淺談基坑工程的一些教訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)

張振海

（上海新榮陽(yáng)投資控股集團(tuán)，上海 200082）

0 引 言

基坑工程時(shí)有事故發(fā)生，從概率角度來(lái)看，基坑工程的事故不能完全避免，只能向概率更低的方向努力。本文研究正是基于此現(xiàn)象，通過(guò)基坑工程成功與失敗的案例分析，追根溯源，總結(jié)規(guī)律，采取“應(yīng)之以治”的措施[1]。

基坑工程涉及多學(xué)科交叉，基坑工程設(shè)計(jì)計(jì)算式需要先明晰概念，然后在概念清楚的基礎(chǔ)上建立數(shù)學(xué)模型開(kāi)始設(shè)計(jì)計(jì)算。

其次基坑工程離不開(kāi)實(shí)踐的指導(dǎo)，這是因?yàn)椋海?）巖土材料的物理力學(xué)特性要先通過(guò)勘察取樣，然后再開(kāi)展相關(guān)試驗(yàn)獲得，勘察取樣方式確定了巖土參數(shù)的不確定性與信息的不完整性；（2）基坑工程涉及多學(xué)科交叉，各學(xué)科之間又存在著復(fù)雜的相互作用，定量計(jì)算需要簡(jiǎn)化模型，這樣難免存在“失真”現(xiàn)象；（3）現(xiàn)有設(shè)計(jì)計(jì)算嚴(yán)重依賴規(guī)范，規(guī)范適用于常規(guī)工程的常規(guī)設(shè)計(jì)，針對(duì)的是普遍問(wèn)題，對(duì)一些特殊工程的特殊問(wèn)題很難適用[2]；（4）建筑材料的復(fù)雜性以及新材料、新工藝、新方法不斷涌現(xiàn)，對(duì)現(xiàn)有知識(shí)體系提出了巨大挑戰(zhàn)，現(xiàn)有理論需要進(jìn)一步拓展研究；（5）不同設(shè)計(jì)計(jì)算方法、不同設(shè)計(jì)軟件存在較大差異，同一基坑用不同的軟件計(jì)算，結(jié)果也會(huì)相差很大[3]。由此可見(jiàn)基坑工程不能完全按照理論進(jìn)行分析，需要借助工程實(shí)踐不斷補(bǔ)充與完善，兩者有機(jī)結(jié)合才能保證工程安全。

每個(gè)具體的基坑工程如同“水無(wú)常形”，相對(duì)應(yīng)的科學(xué)理論則應(yīng)“兵無(wú)定勢(shì)”。龔曉南院士提倡：“在巖土工程分析中要重視工程經(jīng)驗(yàn)，重視各種分析方法的適用條件。巖土工程的許多分析方法都是來(lái)自工程經(jīng)驗(yàn)和案例分析，而不是來(lái)自精確的理論推導(dǎo)。影響基坑工程穩(wěn)定性和變形的因素很多、很復(fù)雜，設(shè)計(jì)軟件也難以全面反映”[4]。顧寶和專家也提出：“土工問(wèn)題分析中由于計(jì)算條件的模糊性和信息的不完全性，單純力學(xué)計(jì)算不能解決實(shí)際問(wèn)題，需要巖土工程師綜合判斷。不求計(jì)算精確，只求判斷正確”。

1 概念錯(cuò)誤導(dǎo)致工程失敗

概念是本質(zhì)，概念錯(cuò)誤勢(shì)必導(dǎo)致基坑工程的失敗，下面通過(guò)幾個(gè)案例從反面進(jìn)行論證。

（1）天津某項(xiàng)目基坑出現(xiàn)險(xiǎn)情

2018年天津?yàn)I海新區(qū)某項(xiàng)目，基坑圍護(hù)變形，水平位移超出了正常范圍（35 mm），累計(jì)變形量為178.9 mm，形成基坑險(xiǎn)情[5]，因及時(shí)采取措施，基坑沒(méi)有出現(xiàn)大的險(xiǎn)情。如圖1所示。

圖1 基坑發(fā)生險(xiǎn)情與基坑邊建生活區(qū)Fig.1 Dangerous situation and temporary buildings beside the foundation pit

