地鐵車站基坑施工安全技術(shù)分析與對策摘要:以地鐵車站基坑施工中發(fā)生的安全事故為例,從工程地質(zhì)特性、發(fā)生事故的原因及處理措施等方面進行分析,提出了相應(yīng)的技術(shù)對策和基坑圍護結(jié)構(gòu)滲漏檢驗方法及安全性驗算方法。關(guān)鍵詞:基坑施工 管涌 分析 施工對策1工程概述 明挖地鐵車站的基坑工程主要由基坑圍護結(jié)構(gòu)、基坑內(nèi)支撐系統(tǒng)、基坑降水等組成。圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐施工控制的好壞直接影響基坑的安全穩(wěn)定,常見的基坑失穩(wěn)、管涌等安全事故的發(fā)生多數(shù)都與圍護結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐有關(guān)。某地鐵車站設(shè)計采用明挖順作法施工,全長259.6ｍ,寬18.9ｍ,頂板覆土埋深約5.0ｍ,明挖基坑開挖深度達18ｍ,圍護結(jié)構(gòu)采用φ1000@750鉆孔咬合灌注樁,插入比約為1∶0.8。該車站由于受房屋拆遷和交通疏解的影響不能全面開工,為確保工期不受影響,設(shè)臨時封堵墻(咬合樁墻)將車站分為東、西兩區(qū),先進行東區(qū)基坑開挖和主體結(jié)構(gòu)施工。在東區(qū)基坑開挖過程中先后兩次發(fā)生基坑內(nèi)涌水涌砂現(xiàn)象,不同程度地對周邊環(huán)境和車站基坑安全造成了一定的影響,經(jīng)過及時采取措施沒有造成較大損失和影響,通過對這個實例的分析總結(jié),提出一些預(yù)防措施和技術(shù)對策。2 施工中出現(xiàn)的問題2.1發(fā)生管涌的情況描述 東區(qū)基坑開挖期間共出現(xiàn)2次管涌,第一次管涌點位于第11段基坑南側(cè),273#～274#樁間坑底,共涌出泥砂約240ｍ3。涌水前第11段基坑已基本開挖到設(shè)計標(biāo)高,開始進行清底,273#～274#樁間滲漏處理也已接近基底。第二次管涌點位于第8段基坑內(nèi),距第9段底板(已澆筑完成)端頭約5ｍ處,管涌前第8段基坑墊層、防水板及細石混凝土保護層已施工完,共涌出泥砂約40ｍ3。兩次管涌點平面立面位置示意圖見圖1、圖2。
2.2管涌的后果和影響 第一次管涌造成基坑南側(cè)(距基坑邊約20ｍ)一棟三層居民樓向北側(cè)傾斜,圍墻出現(xiàn)裂縫;南側(cè)原有道路路面下沉,路面下的自來水管開裂,造成自來水供應(yīng)中斷。管涌波及范圍:273#～274#樁向南最遠達44.5ｍ,向東約39.7ｍ,向西約12ｍ。第二次管涌造成基坑南側(cè)距第一次管涌點以西約10ｍ處地面出現(xiàn)輕微裂縫,最大裂縫寬約5ｍｍ,長約10ｍ,沿基坑縱向分布,影響范圍向南最遠達20ｍ左右。地面最大沉降3ｃｍ,未造成其它財產(chǎn)損壞。3地質(zhì)特性分析 該場區(qū)地下水位高(勘探期間測得地下水位埋深0.85～3.45ｍ)、土層滲透系數(shù)大。地下水分布為兩個主要含水層,即淺層潛水和深層承壓水(承壓水頭埋深約在地表下5ｍ)。基坑開挖范圍內(nèi)的粉土粉砂地層對基坑涌水極為敏感,圍護結(jié)構(gòu)一旦漏水影響范圍很大,因此地下水位的控制和圍護結(jié)構(gòu)的止水性能是工程成敗的關(guān)鍵。