明挖超深大基坑施工重大安全风险管控

2022-09-20杨之军温双义北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司北京100070

建设监理 2022年6期

杨之军，温双义（北京赛瑞斯国际工程咨询有限公司，北京 100070）

0 引言

城市综合交通枢纽将多种交通方式集于一体，将枢纽用地的地上和地下空间进行有序组织，以规划设计的立体化和集约化方式实现功能的高度综合。它是集约利用资源和节能环保的客观要求，对提升国家竞争力具有重要的战略意义。城市交通枢纽地下空间实现的前提是开挖基坑，基坑工程的复杂性和综合性使管控重大安全事故成为一项重要工作。基坑工程面临场地水文地质的地域性及不确定性、支护结构计算理论的不完善性、周边环境设施的重要性和复杂性、参建单位人员素质和管理水平的差异性等。综合性新型学科的基坑工程在支护结构设计上采用半理论半经验模式，在施工风险管控上以实践性较强的直观经验法为主。明挖基坑是首选的施工方法，其特点是技术成熟、施工进度快，但相对于盖挖法施工安全风险较大。明挖基坑在安全方面面临风险源多、持续时间长，每道工序或每项操作失控都可能酿成事故隐患。为此，在基坑施工中要树立科学、系统、动态、全员的安全管理理念，科学组织，精细施工，综合利用各种资源，运用信息施工法和专家经验全面地辨识安全风险隐患，采取针对性管控措施防止重大安全事故。

1 工程概况

1.1 工程简介

北京城市副中心站综合交通枢纽工程第Ⅲ区基坑是独立区域之一，第Ⅲ区平面基本呈长方形，长200 m，宽53 m，深32 m，面积10 600 m2。本基坑属于基本稳定场地，地层分布基本为细砂层。作为围护结构的地下连续墙（以下简称“地连墙”）趾坐落在粉质黏土～重粉质黏土地层上。地下水位在地表下约9 m，第1层承压水的水头8.98 m位于30 m以下，第2层承压水的水头6.5 m位于40 m以下。第Ⅲ区基坑周边市政道路、铁路和管线分布，如表1所示。

表1 第Ⅲ区基坑周边道路、铁路和管线分布表

1.2 设计简介

第Ⅲ区基坑采用明挖顺做施工方式，围护结构为钢筋混凝土地连墙，支撑结构由5道钢筋混凝土水平支撑和竖向格构柱组成。地连墙厚1 200 mm，深50.3 m～61.8 m，水下混凝土C35P8；格构柱500 mm×500 mm，由4肢角钢（4×L200×20 mm）构成。设计要求围护结构最大水平位移≤0.15%H,支护结构最大水平位移0.2%H；周边环境变形≤0.2%H；地面最大沉降量0.15%H，且不大于30 mm。第Ⅲ区基坑支撑结构主要参数，如表2所示。

表2 第Ⅲ区基坑支撑结构主要参数

2 施工组织方案简介

第Ⅲ区基坑开挖深度32 m，土方34万m3。工程场地狭窄，施工中土方开挖机械、运输机械、吊装机械等作业相对集中，交叉作业频繁；基坑周边环境安全等级高，环保要求严，工期紧张，基坑安全风险为一级。根据以上因素，在确保基坑安全的前提下编制基坑工程施工安全组织方案。基坑开挖遵循“分层、分段、对称、均衡、适时”的原则，地下水控制采用“截水帷幕＋坑内疏水”方案。重点控制对围护结构安全影响较大的支撑结构受力转换工序，同时重视基坑内外的疏水和减压降水及回灌、基坑周边施工荷载、周边环境设施监测、基坑内外排水、基坑地表挡水、应急处理等工作。第Ⅲ区基坑主要施工流程，如图 1 所示。

