于曉洋

（山東省魯南地質工程勘察院（山東省地質礦產勘查開發(fā)局第二地質大隊），山東 濟寧 272100）

0 引言

近年來，基坑事故頻頻發(fā)生，造成了巨大的經濟損失甚至人身傷害。誘發(fā)基坑事故的因素多種多樣，其中地下水是影響基坑安全性的一項重要因素，如果無法對地下水進行有效地控制，將會對基坑造成嚴重的安全隱患。

基于事故現(xiàn)場的各項調查和試驗數(shù)據(jù)，是分析事故原因最直觀、最可靠的手段。隨著計算機技術的發(fā)展，數(shù)值模擬目前也成為了一種有效的輔助手段，很多專家學者［1-6］已成功利用不同的數(shù)值模擬軟件對基坑事故作出分析。

1 概況

1.1 工程概況

基坑位于山東省乳山市南部，擬開挖部分為單層地下車庫?；颖眰葹榇盏?，東側毗鄰社區(qū)衛(wèi)生服務中心大院，南側及西側均為道路。其中南側空間較為寬裕，其他方向受地物及待建區(qū)域影響空間有限（見圖 1）?；訓|側及南側建筑均采用毛石條形基礎，基礎埋深約 3.0 m。基坑西南側路南有水塘，尺寸 28.4 m×46.6 m，水位與周邊地下水水位一致。

圖1 基坑平面圖（單位：mm）

基坑開挖底標高 5.10 m，地面標高 11.10～11.30 m，基坑深度 6.0～6.2 m，周長約 283.1 m。基坑安全等級二級，局部三級。

1.2 場地巖土工程條件

根據(jù)勘察報告提供的資料，場地支護深度內的工程地質條件簡述如下。

1）雜填土。雜色，松散，濕，成分混雜，主要為黏性土及砂土，建筑垃圾等。該層分布普遍，一般厚度 2.30～2.80 m，平均厚度 2.55 m，該層土回填時間較短，約 1～5 年。密實度和均勻性差別較大。

2）粉質黏土?；尹S色，可塑。厚度 2.20～3.30 m，平均 2.79 m。本層進行標準貫入試驗 23 次，標貫擊數(shù) 7～9。

3）中粗砂?；疑柡?，稍密到中密，局部混細砂。一般厚度 2.60～3.30 m。本層進行標準貫入試驗 28 次，標貫擊數(shù) 13～20。

4）強風化花崗巖?；野咨?，中粗?；◢徑Y構，塊狀構造，主要礦物成份為石英、長石、云母，巖芯呈粗礫砂狀、碎塊狀、易擊碎，錘擊聲啞，風化程度隨深度增加逐漸變弱。該層未穿透，最大揭露厚度 7.0 m，于本層中進行標準貫入試驗 11 次，錘擊數(shù)為 60～93 擊。依據(jù)野外定性鑒別特征，可劃分為極軟巖，完整程度為破碎，巖石基本質量等級為Ⅴ級。

各層土的物理力學參數(shù)如表 1 所示。

表1 土的物理力學性質指標

場地地下水為第四系潛水，微承壓，孔內穩(wěn)定水位埋深 0.90～1.30 m，高程 10.0 m 左右。中粗砂層及基巖風化層為主要含水層，大氣降水和地下徑流為主要補給源，排泄以蒸發(fā)和地下徑流為主，水位隨季節(jié)變化幅度約為 0.5～1.0 m。

1.3 基坑支護及地下水控制方案

如圖 1 所示，基坑西側、北側及東側 A-B-C-D 區(qū)間均采用 SMW 工法樁結合預應力錨索垂直支護方案。事故則發(fā)生在基坑南側 D-A 區(qū)間，D-A 區(qū)間采用 1∶1.0 坡率法放坡，坡面掛 50×50×1.6 mm 成品鋼絲網，噴射 C20 混凝土面層 50 mm，坡體設置泄水孔，坡頂線外 1.0 m 處設置 650 mm 三軸水泥土攪拌樁截水帷幕，支護斷面如圖 2 所示。

圖2 D-A 區(qū)間支護斷面圖（單位：mm）

基坑采用三軸水泥土攪拌樁全封閉截水帷幕進行封水，帷幕底部需進入④層強風化花崗巖，入巖深度原則上以攪拌鉆頭無法鉆進為止。基坑內設置疏干井 8 口、集水坑 12 處，疏干井井深 8.0 m。帷幕施工完成后、基坑開挖之前，利用疏干井將基坑內水位降至基底標高以下 0.5 m，開挖過程中也可結合明排的方式同時進行疏干降水。

2 基坑事故

2.1 基坑事故發(fā)生過程

2020 年 8 月，該基坑開挖至基底設計標高。2021 年 1 月 23 日清晨，施工單位例行巡視時發(fā)現(xiàn)基坑南側西半段放坡坡頂與帷幕結合處出現(xiàn)裂縫，裂縫寬度最大處 56 mm 左右，裂縫自 A 點以東 2 m 處起向東延伸至施工大門附近，總長度約 35 m，由于南側放坡段基坑安全等級為三級，此時變形并未達到基坑變形累計預警值，因此，根據(jù)設計單位的意見，需采取加強監(jiān)測頻率并進行坡腳反壓的方案，但施工單位并未按此執(zhí)行。當日下午，坡頂裂縫寬度及范圍持續(xù)發(fā)展，南側坡體中段以西局部出現(xiàn)坍塌，坡面面層橫向拉裂，露出土體，次日清晨，坡頂裂縫寬度累計變化值已達 220 mm 左右，總長度已達 56.5 m（見圖 3）。