基坑開挖影響范圍內(nèi)各土層的巖土物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示: 基坑開挖范圍內(nèi),砂質(zhì)粉土在開挖時極易產(chǎn)生側(cè)向變形,導(dǎo)致開挖面隆起而引起邊坡失穩(wěn)及基坑涌水等不利現(xiàn)象。基坑底有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土下臥層(層面距離坑底約5ｍ),該層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)尚可,滲透系數(shù)較小,對于坑底抗管涌比較有利。4 管涌原因分析4.1 第一次管涌 從施工記錄看,273#、274#樁成孔過程中因套管鉆頭變形造成樁垂直度偏差(實測垂直度約為5‰)。從開挖后的實際看,8ｍ以后兩樁之間出現(xiàn)開叉跡象,開挖到坑底后開叉量達15ｃｍ左右。在基坑開挖到7ｍ時,采取了在樁后施作3根高壓旋噴樁作為止水補強措施,根據(jù)經(jīng)驗確定旋噴深度為基底下3ｍ。按照抗管涌穩(wěn)定性驗算分析,在此旋噴加固深度下實際水力梯度大于臨界水力梯度,隨著基坑開挖深度的增加隨時會出現(xiàn)管涌失穩(wěn)破壞。土體滲透計算簡圖見圖3。抗管涌安全系數(shù)Ｋｓ按下式驗算:Ｋｓ=ｉc /ｉ式中 ｉｃ———坑底土體臨界水力梯度,ｉｃ=(Ｇｓ-1) /(1+ｅ),Ｇｓ為土粒相對密度,即2.7,ｅ為坑底土 體天然空隙比,取0.85; ｉ———坑底土體滲流水力梯度,ｉ=ｈｗ/Ｌ,ｈｗ為基坑內(nèi)外土體的滲流水頭(ｍ),取坑內(nèi)外水頭差ｈｗ=14.5,Ｌ為最短滲徑流線總長度(ｍ),Ｌ=14.5+2×3(旋噴樁深入基底下3ｍ計); Ｋｓ———抗管涌或抗?jié)B流穩(wěn)定性安全系數(shù),取1.5～2.0。 經(jīng)驗算,當(dāng)旋噴樁深入基底下3ｍ時:Ｋｓ=ｉｃ/ｉ=0.919/0.71=1.29<1.5。 驗算結(jié)果表明,咬合樁開叉處旋噴樁止水帷幕的深度不滿足抗管涌穩(wěn)定性要求(經(jīng)驗算止水帷幕深度應(yīng)伸入基坑底以下≮5ｍ)。此次管涌的主要原因是咬合樁開叉和旋噴加固措施不到位。4.2第二次管涌 管涌發(fā)生后立即將漏水點處防水板揭開,對滲流情況進行觀察,用手觸摸發(fā)現(xiàn)漏水點位于接地網(wǎng)溝槽處,直徑約20～30ｃｍ,水流方向自東向西(即由第9段底板下流出)。由于管涌前基坑內(nèi)降水工作曾因停電而停止降水約半小時,分析管涌可能是因降水停止使坑內(nèi)水位升高,地下水沿接地網(wǎng)溝槽涌出并突破較薄弱的接地網(wǎng)溝槽墊層涌入基坑。管涌處理約2ｈ后,發(fā)現(xiàn)第10段基坑南側(cè)(24軸處)地表有寬2～5ｍｍ的裂縫出現(xiàn),同時測得位于24軸處的坑外水位監(jiān)測孔ＳＷ8水位下降了3ｍ多。據(jù)此推斷,基坑24軸附近的咬合樁在底板以下開叉,基坑外潛水從基底以下咬合樁開叉處進入基坑內(nèi)。 