深厚淤泥地質(zhì)條件下基坑事故前后的關(guān)鍵治理技術(shù)

楊凌志

上海建工一建集團(tuán)有限公司 上海 200120

1 工程概況

1.1 支護(hù)體系概況

珠海橫琴島某基坑在兩山間低洼處，東西長290 m，南北寬約70 m，面積約21 000 m2，挖深8.2～11.8 m。支護(hù)體系采用樁長28.0～32.3 m的φ1.0 m@1.2 m水下C35鉆孔灌注樁，2道鋼筋混凝土內(nèi)支撐和基底雙軸水泥攪拌樁滿堂加固。鋼立柱0.6 m 0.6 m，下設(shè)φ1.2 m鉆孔樁。

1.2 地質(zhì)概況

基坑所處地貌為濱海平原，原為魚塘、灘涂，后經(jīng)吹填、回填形成，基坑涉及地層有填土、淤泥層、粉黏土、中細(xì)沙等，其中，淤泥層普遍厚19.7 m，最大厚28.4 m。開挖深度內(nèi)土層依次為①1填砂、①2素填土、②淤泥。

1.3 基坑周邊環(huán)境

基坑?xùn)|、西、北3側(cè)正在堆土覆水預(yù)壓軟基處理，堆土高出第1道支撐面約5.7 m，距基坑12.0 m，南側(cè)為寬25～40 m反力土臺與第1道支撐面齊平，四周無永久管線與建筑物。

1.4 基坑險情簡介

基坑工程接收時，感官質(zhì)量較差，支護(hù)樁局部夾泥、間隙大，支撐于頂圈梁處出現(xiàn)裂縫、脫開跡象，立柱單方向傾斜，坑內(nèi)加固稀爛，中部局部底板完成。中間監(jiān)測結(jié)果顯示基坑健康程度非常差，其深層水平位移為報警值的數(shù)倍。

此外，監(jiān)測結(jié)果還顯示，第1道支撐中的ZN1-3、ZN1-7等2個監(jiān)測點(diǎn)和第2道支撐中的ZN2-4、ZN2-6等6個監(jiān)測點(diǎn)的軸力也遠(yuǎn)超相應(yīng)的報警值與控制值?；谏鲜銮闆r，需要對基坑進(jìn)行搶險。

2 險情基坑治理關(guān)鍵技術(shù)措施

2.1 粘貼鋼板法加固支撐技術(shù)

由于基坑北側(cè)受到市政道路真空覆土預(yù)壓和2層土開挖影響，頂圈梁與圍護(hù)樁轉(zhuǎn)動變形并沉降，其交接處受彎產(chǎn)生的橫向裂縫持續(xù)發(fā)展。為避免支撐破壞，對支撐末端頂面1/2跨度進(jìn)行錨固粘鋼補(bǔ)強(qiáng)。粘鋼膠起效較快，從而能快速提高支撐抗彎與抗變形能力。

2.2 型鋼立柱糾偏加固技術(shù)

由于鋼立柱垂直度不達(dá)標(biāo)，在基坑變形的作用下，個別鋼立柱的垂直度已嚴(yán)重傾斜至1/50。當(dāng)挖至墊層底，樁柱體長細(xì)比增大，基底加固體軟弱約束能力不強(qiáng)，易形成壓屈失穩(wěn)破壞。

為避免影響支撐結(jié)構(gòu)體系，采用現(xiàn)澆勁性混凝土結(jié)構(gòu)的方法進(jìn)行加固。即在立柱底周邊2 m范圍內(nèi)進(jìn)行配筋早強(qiáng)墊層及時澆筑，剔除樁內(nèi)浮土、浮漿，超灌混凝土視需要適當(dāng)保留，結(jié)合傾斜方向與偏離尺寸，外包厚度不小于200 mm的鋼筋混凝土?？v向鋼筋和箍筋截面、數(shù)量、間距，根據(jù)偏心樁柱體系計算結(jié)果確定，但不得少于柱底灌注樁鋼筋用量，兩者鋼筋焊接連接。采用早強(qiáng)C40自密實混凝土可基本恢復(fù)立柱樁承載力。

2.3 底板分塊限時施工技術(shù)

