地鐵車站基坑施工安全技術分析與對策摘要:以地鐵車站基坑施工中發生的安全事故為例,從工程地質特性、發生事故的原因及處理措施等方面進行分析,提出了相應的技術對策和基坑圍護結構滲漏檢驗方法及安全性驗算方法。關鍵詞: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構、基坑內支撐系統、基坑降水等組成。圍護結構和內支撐施工控制的好壞直接影響基坑的安全穩定,常見的基坑失穩、管涌等安全事故的發生多數都與圍護結構和內支撐有關。某地鐵車站設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,圍護結構采用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,設臨時封堵墻(咬合樁墻)將車站分為東、西兩區,先進行東區基坑開挖和主體結構施工。在東區基坑開挖過程中先后兩次發生基坑內涌水涌砂現象,不同程度地對周邊環境和車站基坑安全造成了一定的影響,經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,提出一些預防措施和技術對策。2 施工中出現的問題2.1發生管涌的情況描述 東區基坑開挖期間共出現2次管涌,第一次管涌點位于第11段基坑南側,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計標高,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,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(距基坑邊約20ｍ)一棟三層居民樓向北側傾斜,圍墻出現裂縫;南側原有道路路面下沉,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距第一次管涌點以西約10ｍ處地面出現輕微裂縫,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,未造成其它財產損壞。3地質特性分析 該場區地下水位高(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)。基坑開挖范圍內的粉土粉砂地層對基坑涌水極為敏感,圍護結構一旦漏水影響范圍很大,因此地下水位的控制和圍護結構的止水性能是工程成敗的關鍵。基坑開挖影響范圍內各土層的巖土物理力學指標如表1所示: 基坑開挖范圍內,砂質粉土在開挖時極易產生側向變形,導致開挖面隆起而引起邊坡失穩及基坑涌水等不利現象。基坑底有淤泥質粉質粘土下臥層(層面距離坑底約5ｍ),該層物理力學性質指標尚可,滲透系數較小,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,根據經驗確定旋噴深度為基底下3ｍ。按照抗管涌穩定性驗算分析,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管涌失穩破壞。土體滲透計算簡圖見圖3。抗管涌安全系數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為基坑內外土體的滲流水頭(ｍ),取坑內外水頭差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———抗管涌或抗滲流穩定性安全系數,取1.5～2.0。 經驗算,當旋噴樁深入基底下3ｍ時:Ｋｓ=ｉｃ/ｉ=0.919/0.71=1.29<1.5。 驗算結果表明,咬合樁開叉處旋噴樁止水帷幕的深度不滿足抗管涌穩定性要求(經驗算止水帷幕深度應伸入基坑底以下≮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,用手觸摸發現漏水點位于接地網溝槽處,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水位升高,地下水沿接地網溝槽涌出并突破較薄弱的接地網溝槽墊層涌入基坑。管涌處理約2ｈ后,發現第10段基坑南側(24軸處)地表有寬2～5ｍｍ的裂縫出現,同時測得位于24軸處的坑外水位監測孔ＳＷ8水位下降了3ｍ多。據此推斷,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。 此次管涌發生的主要原因:一是由于坑底以下咬合樁開叉使坑內外地下水連通,當保持坑內降水不中斷時,坑內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,抗管涌穩定安全系數增大,此時則不會發生管涌。停電造成坑內降水中斷,使坑外水位升高,坑內外水頭差增大,抗管涌穩定安全系數降低,而導致管涌發生;二是坑內降水中斷后,也使坑內水位上升,并對底板產生壓力,結構較松散的接地網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境造成大的影響,管涌發生后,施工單位會同有關專家積極商討對策,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)對內支撐結構(鋼支撐、鋼圍檁等)進行排查補強,確保基坑圍護結構的整體安全; 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)基坑南側既有道路禁止所有施工車輛通行; 4)加強坑內降水措施,降低水頭差; 5)及時采取高壓旋噴及注漿的方法,對圍護結構滲漏點外側進行補強加固; 6)加強監測,為進一步采取措施提供依據。5.2 監測與動態管理 在基坑開挖全過程實行信息化監控對施工起到了積極的作用,通過對圍護結構水平位移、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、設計驗證提供了強有力的依據。以第一次管涌和分析監測信息為例作如下說明。 1)基坑變形情況 圍護結構水平位移管涌前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,支撐總軸力仍在設計值以內。說明此次管涌對基坑本身的安全影響不大。 2) 環境變化情況 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。管涌對環境影響較大。 3)水位變化情況 坑內水位無明顯變化。坑外漏水點附近的水位觀測井ＳＷ8管涌后陡降5ｍ左右,此時坑內外水位差由15ｍ減少到10ｍ左右,水位差對流沙的產生已失去作用。搶補措施完成約3ｈ后,水位又回升到原標高。ＳＷ8水位陡降證明圍護結構止水帷幕在ＳＷ8附近存在缺陷,坑內外地下水已連通。6 結論與體會 1)粉土、粉砂地層中基坑圍護結構的止水性能對基坑安全和環境保護至關重要,圍護體一旦出現涌水、涌砂波及范圍在2～4倍的基坑開挖深度,對環境危害極大。