此次管涌發(fā)生的主要原因:一是由于坑底以下咬合樁開叉使坑內(nèi)外地下水連通,當(dāng)保持坑內(nèi)降水不中斷時,坑內(nèi)降水使坑外水位下降,使坑底土體滲流水力梯度減少,在臨界水力梯度值不變的情況下,抗管涌穩(wěn)定安全系數(shù)增大,此時則不會發(fā)生管涌。停電造成坑內(nèi)降水中斷,使坑外水位升高,坑內(nèi)外水頭差增大,抗管涌穩(wěn)定安全系數(shù)降低,而導(dǎo)致管涌發(fā)生;二是坑內(nèi)降水中斷后,也使坑內(nèi)水位上升,并對底板產(chǎn)生壓力,結(jié)構(gòu)較松散的接地網(wǎng)溝槽回填土受到破壞,形成空洞,使底板下高壓水沿著接地網(wǎng)溝槽涌入第8段墊層下,從后澆筑的強度低、較薄弱的接地網(wǎng)溝槽墊層處涌出。如圖4所示。5 施工對策5.1管涌搶險補救措施 為防止管涌對周圍環(huán)境造成大的影響,管涌發(fā)生后,施工單位會同有關(guān)專家積極商討對策,暫停基坑開挖,采取“支、堵、補、降”等如下有效措施,迅速控制了險情。 1)對內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)(鋼支撐、鋼圍檁等)進行排查補強,確保基坑圍護結(jié)構(gòu)的整體安全; 2)以滲漏點為中心,在四周堆碼土袋墻進行反壓封堵并澆筑混凝土,在繼續(xù)增加反壓重量的同時將土袋墻連為一個整體遏止涌水; 3)基坑南側(cè)既有道路禁止所有施工車輛通行; 4)加強坑內(nèi)降水措施,降低水頭差; 5)及時采取高壓旋噴及注漿的方法,對圍護結(jié)構(gòu)滲漏點外側(cè)進行補強加固; 6)加強監(jiān)測,為進一步采取措施提供依據(jù)。5.2 監(jiān)測與動態(tài)管理 在基坑開挖全過程實行信息化監(jiān)控對施工起到了積極的作用,通過對圍護結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降、地下水位、鋼支撐軸力等的觀測及時獲取基坑施工安全信息,從而為方案決策、險情排查、設(shè)計驗證提供了強有力的依據(jù)。以第一次管涌和分析監(jiān)測信息為例作如下說明。 1)基坑變形情況 圍護結(jié)構(gòu)水平位移管涌前ＣＸ10累計最大位移29.02ｍｍ,管涌后最大位移為31.5ｍｍ(位于基坑深12.5ｍ處,此時測點處已開挖到第五道支撐);土體水平位移ＣＸ6的位移呈直線遞增,由管涌前的32.12ｍｍ增大為52.16ｍｍ;第一道支撐軸力減少15ｋＮ,第二、三道支撐軸力分別增加90ｋＮ和140ｋＮ,支撐總軸力仍在設(shè)計值以內(nèi)。說明此次管涌對基坑本身的安全影響不大。 2) 環(huán)境變化情況 漏水點處地面最大沉降量達500ｍｍ,距漏水點20ｍ以外各測點最大沉降量在3～12ｍｍ之間。管涌對環(huán)境影響較大。 3)水位變化情況 坑內(nèi)水位無明顯變化。坑外漏水點附近的水位觀測井ＳＷ8管涌后陡降5ｍ左右,此時坑內(nèi)外水位差由15ｍ減少到10ｍ左右,水位差對流沙的產(chǎn)生已失去作用。搶補措施完成約3ｈ后,水位又回升到原標(biāo)高。ＳＷ8水位陡降證明圍護結(jié)構(gòu)止水帷幕在ＳＷ8附近存在缺陷,坑內(nèi)外地下水已連通。