圖3 基坑破壞平面示意圖（單位：mm）

此后，監(jiān)理單位立即發(fā)出停工通知，疏散基坑內作業(yè)人員，建設單位組織相關責任單位開會商討對策，現(xiàn)場照片如圖 4～圖 6 所示。

圖4 基坑坡面破壞總覽

圖5 基坑坡頂裂縫總覽

圖6 帷幕與坡頂之間土體開裂

2.2 事故現(xiàn)場調查

除了上述明顯破壞，在對現(xiàn)場進行詳細踏勘及調查后，以下幾個細節(jié)值得注意。

1）西側坡頂線與施工臨建之間的硬化地面出現(xiàn)約平行于坡頂線的細小裂縫，該裂縫最早發(fā)現(xiàn)于事故發(fā)生之前的一個星期，裂縫距坡頂線距離約 1 倍基坑深度。

2）基坑東南側花壇以北附近地面出現(xiàn)平行于坡頂線的細小裂縫，該裂縫于事故當日清晨巡視時被發(fā)現(xiàn)，裂縫距坡頂線距離約 2.4 倍基坑深度。

3）基坑東半段按原設計 1∶1.0 坡率法放坡，此部分未發(fā)生坍塌，面層僅有少量裂縫。中段偏西局部坍塌部分未按設計坡率放坡，放坡坡率為 1∶0.8，而西端約 5 m 長度范圍放坡坡率僅為 1∶0.7。

4）放坡坡腳處砂土局部堆積隆起，坡腳面層呈鼓脹式破裂。

5）如圖 4 所示，基坑坑底處地下水水位始終難以降至坑底以下設計標高，導致坑內普遍積水，施工現(xiàn)場泥濘不堪。據(jù)了解，在基坑竣工后的 1 個月里，疏干井不間斷持續(xù)工作，基坑內水位未見明顯降低，而基坑西南側約 40 m 處的水塘水位明顯下降，水位降深約 2 m。施工單位擔心水塘水位下降引發(fā)糾紛，隨即將基坑內抽取的地下水回灌至水塘中。

6）邊坡坡頂線外硬化地面平時禁止車輛駛入，坡頂附近僅臨時堆放部分砂石及輕型設備。

通過對現(xiàn)場的詳細踏勘及調查，有助于我們對事故破壞的原因進行剖析。由于現(xiàn)場坡頂附近經常堆放砂石及設備，基坑監(jiān)測點部分破壞，因此，至事故發(fā)生時監(jiān)測資料部分缺失，只能根據(jù)有限的現(xiàn)場調查進行分析。

3 事故原因分析

3.1 初步分析

從基坑破壞情況來看，截水帷幕內側的坡體頂部發(fā)生了明顯且嚴重的水平位移，坡面面層橫向拉裂破壞且坡腳處堆積了部分砂土，坡體也必然伴隨豎向沉降。

此次事故中，帷幕與基坑外側土體緊密相連，并未向基坑內側產生明顯的水平位移，帷幕則與內側土體顯著分離，內側土體產生了類似擋墻一樣傾覆的趨勢。

由于帷幕內側疏干降水已明顯影響到帷幕外側的地下水水位，由此可以斷定，基坑截水帷幕已失效，因此，基坑內僅有的 8 口疏干井已起不到疏干作用?；涌拥组L期被水浸泡，坑底處地層為砂層，受毛細作用，土體底部砂層始終處于飽和狀態(tài)，抗剪強度必然有所降低，且發(fā)生破壞的部分均未按照設計坡率放坡，導致內側土體抗傾覆能力下降，隨著坡腳處盲溝開挖擾動及長期降水，坡腳處砂土已然產生了一定變形和破壞。

3.2 建模分析

為了驗證上述分析，通過建立有限元模型對事故基坑做進一步分析。

由現(xiàn)場調查可知，基坑帷幕已經失效，在進行建模時，需要確定帷幕底部失效的高度h（帷幕底至強風化花崗巖巖面的距離）。由于基坑內水位基本保持不變，可近似將基坑涌水量等同于抽水量，基坑內 8 口疏干井持續(xù)工作，每口井每天抽水量約 72 m3，每天基坑涌水量Q近似等于 576 m3。假設基坑內水位為基底以下 0.1 m，h假定為 0.5 m，水力坡降 5.9/8.95=0.57，根據(jù)達西定律［7］計算公式：Q=kAi，576=22×228×h×0.57，h=0.2 m 與假設h=0.5 m 不符，因此調整假定的h取值及i值，最終確定h=0.2 m。

