某工程電梯井開挖塌方原因分析及處理措施

余鈺琦，朱兵見

（臺州學(xué)院 建筑工程學(xué)院，浙江 臺州 318000）

建筑物地下室的基礎(chǔ)梁、承臺、電梯井等部位基坑的開挖深度較大，即建筑基坑中存在著坑中坑。在其土方開挖時，以土方塌方為主要形式的事故高發(fā)，而且會隨著基坑開挖深度的加大而增加。因此，合理的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)選型、設(shè)計和施工方法是避免此類事故的前提。

目前，常被電梯井等坑中坑選用的設(shè)計支護(hù)方法有放坡、重力式擋土墻、水泥土攪拌樁、鉆孔灌注樁、高壓旋噴樁、復(fù)合土釘墻及其組合體系等［1］。其中水泥土攪拌樁相互搭接成格柵狀的結(jié)構(gòu)形式［2］，也稱重力式水泥土墻，造價較低，施工方便，應(yīng)用比較廣泛。然而水泥土攪拌樁抗拉抗彎性能差，在設(shè)計時應(yīng)該嚴(yán)格按照規(guī)范要求，滿足各項構(gòu)造要求的同時，做好結(jié)構(gòu)設(shè)計計算。

對于局部過深的電梯井基坑開挖，施工中常采用二次開挖的施工方法。然而在基坑工程實(shí)際的施工過程中，未能合理考慮開挖方式對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和變形的影響，不按照施工組織設(shè)計和施工方案施工而造成基坑工程事故屢見不鮮［3］。

1 工程事故及分析

1.1 工程概況

某工程由11幢13-18層的高樓和一個連體地下室組成。主體結(jié)構(gòu)安全等級為二級，使用年限50年，總建筑面積為98333.59m2，用地面積41998m2，框架剪力墻結(jié)構(gòu)。防火設(shè)計的建筑分類為二類高層，其耐火等級為地上二級，地下室一級，屋面防水等級為Ⅰ級，地基基礎(chǔ)設(shè)計等級為甲級。結(jié)合基坑開挖深度、土質(zhì)條件、周邊環(huán)境，根據(jù)浙江省《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》中對基坑的分類，本基坑工程安全等級為Ⅱ級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為1.0，局部安全等級為Ⅲ級，基坑側(cè)壁重要性系數(shù)為0.9。

本工程地下室底板板面標(biāo)高為+0.450，底板板厚為350mm，周邊地梁為暗梁，考慮到底板墊層（墊層厚為150mm）底-0.050，開挖深度為3.55m；主樓底板板面標(biāo)高為+0.450，底板板厚為350mm，周邊承臺深度為1.5m，考慮到承臺墊層（墊層厚為150mm）底-1.200，開挖深度為4.7m；局部底板板面標(biāo)高為-0.250，底板板厚為350mm，周邊承臺深度1.1m，考慮到承臺墊層（墊層厚為150mm）底-1.500，開挖深度為5m。電梯井及坑中坑二次開挖深度為2.45m，采用水泥土攪拌樁形式支護(hù)。場地內(nèi)工程樁為鉆孔灌注樁。

1.2 各層土的物理力學(xué)性質(zhì)

基坑開挖深度影響范圍內(nèi)各土層物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示。表中粘聚力、內(nèi)摩擦角為固快值，括號內(nèi)為經(jīng)驗值及折減值，折減系數(shù)為0.75。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)Table.1 The Physical and Mechanical Indexes of Soil

1.3 事故發(fā)生部位及相關(guān)信息

在本工程7號樓主樓開挖過程中，電梯井部位發(fā)生了塌方，并且還導(dǎo)致電梯井部位部分鉆孔灌注樁斷裂，幸虧當(dāng)時沒有施工人員在電梯井內(nèi)部施工，不然會造成比較嚴(yán)重的后果。原施工方案中，電梯井處坑中坑擬采用二次開挖的施工方式，而實(shí)際開挖時卻采用了一次性開挖方式，如圖1所示。

電梯井長9.3m，寬5.33m，周邊采用水泥攪拌樁圍護(hù)，三排水泥攪拌樁相互搭接成格柵狀，見圖2。

圖1 實(shí)際挖土示意圖Fig.1 The actual digging

圖2 水泥攪拌樁圍護(hù)示意圖Fig.2 Cement mixing pile retaining schematic diagram

1.4 計算分析塌方原因

1.4.1 一次性開挖到位計算分析

將挖土機(jī)和周邊堆土的荷載近似取為20kN/m2，且假設(shè)填土面水平均勻，計算簡圖見圖3。利用理正深基坑軟件，輸入各個土層的物理指標(biāo)，電梯井圍護(hù)是采用水泥土攪拌樁。按照經(jīng)驗，水泥土的平均重度為19kN/m3，抗拉強(qiáng)度與抗壓強(qiáng)度之比為0.15，水泥土攪拌樁的直徑為600mm，相鄰兩樁的搭接長度為150mm，具體尺寸見電梯井水泥攪拌樁圍護(hù)方案，見圖2。水泥土攪拌樁施工后的單軸無側(cè)限抗壓強(qiáng)度取1.0Mpa，地下水位為天然地面埋深0.6m。