6 結(jié)論與體會 1)粉土、粉砂地層中基坑圍護結(jié)構(gòu)的止水性能對基坑安全和環(huán)境保護至關(guān)重要,圍護體一旦出現(xiàn)涌水、涌砂波及范圍在2～4倍的基坑開挖深度,對環(huán)境危害極大。因此,圍護結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的控制及基坑施工過程中對圍護結(jié)構(gòu)的排查與補強工作,必須認真細致。 2)對圍護體滲漏點的補強加固深度以及加固技術(shù)措施,一方面必須進行抗管涌穩(wěn)定性驗算,不能僅憑經(jīng)驗行事,另一方面要嚴格控制施工質(zhì)量,確保萬無一失。 3)降水是基坑工程施工的重要環(huán)節(jié),坑內(nèi)降水可固結(jié)土體,提高土體的被動抗力,防止或減少坑底隆起。第二次管涌與坑內(nèi)降水停止后地下水位上升使底板下土壤強度破壞形成滲流通道有關(guān)。 4)從坑外水位監(jiān)測孔ＳＷ8的水位監(jiān)測情況看,坑外水位監(jiān)測對檢驗圍護結(jié)構(gòu)止水效果非常有效。西區(qū)基坑施工時可根據(jù)情況適當(dāng)加密坑外水位監(jiān)測孔數(shù)量,當(dāng)坑內(nèi)降水發(fā)現(xiàn)坑外水位變化異常時,提前采取加固補強措施。
2.2管涌的后果和影響 第一次管涌造成基坑南側(cè)(距基坑邊約20ｍ)一棟三層居民樓向北側(cè)傾斜,圍墻出現(xiàn)裂縫;南側(cè)原有道路路面下沉,路面下的自來水管開裂,造成自來水供應(yīng)中斷。管涌波及范圍:273#～274#樁向南最遠達44.5ｍ,向東約39.7ｍ,向西約12ｍ。第二次管涌造成基坑南側(cè)距第一次管涌點以西約10ｍ處地面出現(xiàn)輕微裂縫,最大裂縫寬約5ｍｍ,長約10ｍ,沿基坑縱向分布,影響范圍向南最遠達20ｍ左右。地面最大沉降3ｃｍ,未造成其它財產(chǎn)損壞。3地質(zhì)特性分析 該場區(qū)地下水位高(勘探期間測得地下水位埋深0.85～3.45ｍ)、土層滲透系數(shù)大。地下水分布為兩個主要含水層,即淺層潛水和深層承壓水(承壓水頭埋深約在地表下5ｍ)。基坑開挖范圍內(nèi)的粉土粉砂地層對基坑涌水極為敏感,圍護結(jié)構(gòu)一旦漏水影響范圍很大,因此地下水位的控制和圍護結(jié)構(gòu)的止水性能是工程成敗的關(guān)鍵。基坑開挖影響范圍內(nèi)各土層的巖土物理力學(xué)指標(biāo)如表1所示: 基坑開挖范圍內(nèi),砂質(zhì)粉土在開挖時極易產(chǎn)生側(cè)向變形,導(dǎo)致開挖面隆起而引起邊坡失穩(wěn)及基坑涌水等不利現(xiàn)象。基坑底有淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土下臥層(層面距離坑底約5ｍ),該層物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)尚可,滲透系數(shù)較小,對于坑底抗管涌比較有利。4 管涌原因分析4.1 第一次管涌 從施工記錄看,273#、274#樁成孔過程中因套管鉆頭變形造成樁垂直度偏差(實測垂直度約為5‰)。從開挖后的實際看,8ｍ以后兩樁之間出現(xiàn)開叉跡象,開挖到坑底后開叉量達15ｃｍ左右。