深基坑工程的變形與事故分析

普建明，顧鳳鳴

（1.普洱市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督站，云南 普洱 665000；2.中煤科工集團(tuán)武漢設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430064）

普洱某深基坑工程，在施工和開挖過程中不斷出現(xiàn)涌水冒砂，最多一天涌水冒砂約達(dá)2 000 m3，周邊地面以及建筑物沉降變形明顯，且大大超過規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值。本文以該基坑的設(shè)計(jì)方案、施工記錄、變形監(jiān)測數(shù)據(jù)為依據(jù)，綜合分析了該深基坑工程變形和事故發(fā)生的原因，并總結(jié)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)，以期為類似深基坑工程提供借鑒。

1 工程概況

1.1 工程區(qū)域

基坑工程周長約為430 m，占地面積約為9 800 m2。場地內(nèi)地形較平坦，地面標(biāo)高介于1 309.85～1 313.20 m之間，平均高程為1 311.70 m，場地高差為3.35 m?；娱_挖深度為15.85～16.05 m。

1.2 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)情況

場地地層情況見表1。在場地勘探深度范圍內(nèi)，地下水屬潛水型，弱承壓水型孔隙水。主要含水層為第 ②-1層粉土、第④層粉砂。初見水位埋深在0.1～3.4 m之間，平均為1.96 m。臨市政主干道，道路距基坑邊線約40 m；基坑西北、西南面為2～3層住宅群；西面為2～4層住宅群，以磚結(jié)構(gòu)和磚混結(jié)構(gòu)為主，獨(dú)立基礎(chǔ)、滿堂基礎(chǔ)或毛石基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為1.5～2.5 m，緊鄰用地紅線；基坑南面為6棟6層住宅樓，框架結(jié)構(gòu)，距基坑邊線最近建筑為1棟4層磚混結(jié)構(gòu)住宅，距離約為8.3 m，基坑布點(diǎn)如圖1所示。

圖1 基坑監(jiān)測布點(diǎn)圖

表1 場地地層情況/m

1.3 周邊環(huán)境

基坑?xùn)|面為小區(qū)住宅，有8棟7層住宅樓，框架結(jié)構(gòu)，樁基礎(chǔ)，基礎(chǔ)埋深為9～14 m，其中有4棟住宅樓緊鄰用地紅線，距基坑邊線20.5～36.4 m；基坑北面

1.4 基坑支護(hù)和止排水方案

1.4.1 基坑支護(hù)方案

基坑安全等級為一級。基坑北面1-1、2-2剖面為Ф1200旋挖灌注樁+5排預(yù)應(yīng)力錨索，樁長為25～26 m，樁間距和錨索橫向間距為1.8 m，錨索豎向間距為3.0～3.2 m。錨索總長為25～19 m，錨固端長為13～15 m。其他部位為2～3 m的1∶1放坡+Ф1000旋挖灌注樁+4排預(yù)應(yīng)力錨索，樁長為29～29.5 m，樁間距和錨索橫向間距為1.6 m，錨索豎向間距為3.2 m，錨索總長為25～21 m，錨固端長為16～13 m。

1.4.2 基坑止排水方案

1-1、2-2剖面緊貼支護(hù)樁后設(shè)置一排雙管高壓旋噴樁止水帷幕，旋噴樁直徑為700 mm，樁間距為450 mm，搭接為250 mm。1-1剖面樁長20.5 m，2-2剖面樁長21.5 m。其他部位在支護(hù)樁后3.0～5.0 m處設(shè)置一排雙管高壓旋噴樁止水帷幕，并在支護(hù)樁之間布設(shè)兩根壓旋噴樁。高壓旋噴樁長為22～24 m。四周高壓旋噴樁均插入第⑤層全風(fēng)化泥巖，形成整體的全封閉止水帷幕。

基坑排水采用坑內(nèi)明排的方式，開挖過程中隨挖隨排，開挖到底后在坑內(nèi)四周設(shè)置16口直徑、井深均為1 m的集水井?？油馑闹茉O(shè)置13口回灌井以備水位下降過大時(shí)進(jìn)行回灌（圖2）。

