某土巖混合深基坑支護結構坍塌成因分析

王翔宇

（上海市隧道工程軌道交通設計研究院，上海200235）

新世紀以來，隨著經(jīng)濟的發(fā)展、城鎮(zhèn)化步伐的加快，為滿足日益增長的市民出行需求，大運量的軌道交通成為經(jīng)濟強市的首選，主城區(qū)軌道交通線路基本按照地下線進行敷設，基坑支護工程越來越多[1]。以重慶地區(qū)為例，其地層以砂巖和砂質泥巖為主，上覆填土及粉質粘土厚度在4m~20m，基坑開挖后形成典型的巖土混合基坑。因巖土不同介質的力學特性不同，造成支護結構的形式各異，由于諸多原因，其勘察、設計、施工等問題，造成工程質量事故頻頻發(fā)生[2]，筆者通過分析一個典型巖土混合基坑支護結構坍塌原因，理清巖土混合邊坡的破壞模式，總結支護結構坍塌的經(jīng)驗教訓，為類似基坑圍護結構設計和施工提供參考和借鑒。

1 工程概況

某地鐵車站位于石新路鳳鳴山中學旁，沿石新路近東西向布置，車站為地下兩層島式車站。車站南側為華宇地塊，東南側為鳳鳴山中學。由于場地周邊放坡空間緊張，主體基坑采用垂直開挖，基坑長227m，標準段寬21.8m，端頭井局部寬26.5m，為土巖混合基坑。

車站場地位于川東南弧形地帶，巖層呈單斜產出。巖層傾向約105~115°，巖層傾角14~18°。下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂巖及砂質泥巖，發(fā)育有兩組構造裂隙。場地地下水主要為松散層孔隙水，以上層滯水的型式分布于局部地段的第四系松散層中，水量小，主要由大氣降水及地下排水管網(wǎng)滲漏補給?；悠矫娌贾脠D及周邊環(huán)境見下圖1：

圖1 基坑平面布置圖

2 施工與設計

車站南側邊坡走向為10°，傾向350°；邊坡長約227m，車站邊坡高16.9~23.4m。上部1.5~8.0 為土質邊坡，下部為巖質邊坡，邊坡安全等級為一級。

1） 上部土質邊坡

根據(jù)工程地質剖面圖分析，巖土界面平緩，土質邊坡受自身穩(wěn)定性控制。

2） 下部巖質邊坡

對于下部的巖質邊坡，結合結構面赤平投影圖分析，邊坡巖體內無外傾結構面，直立切坡后的主要破壞方式為沿近似傾角為45°+Φ/2 約61°的破裂角發(fā)生剪切破壞。直立切坡后邊坡處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，該邊坡的巖體類型為III 類，巖體等效內摩擦角55 ，巖體破裂角61 （45 +φ/2），巖土物理力學參數(shù)詳見表1。

表1 巖土物理力學設計參數(shù)推薦值

基坑南側采用φ800@2000 樁錨支護結構，樁基嵌入下伏中風化基巖內3 倍樁徑深，設置7 道3@28 錨桿，豎向間距2.5m，樁間采用噴錨防護，土層中設置4m 長1φ20 豎向間距1.2m 的砂漿錨桿進行掛網(wǎng)噴漿，且設置φ100 直徑泄水孔，2mx2m 梅花形布置，具體支護結構見圖2。

3 基坑坍塌原因分析

2015 年7 月底基坑大里程端南側出現(xiàn)較大水平位移，地面開裂較嚴重，經(jīng)各方現(xiàn)場查看、綜合分析，認為主要原因為地下管線漏水造成素填土、粉質黏土層長期浸泡，物理力學性質變差，引起地面較大沉降及水平位移，提出對此處進行放坡卸載，且坑內增加一道對撐。

圖2 基坑橫剖面圖

2015 年8 月17 日早晨6 點左右，因強降雨導致卸載凹槽積水無法及時排出，使基坑支護結構瞬間承受較大側壓力致使支護結構坍塌，根據(jù)現(xiàn)場坍塌情況，圍護結構樁從巖土分界面處倒向坑內，而基坑上部土體未發(fā)生大規(guī)模坍塌，樁體因承受土壓力過大被剪斷（見圖3）。