因此,圍護結構施工質量的控制及基坑施工過程中對圍護結構的排查與補強工作,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措施,一方面必須進行抗管涌穩定性驗算,不能僅憑經驗行事,另一方面要嚴格控制施工質量,確保萬無一失。 3)降水是基坑工程施工的重要環節,坑內降水可固結土體,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。 4)從坑外水位監測孔ＳＷ8的水位監測情況看,坑外水位監測對檢驗圍護結構止水效果非常有效。西區基坑施工時可根據情況適當加密坑外水位監測孔數量,當坑內降水發現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(距基坑邊約20ｍ)一棟三層居民樓向北側傾斜,圍墻出現裂縫;南側原有道路路面下沉,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距第一次管涌點以西約10ｍ處地面出現輕微裂縫,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,未造成其它財產損壞。3地質特性分析 該場區地下水位高(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)。基坑開挖范圍內的粉土粉砂地層對基坑涌水極為敏感,圍護結構一旦漏水影響范圍很大,因此地下水位的控制和圍護結構的止水性能是工程成敗的關鍵。基坑開挖影響范圍內各土層的巖土物理力學指標如表1所示: 基坑開挖范圍內,砂質粉土在開挖時極易產生側向變形,導致開挖面隆起而引起邊坡失穩及基坑涌水等不利現象。基坑底有淤泥質粉質粘土下臥層(層面距離坑底約5ｍ),該層物理力學性質指標尚可,滲透系數較小,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,根據經驗確定旋噴深度為基底下3ｍ。按照抗管涌穩定性驗算分析,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管涌失穩破壞。土體滲透計算簡圖見圖3。抗管涌安全系數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為基坑內外土體的滲流水頭(ｍ),取坑內外水頭差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———抗管涌或抗滲流穩定性安全系數,取1.5～2.0。 經驗算,當旋噴樁深入基底下3ｍ時:Ｋｓ=ｉｃ/ｉ=0.919/0.71=1.29<1.5。 驗算結果表明,咬合樁開叉處旋噴樁止水帷幕的深度不滿足抗管涌穩定性要求(經驗算止水帷幕深度應伸入基坑底以下≮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,用手觸摸發現漏水點位于接地網溝槽處,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水位升高,地下水沿接地網溝槽涌出并突破較薄弱的接地網溝槽墊層涌入基坑。管涌處理約2ｈ后,發現第10段基坑南側(24軸處)地表有寬2～5ｍｍ的裂縫出現,同時測得位于24軸處的坑外水位監測孔ＳＷ8水位下降了3ｍ多。據此推斷,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。 此次管涌發生的主要原因:一是由于坑底以下咬合樁開叉使坑內外地下水連通,當保持坑內降水不中斷時,坑內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,抗管涌穩定安全系數增大,此時則不會發生管涌。停電造成坑內降水中斷,使坑外水位升高,坑內外水頭差增大,抗管涌穩定安全系數降低,而導致管涌發生;二是坑內降水中斷后,也使坑內水位上升,并對底板產生壓力,結構較松散的接地網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境造成大的影響,管涌發生后,施工單位會同有關專家積極商討對策,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)對內支撐結構(鋼支撐、鋼圍檁等)進行排查補強,確保基坑圍護結構的整體安全; 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)基坑南側既有道路禁止所有施工車輛通行; 4)加強坑內降水措施,降低水頭差; 5)及時采取高壓旋噴及注漿的方法,對圍護結構滲漏點外側進行補強加固; 6)加強監測,為進一步采取措施提供依據。5.2 監測與動態管理 在基坑開挖全過程實行信息化監控對施工起到了積極的作用,通過對圍護結構水平位移、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、設計驗證提供了強有力的依據。以第一次管涌和分析監測信息為例作如下說明。 1)基坑變形情況 圍護結構水平位移管涌前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,支撐總軸力仍在設計值以內。說明此次管涌對基坑本身的安全影響不大。 2) 環境變化情況 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。管涌對環境影響較大。 3)水位變化情況 坑內水位無明顯變化。坑外漏水點附近的水位觀測井ＳＷ8管涌后陡降5ｍ左右,此時坑內外水位差由15ｍ減少到10ｍ左右,水位差對流沙的產生已失去作用。搶補措施完成約3ｈ后,水位又回升到原標高。ＳＷ8水位陡降證明圍護結構止水帷幕在ＳＷ8附近存在缺陷,坑內外地下水已連通。6 結論與體會 1)粉土、粉砂地層中基坑圍護結構的止水性能對基坑安全和環境保護至關重要,圍護體一旦出現涌水、涌砂波及范圍在2～4倍的基坑開挖深度,對環境危害極大。因此,圍護結構施工質量的控制及基坑施工過程中對圍護結構的排查與補強工作,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措施,一方面必須進行抗管涌穩定性驗算,不能僅憑經驗行事,另一方面要嚴格控制施工質量,確保萬無一失。 3)降水是基坑工程施工的重要環節,坑內降水可固結土體,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。 4)從坑外水位監測孔ＳＷ8的水位監測情況看,坑外水位監測對檢驗圍護結構止水效果非常有效。西區基坑施工時可根據情況適當加密坑外水位監測孔數量,當坑內降水發現坑外水位變化異常時,提前采取加固補強措施。