图1 第Ⅲ区基坑主要施工流程

3 基坑工程安全风险管理概述

基坑工程安全是建筑工程安全中最突出的问题之一，建筑工程安全又是安全工程学的一个分支，因此安全工程学的基本理论完全适用于基坑工程的安全风险管理。

3.1 安全事故致因理论

在众多的安全事故致因理论中，现代事故因果连锁理论和事故能量转移理论对基坑工程安全管理具有较强的针对性。美国学者博德（Frank Bird）的“现代事故因果连锁”理论认为：事故的直接原因是人的不安全行为、物的不安全状态；间接原因是个人及与工作条件的因素；根本原因是管理缺陷，即管理上存在的问题或缺陷是导致间接原因存在的原因，间接原因的存在又导致直接原因的存在，最终导致事故发生。现代事故因果连锁理论的五个因素为管理缺陷、个人及工作条件的因素、直接原因、事故和损失。

美国学者哈登（Haddon）的“事故能量转移”理论认为：能量是导致事故发生的根源，事故是能量的不正常转移。安全管理就是对能量的有序管理。事故能量转移理论从事故的能量作用类型出发，研究各种能量的转移规律，能量转移作用的规律，能量转移的时间和空间规律。预防事故的本质是能量控制，通过对系统能量的消除、限值、疏导、隔离、转移等技术措施来控制能量的不正常转移。

3.2 安全管理的基本原理

安全管理是以安全为目的进行的有关决策、计划、管理和控制方面的活动。控制事故是安全管理的核心，预防为主是控制事故的本质。因此，安全管理也就是利用管理活动，将事故预防、应急措施和保险补偿手段有机地结合在一起，达到保障安全的目的。安全管理所运用的基本原理为系统原理、人本原理、预防原理和强制原理，其中强制原理是指采用强制管理的手段控制人的意愿和行为，使个人的活动和行为受到安全生产管理法规的约束，也就是说，在基坑工程安全管理中，必须遵守现行的相关法律法规。

3.3 安全事故的预防理念

安全事故的预防就是根据事故致因理论，分析事故的致因及相互关系，采取有效的防范措施，消除事故致因因素，避免事故发生。事故预防遵循的基本理念为事故可以预防的理念、防患于未然的理念、根除事故可能的原因理念和全面治理的理念。其中全面治理就是从安全技术、安全教育、安全管理等方面，对物的不安全状态、人的不安全行为和管理的不安全因素进行治理和排除。基坑工程在施工阶段，从狭义的安全管理角度出发就是根除事故可能的原因，保障基坑工程安全。

4 基坑工程危险源辨识与风险管理

基坑工程施工过程中存在各种危险源，只要危险源存在，就有发生事故的可能。基坑工程的安全管理就是找出危险源，并科学地评价风险发生的可能性，制定相应的预防措施。

4.1 基坑危险源辨识途径

危险源是经过触发因素作用而使其能量逸散失控，导致人体伤害或财产损失的具有能量的物质和行为，由潜在危险性、存在条件和触发因素三要素构成。危险源分为两类，第一类是产生或拥有能量的；第二类是导致约束、限制能量的措施失控、失效或破坏的各种不安全因素，也被称为事故隐患。事故的发生是这两类风险源作用的结果。

危险源辨识途径：其一是根据已发生的事故找出触发因素（或称事故隐患），通过触发因素找出危险源；其二是模拟和预测系统内尚未发生（有可能要发生）的事故，分析可能发生的原因，通过这些原因找出触发因素，通过触发因素找出危险源。基坑工程基本根据第一途径找出危险源。

4.2 基坑安全风险管理的核心工作

安全风险是指危害事件发生的可能性和后果严重程度的组合，即风险为可能性与严重程度的乘积。第一类危险源决定后果的严重程度，第二类危险源决定发生的可能性，两类危险源共同决定风险的大小。