圖2 基坑支護(hù)止水剖面圖

1.5 施工中基坑監(jiān)測情況

施工過程中，監(jiān)理單位對基坑以及周邊環(huán)境的變形情況進(jìn)行了詳細(xì)巡視和記錄。由于種種原因監(jiān)測單位、監(jiān)測數(shù)據(jù)并不完整，詳細(xì)布點(diǎn)情況和監(jiān)測結(jié)果見表 2、3。

表2 變形監(jiān)測點(diǎn)統(tǒng)計(jì)表

表3 監(jiān)測預(yù)警值[1]和實(shí)測變形最大值/ mm

2 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

2.1 1-1剖面數(shù)據(jù)分析

1-1剖面周邊建筑物距基坑開口線只有4.6 m，基坑變形對周邊建筑物影響明顯，因此需嚴(yán)格控制基坑變形。該斷面包括11棟的沉降觀測點(diǎn)Z11-1、Z11-2，13棟的沉降觀測點(diǎn)Z13-1、Z13-2，坡頂位移及沉降觀測點(diǎn)K3，2號測斜孔。斷面上各監(jiān)測數(shù)據(jù)可相互印證，以保證所測變形的準(zhǔn)確性。

圖3 K3位移－時(shí)間曲線圖

K3為坡頂位移及沉降觀測點(diǎn)（圖3），但由于高壓旋噴注漿導(dǎo)致K3升高，不能代表基坑真實(shí)的垂直變形，因此垂直位移以距基坑最近的Z11-2（圖4）對比K3位移進(jìn)行分析，并以2號測斜孔為印證。水平位觀監(jiān)測點(diǎn)為K3，第一次監(jiān)測時(shí)基坑已開挖4 m。由圖3可以看出，變形顯著時(shí)期可分4個(gè)階段。

圖4 Z11-2沉降－時(shí)間曲線圖

第一階段為5月22日～6月26日，工況為土方開挖，進(jìn)行第二層錨索施工。K3位移累計(jì)值為17 mm，變形速率為 0.35～0.55 mm/d，但沒有超過預(yù)警值 ；6 月 26 日 ～9月3日變形速率較小，位移僅為4 mm，累計(jì)位移為21 mm。Z11-2地表沉降累計(jì)值為16.2 mm，變形量和變形速率均未超過預(yù)警值，6月14日 ～9月4日，變形量較小，累計(jì)變形量為8.8 mm，變形速率僅為0.11 mm/d。該階段土方開挖、錨索施工，基坑處于變形期。6月5 日 ～6 月14日錨索施工時(shí)，由于鉆孔涌水冒砂，Z11-2沉降速率最大為1.04 mm/d，周邊建筑物以及地表開始無明顯變化，至6月22日坡頂排水溝出現(xiàn)裂縫。

第二階段為9月3日 ～9月23日，工況為土方開挖至7 m左右，進(jìn)行第三排錨索施工。在土方繼續(xù)開挖過程中K3變形速率加大，變形量累計(jì)達(dá)到16 mm，變形速率達(dá)0.8 mm/d，超過第一階段變形速率，至9月23日累計(jì)變形量已達(dá)37 mm，超過規(guī)范規(guī)定的預(yù)警值；9月23日 ～10月28日在土方停止開挖、錨索施工期間，變形趨緩，35 d變形量僅為7 mm，變形速率為0.2 mm/d。Z11-2在9月4日 ～9月24日土方開挖期間沉降變形達(dá)25 mm，累計(jì)沉降已達(dá)50 mm，超過規(guī)定預(yù)警值，沉降速率也達(dá)到1.25 mm/d；9月24日 ～10月28日變形速率較小，變形量為6 mm，變形速率為0.13 mm/d；9月11日 ～9月13日土方向下開挖時(shí)，水平和垂直位移明顯，地面排水溝與冠梁間出現(xiàn)新裂縫，錨索施工時(shí)鉆孔涌水冒砂比第一階段嚴(yán)重；10月8日對地面裂縫進(jìn)行了修補(bǔ)，至10月28日土方?jīng)]有繼續(xù)開挖，地表無明顯變化。

