深基坑工程安全問題

.深基坑工程的安全問題 深基坑工程是一門風險很性工程也是一門系統(tǒng)工程 涉及多學科的知識 土力學 基礎工程 混凝土結(jié)構(gòu)工程 鋼結(jié)構(gòu)工程 原位測試技術 測量技術等一個成功的深基工程,首先應該是安全的既要保證支護結(jié)構(gòu)自身的安全，使基坑開挖和地下結(jié)構(gòu)施工能順利進行又要保證周圍環(huán)境（包括周圍的建筑物、構(gòu)筑物、道路、地下管線）的安全。安全大前提，只有安全的支護結(jié)構(gòu)，才能談到合理的、經(jīng)濟的近年來，在基坑工程中，事故頻發(fā)，險情不斷，既影響了建設進度，又造成了嚴重的經(jīng)濟損失和不良的社會影響，深基坑工程的安全問題已引起了各面的嚴重關注1.深基坑工程的特點1）深基坑工程是臨時工程、但周期較長臨時思想，能省則省周期較長，季節(jié)變化雨雪堆載振動時間的延續(xù)2）深基坑工程規(guī)模大（深度深、面積大）、造價高大深度、大面積邊長超百（米）面積過萬（平方米）造價高、投資大與臨時性是一對矛盾3）深基坑工程的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件復雜深大基坑在不同位置與深度處的地質(zhì)條件（土層構(gòu)造、性質(zhì)，地下水埋藏情況等）不盡相同，有時甚至相差很大4）深基坑工程施工條件差、與周圍環(huán)境相互影響大深基坑周圍環(huán)境條件復雜多變，對施工尤其是支護樁施工可能有諸多限制或不利因素，如場地狹窄、噪音限制、振動限制、施工時間限制等，在設計及選擇施工方案時均需加以考慮。5）深基坑工程具有時空效應時空效應指深基坑開挖的空間幾何尺寸和暴露時間與支護結(jié)構(gòu)變形和坑周地層位移之間的相關性。在深大基坑施工中，控制變形往往是設計與施工的重點。深基坑設計必須考慮支護結(jié)構(gòu)在不同施工階段亦即不同工況條件下的內(nèi)力與變形。6）深基坑工程事故后果嚴重理論發(fā)展尚不完善、技術復雜、變化因素多、涉及范圍廣、對周圍環(huán)境影響大。一旦發(fā)生事故，后果十分嚴重，處理也很困難。往往造成基坑破壞、人員傷亡、周圍房屋受損甚至倒塌、地下管線斷裂等。既延誤工期、引起較大的經(jīng)濟損失，又造成不良的社會影響。2、深基坑工程事故原因分析從深基坑工程事故中吸取經(jīng)驗教訓，分析事故原因是最好的方法，正所謂“前事不忘，后事之師”。通過研究其實踐經(jīng)驗教訓，結(jié)合科學研究和更多成功的工程經(jīng)驗，我們試圖對深基坑工程存在的問題進行探討以期能進一步提高認識，促進技術發(fā)展。21勘察失誤深基坑所在位置處的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件是確定支護方法、地下結(jié)構(gòu)施工方法、地下水處理方法等的重要依據(jù)?？辈旃ぷ鞯氖д`，勢必對支護結(jié)構(gòu)方案的正確選擇和設計計算的準確性造成影響，給工程的實施留下隱患。1）勘察資料不全面或參數(shù)不足忽略基坑及坑底下一定深度土層的參數(shù)，而這正是支護結(jié)構(gòu)設計所必須的?？碧娇孜痪嚯x基坑及其側(cè)壁過遠或勘探孔間距過大。例：缺淤泥質(zhì)粘土指標（估計耳=12，C=12kP）大面積滑移，最大位移1.2米對于軟土基坑，缺少坑底或支護樁設計深度處的土體壓縮模量、回彈模量、不排水搞剪強度等。對地下各層含水層（上層滯水、潛水、承壓水）的地下水，一般情況下只有地下水位和滲透系數(shù)。2）勘察資料參數(shù)不準確土層參數(shù)失真，內(nèi)摩擦角耳和內(nèi)聚力C取值錯誤，致使設計計算結(jié)果不準確，埋下事故隱患。如某工程基坑10*200m，挖深9.510.5m，采用800m厚20m深地下連續(xù)墻，兩道鋼筋混凝土支撐。地下20多米范圍內(nèi)為飽和流塑狀灰色淤泥，其內(nèi)摩擦角11.5，內(nèi)聚力12kPa。