安全风险管理就是对危险源的辨识与控制，通过对人、机、料、法、环各方面辨识出工作（活动）中可能存在的各种类型的危险源；然后对危险源进行分析、评价，找出需要防控的危险源；按照风险等级对需要防控的危险源制定风险防控措施并予以落实。多年来，大量事故实例表明，辨识出的危险源基本上设置了相应的防控措施，但因防控措施的缺陷和漏洞，失去应有作用而造成事故的发生。因此，辨识并堵塞防控措施漏洞，开展全员全过程的事故隐患（第二类风险源）排查治理是事故预防中的主要工作，也是基坑工程安全风险管理的核心工作。

4.3 超深大基坑风险源类型

基坑工程土方开挖过程是基坑开挖面垂直方向和挡墙水平方向的卸荷过程。基坑开挖使一定范围内土体应力场和水力渗透场失衡，当采用支护等措施后，土体应力场和水力渗透场重新处以平衡或动平衡状态。在支护结构等措施存在缺陷或失效时，新建立的平衡被打破，将会造成围护结构变形、周边地表沉降，进而造成邻近的建筑物、道路、地铁或管线等位移变形或影响使用，严重者基坑倾覆坍塌，造成重大人身伤亡和重大财产损失。

经过多年的实践，人们从惨痛的事故中吸取经验和教训，总结出基坑工程的危险源及其管控措施，并用法规形式以强制管理手段予以规定。不论是设计阶段还是施工阶段，政府监督部门、建设单位、勘察设计单位、监测单位、施工单位和监理单位都要明确各自职责。深基坑工程第一类固有风险源经多年研究和实践较容易辨识，第二类人为风险源由于涉及因素较多，在施工过程中是辨识的重点。运用直观经验分析法，基坑常见第一类风险源类型有土体的重力势能、地下水的水头差势能、机动车辆和起重机械的自身动能等，第二类常见风险源有支护结构缺陷、地下水控制缺陷、土方开挖控制缺陷、大型机械现场管理缺陷、周边环境风险控制缺陷、突发自然灾害等。

5 超深大基坑工程风险管理措施

超深大基坑工程实施过程中对需要防控的风险源，制定风险防控措施和应急预案，组织监测、跟踪、记录和处置。基坑风险分为工程自身风险和环境风险，工程自身风险是由于工程结构自身特点、地质条件复杂性或工程施工等可能导致的工程结构安全性受到影响或发生工程风险事件的风险；环境风险是因工程施工可能导致周边环境安全性受到影响或发生破坏的风险。鉴于超深大基坑工程安全事故的易发性和后果的严重性，各级政府部门将其列为重大生产安全事故隐患管理或危险性较大工程事故隐患管理范围。以北京副中心站第Ⅲ区明挖超深大基坑为例，通过对施工中常见风险源的研判，制定针对性的防控措施。

5.1 基坑内施工技术风险处理措施

基坑内施工技术风险属于工程自身风险，也是引起环境风险的根源，基坑支护结构体系的实施过程也是基坑内施工技术风险的防控过程。

5.1.1 地连墙围护结构风险处理

超深大基坑常采用钢筋混凝土地连墙作为围护结构，地连墙与支撑体系组合抵抗土体变形，其自身的不透水性阻断基坑内外的地下水渗透。地连墙施工质量要满足强度和防水要求，其防水性依赖于墙幅间的接缝质量、混凝土浇筑、墙趾插入隔水地层深度和注浆质量。地连墙安全风险关键部位或工序防控措施，如表3所示。

表3 地连墙安全风险关键部位或工序防控措施

5.1.2 混凝土支撑系统风险处理

混凝土水平支撑与腰梁和格构柱组成支撑体系，构成空间结构受力体系，常见问题为水平支撑质量缺陷、水平支撑与地连墙及格构柱节点连接缺陷、格构柱质量缺陷、格构柱竖向位移超限、水平支撑或格构柱遭遇撞击砸损。混凝土支撑体系风险关键部位或工序防控措施，如表4所示。