在基坑開挖到7ｍ時,采取了在樁后施作3根高壓旋噴樁作為止水補強措施,根據(jù)經(jīng)驗確定旋噴深度為基底下3ｍ。按照抗管涌穩(wěn)定性驗算分析,在此旋噴加固深度下實際水力梯度大于臨界水力梯度,隨著基坑開挖深度的增加隨時會出現(xiàn)管涌失穩(wěn)破壞。土體滲透計算簡圖見圖3。抗管涌安全系數(shù)Ｋｓ按下式驗算:Ｋｓ=ｉc /ｉ式中 ｉｃ———坑底土體臨界水力梯度,ｉｃ=(Ｇｓ-1) /(1+ｅ),Ｇｓ為土粒相對密度,即2.7,ｅ為坑底土 體天然空隙比,取0.85; ｉ———坑底土體滲流水力梯度,ｉ=ｈｗ/Ｌ,ｈｗ為基坑內(nèi)外土體的滲流水頭(ｍ),取坑內(nèi)外水頭差ｈｗ=14.5,Ｌ為最短滲徑流線總長度(ｍ),Ｌ=14.5+2×3(旋噴樁深入基底下3ｍ計); Ｋｓ———抗管涌或抗?jié)B流穩(wěn)定性安全系數(shù),取1.5～2.0。 經(jīng)驗算,當(dāng)旋噴樁深入基底下3ｍ時:Ｋｓ=ｉｃ/ｉ=0.919/0.71=1.29<1.5。 驗算結(jié)果表明,咬合樁開叉處旋噴樁止水帷幕的深度不滿足抗管涌穩(wěn)定性要求(經(jīng)驗算止水帷幕深度應(yīng)伸入基坑底以下≮5ｍ)。此次管涌的主要原因是咬合樁開叉和旋噴加固措施不到位。4.2第二次管涌 管涌發(fā)生后立即將漏水點處防水板揭開,對滲流情況進行觀察,用手觸摸發(fā)現(xiàn)漏水點位于接地網(wǎng)溝槽處,直徑約20～30ｃｍ,水流方向自東向西(即由第9段底板下流出)。由于管涌前基坑內(nèi)降水工作曾因停電而停止降水約半小時,分析管涌可能是因降水停止使坑內(nèi)水位升高,地下水沿接地網(wǎng)溝槽涌出并突破較薄弱的接地網(wǎng)溝槽墊層涌入基坑。管涌處理約2ｈ后,發(fā)現(xiàn)第10段基坑南側(cè)(24軸處)地表有寬2～5ｍｍ的裂縫出現(xiàn),同時測得位于24軸處的坑外水位監(jiān)測孔ＳＷ8水位下降了3ｍ多。據(jù)此推斷,基坑24軸附近的咬合樁在底板以下開叉,基坑外潛水從基底以下咬合樁開叉處進入基坑內(nèi)。 此次管涌發(fā)生的主要原因:一是由于坑底以下咬合樁開叉使坑內(nèi)外地下水連通,當(dāng)保持坑內(nèi)降水不中斷時,坑內(nèi)降水使坑外水位下降,使坑底土體滲流水力梯度減少,在臨界水力梯度值不變的情況下,抗管涌穩(wěn)定安全系數(shù)增大,此時則不會發(fā)生管涌。停電造成坑內(nèi)降水中斷,使坑外水位升高,坑內(nèi)外水頭差增大,抗管涌穩(wěn)定安全系數(shù)降低,而導(dǎo)致管涌發(fā)生;二是坑內(nèi)降水中斷后,也使坑內(nèi)水位上升,并對底板產(chǎn)生壓力,結(jié)構(gòu)較松散的接地網(wǎng)溝槽回填土受到破壞,形成空洞,使底板下高壓水沿著接地網(wǎng)溝槽涌入第8段墊層下,從后澆筑的強度低、較薄弱的接地網(wǎng)溝槽墊層處涌出。如圖4所示。5 施工對策5.1管涌搶險補救措施 為防止管涌對周圍環(huán)境造成大的影響,管涌發(fā)生后,施工單位會同有關(guān)專家積極商討對策,暫停基坑開挖,采取“支、堵、補、降”等如下有效措施,迅速控制了險情。 