王曉初, 張?zhí)煊? 劉 曉

(沈陽大學(xué) 建筑工程學(xué)院, 遼寧 沈陽 110044)

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展,土地需求量增加,對(duì)地下空間的開發(fā)利用越來越廣泛.隨之而來的是基坑深度的加深和安全要求的提高,使得基坑工程的設(shè)計(jì)和施工越來越復(fù)雜.本文使用理正計(jì)算軟件對(duì)沈陽某深基坑支護(hù)工程進(jìn)行計(jì)算,結(jié)合規(guī)范與實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)找出并分析了事故原因,提出了在深基坑支護(hù)工程的注意事項(xiàng).對(duì)基坑挖掘進(jìn)行規(guī)劃時(shí),不僅要結(jié)合安全系數(shù)、基坑深度以及周邊條件等現(xiàn)實(shí)情況,也應(yīng)該對(duì)主體結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)類型等要素進(jìn)行全面的考量.

按照《 建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》(GB 50497—2009)[1]有關(guān)要求:深基坑為挖掘深度高于5 m或雖沒有高于5 m,但地質(zhì)情況以及周圍環(huán)境都較為復(fù)雜的基坑.最近幾年,部分研究人員提出可基于穩(wěn)定系數(shù)Ns進(jìn)行界定,即符合Ns≥7要求的就是深基坑.

(1)

式中:γ為土的重度,kN·m-3;H為開挖深度,m;Cu為土的不固結(jié)、不排水抗剪強(qiáng)度,kPa.

深基坑支護(hù)的破壞形式分為2類[2-3].

(1) 結(jié)構(gòu)破壞.當(dāng)作用在結(jié)構(gòu)上的應(yīng)力超過組成結(jié)構(gòu)材料的許用應(yīng)力,或結(jié)構(gòu)發(fā)生不適于繼續(xù)服役的變形時(shí),該結(jié)構(gòu)即發(fā)生破壞.

(2) 土體破壞.包括基坑四周整體土的滑動(dòng)造成的失穩(wěn)或局部土體的滑動(dòng)造成的失穩(wěn),基坑底部土體由于凍脹或失陷引起的隆起失穩(wěn),護(hù)坡樁錨固端土體由于水平承載力不足引起的失穩(wěn)(傾覆、滑移等),錨索(桿)、土釘嵌固端失穩(wěn),雨水等各種水源所帶來的滲透、塌落等.

(3) 基坑開挖引起的周圍環(huán)境及建筑物破壞.深基坑開挖引起包括周邊建筑物發(fā)生不均勻沉降造成結(jié)構(gòu)開裂、路面沉降或開裂、周圍地下管線開裂等.

1 工程案例分析

1.1 工程概況

該工程位于沈陽市和平區(qū)勝利南街東側(cè),長白二街西側(cè),南側(cè)緊鄰市政規(guī)劃路,西側(cè)與一地下室接壤,緊鄰長白島內(nèi)河(見圖1).工程重要等級(jí)為3級(jí),場地復(fù)雜程度為2級(jí),地基復(fù)雜程度為2級(jí),巖土工程勘察等級(jí)為乙級(jí),開挖深度為5 m,為深基坑支護(hù)工程.

該場地?cái)M建12棟高端住宅別墅和1座商務(wù)會(huì)館,項(xiàng)目基礎(chǔ)形式為筏板基礎(chǔ),2層地下室為地下停車場,工期為18個(gè)月,基坑工程于年初施工,計(jì)劃工期35天.

2014年3月某日,3-3剖面鋼管樁施工,第1排錨索及腰梁預(yù)應(yīng)力施工完畢,夜晚土方單位正常出土,凌晨4時(shí)許,3-3剖面鋼管樁出現(xiàn)大面積傾覆,發(fā)生了安全事故.

1.2 地質(zhì)與水文條件

(1) 地形、地貌.項(xiàng)目所在場地平坦,高程在36.50～41.39 m之間,地貌是經(jīng)過渾河長時(shí)間的沖刷作用而出現(xiàn)的平原,屬于渾河高漫灘區(qū).

(2) 地層結(jié)構(gòu).根據(jù)實(shí)地勘察與室內(nèi)試驗(yàn)分析,場地土質(zhì)分層如下.

①-1耕土.呈黃褐色,構(gòu)成成分包括黏性土以及植物根系等.稍濕,結(jié)構(gòu)松散.該層分布場區(qū)大部,主要分布于18#～20#、27#、28#、41#鉆孔,厚度0.50 m,層頂標(biāo)高39.10～40.05 m.