該工程地基為濱海新區(qū)新造陸地，填土層土質(zhì)結(jié)構(gòu)性差且時(shí)間短（10年之內(nèi)），將錨桿黏結(jié)受力體放在此層中不合理。另外離基坑 4 m處為生活區(qū)，大量的生活用水流向地下，弱化了錨索牽引力，導(dǎo)致錨索失效。

（2）上海七寶某基坑土方坍塌

2018年上海閔行區(qū)七寶新龍路基坑出現(xiàn)坍塌，如圖2所示。

圖2 基坑坍塌、土方滑坡示意圖Fig.2 Schematic diagram of foundation pit collapse and landslide

該基坑土層屬于粉土與淤泥質(zhì)土，黏聚力較低、內(nèi)摩擦角較??；臨時(shí)基坑坡度不大于1∶1.5，實(shí)際為1∶1[6]。此類(lèi)土體中挖土高度大于4 m時(shí)應(yīng)分級(jí)放坡[7]，但實(shí)際未分級(jí)放坡[6]。鋼筋棚位于坍塌附近區(qū)域，基坑邊堆載對(duì)基坑產(chǎn)生側(cè)向推力，削弱了基坑邊坡的穩(wěn)定性。

（3）南寧某中央廣場(chǎng)基坑坍塌

2019年南寧綠地中央廣場(chǎng)基坑體系出現(xiàn)坍塌。坍塌前兩天出現(xiàn)險(xiǎn)情，最大位移達(dá) 500 mm，但相關(guān)人員評(píng)估后錯(cuò)誤地認(rèn)為基坑安全而沒(méi)有采取加固的措施，只是簡(jiǎn)單采取了停工處理；其后兩天險(xiǎn)情加重至坍塌，如圖3所示（正在傾倒中的坑體）。

圖3 正在傾倒中的坑體Fig.3 Dam body in dumping

該基坑工程設(shè)計(jì)圖紙中沒(méi)有顯示出道路內(nèi)包含有自來(lái)水等相關(guān)的管線，也沒(méi)有考慮管線對(duì)錨索的影響。錨索處于長(zhǎng)期漏水的自來(lái)水管道處，漏水造成錨索結(jié)構(gòu)失效。基坑坍塌前已出現(xiàn)了大量涌水現(xiàn)象，以及變形超過(guò)規(guī)定值，此時(shí)應(yīng)采取斷水、堵水以及加固措施而非只是停工。

此工程項(xiàng)目設(shè)計(jì)單位不按國(guó)家規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)，基坑在道路邊的設(shè)計(jì)應(yīng)進(jìn)行基坑的變形設(shè)計(jì)，而非只是穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)方案未經(jīng)專家論證就提前施工，施工單位不按設(shè)計(jì)和規(guī)范施工，即甲方、設(shè)計(jì)、施工都“無(wú)知無(wú)畏”野蠻工作[8]。

（4）余姚某基坑支撐體系折斷

2020年浙江余姚某項(xiàng)目發(fā)生基坑支撐混凝土梁折斷，柱傾斜（踢腳破壞）的事故，如圖4所示。

圖4 基坑支護(hù)折斷Fig.4 Foundation pit struts broken

該事故主要由管理不善造成?；娱_(kāi)挖過(guò)程中，土方車(chē)輛管理不善而抄近路，在部分水平支撐混凝土梁上行車(chē)，導(dǎo)致混凝土結(jié)構(gòu)損壞，形成隱患。同時(shí)清潔車(chē)輛的水源不斷向地下滲漏，部分土壤流失、強(qiáng)度降低。

淤泥與淤泥質(zhì)土上的行車(chē)重量很大，加上土體強(qiáng)度降低，土體擠壓后將荷載傳到基坑側(cè)邊立柱，造成立柱傾斜與折斷（踢腳破壞）。

從上述幾個(gè)基坑案例可以看到，概念錯(cuò)誤引起的工程事故，超挖、滲漏水影響、整體開(kāi)挖與分片開(kāi)挖、施工順序等問(wèn)題的解決都需要明確的基坑受力和變形機(jī)理為支撐，基坑工程設(shè)計(jì)應(yīng)強(qiáng)調(diào)按變形控制設(shè)計(jì)，考慮周?chē)ǎ?gòu)）筑物及地下管線的相互影響。