由位移增量云圖（見圖 7）所示，基坑帷幕內側坡腳、坡面及坡頂?shù)炔课凰苄宰冃屋^為嚴重，坡腳處尤為突出，而坡頂線外 1～2.4 倍基坑深度范圍均有不同程度的塑性變形，變形相對來說較輕，坡頂處水平位移最大（見圖 8），模擬結果與現(xiàn)場坡頂硬化地面處出現(xiàn)的細小裂縫及坡頂帷幕附近的巨大裂縫十分吻合。

圖7 總增量位移云圖

圖8 總水平位移云圖

本次建模的目的除了要盡可能地接近和還原現(xiàn)場實際情況，最重要的是要驗證初步分析中提到的基坑破壞關鍵影響因素——地下水滲流。假設帷幕進入強風化花崗巖中 1 m，此時的截水帷幕處于有效工作狀態(tài)，可以得到圖 9 所示的滲流場。地下水繞過帷幕后主要呈水平方向滲流，對坡腳影響甚微。而在帷幕失效的情況下，如圖 10 所示，坡腳部位成為了明顯的溢出點，這與現(xiàn)場情況和初步分析的結果完全一致。

圖9 地下水滲流場圖

圖10 地下水滲流場圖

由此，帷幕內側的有限土體產生了局部圓弧形剪切破壞，坡腳處成為了最為薄弱的部位（見圖 11）。

圖11 剪應力增量云圖

3.3 事故原因總結

通過現(xiàn)場詳細調查及后續(xù)建模分析，此次事故發(fā)生的原因已清晰明了。

1）由于施工單位截水帷幕存在嚴重的施工質量問題，導致基坑內外地下水連通。基坑底部為砂層，是良好的透水層，基坑內外水頭差本身就比較大，坡腳附近長期施工降水且設置的碎石盲溝成為良好的地下水溢出通道，長此以往，地下水滲流導致坡體下部砂土顆粒逐漸流失，坡腳部位砂土強度日益降低，最終形成滑動破裂面，且未按設計坡率放坡，坡體本身自穩(wěn)性沒有保障，綜合作用導致了坡體破壞變形。

2）在事故發(fā)生之前的 3、4 個月里，基坑內地下水難以疏干且基坑內降水引發(fā)周邊地下水水位下降已經可以從側面證明帷幕失效，但該現(xiàn)象并未引起現(xiàn)場參建單位的重視，也未對帷幕進行檢測或加固，導致后續(xù)滲流破壞持續(xù)加劇。

3）此次事故中，當發(fā)現(xiàn)坡頂變形裂縫后，施工單位并未按照設計中的應急預案進行反壓處理，導致基坑在短時間內持續(xù)加劇變形。

4）監(jiān)測單位未能及時預警并提供有效的監(jiān)測數(shù)據(jù)，現(xiàn)場監(jiān)測點破壞，監(jiān)測工作存在很大漏洞。

4 加固處理方案

由于本次事故并未造成重大破壞和損失，因此，本著安全可靠、經濟合理、方便快捷的原則進行如下加固和修復。

1）為防止坡體進一步變形破壞，首先應保證坡體的整體穩(wěn)定性，因此，除了對坡頂堆載進行清理外，加固坡腳成為首要任務。由于坡底中粗砂較密實，原本選定的木樁作為抗滑樁難以靜力壓入，因此，只能選用截面較小的 I16 工字鋼引孔壓入，工字鋼長度 3.0 m，水平間距 0.4 m，間隔施工，壓至風化巖巖面，施工后隨即用砂袋進行反壓。

2）對于坡頂帷幕附近的裂縫，首先采用砂石進行填縫，坡面已滑塌破損的面層，重新修坡掛網，最后統(tǒng)一對面層及縫隙進行噴混凝土處理。

3）由于帷幕失效，受周邊條件限制，重新補打一排帷幕的可能性不大，因此，只能在現(xiàn)狀基礎上對基坑內地下水進行處理。除了保持疏干井持續(xù)降水外，基坑坑底開挖寬度約 1 m 的橫向及縱向溝槽，局部回填碎石并安置水泵進行明排。

經過一系列處理措施，基坑后續(xù)變形得到有效控制，坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

5 結語

本次基坑事故雖未造成嚴重破壞，但依然給我們帶來很多啟示。

1）地下水滲流作為基坑破壞的一種重要因素，應當引起足夠的重視，截水帷幕依然是控制地下水滲流的有效手段。

2）基坑安全無小事，基坑施工過程中遇到的異常情況應當引起參建各方的重視，任何一點小問題后期都有可能發(fā)展成為大的安全隱患，及早地解決問題才能防患于未然。

3）近年來很多基坑事故都是因為施工質量引發(fā)的，基坑工程雖為臨時性工程，但任何施工環(huán)節(jié)尤其是隱蔽部位的“投機取巧”，都可能留有安全隱患。

4）土巖結合部位的水泥土攪拌樁施工，對施工隊伍的能力和施工技術要求較高，在不考慮經濟因素的前提下，高壓旋噴樁截水帷幕封水和入巖效果更優(yōu)。

5）本次基坑修復及加固措施，解決了安全隱患，效果顯著，可作為類似工程的參考。Q