而實際上內(nèi)摩擦角為6.5，內(nèi)聚力13kPa，因此被動區(qū)抗力不足，連續(xù)墻整體滑移，基底隆起，支撐破壞，坑外地面下沉最大達4米。地下水位、水滲透系數(shù)不準確。地下水位不準確，則在進行止水帷幕設計時可能發(fā)生誤差，滲透系數(shù)K則對降水設計產(chǎn)生較大影響。如南京某基坑，按勘探報告提供的滲透系數(shù)計算，需設置10口管井，在實際施工時打設了14口，其出水量大大超出計算值，說明勘探報告中的滲透系數(shù)偏小。內(nèi)摩擦角和內(nèi)聚力C因水（滲水、降雨）而減小。大面積塌方。因滲水、降雨等使土的含水量增加，內(nèi)摩擦角耳和內(nèi)聚力C下降。耳原為26，事故發(fā)生后取樣，耳變?yōu)?6.28。22設計失誤在深基坑事故中，由于設計不當而造成的大約有將近一半，既有方案選擇問題，也有設計計算錯誤，更多的是由于設計師經(jīng)驗不足而造成各種失誤。1）設計方案選擇失誤在未經(jīng)驗算與技術論證的情況下，盲目套用相似或相近工程的支護結(jié)構(gòu)方案。選擇不合適的支護方案，如在淤泥質(zhì)土層中采用土層錨桿、土釘墻等，使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生過大變形。忽視變形過大對支護結(jié)構(gòu)及其周邊環(huán)境的不利影響，只求支護滿足承載力（強度）要求，如在軟土地區(qū)采用懸臂長度過大的支護樁墻，使支護樁變形過大。在對周圍環(huán)境保護要求嚴格的工程中，選擇放披開挖、懸臂式支護樁墻、土釘墻、拉錨板樁等變形較大的形式。2）支護結(jié)構(gòu)上的作用（荷載）取值不當?shù)孛婧奢d取值不當，如漏算或少算地面荷載，使支護樁承受的主動土壓力大于計算值。設計時，為了節(jié)約造價，過大折減主動土壓力，使支護結(jié)構(gòu)抗力不足。3）地下水處理方案不妥軟土地區(qū)未設置止水帷幕。止水帷幕長度不足，發(fā)生管涌。左圖：樁長12米挖深5-7米粉質(zhì)粘土挖至7米時管涌樁長應為14米坑內(nèi)集水坑距離支護樁過近，使支護樁抗力減小?？觾?nèi)外水位差較大，沖潰坑底承壓土層，造成管涌、流砂。4）設計計算錯誤計算錯誤?；悠矫妫?0*100米，挖深20米直徑600mm灌注樁，中心間距1米，長20米，入土5米，頂部砌墻5.5米三層錨桿錨桿水平間距2.0、1.5、1.0米計算均取1.0米48根支護支護樁折斷大面積塌方支護樁安全系數(shù)過低開挖11.2米，D700支護樁1400，配20+1022支護樁安全系數(shù)1.03施工質(zhì)量差、坑邊堆磚10根樁公傾倒、折斷塌方1000立方未進行抗隆起、整體穩(wěn)定驗算珠海祖國廣場逆作法挖深16.2米，四層鋼支撐設計未進行坑底抗隆起和整體穩(wěn)定性驗算土方超開挖未能正確利用監(jiān)測資料作出準確的分析和判斷并提出應急措施支護樁踢腳外傾，鋼支撐上崩，樓房倒塌5）內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)設計失誤內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)布置方式不當，如頭道支撐位置位置過低，致使支護樁頂部變形過大；內(nèi)支撐水平間距過大，承載寬度內(nèi)的壓力超過支撐桿件承載能力，被壓屈?；悠矫孑^大時，采用鋼支撐，桿件易失穩(wěn)（壓屈）當溫度變化較大時，未考慮支撐系統(tǒng)產(chǎn)生的附加應力鋼支撐節(jié)點構(gòu)造不合理鋼角撐計算或構(gòu)造有問題，失穩(wěn)中間支柱設計不周（立柱樁樁長不足、間距過大、節(jié)點構(gòu)造不當?shù)龋?.3施工失誤1）施工方未能領會設計意圖2）施工質(zhì)量低下止水帷幕不連續(xù)實施方案與設計方案差異較大東南角止水帷幕未形成支護樁施工質(zhì)量差（混凝土強度不足、頸縮、斷樁）地下連續(xù)墻施工質(zhì)量差錨桿或土釘長度不足、傾角不對內(nèi)支撐位置錯位，受力后桿件彎曲鋼支撐焊接質(zhì)量差，混凝土支撐混凝土質(zhì)量差3）施工程序、工藝等錯誤先挖后撐（錨桿）挖土機、載重汽車載坑邊作業(yè)挖土機械隨意碰撞支護結(jié)構(gòu)（支護樁、內(nèi)支撐、錨桿、立柱樁等）基坑底暴露時間過長換撐不當坑邊堆載過大4）搶挖、超挖、一挖到底5）任意更改設計方案2.4監(jiān)測失誤無監(jiān)測監(jiān)測內(nèi)容過少對監(jiān)測數(shù)據(jù)分析能力欠缺或不及時分析報警不及時3.