“無(wú)知無(wú)畏”的野蠻施工是管理層面業(yè)績(jī)需要（盲目指揮），經(jīng)濟(jì)層面效益需要（壓縮成本），時(shí)間層面工期需要（縮短工期）等多方原因引起的?？茖W(xué)設(shè)計(jì)、合理施工才是工程安全的重要保障。

2 概念正確取得成功案例

概念正確將是取得成功的前提條件，下面例舉4個(gè)案例從正面進(jìn)行分析。

（1）紹興某基坑隱患明顯卻能安然無(wú)恙

紹興某基坑位于老舊小區(qū)邊，基坑邊有 20世紀(jì) 80年代所建房屋，為非樁基結(jié)構(gòu)，此房屋山墻距離圍墻（紅線）只有 3 m，處理不慎極易形成此老舊房屋的基礎(chǔ)變形。項(xiàng)目所處地址位于“水網(wǎng)區(qū)域”，明河與暗浜密集分布，地下水穩(wěn)定水位埋深在 0.47～1.47 m，與河道水位相同[9]?；娱_(kāi)挖深度及影響范圍內(nèi)土層主要為雜填土、粉質(zhì)黏土、黏質(zhì)粉土、淤泥質(zhì)土等。在這樣的土層上開(kāi)挖，淤泥質(zhì)土的力學(xué)性能很差，會(huì)引起基坑的不穩(wěn)定與基坑坑底隆起等問(wèn)題?；佑衷诤拥肋?，地下水位很高，開(kāi)挖存在的風(fēng)險(xiǎn)大，為此采取3個(gè)措施：

a）采取措施保障基坑邊老舊小區(qū)安全，這里變形是主要問(wèn)題。因此從概念方向上采用兩個(gè)辦法：一是減少開(kāi)挖面積，將車(chē)庫(kù)南面取消，車(chē)庫(kù)所缺部分增加到東面的 2層車(chē)庫(kù)中；二是將中間（西部）車(chē)庫(kù)部分進(jìn)行加強(qiáng)支護(hù)，加強(qiáng)基坑變形監(jiān)測(cè)，如圖5所示。

圖5 基坑邊老舊小區(qū)房屋Fig.5 Old residential houses enclosure of old community

b）2層地下室的開(kāi)挖深度為10.75 m，項(xiàng)目當(dāng)?shù)匾?guī)定超過(guò)8 m的基坑宜進(jìn)行雙內(nèi)支撐體系，參考當(dāng)?shù)匾?guī)定建議，經(jīng)過(guò)多次論證后，采用“單層內(nèi)支撐體系”結(jié)合“錨索補(bǔ)強(qiáng)”的方式，保證基坑穩(wěn)定[10]，如圖6～7所示。

圖6 深基坑部位加強(qiáng)支撐Fig.6 Strengthening support at deep foundation pit

c）嚴(yán)格按基坑規(guī)定施工。灌注樁、壓頂梁、支撐梁及連系梁混凝土強(qiáng)度達(dá)到 100%后才開(kāi)始挖土；土方開(kāi)挖按分區(qū)、分層（2 m內(nèi)）、先撐后挖、先換撐后拆撐。壓頂梁及支撐梁上設(shè)置禁界區(qū)域，防范包括挖土機(jī)在內(nèi)對(duì)支撐梁進(jìn)行的碾壓，保證了工程的順利施工。

圖7 錨索加強(qiáng)節(jié)點(diǎn)詳圖Fig.7 Anchor cable reinforcement node

（2）慈溪某基坑“先淺后深”開(kāi)挖安然無(wú)恙

常規(guī)基坑工程施工是“先深后淺”，但慈溪某項(xiàng)目二期的低層商業(yè)用于出售，三期多層商業(yè)是自持物業(yè)；開(kāi)發(fā)商基于資金原因先施工二期低層商業(yè)用房，再建設(shè)三期多層自持商業(yè)房，即形成了“先淺后深”的基坑開(kāi)挖順序。本項(xiàng)目采取了如下措施：

a）型鋼、鋼管與填芯。在二期商業(yè)與三期商業(yè)之間的重力式水泥攪拌樁中插入型鋼，其次是用鋼管將此型鋼進(jìn)行連接，將鋼管埋入二期商業(yè)的底板中將壩體（水泥土擋土墻）牽引；再次將二期商業(yè)離壩體7.5 m范圍內(nèi)的空心樁進(jìn)行灌實(shí)，增強(qiáng)剪切力。如圖8～9所示。