一般情況下，最后一層土方以底板后澆帶進(jìn)行分塊，按結(jié)構(gòu)施工順序開挖?？紤]到基坑變形已超報警值，最后一層土方還得遵循分段、對稱、平衡、跳倉開挖的施工原則。即先行開挖完成中部塔樓區(qū)域底板，后分塊開挖裙邊底板（圖1）。大塊施工順序先B、D后A、C、E，小塊按數(shù)字順序進(jìn)行。小塊分塊長度約20 m，每一小塊底板澆筑完成后，再開挖下一小塊。裙邊C30早強(qiáng)墊層加厚至300 mm，內(nèi)配預(yù)制φ16 mm@200 mm雙層雙向鋼筋，在開挖開始的8 h內(nèi)完成。取消底板外防水，改為內(nèi)防水，以減少工序，加快施工節(jié)拍。剩余鋼筋綁扎、混凝土澆筑作業(yè)16 h內(nèi)完成。背景項目中D-2、D-3兩個分區(qū)順利完成，相鄰測斜點(diǎn)變形增加3.3 mm，未觸發(fā)臨時報警值。

圖1 底板土方開挖分區(qū)

2.4 自動化信息監(jiān)測技術(shù)

項目部在第三方監(jiān)測基礎(chǔ)上采取自動化信息監(jiān)測技術(shù)。自動監(jiān)測站設(shè)置于較為安全的南側(cè)土臺，監(jiān)測頻率6 h一次，對東北西3側(cè)的頂圈梁頂、第2道支撐頂、鋼立柱頂、傾斜較大的鋼立柱、測斜較大的圍護(hù)樁等進(jìn)行重點(diǎn)觀測記錄（圖2）。使用監(jiān)測機(jī)器人（TS60全站儀）監(jiān)控測量點(diǎn)的水平、豎直角和斜距，自帶軟件推算三維坐標(biāo)，通過一組監(jiān)測點(diǎn)描繪出圍護(hù)體的三維數(shù)據(jù)，可經(jīng)過4G通信傳輸模塊上傳至云端或直接微機(jī)備份，將數(shù)據(jù)映射輸出，算法整理形成報告，報告通過郵件等方式自動轉(zhuǎn)發(fā)給參建各方管理人員。一個監(jiān)測機(jī)器人采集100個點(diǎn)的數(shù)據(jù)只需耗時16 min左右，監(jiān)測頻率可以根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)和機(jī)器人的布設(shè)數(shù)量確定[1-4]，以做到一定頻率的實時監(jiān)測數(shù)據(jù)刷新和指定監(jiān)測刷新，使基坑工作狀態(tài)實時透明。

圖2 激光監(jiān)測點(diǎn)位剖面示意

3 基坑事故發(fā)生與原因分析

背景項目中底板D-3完成后，開挖至D-4時，基坑發(fā)生事故。從基坑破壞形態(tài)可初步推斷為圍護(hù)體踢腳變形過大而導(dǎo)致第2道支護(hù)體系整體破壞，土體從踢腳側(cè)隆起，外側(cè)地表坍塌（圖3、圖4）。

圖3 基坑支撐斷裂現(xiàn)場

圖4 基坑外塌陷現(xiàn)場

3.1 事故經(jīng)過

D-4區(qū)土方（挖深9.5 m）夜間開挖、局部加筋墊層施工完畢后，次日晨檢發(fā)現(xiàn)該區(qū)頂圈梁（頂部水平測點(diǎn)）附近出現(xiàn)明顯裂縫（＞0.5 mm），自動監(jiān)測報告顯示近2次報警點(diǎn)增多，報警值接近核定控制值并有快速變大趨勢。中午，自動監(jiān)測顯示數(shù)個報警點(diǎn)超過實際控制，第三方進(jìn)行該區(qū)域加密監(jiān)測，同時啟動應(yīng)急撤離程序。黃昏，現(xiàn)場巡視人員發(fā)現(xiàn)D-4圍護(hù)體裂縫繼續(xù)發(fā)展，40 min后東北側(cè)支撐與排樁異響，外側(cè)土體約50 m半徑范圍內(nèi)大面積塌陷，遠(yuǎn)觀其所在區(qū)域5根第2道支撐梁剪斷，墊層與鋼筋已隆起至第2道支撐底。

3.2 事故影響

基坑北側(cè)D、E區(qū)支護(hù)體系完全破壞，東西南3側(cè)尚完好；北側(cè)相鄰市政道路真空及堆載聯(lián)合預(yù)壓排水固結(jié)作業(yè)的封包破壞；D-4區(qū)基底13根大直徑鉆孔灌注工程樁發(fā)生200 mm偏移；無人員傷亡，直接財產(chǎn)損失1 500萬元，間接損失工期延誤4個月，二次治理費(fèi)用5 000萬元；施工、搶險、監(jiān)理、建設(shè)單位商譽(yù)受損。