深基坑工程若干問題的探討3.1參數(shù)選擇1）土壓力 主動土壓力Ka 靜止土壓力KO 被動土壓力Kp庫侖土壓力理論擋土墻朗金土壓力理論光滑墻背擋土墻3.2水壓力計算2）水壓力無滲流時，按靜水壓力考慮 總應力法水土合算（粘性土） 有效應力法水土分算（沙性土）有滲流時，按動水壓力考慮3.3支護方案確定對具體工程，其適用的（可用的）支護結(jié)構(gòu)型式可能有多種，應綜合考慮基坑開挖深度、基坑平面形狀和尺寸、場地土的工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件、鄰近建筑物的重要程度、地下管線的限制要求、工期、造價等因素，經(jīng)多方案優(yōu)選后確定。3.4內(nèi)支撐方案選擇1）水平內(nèi)支撐結(jié)構(gòu)的平面布置 支撐軸線宜避開柱網(wǎng)軸線，支撐水平距離應4m，機械挖土時應8m，支撐端部與支護樁墻間應設沿樁墻周邊貫通的水平圍檁即腰梁，腰梁沿長度方向水平支撐點的間距，對鋼腰梁應4m，對鋼筋混凝土腰梁應9m，在主支撐兩側(cè)設置八字撐（琵琶撐）來實現(xiàn)之。當基坑平面為長條形時，可采用單向布置的對撐或?qū)闻c角撐的組合型式。矩形或多邊形基坑應優(yōu)先采用相互正交均勻布置的雙向支撐機構(gòu)。如有向內(nèi)凸出的陽角時，應在兩個方向上均設支撐點。多道水平支撐最上一道可為混凝土雙向或環(huán)形內(nèi)支撐，以下雙線水平鋼支撐，對變形控制嚴格時宜用多層混凝土雙向內(nèi)支撐。當需要留設較大作業(yè)空間時，可用桁架式對撐，當基坑為方形或三角形時，亦可采用桁架式角撐結(jié)構(gòu)。采用環(huán)形混凝土內(nèi)支撐是適宜的，也可以選擇邊桁架和對撐或角撐桁架的組合結(jié)構(gòu)。對于長方形和多邊形基坑，也可采用圈環(huán)形或其他結(jié)構(gòu)的組合結(jié)構(gòu)來布置內(nèi)支撐。鋼筋砼內(nèi)撐鋼度好中心區(qū)域采用了環(huán)梁，便于挖土機從坡道進入基坑邊桁架和桁架式對撐或角撐組合對多邊形基坑的適應性較強，上海金茂大廈基坑支撐平面圖開挖深度主樓為19.65m，裙房15.1m，采用厚1m深36m地下連續(xù)墻支護，主樓四道，裙房三道鋼筋混凝土內(nèi)支撐，三個大空間，最大一個空間為主樓位置，圖中涂黑部分為土方開挖階段的棧橋式停機平臺3.5支護結(jié)構(gòu)計算1）樁墻入土深度計算 樁墻式支護結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定所需的入土深度可采用極限平衡法（又稱被動側(cè)極限應力法）計算；2）樁墻結(jié)構(gòu)的內(nèi)力與變形計算 三級基坑和地層較穩(wěn)定、周圍環(huán)境較簡單的二級基坑，一般可采用極限平衡法計算；但支點鋼度較小的多支點支護結(jié)構(gòu)和需嚴格控制墻頂水平位移的懸臂結(jié)構(gòu)宜采用側(cè)向地基反力法（又稱彈性支點法）計算； 一級基坑，地層軟弱或周圍環(huán)境復雜的二級基坑及空間作用明顯的基坑，宜采用側(cè)向地基反力法計算。3.6變形問題3.7穩(wěn)定性驗算邊坡穩(wěn)定抗隆起穩(wěn)定整體穩(wěn)定管涌驗算坑底滲流量穩(wěn)定驗算承壓水穩(wěn)定驗算3.8信息化施工問題深基坑支護工程的監(jiān)測技術在基坑開挖前制定系統(tǒng)的監(jiān)測方案，在開挖及地下結(jié)構(gòu)施工中，用科學的儀器、設備和手段對支護結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境（土體、建筑物、道路、地下設施等）的位移、傾斜、沉降、應力、開裂、基底隆起及地下水位的動態(tài)變化、孔隙水壓力變化等進行綜合監(jiān)測。