圖8 補(bǔ)強(qiáng)“淺與深”部位處的壩體示意Fig.8 Schematic diagram of dam body at ‘shallow and deep’parts of reinforcement

b）兩道錨索代替內(nèi)支撐。按常規(guī) 2層地下室的深基坑為內(nèi)支撐進(jìn)行支護(hù)，但案例所采取的“先淺后深”的方式，內(nèi)支撐無(wú)受力點(diǎn)，為此采用兩道錨索進(jìn)行，相當(dāng)于兩道內(nèi)支撐的受力體系。

c）先錨后挖施工。施工采用先錨后挖，首先完成圍護(hù)樁、冠梁與第一道錨索；其次挖地下室 1層土，達(dá)到 2層地下室頂板約-5 m高度時(shí)進(jìn)行第二錨索施工。

d）頂板牽引的補(bǔ)強(qiáng)。地面硬化的寬度按 1.5倍基坑深度設(shè)置，即大約 15 m以上的水平寬度；其次是將冠梁的鋼筋深入到地面硬化鋼筋混凝土板內(nèi)（200 mm厚）。

圖9 補(bǔ)強(qiáng)“淺與深”部位處的壩體實(shí)圖Fig.9 In-site diagram of dam body at ‘shallow and deep’ parts of reinforcement

（3）湛江某先淺后深基坑也能安然無(wú)恙

湛江某項(xiàng)目分為兩期，第一期為1層地下室，二期為2層地下室，因1層地下室比2層的地下室施工速度快，因此需要快速建至 16層后預(yù)售回籠資金（當(dāng)?shù)仡A(yù)售條件是2/3結(jié)構(gòu)完成，即總高24層建到16層），二期的地下2層需要在一期資金回籠后才進(jìn)行開(kāi)工，即房地產(chǎn)公司基于資本驅(qū)動(dòng)需要進(jìn)行“先淺后深”基坑施工。

為此，在1層地下室與2層地下室之間需要進(jìn)行圍護(hù)結(jié)構(gòu)才能保障樓房的安全與基坑的安全，否則先進(jìn)行2層地下室施工則按坡率法進(jìn)行放坡到1層地下室區(qū)域的施工，以及按常規(guī)在有圍護(hù)措施的條件下，8號(hào)樓可以建至10層（大量經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)得出），但本項(xiàng)目的要求是 16層，比常規(guī)高出6層，約18 m的高度，仍需要進(jìn)一步加強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)才能保障樓房建到16層的安全性。

為此，采取 4個(gè)措施：a）一期地下室負(fù) 1層地下室底板（-5.0 m）與圍護(hù)冠梁連為一體，利用結(jié)構(gòu)板增強(qiáng)支護(hù)穩(wěn)定性；b）在 8號(hào)樓南側(cè)與東側(cè)、13樓西南角增加直徑為400 mm的實(shí)心管樁進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，深入到地下2層基礎(chǔ)的長(zhǎng)度按地下2層1.5倍深度，即 9 m左右，樁頂端的鋼筋與一期地下室1層底板鋼筋焊接相接，形成整體受力體系；c）在 8號(hào)樓南面與東面兩側(cè)，地下室 2層底板（-10.0 m）靠圍護(hù)樁處，增設(shè)暗梁寬 0.40 m×厚0.30 m（同底板厚），將此暗梁與圍護(hù)樁連為一體，并在增強(qiáng)支護(hù)樁相鄰的兩跨范圍約 10 m范圍內(nèi)地下 2層底板先行施工，增加底板水平支撐作用；d）地下2層地板處在兩跨約10 m范圍內(nèi)的管樁樁芯內(nèi)澆灌混凝土，內(nèi)置長(zhǎng)9 m的4根Ф16鋼筋。如圖10～11所示。

