但设计单位在计算围护结构受力时未考虑按滑移体计算剩余下滑力，只考虑计算基坑周边土体荷载。

3.2 周边环境发生较大变化

勘察设计完成于2014年，施工单位于2015年进场施工，出入段线外侧为河堤，2015年12月底，堤侧开始有外来填土施工，后填土范围逐步扩大并向出入段线方向逼近。2016年2月下旬，填土已侵入出入段线安全影响范围，并在大堤内侧形成长约 400 m，宽 50 m，高出原地面 10 m的填土区域。R8DK0+387～+714段因2016年大堤加培工程施工，现场地形较施工设计发生较大变化，地面标高由原设计 19.0 m～23.4 m，变为 19.5 m～29.6 m，部分位置标高增加近 10 m，且受厄尔尼诺现象影响，2016年武汉市降雨量增加，防汛压力很大，水务部门拒绝卸载该区域培土，导致原设计与现场实际存在较大出入，虽然建设单位要求设计单位补充了相关措施，但未起到有效作用。

3.3 开挖期间连续降雨，增大水土压力

在施工期间，连续性降雨量较大，而场地排水不畅，堆土灵敏度高，遇水软化，坡顶一定范围内为新近填土，不密实，一定变形后显著出现裂缝，最终雨水软化堆土引起软土深层滑移。深层滑移面出现前，土体按连续介质考虑，支护桩受力为朗肯土压力模型；当滑移面出现后，受力为库伦土压力计算模型，导致基坑围护桩主动区土压力增大，桩体出现过大变形。

3.4 监测问题

在深基坑施工过程中，按照法律法规及规范要求，施工单位应开展施工监测，建设单位应委托相关单位开展第三方监测，采取严格的监测措施，通过观察基坑支护结构及周边环境的变化，以确保基坑安全。通过事后调查分析，发现基坑监测环节也存在一定问题。

(1)测点破坏且未修复，造成监控盲区。施工单位在围护结构施工时，埋设了测斜管，但在后续施工冠梁及坑边临时道路施工时，部分测斜管遭到了破坏，而施工单位未及时恢复，导致在施工过程中，无法全面有效反映围护结构水平位移。

(2)未及时报警，采取进一步处理措施，丧失了最佳处理时机，从监测日报得知，在开挖至基底的前两天，监测数据异常的情况如下：①失稳段最近的测斜数据显示，围护结构水平位移最大已至约 50 mm；②钢支撑轴力急剧减小，是不正常的现象，是钢支撑失效、基坑侧壁间发生滑动的征兆；③基坑水平位移速率较大。

根据地面沉降、斜撑轴力、基坑水平位移三项监测数据急剧变化的现象，可以推测事故部位北侧支护桩中下部发生了较大的水平位移，支撑出现了松弛，可以认为是支撑失效的预兆，而现场未针对监测异常及时预警，也未针对上述意外情况采取有效的预防措施和应急措施。

3.5 其他方面原因

在周边环境发生较大变化情况下，施工单位向设计单位及时反馈了现场实际情况，设计单位也采取了一些技术措施，将部分区域围护结构由工法桩变更成灌注桩，但在两种围护结构相接位置未采取有效的措施，且由于建设工期及投资造价等因素影响，在已施工的围护结构区域未采取其他补强措施，这是围护结构体系的先天不足。在基坑开挖过程中，在监测数据变化较大时，施工单位亦未及时采取反压措施，而是冒着失稳风险继续垫层的施工，最终导致失稳事故的发生。

4 加固方案

失稳发生后，建设单位及时组织进行了反压回填，通过勘察单位提供的补勘文件，设计单位重新确定了围护结构设计方案，选取具有代表性的剖面R8DK0+685作为计算剖面，总开挖深度 12.5 m，计算深度 10.5 m。

基坑加固采用放坡+排桩支护相结合方式。上部 3 m采用边坡坡率 1∶3放坡。下部采用钻孔桩+2道内支撑进行支护，基坑内侧均采用φ1 000 mm@1 200 mm钻孔灌注桩支护，基坑北侧外侧采用φ1 500 mm@2 400 mm钻孔灌注桩加强支护，基坑南侧外侧采用φ1 200 mm@2 400 mm钻孔灌注桩加强支护，灌注桩长度在28 m～31 m间。除第1道采用C30钢筋砼支撑外，其余采用φ609，t=16钢管撑。围护桩间采用φ800@1200旋喷桩止水帷幕，止水帷幕深度为基底不小于 1 m。第1道支撑采用C30混凝土支撑，间距 8 m；第2道支撑采用φ800×16钢管，间距 4 m。被动区采用裙边+抽条搅拌桩加固，桩径 650 mm，间距 500 mm。

5 实施效果

施工单位按照新的围护结构及支护加固设计文件编制了基坑开挖专项施工方案，施工过程中严格按照方案实施，并增大了监测范围和监测频率。

典型断面围护结构水平位移变化曲线如图4所示。

图4 典型断面围护结构水平位移变化曲线

6 结 论

通过对基坑失稳原因的分析以及加固设计方案的监测结果，得出如下结论：

(1)基坑失稳的原因往往是多方面的因素叠加造成的，在勘察设计阶段到施工阶段的各个环节均存在风险源，各方应对风险源进行辨识并采取相应措施。

(2)从本工程的勘察设计文件、施工中异常情况的分析与处理、监测数据的分析与预报等方面可以看出，相关人员在该领域基本的知识和经验仍有待提高。基坑工程的从业人员应具有较高的业务素质、较全面的专业知识，至少应掌握岩土工程、结构工程方面必要的知识、技能和工程经验。

(3)在周边环境发生较大变化时，应对设计方案进行复核，并重新进行风险评估，加强过程中的风险管理；在基坑开挖过程中，一旦监测出现异常情况下，应及时分析、反馈基坑监测数据。相关各方应综合分析监测数据异常的各方面原因，提出有针对性的应急措施。