并對監(jiān)測數(shù)據(jù)進行整理與分析，比較斟察、設計所預期的性狀與監(jiān)測結(jié)果的差別，對原設計成果進行評價并判斷現(xiàn)有施工方案的合理性。通過反分析法計算和修正巖土力學參數(shù)，預測一下施工階段可能出現(xiàn)的新動態(tài)，為施工期間進行設計優(yōu)化和合理施工提供可靠信息，對后續(xù)開挖提出建議，對有可能出現(xiàn)的險情進行及時預報，當有異常時立即采取必要技術措施，防患未然，確保安全。2.監(jiān)測點的布置與監(jiān)測方法的確定（1）支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測1）支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測最重要的監(jiān)測項目之一。每間隔520m設一個監(jiān)測點，每條直邊至少34點，關鍵部位適當加密。可選擇以下方法進行監(jiān)測：用銦鋼絲、鋼卷尺兩用式位移收斂計對支護結(jié)構(gòu)頂部進行收斂量測 測量精度為0.5mm。用精密光學經(jīng)緯儀進行觀測 視準線法。用銦鋼絲式伸縮計進行量測 與自動記錄系統(tǒng)相連，可連續(xù)獲得水平位移曲線和位移速率曲線。（2）周邊環(huán)境的監(jiān)測周邊環(huán)境的監(jiān)測應包括基坑開挖深度3倍以內(nèi)的范圍。1）鄰近建筑物的沉降、傾斜和裂縫及發(fā)生時間和發(fā)展過程的監(jiān)測可用DSI型精密水準儀進行沉降和傾斜觀測。房屋沉降量測點應布置在墻角、柱身（特別是代表獨立基礎及條形基礎差異沉降的柱身）、門邊等外形突出部位，測點間距要能充分反映建筑物各部分的不均勻沉降。2）鄰近構(gòu)筑物、道路、地下管網(wǎng)設施的沉降和變形監(jiān)測可用DSI型精密水準儀進行沉降觀測。地下管線位移量測有直接法和間接法兩種，直接法就是將測量布置在管線本身上，而間接法則是將測點設在靠近管線底面的土體中，為分析管道縱向彎曲受力狀況或在跟蹤注漿調(diào)整管道差異沉降時，間接法必不可少。3）對巖土性狀受施工影響而引起變化的監(jiān)測 包括對土體表層沉降（采用精密水準儀）、水平位移（采用精密經(jīng)緯儀）進行觀測和對土體深部分層沉降（采用分層沉降儀）及傾斜進行監(jiān)測。監(jiān)測著重再距離基坑邊為基坑開挖深度的1.52.0倍范圍以內(nèi)?？杉皶r掌握邊坡的整體穩(wěn)定性，及時查明土體中存在的潛在滑移面的位置。4）樁側(cè)土壓力測試 樁側(cè)土壓力是支護設計中很重要的參數(shù)，常要求測試?？蓪撓沂交螂娮钁兪綁毫新裨O于土中，測試樁身在受到的實際土壓力分布狀況。5）基坑開挖后的基底隆起觀測包括由于開挖卸荷基底回彈的隆起和由于支護變形或失穩(wěn)引起的隆起。用分層沉降儀監(jiān)測之。6）土層孔隙水壓力變化的測試 一般用振弦式孔隙水壓力計，電測式測壓計和數(shù)字式鋼弦頻率接收儀進行測試。7）地下水位監(jiān)測 當?shù)叵滤坏纳祵娱_挖有較大影響時，應對其進行動態(tài)監(jiān)測以及滲漏、冒水、管涌、沖刷的監(jiān)測。8）肉眼巡視于裂縫觀測 由有經(jīng)驗的工程師每天進行的肉眼巡視工作是很有意義的。主要對地圈梁（帽梁）、鄰近建筑物及鄰近底面的裂縫、塌陷和支護結(jié)構(gòu)工作失常、流土、滲漏或局部管涌等不良現(xiàn)象的發(fā)生和發(fā)展進行檢查、記錄和分析。 上述監(jiān)測項目中，水平位移監(jiān)測、沉降觀測、基坑隆起觀測、肉眼巡視和裂縫觀測等是必不可少的。其余項目可根據(jù)工程地質(zhì)水文地質(zhì)特征及設計要求有選擇地進行，強調(diào)量測數(shù)據(jù)于施工工況的具體施工參數(shù)配套，以形成有效的整個監(jiān)測系統(tǒng)。