第三階段為10月28日 ～11月11日，工況為土方開挖至11 m左右，進(jìn)行第四排錨索施工，并繼續(xù)開挖至14 m深。該階段尤其是由-11 m向-14 m開挖時(shí)，15 d變形量達(dá)到26 mm，變形速率達(dá)1.73 mm/d，累計(jì)變形量已達(dá)70 mm，已超過預(yù)警值兩倍多。Z11-2在10月28日 ～11月12日的沉降量達(dá)68.3 mm，沉降速率為4.27 mm/d，累計(jì)沉降量已達(dá)124.3 mm。錨索施工時(shí)鉆孔繼續(xù)涌水冒砂，水壓加大，基坑側(cè)壁支護(hù)樁間也出現(xiàn)多處涌水冒砂，導(dǎo)致11月2日冠梁與排水溝交接處再次開裂，且西面地面也出現(xiàn)裂縫，11月4日冠梁轉(zhuǎn)角處開裂。11月11日由于基坑側(cè)壁涌水冒砂點(diǎn)數(shù)量以及涌出量均增大，1-1剖面地表明顯下沉。

第四階段為11月11日 ～次年2月4日，工況為土方繼續(xù)開挖至基坑底。位移繼續(xù)增大，但位移速率有所減小，83 d位移量為38 mm，累計(jì)位移量達(dá)到108 mm，位移速率為0.35 mm/d。Z11-2在該階段隨著涌水冒砂量的增多，變形不斷加大，至2月5日85 d內(nèi)沉降量為77.3 mm，沉降速率為0.91 mm/d，之后變形繼續(xù)，至6月24日最后一次觀測，累計(jì)變形值已達(dá)298 mm。該階段由于鉆孔內(nèi)水壓過大，導(dǎo)致第五排錨索無法施工。基坑側(cè)壁支護(hù)樁間多處嚴(yán)重涌水冒砂，地面沉降明顯。12月3日1-1、2-2剖面位置基坑側(cè)壁涌水冒砂不斷加大，最多一天涌水涌砂量約為2 000 m3，地面明顯下沉，12月10日西側(cè)地面已塌空，裂縫寬度不斷加大，至12月4日，裂縫寬度已達(dá)54 mm。

由圖5可知，該斷面測斜管埋設(shè)深度不夠，測量次數(shù)也有限，但從僅有的觀測數(shù)據(jù)看，測斜管頂部位移量和變形規(guī)律基本與位移監(jiān)測點(diǎn)K3相符。由測斜數(shù)據(jù)看，基坑的底部也有41.86 mm的位移，接近預(yù)警值。

圖5 2號孔深層位移-時(shí)間曲線圖

2.2 其他變形情況

除1-1剖面外，其他各處隨著基坑的不斷開挖，基坑側(cè)壁多處涌水冒砂，基坑四周地面基本都有開裂、下沉，周邊的4棟、10棟、11棟、12棟、13棟下沉、開裂嚴(yán)重，已成危房，施工過程中不得不將開裂嚴(yán)重的10棟、11棟拆除。2-2、1-1剖面隨著涌水冒砂量的增大，地面嚴(yán)重沉降空鼓，以致該處塔吊周圍地面在12月4日全部塌空，塔吊基礎(chǔ)開裂。由表4可知，各監(jiān)測點(diǎn)沉降量和沉降差異已遠(yuǎn)遠(yuǎn)越過預(yù)警值，沉降量最大的11棟2號點(diǎn)累計(jì)沉降量達(dá)298 mm，與1號點(diǎn)的沉降差異達(dá)23.78/1 000。

表4 1-1、2-2剖面建筑物變形統(tǒng)計(jì)

2.3 變形規(guī)律總結(jié)

變形數(shù)據(jù)客觀地反映了基坑開挖的變形規(guī)律，基坑往深部開挖時(shí)基坑變形明顯，且變形值距基坑邊緣越近，變形越大。正常情況下，錨索施工時(shí)變形緩慢，但在側(cè)壁嚴(yán)重涌水冒砂時(shí)，基坑周邊地表（包括鄰近的建筑物）沉降量迅速增大，地表裂縫增大、下沉明顯。

3 基坑事故分析

變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的變形值大部分超過預(yù)警值（尤其是距基坑較近的觀測點(diǎn)），且大大超過設(shè)計(jì)計(jì)算的變形值（表5）。

利用設(shè)計(jì)方案、設(shè)計(jì)計(jì)劃書、施工記錄、監(jiān)測數(shù)據(jù)、現(xiàn)場施工工況、涌水冒砂情況、變形情況等資料綜合分析事故原因。