①雜填土.濕度較小,表層較松散.該層分布不連續(xù),在18#～20#、27#、28#、41#鉆孔缺失,層厚0.50～8.50 m,層頂標(biāo)高36.50～41.39 m.

②粉質(zhì)黏土.黃褐色,可塑偏軟狀態(tài),中高壓縮性.存在鐵質(zhì)結(jié)核,切面稍微散發(fā)光澤,沒有搖振反應(yīng),干強(qiáng)度、韌性中等.該層分布不連續(xù),在場地東北角處缺失,層厚0.80～4.40 m,層頂標(biāo)高35.84～39.55 m.

③-1細(xì)砂.黃褐色,顆粒較均勻,級(jí)配不佳,圓形顆粒為主,含黏性土約占15%,濕度較低,緊密度差.該層呈透鏡體分布,層厚0.40～3.20 m,層頂標(biāo)高34.69～37.50 m.

③中粗砂.黃褐色,級(jí)配不佳,該層分布不連續(xù),雜填土較厚地段缺失,層厚處于0.40～3.00 m的范圍內(nèi),層頂標(biāo)高34.47～36.65 m.

④礫砂.黃褐色,級(jí)配不佳,該層分布基本連續(xù),層厚0.60～5.00 m,層頂標(biāo)高32.11～37.26 m.

⑤-1中粗砂.黃褐色,級(jí)配不佳,該層分布不連續(xù),主要分布于場地中部,層厚1.10～2.40 m,層頂標(biāo)高31.51～33.10 m.

⑤礫砂.黃褐色,顆粒均勻,級(jí)配不佳.該層分布不連續(xù),層厚0.80～3.60 m,層頂標(biāo)高31.21～32.80 m.

⑥礫砂.黃褐色,顆粒不均勻,級(jí)配不佳.局部含有圓礫及粉質(zhì)黏土夾層,該層分布全區(qū),本次勘探未穿透該層,最大揭露厚度為12.10 m,層頂標(biāo)高30.12～31.25 m.

各土層物理力學(xué)性能指標(biāo)見表1.

表1 土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physical and mechanics parameters of soil

注： ①-1耕土分布較少,故計(jì)算時(shí)不予考慮.

2 事故原因分析

2.1 基坑原設(shè)計(jì)方案

本基坑共3個(gè)剖面,原方案采用鋼管樁加預(yù)應(yīng)力錨索,樁間噴射細(xì)石混凝土的組合垂直支護(hù),場地形狀如圖1所示.

圖1 場地平面圖Fig.1 Plan of site

1-1剖面在基坑南側(cè),護(hù)坡樁使用的是鋼管樁,直徑159 mm,壁厚6 mm,長度9 m,樁間距400 mm,樁頂位于-1 m處.此剖面設(shè)1排錨索,位于-2.5 m位置,長度13 m,錨索角度15°,水平間距1.6 m.樁間噴射C20細(xì)石混凝土,厚30 mm,內(nèi)設(shè)電焊網(wǎng).1-1剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖2.

圖2樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)(1-1剖面)Fig.2 Structure of pile anchor support(section 1-1)

2-2剖面在基坑北側(cè),護(hù)坡樁使用鋼管樁,直徑159 mm,壁厚6 mm,長度9 m,樁間距400 mm,樁頂位于地表處,此剖面由于距離長白內(nèi)河較近,故設(shè)2排錨索,第1排錨索位于-2 m處,長度10 m,錨索角度15°;第2排錨索位于-3.5 m處,長度10 m,錨索角度15°,水平間距1.6 m.樁間噴射C20細(xì)石混凝土,厚30 mm,內(nèi)設(shè)電焊網(wǎng).2-2剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖3.

圖3 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)(2-2剖面)Fig.3 Structure of pile anchor support(section 2-2)

3-3剖面在基坑?xùn)|側(cè),該區(qū)域雜填土較厚,深度3.50～8.50 m,在建筑紅線外有1排管道,管道直徑2 m.此剖面護(hù)坡樁使用鋼管樁,直徑159 mm,壁厚6 mm,長度12 m,樁間距400 mm,樁頂位于地表處,錨索位于-1.5 m,即管道上表皮的位置,長度15 m,水平間距1.6 m,錨索角度15°.樁間噴射細(xì)石混凝土,厚度30 mm,內(nèi)設(shè)電焊網(wǎng).3-3剖面支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖4.