3.3 事故原因分析

3.3.1 主要原因

1）深厚淤泥地質(zhì)未妥當(dāng)考慮?；涌拥准皣o(hù)體主要以深厚淤泥（孔隙比大于1.5）為主，厚度20～30 m不等，自然放坡在1∶8情況下有流動性，土力學(xué)參數(shù)極差。圍護(hù)體側(cè)壁淤泥易流動、坑底易隆起、主動土壓力相對很高?；缀? m的淤泥被動土體雖采用水灰比為0.5的20%水泥摻量雙軸攪拌樁網(wǎng)格式加固，但實際固化效果不理想，原施工單位存在偷工減料的可能，開挖到基底時被動土體抗變形能力（黏聚力、摩擦角、被動土壓力系數(shù)）與設(shè)計不符，易引起圍護(hù)體中下部變形過大、淤泥層滑動、坑底隆起等圍護(hù)體破壞現(xiàn)象。

2）安全意識缺乏。參建各方安全風(fēng)險意識缺乏，原圍護(hù)體施工單位淤泥基坑施工不合理且僥幸心理較強(qiáng)。當(dāng)深層水平位移（12～20 m深度）變形達(dá)到報警值40 mm的3倍、4倍時，參建各方仍未警覺。直到達(dá)到300 mm變形的程度，才在后續(xù)標(biāo)段單位的提醒下認(rèn)定存在嚴(yán)重風(fēng)險，并安排相關(guān)單位組織搶險排險。搶險單位順利完成2塊底板后，亦產(chǎn)生麻痹思想，失去了對深基坑工程大風(fēng)險的警惕，松懈的情緒加之處置不當(dāng)，誘發(fā)了基坑事故。

3）周邊環(huán)境條件工況變化?；颖眰?cè)市政道路未經(jīng)過建設(shè)方與主管部門同意，擅自將聯(lián)合預(yù)壓區(qū)域堆載從3.0 m抬高至5.7 m，主動土壓力荷載遠(yuǎn)超過80 kPa日設(shè)計工況；同時施工單位大型挖機(jī)、土方車、混凝土罐車等重型車輛來回碾壓，動荷載影響也對圍護(hù)體不利。

3.3.2 間接原因

1）圍護(hù)體系存在質(zhì)量缺陷。圍護(hù)單位施工質(zhì)量較差，經(jīng)第三方檢測發(fā)現(xiàn)圍護(hù)體鉆孔灌注樁存在樁長、承載力、強(qiáng)度檢測不合格的情況，Ⅱ類以上樁占比超30%，并存在個別斷樁現(xiàn)象，明顯是對淤泥中成孔灌注樁施工的經(jīng)驗不足導(dǎo)致?？觾?nèi)被動土體雙軸水泥攪拌樁加固強(qiáng)度未達(dá)到0.8 MPa，第1次試樁后施工參數(shù)調(diào)整不合理，未進(jìn)行第2次試樁檢驗判斷。

2）未充分考慮時空效應(yīng)，施工不當(dāng)。圍護(hù)單位在分2層開挖基坑土方時，未充分采用分段、分塊、對稱、平衡、限時的開挖原則，未充分實踐時空效應(yīng)理論，在勞動力不充裕、機(jī)械安排偏少的情況下，導(dǎo)致開挖加撐的工期較長，圍護(hù)體變形極大。搶險單位在裙邊小塊土方開挖及墊層施工完畢后，在無底板暴露時間雖未超過24 h的情況下，但仍觸雷發(fā)生險情與事故。

3）應(yīng)急響應(yīng)處置不及時不深入?，F(xiàn)場巡視人員發(fā)現(xiàn)裂縫險情后，各項監(jiān)測數(shù)據(jù)尚未收斂，但并未第一時間通報主管部門，未要求建設(shè)方啟動應(yīng)急預(yù)案，亦未提醒要求市政道路單位對基坑周邊土體進(jìn)行卸載，失去了搶救的先機(jī)，從而使得變形繼續(xù)發(fā)展，最后導(dǎo)致踢腳與支撐體系整體破壞。

4 基坑搶險關(guān)鍵技術(shù)措施

基坑搶險需考慮現(xiàn)場險情工況與應(yīng)急資源存儲情況，因地制宜。該次搶險本著“以消除不平衡土壓力為主要矛盾，采取對稱、平衡、逐塊、均衡卸載釋放土壓力的措施，采用動態(tài)監(jiān)測技術(shù)監(jiān)控”為主的技術(shù)路線，避免二次災(zāi)害，保障后續(xù)基坑狀態(tài)安全穩(wěn)定。