使工程設計和施工設計緊密結(jié)合，以達到保證工程和周圍環(huán)境安全和及時調(diào)整優(yōu)化設計及施工的目的。3.監(jiān)測結(jié)果分析與評價 深基坑支護工程監(jiān)測的特點是在通過監(jiān)測獲取準確數(shù)據(jù)之后，十分強調(diào)定量化分析與評價，強調(diào)及時進行險情預報，提出合理化措施的建議，并進一步檢驗調(diào)整處理后的效果，直接解決問題。 對監(jiān)測結(jié)果的分析評價主要包括下列方面：（1）對支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移的分析對支護結(jié)構(gòu)頂部的水平位移進行細致深入的定量分析，包括位移速率和累積位移量的計算，及時繪制位移隨時間的變化曲線，對引起位移速率增大的原因（如開挖深度、超挖現(xiàn)象、支撐不及時、暴雨、積水、滲漏、管涌等）進行準確記錄和仔細分析。（2）對沉降的分析 對沉降及沉降速率進行計算分析，要區(qū)分是由支護結(jié)構(gòu)水平位移引起還是由地下水位降低等原因引起。一般由支護水平位移引起相鄰地面的最大沉降與水平位移之比約為0.651.00，沉降發(fā)生時間比水平位移發(fā)生時間滯后510天左右，而由地下水位降低會較快地引起地面較大沉降，應給予重視。（3）對各項監(jiān)測結(jié)果的綜合分析與判斷 對各項監(jiān)測結(jié)果進行綜合分析并相互驗證和比較。用新的監(jiān)測資料與原設計預計情況進行對比，盤算現(xiàn)有設計、施工方案的合理性，及時進行險情預報分析，提出合理化建議，調(diào)整設計和施工方案，確保支護的結(jié)構(gòu)和地下結(jié)構(gòu)施工的安全。（4）對監(jiān)測結(jié)果的反演分析 根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，全面分析基坑開挖對周邊環(huán)境的影響和基坑支護的工程效果。通過反分析，查明工程石斛的技術原因。 用數(shù)值模擬法分析基坑施工期間各種情況下支護結(jié)構(gòu)的位移變化規(guī)律和進行穩(wěn)定性分析，用反分析方法推算巖土體的特性參數(shù)，檢驗原設計計算方法適宜性，預測后續(xù)開挖工程實踐可能出現(xiàn)的新行為和新動態(tài)。4.險情預報及險情處理措施 險情發(fā)生時刻的預報是很困難的，但如加強監(jiān)測，對于有前兆的險情完全可以防止巨大偶然災害的發(fā)生。在工程監(jiān)測中，每一測試項目都應事先確定相應的警戒值，以判斷位移或受力狀況是否已超過允許的范圍，工程施工是否安全可靠，是否需調(diào)整施工步序或優(yōu)化原設計方案。1）警戒值確定的原則滿足設計計算的要求，不可超過設計值；滿足測試對象安全要求，達到保護目的；對于相同的保護對象，應針對不同的環(huán)境和不同的施工因素而確定；滿足各保護對象的主管部門提出的要求；滿足現(xiàn)行的相關規(guī)范、規(guī)程的要求；綜合考慮，減少不必要的資金投入。2）警戒值的確定根據(jù)以上原則，并結(jié)合工程實踐經(jīng)驗，具體分析后確定警戒值，切不可生搬硬套?；又ёo樁（墻）水平位移（包括測斜）對只關系基坑本身安全問題的測試，最大位移一般取80mm且最大位移與開挖深度的比值不超過0.70%，每天不超過10mm。對周圍有需嚴格保護建筑物的基坑，應根據(jù)保護對象的需要來確定，一般最大不超過30mm且不超過0.35%，每天不超過5mm。支護結(jié)構(gòu)水平位移連續(xù)急劇增大的速率不超過2.55.5mm/d.煤氣管道的變位 沉降或水平位移不得超過10mm，每天發(fā)展不得超過2mm。自來水管道變位 沉降或水平位移均不得超過30mm，每天發(fā)展不得超過5mm。 基坑外水位 坑內(nèi)降水或開挖引起坑外水位下降不得超過1000mm，每天不得超過5