2.2 調(diào)整方案

事故出現(xiàn)以后,通過重新計(jì)量規(guī)劃,對(duì)錨索體系進(jìn)行更改.決定采用2排錨索.第1排錨索位于管道上表皮-1.5 m的位置,長度23 m,錨索角度15°,第2排錨索位于下表皮-3.5 m的位置,長度18 m,錨索角度15°,水平間距1.2 m,樁間噴射混凝土參數(shù)不變.其支護(hù)結(jié)構(gòu)見圖5.

圖4 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)(3-3剖面原設(shè)計(jì))Fig.4 Structure of pile anchor support (initial design of section 3-3)

圖5 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)(3-3剖面更改后)Fig.5 Structure of pile anchor support (after the alteration of section 3-3)

2.3 基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析

采用理正深基坑支護(hù)F-SPW 7.0版軟件進(jìn)行基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計(jì)算,整體穩(wěn)定計(jì)算方法采用瑞典條分法,土條寬度取1.00 m,穩(wěn)定計(jì)算應(yīng)力采用有效應(yīng)力法,剛度折減系數(shù)K取0.850,內(nèi)力計(jì)算方法采用增量法,支護(hù)結(jié)構(gòu)安全等級(jí)為2級(jí),支護(hù)結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)取1.0,支護(hù)結(jié)構(gòu)采用無冠梁無防水帷幕方式,工況信息如表2所示.

圖6與圖7分別為事故前地勘報(bào)告中給出的參數(shù)值和事故后實(shí)際測得的參數(shù)值,當(dāng)開挖深度為1.5 m時(shí),原設(shè)計(jì)樁頂位移微小,符合位移要求,如圖6所示.而實(shí)際樁頂位移為15.51 mm,有較明顯位移,如圖7所示.

表2 工況信息Table 2 Work condition information

當(dāng)?shù)?道錨索施工時(shí),原設(shè)計(jì)樁頂出現(xiàn)向主動(dòng)土壓力區(qū)的位移,說明錨索進(jìn)入服役狀態(tài),可以較好地抵抗側(cè)向土壓力,如圖8所示.事實(shí)上在第1排錨索服役時(shí)無法充分抵抗被動(dòng)土壓力區(qū)的土壓力,樁頂位移微小,如圖9所示.

圖6 工況1內(nèi)力圖(事故前)Fig.6 Internal force diagram forwork condition 1 (before the accident)

圖7 工況1內(nèi)力圖(事故后)Fig.7 Internal force diagram forwork condition 1 (after the accident)

圖8 工況2內(nèi)力圖(事故前)Fig.8 Internal force diagram forwork condition (before the accident)

圖9 工況2內(nèi)力圖(事故后)Fig.9 Internal force diagram for work condition 2 (after the accident)

當(dāng)基坑開挖至基坑底部時(shí),原設(shè)計(jì)中樁身各截面內(nèi)力值均屬正常范圍,如圖10所示.實(shí)際中樁身中部不能抵抗側(cè)向土壓力,位移大,發(fā)生向基坑內(nèi)側(cè)傾覆現(xiàn)象,如圖11所示.

圖10 工況3內(nèi)力圖(事故前)Fig.10 Internal force diagram for work condition 3 (before the accident)

圖11 工況3內(nèi)力圖(事故后)Fig.11 Internal force diagram for work condition 3 (after the accident)

在原設(shè)計(jì)包絡(luò)圖(圖12)中顯示,樁身各截面內(nèi)力均屬于正常安全范圍,符合規(guī)范要求.在圖13所示的實(shí)際結(jié)構(gòu)包絡(luò)圖中,樁身各截面內(nèi)力變動(dòng)明顯,并不滿足規(guī)范[1,4-6]規(guī)定的要求.

圖12 包絡(luò)圖(事故前)Fig.12 Envelope diagram(before the accident)

原設(shè)計(jì)中嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗(yàn)算如下.

工況1:

Ps=139.872≤Ep=552.837,土反力滿足要求.

工況2:

Ps=133.022≤Ep=552.837,土反力滿足要求.

工況3:

Ps=69.016≤Ep=200.443,土反力滿足要求.

實(shí)際結(jié)構(gòu)中嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗(yàn)算如下.

圖13 包絡(luò)圖(事故后)Fig.13 Envelope diagram(after the accident)

工況1:

Ps=187.892>Ep=156.402,土反力不滿足要求.

工況2:

Ps=174.224>Ep=156.402,土反力不滿足要求.