圖3 實(shí)際開挖計算簡圖Fig.3 The actual excavation calculation diagram

此工況記作工況1，其土壓力分布圖和內(nèi)力圖，見圖4。

圖4 土壓力分布圖和內(nèi)力圖Fig.4 Soil pressure distribution and the internal force

最大彎矩截面處離墻頂7.10m，由彎矩圖可知，水泥土墻彎矩最大為458.94kN·m，那么彎矩設(shè)計值為:M=1.25×1.0×458.94=573.68kN·m.

具體計算結(jié)果見表2。

1.4.2 二次開挖時計算分析

很明顯，在進(jìn)行對電梯井這種深構(gòu)件進(jìn)行開挖的時候，一次性開挖到位是不合適的，如果當(dāng)時的開挖方式是按照二次開挖施工方案，分析一下是否安全。

二次開挖示意圖如圖5所示。

圖5 二次開挖示意圖Fig.5 The secondary excavation scheme

此工況記作工況2，其土壓力分布圖和內(nèi)力圖，見圖6。

圖6 土壓力分布圖和內(nèi)力圖Fig.6 Soil pressure distribution and the internal force

由彎矩圖可知，水泥土墻彎矩最大為111.21kN·m，且最大彎矩處距離墻頂4.77m，那么彎矩設(shè)計值為 1.25×1.0×111.21=139.01kN·m.

具體計算結(jié)果見表2。

1.4.3 對二次開挖施工方案的改進(jìn)

對施工單位提供的二次開挖施工方案進(jìn)行了理論分析，發(fā)現(xiàn)也不滿足設(shè)計需求。仔細(xì)分析發(fā)現(xiàn)，在建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程（JGJ 120-2012）中6.2.2條寫道:重力式水泥土墻的寬度，對淤泥質(zhì)土不宜小于0.7h，對淤泥不宜小于0.8h，h為基坑深度。而本次設(shè)計中，基坑深度為2.45m，故水泥土墻的寬度至少取0.8×2.45=1.96m，而原設(shè)計當(dāng)中的水泥土墻寬度只有1.5m，不符合規(guī)范要求，所以很多指標(biāo)都不能滿足設(shè)計要求。

因此必須對原設(shè)計進(jìn)行改進(jìn)，現(xiàn)取水泥土墻寬度為2.4m，其嵌固深度為5.5m，水泥土攪拌樁的直徑為900mm，搭接長度為150mm。并對改進(jìn)后的方案進(jìn)行計算分析。

此工況記作工況3，其土壓力分布圖和彎矩圖，見圖7。

圖7 土壓力分布圖和內(nèi)力圖Fig.7 Soil pressure distribution and the internal force

由彎矩圖可知，水泥土墻彎矩最大為181.57kN·m，且最大彎矩處距離墻頂6.36m，那么彎矩設(shè)計值為 1.25×1.0×181.57=226.96kN·m.

針對以上各種工況進(jìn)行計算，具體計算結(jié)果見表2。

表2 三種工況下的計算分析Table.2 The Analysis of Three Calculating Conditions

2 處理措施

2.1 按照規(guī)范設(shè)計，合理安排基坑開挖施工方案

本次事故發(fā)生的主要原因，首先是沒有按照正確的施工方案進(jìn)行土方開挖，其次沒有按照規(guī)范要求進(jìn)行設(shè)計。設(shè)計的施工方案是絕對不能出錯的，更何況為了開挖進(jìn)度而不顧危險，將電梯井一次性挖到位從而釀成這起事故。一般來說，對于電梯井這類深構(gòu)件，必須采用二次開挖。采用分層開挖，第一次開挖時，要大面積挖到基礎(chǔ)底板的標(biāo)高。挖到底板標(biāo)高后，采用小挖機(jī)，對電梯井進(jìn)行再次開挖。這樣對基坑側(cè)壁的土壓力就不會很大，發(fā)生基坑塌方的危險性就會降低。