3.1 整體方案缺乏全面考慮

基坑地下水控制設(shè)計(jì)應(yīng)與支護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮，由降水、排水和支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移引起的地層變形和地表沉陷不應(yīng)大于變形允許值[2]。某些支護(hù)結(jié)構(gòu)的選型本身決定了帷幕將滲漏，如錨拉式支擋結(jié)構(gòu)、位于水位以下的錨桿、施工鉆穿帷幕必然導(dǎo)致滲漏[3]。另外《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》中也明確說明“錨桿不宜用在軟土層和高水位的碎石土、砂土層中”[4]。

該基坑明顯沒有將地下水控制與支護(hù)結(jié)構(gòu)統(tǒng)一考慮，基坑四周設(shè)置了全封閉止水帷幕進(jìn)行止水，降水采用坑內(nèi)明排，坑外水位仍處于較高水平，支護(hù)結(jié)構(gòu)又設(shè)計(jì)成樁錨結(jié)構(gòu)。錨索施工時(shí)盡管采用套管跟進(jìn)，卻沒有采取提前降低地下水位的措施，鉆穿止水帷幕仍出現(xiàn)鉆孔大量涌水冒砂，基坑四周地表沉降過大。

3.2 止水帷幕設(shè)計(jì)不合理

對地下水位較高，滲透性較強(qiáng)的地層，宜采用雙排高壓噴射注漿帷幕。當(dāng)注漿孔深為20～30 m時(shí)，搭接寬度不應(yīng)小于350 mm。該工程止水帷幕深度為20.5～24 m，搭接寬度僅為250 mm，且為單排帷幕。高壓旋噴帷幕是由先后施工的截水單元相互搭接形成的，截水單元本身的質(zhì)量缺陷、單元之間的搭接缺陷都將導(dǎo)致截水失敗[3]。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，高壓旋噴樁除樁徑外，最難控制的是垂直度，樁長越長垂直度越難控制，因此高壓旋噴樁深過大，施工質(zhì)量難以保障[5]；且設(shè)計(jì)的搭接寬度不足，施工偏差導(dǎo)致帷幕大部分出現(xiàn)“開襠口”，產(chǎn)生大面積滲漏，地面深陷。因錨索施工和止水帷幕的“開襠口”導(dǎo)致基坑最多一天涌水冒砂達(dá)2 000 m3（圖6）。

圖6 基坑側(cè)壁的涌水冒砂

3.3 施工過程沒有嚴(yán)格控制質(zhì)量

施工過程沒有嚴(yán)格控制高壓旋噴樁的定位、垂直度、鉆進(jìn)以及提鉆噴漿速度。高壓噴射注漿法施工的截水帷幕是由先后施工的一個(gè)截水結(jié)構(gòu)單元（單根樁）相互咬合搭接形成的，每根樁施工時(shí)均存在偏差，包括樁位偏差和垂直度偏差[3]。在施工過程中除需在安全方面嚴(yán)格控制外，還需在技術(shù)上對定位、垂直度、噴漿提鉆速度、壓力等進(jìn)行把控，嚴(yán)格按施工方案操作，管理人員要時(shí)刻檢查、監(jiān)督，不可掉以輕心。

3.4 應(yīng)急預(yù)案落實(shí)不到位

施工單位盡管有應(yīng)急預(yù)案，但落實(shí)不到位，遇到涌水冒砂問題，沒有引起足夠的重視，開始甚至沒有采取必要措施，更沒有組織勘察、設(shè)計(jì)、監(jiān)理和業(yè)主對問題進(jìn)行認(rèn)真分析論證，最終涌水冒砂越來越嚴(yán)重，導(dǎo)致基坑周邊塌陷、房屋開裂，甚至最下一排錨索因無法施工而取消。