圖3 基坑支護坍塌現(xiàn)場圖

事故發(fā)生后，業(yè)主立即組織專家對事故現(xiàn)場進行調查，并結合設計方案對事故原因進行分析。8 月16 日夜間，因重慶地區(qū)普降暴雨，且場地內排水措施不暢，致使原凹槽內積水，樁間預留泄水孔無法及時排出，導致樁體側壓力瞬間過大，經(jīng)現(xiàn)場查看，支護結構體系存在以下幾點缺陷：

1） 從現(xiàn)場坍塌掉的樁體上未發(fā)現(xiàn)錨桿鉆孔，說明樁體錨桿未按照圖紙要求進行打設，樁體處于懸臂狀態(tài)，無法形成強有力的排樁式錨桿擋墻支護體系。

2） 錨頭與樁體未達到應有的錨固效果，錨桿無法形成對樁體的拉力，樁體處于懸臂狀態(tài)。

3） 原基坑面板設置有2m×3m 梅花形布置Φ100mm 泄水孔，現(xiàn)場僅少量施作，無法滿足排出樁后土體中的地下水，造成圍護樁體承受超出設計荷載的側向水壓力。

基于以上幾點原因，支護體系與原設計方案出入較大，在突發(fā)情況下，原支護體系無法承受，引起樁體被剪斷。

4 坍塌破壞機理分析

1） 從坍塌現(xiàn)場清理出的滑裂面上看，最下層滑裂面發(fā)生在土質邊坡中，該層土體性狀與勘察資料描述基本一致，按照圓弧滑動（詳見圖4）；

圖4 基坑支護坍塌示意圖

2） 結合現(xiàn)場坍塌情況，基坑支護破壞主要原因為錨桿僅在下部巖質邊坡中打設，而上部未進行打設，造成支護樁懸臂過長，局部甚至達15m，且雨水在凹槽中積聚，無法有效排水；

經(jīng)過以上原因分析，參照《建筑邊坡工程技術規(guī)范》

6.2.3 公式[4]土壓力計算：Ehk=356.9kN/m；

樁體側壓力根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》[4]公式計算，側向巖土壓力修正系數(shù)取1.1，計算結果如下：

豎樁（立柱） 按照受彎構件分析，計算時可假定立柱與錨桿交點為一鉸支座，底部視基礎嵌固情況，可假定為固定支座或鉸支座，按連續(xù)梁計算，通常豎樁（立柱） 基礎嵌入基巖內的深度超過2 倍豎樁（立柱） 橫截面尺寸時，可假定為固定端支座[4]。此立柱嵌入基巖約4m 大于2 倍D，底部按照固定支座考慮。計算見圖如下：

樁間距2.0m，樁體視為下端鉸接，支承于錨桿支點上的連續(xù)梁來計算，連續(xù)梁均布荷載標準值ehk=2.0×47.7=95.4kN/m，e1= (1.5x18+20) ×0.5=23.5 kN/m，經(jīng)計算立柱最大剪力V=1159KN，φ800 圍護樁截面不滿足抗剪要求，故立柱基本在土巖分界面處被剪斷。

5 由事故引起的思考

1） 巖土混合邊坡及基坑破壞形式及機理比較復雜，設計與施工應給予支擋結構足夠的重視，以應對極端工況。上部土質邊坡或者碎裂結構巖質邊坡可能出現(xiàn)圓弧滑動，若巖土分界面傾角大于30°，可能沿分界面整體滑動；下部巖質邊坡若存在外傾結構面可能為平面滑動，故巖土混合基坑根據(jù)地勘報告分別確定其邊坡滑動形式，綜合對比計算，設計時視情況可取最不利計算結果進行設計。

2） 應特別重視水在邊坡及基坑設計中的作用。重慶地區(qū)地下水基本為巖體裂隙水，基坑開挖需預留充足的泄水孔。若基坑變形比較大時，在基坑邊卸載需謹慎，支護結構與卸載土體之間形成的凹槽必須可靠的泄水措施，否則會增加原圍護結構的水壓力，且同時水體下滲引起土體軟化，粘聚力降低增加支護結構的負荷，造成基坑坍塌。

3） 對于樁錨、板肋式等外拉型基坑支護結構，錨索（桿） 與豎向支護結構的接頭連接必須可靠，建議錨桿與樁體主筋進行焊接，焊接長度滿足規(guī)范要求；在巖土分界面處，豎直支護結構在巖土分界面處上下2m 范圍箍筋加強，提高結構的抗剪能力。

4） 一些細小或看似無足輕重的因素常會引發(fā)重大工程事故，需要引以為戒。