2.2 嚴(yán)格控制開挖時基坑頂部堆載

基坑頂部堆載會使支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的土壓力增大，進(jìn)而引起結(jié)構(gòu)彎矩、剪力增大。對于電梯井這類開挖深度比較大的坑中坑，一定要嚴(yán)格控制坑頂?shù)亩演d。

（1）不要隨意堆土

在土方開挖的過程中，會出現(xiàn)這樣的狀況:卸土車數(shù)量不足，挖土機(jī)在作業(yè)時，會把土堆在基坑頂部周圍，隨著開挖深度增大，坑邊堆土越來越多，對基坑側(cè)壁的土壓力也大大加大，進(jìn)而造成基坑塌方事故。

（2）優(yōu)先采用小型挖土機(jī)

為了控制坑頂荷載，盡量放棄使用大挖土機(jī)，而采用小型挖土機(jī)進(jìn)行開挖。

（3）合理安排裝土車的位置

在挖土機(jī)挖土卸土的過程中，裝土車的停放位置很重要，不同的裝土位置，對基坑側(cè)壁的土壓力會有很大差異。一般來說裝土位置大部分位于挖土機(jī)前方，或者是側(cè)方?，F(xiàn)場的挖土機(jī)類型為反鏟型挖土機(jī)，其特點(diǎn)為后退向下，強(qiáng)制切土。按照其特點(diǎn)，要使挖土卸土效率最高，裝土車盡可能停在后方，或者是側(cè)面，如果是停在側(cè)面的話，停的位置應(yīng)盡可能離坑邊遠(yuǎn)一點(diǎn)，這樣對基坑側(cè)壁的土壓力會小一點(diǎn)，塌方危險性會降低。

2.3 改善水泥土攪拌樁

一般電梯井圍護(hù)多為水泥土攪拌樁，而水泥土攪拌樁的抗拉強(qiáng)度很低，如果土壓力很大，產(chǎn)生的彎曲拉應(yīng)力超過抗拉極限時，水泥土攪拌樁就提前破壞而起不到擋土的作用。

為此，可以利用SMW工法，即先施工水泥土攪拌樁，在水泥土未凝固之前，將H型鋼利用重力和機(jī)械振動插入。這樣將水泥土和型鋼的特點(diǎn)相結(jié)合，水泥土可以擋水，而型鋼則是更好的擋土材料。在土壓力作用下由型鋼來抵抗拉應(yīng)力，這樣有效地解決了水泥土攪拌樁抗拉強(qiáng)度不足的問題,使設(shè)計更趨可靠合理。還可以插入鋼筋或者是毛竹，插入的深度要大于基坑深度［4］。同時，在水泥土攪拌樁內(nèi)側(cè)采用被動區(qū)局部加強(qiáng)措施，提高支護(hù)結(jié)構(gòu)抗傾覆、抗滑移的能力［5］。

3 結(jié)語

對電梯井等坑中坑的支護(hù)，必須要按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計和施工。一般來說，對于此類深構(gòu)件施工方案上采取的都是二次開挖。按照土壓力的分布特性，隨著基坑開挖深度越來越深，基坑側(cè)壁的土壓力越來越大，進(jìn)而造成危險。本次事故的主要原因是沒有按照正確的施工方案進(jìn)行土方開挖，直接一次開挖，基坑太深，導(dǎo)致水泥土墻拉應(yīng)力、抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性等都不滿足規(guī)范要求。同時原支護(hù)方案也并未嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)范進(jìn)行設(shè)計。

此類基坑塌方事故是可以采用一定的措施來避免的。首先要做的就是按照合理的施工方案進(jìn)行施工；其次進(jìn)行基坑圍護(hù)設(shè)計時，嚴(yán)格按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計，合理估計荷載大?。贿€可以通過控制坑頂?shù)暮奢d、改善水泥土攪拌樁的性能及適當(dāng)增大嵌固深度等措施來進(jìn)行改良。

［1］湯捷，蔡濤，張威，等.武漢王家墩商務(wù)區(qū)基坑坑中坑設(shè)計治理措施［J］.城市勘測，2012（4）:161-163.

［2］JGJ120-2012，建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程［S］.

［3］徐為民，屠毓敏.某工程坑中坑塌滑原因分析及加固設(shè)計［J］.巖土力學(xué)，2010，31（5）:1555-1558.

［4］吳順，陽吉寶，陳志博，等.深基坑重力式圍護(hù)墻的優(yōu)化設(shè)計［J］.土工基礎(chǔ)，2014（8）:1-4.

［5］張肖峰，傅文.格柵式水泥攪拌樁在軟土基坑工程中的應(yīng)用［J］.廣州土木與建筑.2009（5）:28-30.