1)對內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)(鋼支撐、鋼圍檁等)進行排查補強,確保基坑圍護結(jié)構(gòu)的整體安全; 2)以滲漏點為中心,在四周堆碼土袋墻進行反壓封堵并澆筑混凝土,在繼續(xù)增加反壓重量的同時將土袋墻連為一個整體遏止涌水; 3)基坑南側(cè)既有道路禁止所有施工車輛通行; 4)加強坑內(nèi)降水措施,降低水頭差; 5)及時采取高壓旋噴及注漿的方法,對圍護結(jié)構(gòu)滲漏點外側(cè)進行補強加固; 6)加強監(jiān)測,為進一步采取措施提供依據(jù)。5.2 監(jiān)測與動態(tài)管理 在基坑開挖全過程實行信息化監(jiān)控對施工起到了積極的作用,通過對圍護結(jié)構(gòu)水平位移、地表沉降、地下水位、鋼支撐軸力等的觀測及時獲取基坑施工安全信息,從而為方案決策、險情排查、設(shè)計驗證提供了強有力的依據(jù)。以第一次管涌和分析監(jiān)測信息為例作如下說明。 1)基坑變形情況 圍護結(jié)構(gòu)水平位移管涌前ＣＸ10累計最大位移29.02ｍｍ,管涌后最大位移為31.5ｍｍ(位于基坑深12.5ｍ處,此時測點處已開挖到第五道支撐);土體水平位移ＣＸ6的位移呈直線遞增,由管涌前的32.12ｍｍ增大為52.16ｍｍ;第一道支撐軸力減少15ｋＮ,第二、三道支撐軸力分別增加90ｋＮ和140ｋＮ,支撐總軸力仍在設(shè)計值以內(nèi)。說明此次管涌對基坑本身的安全影響不大。 2) 環(huán)境變化情況 漏水點處地面最大沉降量達500ｍｍ,距漏水點20ｍ以外各測點最大沉降量在3～12ｍｍ之間。管涌對環(huán)境影響較大。 3)水位變化情況 坑內(nèi)水位無明顯變化。坑外漏水點附近的水位觀測井ＳＷ8管涌后陡降5ｍ左右,此時坑內(nèi)外水位差由15ｍ減少到10ｍ左右,水位差對流沙的產(chǎn)生已失去作用。搶補措施完成約3ｈ后,水位又回升到原標(biāo)高。ＳＷ8水位陡降證明圍護結(jié)構(gòu)止水帷幕在ＳＷ8附近存在缺陷,坑內(nèi)外地下水已連通。6 結(jié)論與體會 1)粉土、粉砂地層中基坑圍護結(jié)構(gòu)的止水性能對基坑安全和環(huán)境保護至關(guān)重要,圍護體一旦出現(xiàn)涌水、涌砂波及范圍在2～4倍的基坑開挖深度,對環(huán)境危害極大。因此,圍護結(jié)構(gòu)施工質(zhì)量的控制及基坑施工過程中對圍護結(jié)構(gòu)的排查與補強工作,必須認真細致。 2)對圍護體滲漏點的補強加固深度以及加固技術(shù)措施,一方面必須進行抗管涌穩(wěn)定性驗算,不能僅憑經(jīng)驗行事,另一方面要嚴格控制施工質(zhì)量,確保萬無一失。 3)降水是基坑工程施工的重要環(huán)節(jié),坑內(nèi)降水可固結(jié)土體,提高土體的被動抗力,防止或減少坑底隆起。第二次管涌與坑內(nèi)降水停止后地下水位上升使底板下土壤強度破壞形成滲流通道有關(guān)。 4)從坑外水位監(jiān)測孔ＳＷ8的水位監(jiān)測情況看,坑外水位監(jiān)測對檢驗圍護結(jié)構(gòu)止水效果非常有效。西區(qū)基坑施工時可根據(jù)情況適當(dāng)加密坑外水位監(jiān)測孔數(shù)量,當(dāng)坑內(nèi)降水發(fā)現(xiàn)坑外水位變化異常時,提前采取加固補強措施。