工況3:

Ps=161.500>Ep=98.246,土反力不滿足要求.

以上各式中:Ps為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力,kN;Ep為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的被動(dòng)土壓力合力,kN.

通過分析可知,各工況內(nèi)力圖信息反饋和重新實(shí)驗(yàn)測得的數(shù)據(jù)計(jì)算結(jié)果均不滿足要求,樁頂?shù)奈灰拼笥诎踩秶?各個(gè)工況擋土構(gòu)件所抵抗的內(nèi)側(cè)土反力合力也均沒有超過實(shí)際土壓力,原因是設(shè)計(jì)階段就沒有充分考慮安全問題,為此次事故埋下了隱患.

2.4 施工原因分析

(1) 由于建筑紅線外有1排管道與支護(hù)樁平行,錨索施工時(shí)為避免碰到管道,在施工時(shí)把錨索入射角度調(diào)小,同時(shí)由于2次補(bǔ)漿不充足,錨索錨固段存漿量低,預(yù)應(yīng)力施工時(shí)未能達(dá)到設(shè)計(jì)值,所以導(dǎo)致整體結(jié)構(gòu)沒達(dá)到規(guī)范要求[1,4].

(2) 當(dāng)天晚上土方單位開挖,在未告知業(yè)主單位、總包單位以及基坑支護(hù)單位的情況下,擅自對(duì)該剖面超挖探砂,以至于在支護(hù)結(jié)構(gòu)沒有完全建立,并且服役的情況下發(fā)生結(jié)構(gòu)破壞.

通過測算可知,支護(hù)樁的樁底埋置越淺,結(jié)構(gòu)出現(xiàn)事故的概率越高,使用理正深基坑支護(hù)F-SPW 7.0版軟件計(jì)算,采用原地勘報(bào)告給出的參數(shù)開挖到-8 m位置時(shí),截面的內(nèi)力如圖14所示.

圖14 工況3內(nèi)力圖(超挖)Fig.14 Internal force diagram for work condition 3 (over excavation)

總結(jié)分析計(jì)算所得的結(jié)果和工況3時(shí)的內(nèi)力圖(圖14)可知,在原設(shè)計(jì)下超挖導(dǎo)致樁底埋置深度降低也是導(dǎo)致事故發(fā)生的原因之一.所以在原設(shè)計(jì)參數(shù)(土體的內(nèi)摩擦角和黏聚力)選取值均低于實(shí)際值的情況下,極大地增加了事故發(fā)生的可能性.

3 結(jié) 語

(1) 土層黏聚力和內(nèi)摩擦角的降低會(huì)直接影響支護(hù)結(jié)構(gòu)的安全性,第1排錨索在支護(hù)結(jié)構(gòu)中承擔(dān)較大反力,故設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)仔細(xì)計(jì)算.

(2) 由此基坑支護(hù)工程出現(xiàn)的問題來說,有關(guān)責(zé)任主體缺少巖土領(lǐng)域知識(shí),經(jīng)驗(yàn)不足,規(guī)劃存在缺陷.深基坑工程存在非常大的風(fēng)險(xiǎn),事故具有一定的突發(fā)性.所以從業(yè)人員應(yīng)該擁有較高的業(yè)務(wù)素質(zhì),較全面的專業(yè)知識(shí)和較高的風(fēng)險(xiǎn)意識(shí).

(3) 施工過程中,有關(guān)單位和部門應(yīng)該及時(shí)溝通,嚴(yán)格按照?qǐng)D紙要求進(jìn)行施工,嚴(yán)禁為追求速度而冒險(xiǎn),嚴(yán)禁超挖現(xiàn)象.施工企業(yè)應(yīng)該對(duì)現(xiàn)場管理進(jìn)行強(qiáng)化,提高施工質(zhì)量.

(4) 基坑設(shè)計(jì)單位應(yīng)向基坑施工單位及時(shí)了解現(xiàn)場情況,在設(shè)計(jì)時(shí)考慮盡量減少施工難度.設(shè)計(jì)單位與施工單位應(yīng)該適時(shí)進(jìn)行交流,恰當(dāng)應(yīng)對(duì)突發(fā)事件,保證基坑施工的安全,防范事故的出現(xiàn).

(5) 業(yè)主單位應(yīng)對(duì)基坑工程加以重視,雖然基坑支護(hù)是一個(gè)臨時(shí)結(jié)構(gòu),但它的風(fēng)險(xiǎn)很高,一旦出現(xiàn)事故,經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響巨大.