4.1 回填反壓，控制圍護(hù)體持續(xù)變形

基坑?xùn)|、西兩側(cè)為獨(dú)立角撐區(qū)域，受事故影響較小，考慮到兩邊市政道路基礎(chǔ)基本完畢，且是后期搶險主要通道。故立即采用沙袋回填錯縫碼放的方法，沙袋縫隙采用粗砂、礦粉鋪滿，坡頂與第1道支撐底相平，頂寬15 m，按1∶1.5放坡至第2道支撐底（土面）。

北側(cè)就地取材，回填市政道路堆載沙土，從基坑底回填至第2道支撐底，坡頂寬≥15 m，1∶1.5放坡（圖5）。

圖5 回填反壓控制施工示意

4.2 挖深3倍范圍卸載，減輕不平衡土壓力

北側(cè)為真空預(yù)壓土體，優(yōu)先卸載塌方與其周邊20 m范圍區(qū)域（D-1、D-2、D-3），卸載總長度約150 m，寬度約50 m，兩級放坡卸載，綜合坡比1∶8。其底平臺卸載至與第2道支撐面相平（標(biāo)高－0.8 m），寬23 m；中平臺標(biāo)高＋3.0 m，寬5 m，坡面掛φ8 mm@150 mm 150 mm鋼筋網(wǎng)并噴射厚100 mm的C20混凝土。

南側(cè)為平衡支撐水平軸力的反力土臺，寬度25～ 40 m，土臺頂面與基坑底面落差在8 m左右，第2道支撐錯位后，形成只有第1道支撐的大跨度結(jié)構(gòu)，風(fēng)險較高，必須卸載至地下1層底板底（絕對高程－1.00 m），并與北側(cè)同步進(jìn)行。

4.3 基坑搶險監(jiān)測技術(shù)

卸載過程中，第三方監(jiān)測單位對已破壞監(jiān)測點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)充恢復(fù)，每天測量2次，重點(diǎn)關(guān)注軸力、測斜、頂圈梁、立柱樁的位移與沉降監(jiān)測。搶險單位采取全天候巡視與自動化施工監(jiān)測并保持常態(tài)，一旦發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點(diǎn)超過審定報警值、裂縫點(diǎn)突變、圍護(hù)構(gòu)件冒煙、脆性聲響、掉灰，立即執(zhí)行預(yù)案，避免發(fā)生二次災(zāi)害。

5 加固治理關(guān)鍵技術(shù)措施

基坑搶險完成穩(wěn)定后，需對原圍護(hù)體進(jìn)行性能評估，結(jié)合周邊環(huán)境、搶險遺留工況與結(jié)構(gòu)特點(diǎn)等綜合考慮，主要解決后續(xù)淤泥基坑工程施工、地基基礎(chǔ)與周邊市政工程補(bǔ)強(qiáng)、關(guān)鍵線路施工部署等問題。

5.1 北側(cè)基坑破壞段治理技術(shù)

基坑破壞段外圍已大范圍卸載處理，適合采用重力壩無支撐施工，從而保障主樓結(jié)構(gòu)先行，同時重力壩加固體可補(bǔ)償市政道路基礎(chǔ)承載力問題。

塌方段不考慮原基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，采取新增2排SMW工法樁（樁長內(nèi)側(cè)不小于34 m，外側(cè)不小于28 m，間距8 m），內(nèi)嵌三軸攪拌樁和雙軸攪拌樁形成的格柵墻，基坑內(nèi)側(cè)采用高壓旋噴樁和雙軸水泥攪拌樁坑內(nèi)加固。其他對撐段80%以上深層位移均有200 mm，考慮已經(jīng)疲勞破壞，按上述方式加固。

施工期間考慮塌方土體的破壞面可能存在裂隙，以及卸載區(qū)域土體下方淤泥力學(xué)性質(zhì)不穩(wěn)定的因素，采用路基箱優(yōu)先施工內(nèi)排SMW工法樁內(nèi)側(cè)的三軸攪拌樁，固化淤泥封堵裂隙，保障后續(xù)工法樁施工質(zhì)量。隨后進(jìn)行中間區(qū)域格柵加固，與外排SMW工法樁形成一整幅重力壩體。

最后，采用雙管旋噴樁內(nèi)插φ114 mm鋼管進(jìn)行壩體補(bǔ)縫咬合。頂部設(shè)1 200 mm 800 mm的C30圈梁，用厚400 mm的C30內(nèi)配雙層雙向φ16 mm@180 mm壓頂板相連。壩體外保留搶險卸載階段預(yù)留的綜合坡比1∶6的二級放坡。