圖10 先施工地下1層區(qū)域Fig.10 Construction of the first basement area

通過(guò)以上措施，既保障了基坑的施工安全，也順利滿足了項(xiàng)目資金周轉(zhuǎn)需要。

圖11 采取措施示意圖Fig.11 Schematic diagram of measures taken

（4）?？谀郴渝^索改變也能安然無(wú)恙

?？谀郴庸こ淌┕ぶ粱幽蟼?cè)-8.1 m標(biāo)高，打設(shè)錨索時(shí)鉆至 12～16 m深度后無(wú)法鉆進(jìn)。后了解到道路管廊下部有滿堂布置的三軸攪拌樁。為此進(jìn)行了方案調(diào)整：a）在標(biāo)高-8.1 m處，施工一道長(zhǎng)度12.0 m旋噴錨索；b）在相對(duì)標(biāo)高-9.1 m處增加一道直徑150 mm，長(zhǎng)度30.0 m的普通錨索，設(shè)置自由段長(zhǎng)度20.0 m，采用全套管鉆進(jìn)（能穿過(guò)管廊底部坑內(nèi)加固部分）錨固段長(zhǎng)度 10.0 m；c）坑底采用高壓旋噴樁進(jìn)行加固處理（深度 4.0 m，寬度2.0 m），如圖12～13所示。

圖12 原設(shè)計(jì)的施工圖Fig.12 Construction drawing of original design

方案調(diào)整后基坑開(kāi)挖過(guò)程中一度出現(xiàn)個(gè)別部位漏清水現(xiàn)象，漏水嚴(yán)重處進(jìn)行了堵塞，不嚴(yán)重處沒(méi)有封堵，只在底部進(jìn)行排水收集，基本保證了基坑的安全。

圖13 調(diào)整方案后施工圖Fig.13 Construction drawing after adjustment scheme

3 基坑工程兼顧經(jīng)營(yíng)與安全

基坑工程設(shè)計(jì)涉及到多方面問(wèn)題，不僅要考慮技術(shù)安全，也要兼顧成本和工期。對(duì)于前面介紹的“先淺后深”基坑開(kāi)挖工程，也可以通過(guò)技術(shù)手段滿足安全性要求。

3.1 通常做法

從安全角度考慮，基坑工程應(yīng)該先施工與開(kāi)挖深部基坑，完成后再施工淺部基坑，這樣的施工順序可以較好地保障基坑安全。但目前很多項(xiàng)目特別是房地產(chǎn)項(xiàng)目受制于資本，常采用“高速周轉(zhuǎn)”經(jīng)營(yíng)模式，需要采用“先淺后深”的基坑開(kāi)挖順序，目的是淺基坑施工工期短，快速將樓房建到某個(gè)規(guī)定高度后可以“預(yù)售”回籠資金，對(duì)于自持物業(yè)部分，由于不能進(jìn)行銷(xiāo)售產(chǎn)生現(xiàn)金流，一般最后建設(shè)，這樣資金成本相對(duì)低一些。

3.2 建設(shè)到地面±0.000后停的做法

這種情況下可以選擇先進(jìn)行深基坑的施工，將其施工到與淺基坑相同高度時(shí)，同時(shí)施工淺基坑，將深基坑所在的建筑物建到地面±0.000時(shí)停止。而淺基坑所在的建筑物繼續(xù)施工，這樣既能保障兩個(gè)基坑與建筑物的安全，又能平衡資金回流與后期工程建設(shè)的要求。

前文介紹的慈溪基坑工程項(xiàng)目，房地產(chǎn)公司所自持的大型商業(yè)不能銷(xiāo)售，需要投入大量的建設(shè)資金。但湛江的基坑項(xiàng)目，通過(guò)“先淺后深”方法，成功實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)金流收入?？梢?jiàn)通過(guò)工程技術(shù)手段，如上部淺基坑底板處水平拉結(jié)、下部深基坑底板處水平支撐，管樁填芯增強(qiáng)搞剪力，或者采用 SMW 工法樁、鉆孔灌注樁、錨索加強(qiáng)性等方法，因地制宜，可以同時(shí)滿足資金和安全兩方面的要求。

4 結(jié) 論

基坑工程是實(shí)踐性很強(qiáng)的學(xué)科，需要充分建立在科學(xué)的理論概念上，其次才是定量計(jì)算，否則錯(cuò)誤概念上再精確的計(jì)算也毫無(wú)意義。本文通過(guò)工程事故和成功案例介紹，強(qiáng)調(diào)了設(shè)計(jì)中概念的重要性，只要采取適當(dāng)?shù)拇胧?，就可以?guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)，保障基坑安全。基坑工程設(shè)計(jì)還需要兼顧項(xiàng)目的經(jīng)營(yíng)行為，服務(wù)于整體利益與大局。