表4 混凝土支撑体系风险关键部位或工序防控措施

5.1.3 基坑降排水风险处理

基坑降水通常由疏干井降低坑内水位，为土方开挖提供条件。当地层有承压水经突涌稳定性验算不足时设置减压井降低承压水水头，当周边地表沉降超标时向回灌井注水，当地连墙发生渗漏或降雨时由坑内的集水坑水泵应急排水。常见问题为基坑降水引起地表沉降，基坑减压降水或排水不及时引起基坑突涌、变形或坍塌。降排水风险关键部位或工序防控措施，如表5所示。

表5 降排水风险关键部位或工序防控措施

5.1.4 基坑土方开挖风险处理

地下工程基坑开挖是按预定施工方案由地表向下开挖土方的一项重要工序，重大安全风险基本发生在这一过程。土方开挖每步的平面尺寸、深度、形状等空间尺寸，以及开挖速度、开挖顺序、开挖面无支撑暴露时间等因素对基坑围护结构及周边环境的变形影响显著。基坑开挖应遵循“分层、分区、平衡、对称、限时、先撑后挖”的原则，最大程度地考虑土体的空间效应，减小支护结构变形，同时防止格构柱、立柱、水平支撑因砸撞造成变形或断裂。开挖风险关键部位或工序防控措施，如表6所示。

表6 开挖风险关键部位或工序预防措施

5.2 基坑外周边环境风险处理

除防止整体倾覆坍塌、基底突涌外，基坑安全风险中的基坑周边环境风险控制越来越成为关注重点，发生事故同样会造成重大人身伤亡、重大经济损失和重大社会影响。围护结构的变形、渗水或流砂会造成地表沉降，将影响周边环境建筑物、铁路、地铁、道路、电缆、给排水管线、供热管线、煤气管线等设施的本体安全和正常使用。同时还需考虑施工产生的噪声、扬尘、废弃泥浆、渣土车辆遗洒、空气污染等问题。主要预控措施为：严格执行批准的专项施工保护方案，地下水及时回灌，设置周边环境监测系统，加强现场巡视检查和专家巡视，及时评价现场风险状态等。

5.3 基坑监测

基坑监测是在基坑施工及使用阶段，运用仪器量测、现场巡视等手段和方法对基坑及周边环境的安全状态、变化状态及其发展趋势实施的定期或连续巡查、量测、监视以及数据采集、分析、反馈活动。基坑监测的目的是为信息化施工和基坑周边设施的保护提供依据，为优化设计方案提供依据。

基坑现场人工巡查是基坑监测的重要手段，分为安全风险巡查、管理巡查和专家巡查。安全风险巡查主要由第三方监测单位和监理单位负责；管理巡查是各参建单位在管理职责、工作内容和工作质量等方面的自查和巡查；专家巡查是建设单位组织专家对重点或较大风险工点，以及现场发现的风险状态工点进行巡查。当监测数据达到预警值时，应及时组织分析采取相应措施；当出现危险预警（红色预警）时，应立即启动应急预案。

根据有关资料，明挖超深大基坑变形的基本规律为：长方形基坑最大水平位移位置发生在长边的中部，不规则基坑最大水平位移位置发生在阳角部位。围护结构竖向最大水平位移位置约在（2/3）H处，在软弱地层其位置向下移动。地连墙围护结构最大水平位移量为（0.1%～0.9%）H。在软土地层下，地连墙围护结构随开挖深度增加，墙体上半部位变形趋势由内向外（坑外），第一道水平支撑轴力表现为由压力变拉力。坑底土体回弹隆起表现为中间大两边小，但软土塑性隆起表现为中间小两边大。

5.4 基坑应急预案

基坑工程应急预案是根据施工现场存在的危险源和可能发生的事故类型，对危险性较大的分部分项工程制定的专项施工方案。基坑应急预案内容包括适用范围、应急组织机构及职责、事故风险分析、响应启动、处置措施、培训与演练和应急保障。常见应急处置预案包括基坑支护结构失稳倾覆或坍塌、地连墙渗漏水或涌砂、坑底突涌、基坑周边地表沉降变形、周边环境设施变形或影响使用、灾害性天气（大暴雨、台风）等。