5.2 南側(cè)土臺區(qū)域（未破壞段）治理技術(shù)

考慮南側(cè)卸荷至地下1層底板面，可先行澆筑封底并預(yù)留鋼筋，待第2道內(nèi)支撐拆除后，與圍護(hù)體樁頭連接，現(xiàn)澆形成整體，老圍護(hù)體與結(jié)構(gòu)共同作用為后續(xù)基坑工程提供保障。

5.3 角撐段（高風(fēng)險段）治理技術(shù)

經(jīng)過檢測東北角支護(hù)體系明顯破壞，其他區(qū)域均已疲勞破壞，第1道已扭曲的冠梁及支撐梁拆除。在原樁后新增1排鉆孔灌注樁并補(bǔ)充2道內(nèi)支撐，間隙采用高壓旋噴填充，新做頂圈梁將新老圍護(hù)體連接。新圍護(hù)樁比原方案選擇更大側(cè)向剛度，樁徑放大至1.3 m@1.5 m，并插入砂層2 m，故樁長保證42 m以上。

5.4 支撐拆除技術(shù)與控制要點(diǎn)

采取內(nèi)壓外卸的策略后，2道支撐可同時拆除。但拆除作業(yè)還需考慮到坑內(nèi)回填反壓沙袋和土體能否形成有效換撐，避免拆撐擾動影響新圍護(hù)體系強(qiáng)度發(fā)展，故約定支撐拆除工況為，相對應(yīng)的區(qū)域坑內(nèi)局部回填完成時間不小于15 d，內(nèi)排SMW工法樁完成時間不小于7 d。

同時支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)表明對撐支撐體系仍有較大的內(nèi)應(yīng)力，需采用分區(qū)塊分段跳倉拆撐，拆撐順序優(yōu)化為D-1→C-1→D-2→D-3→C-2（圖6），其中每一分塊第1跨支撐拆除后進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)穩(wěn)定才可大面積拆除。

圖6 支撐拆除平面分塊

6 結(jié)語

1）類似珠海橫琴島的深厚淤泥基坑，淤泥流塑、孔隙比大于1.5、含水率61%、具有1～8的高流動性和觸變性等，參建單位應(yīng)當(dāng)重視“在泥漿中造浴缸”的基礎(chǔ)工程風(fēng)險。支護(hù)設(shè)計時注意圍護(hù)樁底應(yīng)有效固嵌、足夠的側(cè)向剛度及換填基底超挖的可能性。施工單位應(yīng)注意成樁質(zhì)量和垂直度要求，特別注意粉噴攪拌樁對淤泥加固效果，泥漿護(hù)壁樁避免頸縮夾泥，各類樁必須進(jìn)行試樁檢驗。

2）淤泥地質(zhì)軟基處理可有效改善土的各項力學(xué)性能，當(dāng)充分考慮圍護(hù)體系范圍時，還能極大地改善圍護(hù)體主動土體壓力和被動土壓力。大開荒環(huán)境下，周邊環(huán)境易發(fā)生變動，如正在軟基處理（堆載、真空、強(qiáng)夯）可能對圍護(hù)體系產(chǎn)生額外荷載。參建單位應(yīng)當(dāng)重視堆載法會削弱圍護(hù)體抗剪、抗彎、整體抗傾覆能力，但真空法的利弊還需要研究。

3）在深厚淤泥基坑中，時空效應(yīng)原理有顯著體現(xiàn)，必須分層分塊開挖，以減少空間效應(yīng)，降低應(yīng)力水平，分塊大小控制在24 h或16 h內(nèi)能完成快挖快撐施工，才能有效控制淤泥流變變形位移。嚴(yán)格控制挖撐、換撐步序，如盆式開挖留邊土，邊桁架撐分塊、分段、對稱、限時快挖快撐，提高混凝土支撐早期強(qiáng)度，分塊拆撐減少大跨度工況暴露時間等。

4）風(fēng)險極大且需實時監(jiān)控管理的基坑工程，甚至是不適宜用人進(jìn)行巡查監(jiān)測的沉井沉箱工程，采用自動化監(jiān)測技術(shù)是完全必要的?，F(xiàn)在5G通信網(wǎng)絡(luò)、云計算、傳感器元件、機(jī)器人等技術(shù)整合研發(fā)難度與投用成本也在降低，本案例所采用自動化監(jiān)測機(jī)器人技術(shù)仍處于初級階段，但仍對項目應(yīng)急疏散、搶險監(jiān)測起到了積極作用，后續(xù)仍有較大的發(fā)展前途。