3.5 沒有做到信息化施工

基坑開挖應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行監(jiān)測，實(shí)施動態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工[2]。作為信息化施工的一個(gè)重要內(nèi)容，動態(tài)設(shè)計(jì)的實(shí)現(xiàn)依賴于系統(tǒng)合理的施工監(jiān)測[6]。GB 50497-2009《建筑基坑工程監(jiān)測規(guī)范》中明確規(guī)定大于15 m的基坑，開挖深度小于等于5 m時(shí)，監(jiān)測頻率為1次/2 d；開挖深度為5～10 m時(shí)，為1次/d；開挖深度大于10 m時(shí)，為2次/d；且在特殊情況（如周邊地面突發(fā)較大沉降，鄰近建筑嚴(yán)重開裂，側(cè)壁出現(xiàn)管涌、滲漏或流沙等）應(yīng)加密觀測[1]。該基坑監(jiān)測頻率最大的為1次/10 d，通常是1個(gè)月才測一次，這種與規(guī)范要求嚴(yán)重不符的監(jiān)測頻率根本無法及時(shí)、準(zhǔn)確、完整地描述基坑的變形情況，更無法將變形分析結(jié)果與動態(tài)設(shè)計(jì)計(jì)算模型預(yù)測的結(jié)果進(jìn)行對比分析，也就無法做到動態(tài)設(shè)計(jì)。由于兩次監(jiān)測的時(shí)間間隔較大，且沒有與現(xiàn)場施工工況相結(jié)合，監(jiān)測數(shù)據(jù)不能反映變形發(fā)生的具體時(shí)間，僅能反映兩次時(shí)間間隔的累計(jì)變形，無法為動態(tài)設(shè)計(jì)提供更加精確的監(jiān)測數(shù)據(jù)，無法將變形與施工工況進(jìn)行聯(lián)合分析，無法對施工中的險(xiǎn)情進(jìn)行提前預(yù)警，從而失去了指導(dǎo)施工的現(xiàn)實(shí)意義。

4 結(jié) 語

通過對該基坑的設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測、事故現(xiàn)象以及后果進(jìn)行綜合分析，可以得出以下經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)：

1）基坑地下水控制設(shè)計(jì)應(yīng)與支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)統(tǒng)一考慮。當(dāng)基坑四周設(shè)有止水帷幕時(shí)，應(yīng)盡量避免采取錨拉結(jié)構(gòu)，以保證止水帷幕的完整性；即便已采用了錨拉結(jié)構(gòu)，如孔口在地下水位以下，在錨索施工時(shí)也應(yīng)提前降低地下水位，避免錨索鉆孔時(shí)涌水冒砂。

2）截水結(jié)構(gòu)的選型和設(shè)計(jì)，需重點(diǎn)考慮漏水的后果、含水層的土性、地下水特性、支護(hù)結(jié)構(gòu)形式、施工條件等因素。對于漏水后果嚴(yán)重（如建筑物、公共設(shè)施損壞等）的基坑，在利用對施工質(zhì)量無十分把握的截水結(jié)構(gòu)時(shí)，不宜少于2道防線[3]。施工過程中應(yīng)嚴(yán)格按照操作規(guī)程施工，提高施工質(zhì)量。

3）重視變形監(jiān)測，做到信息化施工。按規(guī)范要求進(jìn)行施工監(jiān)測，不僅能對施工中的險(xiǎn)情進(jìn)行提前預(yù)警，而且通過比較分析監(jiān)測數(shù)據(jù)和勘察、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)，可判斷前段設(shè)計(jì)與施工的合理性，從而優(yōu)化施工設(shè)計(jì)和施工組織。另外，詳盡而齊全、完整的監(jiān)測數(shù)據(jù)也是動態(tài)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料和不必可少的數(shù)據(jù)。

4）對專項(xiàng)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行論證。對于超過一定規(guī)模的危險(xiǎn)性較大的分部分分項(xiàng)工程，施工單位應(yīng)當(dāng)組織專家對專項(xiàng)方案進(jìn)行論證[7]。專家論證的過程也是學(xué)習(xí)當(dāng)?shù)亟?jīng)驗(yàn)的過程，同時(shí)專家組也可通過方案論證指出設(shè)計(jì)方案的不足，避免工程事故的發(fā)生。

[1] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范:GB 50497-2009[S].北京:中國計(jì)劃出版社,2009:25-26

[2] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范:GB 50007-2011[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2011:113,118

[3] 劉國彬,王衛(wèi)東.基坑工程手冊(第二版)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2009

[4] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程:JGJ 120-2012[S].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:9-10,54

[5] 陳祖煜,李廣信,龔曉南,等.深基坑支護(hù)技術(shù)指南[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2012:374

[6] 林鳴,徐偉.深基坑工程信息化施工技術(shù)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2006:17

[7] 中華人民共和國住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.危險(xiǎn)性較大的分部分項(xiàng)工程安全管理辦法:建質(zhì)(2009)87號[Z].