地铁车站基坑施工安全技术分析与对策摘要:以地铁车站基坑施工中发生的安全事故为例,从工程地质特性、发生事故的原因及处理措施等方面进行分析,提出了相应的技术对策和基坑围护结构渗漏检验方法及安全性验算方法。关键词:基坑施工 管涌 分析 施工对策1工程概述 明挖地铁车站的基坑工程主要由基坑围护结构、基坑内支撑系统、基坑降水等组成。围护结构和内支撑施工控制的好坏直接影响基坑的安全稳定,常见的基坑失稳、管涌等安全事故的发生多数都与围护结构和内支撑有关。某地铁车站设计采用明挖顺作法施工,全长259.6ｍ,宽18.9ｍ,顶板覆土埋深约5.0ｍ,明挖基坑开挖深度达18ｍ,围护结构采用φ1000@750钻孔咬合灌注桩,插入比约为1∶0.8。该车站由于受房屋拆迁和交通疏解的影响不能全面开工,为确保工期不受影响,设临时封堵墙(咬合桩墙)将车站分为东、西两区,先进行东区基坑开挖和主体结构施工。在东区基坑开挖过程中先后两次发生基坑内涌水涌砂现象,不同程度地对周边环境和车站基坑安全造成了一定的影响,经过及时采取措施没有造成较大损失和影响,通过对这个实例的分析总结,提出一些预防措施和技术对策。2 施工中出现的问题2.1发生管涌的情况描述 东区基坑开挖期间共出现2次管涌,第一次管涌点位于第11段基坑南侧,273#～274#桩间坑底,共涌出泥砂约240ｍ3。涌水前第11段基坑已基本开挖到设计标高,开始进行清底,273#～274#桩间渗漏处理也已接近基底。第二次管涌点位于第8段基坑内,距第9段底板(已浇筑完成)端头约5ｍ处,管涌前第8段基坑垫层、防水板及细石混凝土保护层已施工完,共涌出泥砂约40ｍ3。两次管涌点平面立面位置示意图见图1、图2。
2.2管涌的后果和影响 第一次管涌造成基坑南侧(距基坑边约20ｍ)一栋三层居民楼向北侧倾斜,围墙出现裂缝;南侧原有道路路面下沉,路面下的自来水管开裂,造成自来水供应中断。管涌波及范围:273#～274#桩向南最远达44.5ｍ,向东约39.7ｍ,向西约12ｍ。第二次管涌造成基坑南侧距第一次管涌点以西约10ｍ处地面出现轻微裂缝,最大裂缝宽约5ｍｍ,长约10ｍ,沿基坑纵向分布,影响范围向南最远达20ｍ左右。地面最大沉降3ｃｍ,未造成其它财产损坏。3地质特性分析 该场区地下水位高(勘探期间测得地下水位埋深0.85～3.45ｍ)、土层渗透系数大。地下水分布为两个主要含水层,即浅层潜水和深层承压水(承压水头埋深约在地表下5ｍ)。基坑开挖范围内的粉土粉砂地层对基坑涌水极为敏感,围护结构一旦漏水影响范围很大,因此地下水位的控制和围护结构的止水性能是工程成败的关键。基坑开挖影响范围内各土层的岩土物理力学指标如表1所示:
基坑开挖范围内,砂质粉土在开挖时极易产生侧向变形,导致开挖面隆起而引起边坡失稳及基坑涌水等不利现象。基坑底有淤泥质粉质粘土下卧层(层面距离坑底约5ｍ),该层物理力学性质指标尚可,渗透系数较小,对于坑底抗管涌比较有利。4 管涌原因分析4.1 第一次管涌 从施工记录看,273#、274#桩成孔过程中因套管钻头变形造成桩垂直度偏差(实测垂直度约为5‰)。从开挖后的实际看,8ｍ以后两桩之间出现开叉迹象,开挖到坑底后开叉量达15ｃｍ左右。在基坑开挖到7ｍ时,采取了在桩后施作3根高压旋喷桩作为止水补强措施,根据经验确定旋喷深度为基底下3ｍ。按照抗管涌稳定性验算分析,在此旋喷加固深度下实际水力梯度大于临界水力梯度,随着基坑开挖深度的增加随时会出现管涌失稳破坏。土体渗透计算简图见图3。抗管涌安全系数Ｋｓ按下式验算:Ｋｓ=ｉc /ｉ式中 ｉｃ———坑底土体临界水力梯度,ｉｃ=(Ｇｓ-1) /(1+ｅ),Ｇｓ为土粒相对密度,即2.7,ｅ为坑底土 体天然空隙比,取0.85; ｉ———坑底土体渗流水力梯度,ｉ=ｈｗ/Ｌ,ｈｗ为基坑内外土体的渗流水头(ｍ),取坑内外水头差ｈｗ=14.5,Ｌ为最短渗径流线总长度(ｍ),Ｌ=14.5+2×3(旋喷桩深入基底下3ｍ计); Ｋｓ———抗管涌或抗渗流稳定性安全系数,取1.5～2.0。 经验算,当旋喷桩深入基底下3ｍ时:Ｋｓ=ｉｃ/ｉ=0.919/0.71=1.29<1.5。
验算结果表明,咬合桩开叉处旋喷桩止水帷幕的深度不满足抗管涌稳定性要求(经验算止水帷幕深度应伸入基坑底以下≮5ｍ)。此次管涌的主要原因是咬合桩开叉和旋喷加固措施不到位。4.2第二次管涌 管涌发生后立即将漏水点处防水板揭开,对渗流情况进行观察,用手触摸发现漏水点位于接地网沟槽处,直径约20～30ｃｍ,水流方向自东向西(即由第9段底板下流出)。由于管涌前基坑内降水工作曾因停电而停止降水约半小时,分析管涌可能是因降水停止使坑内水位升高,地下水沿接地网沟槽涌出并突破较薄弱的接地网沟槽垫层涌入基坑。管涌处理约2ｈ后,发现第10段基坑南侧(24轴处)地表有宽2～5ｍｍ的裂缝出现,同时测得位于24轴处的坑外水位监测孔ＳＷ8水位下降了3ｍ多。据此推断,基坑24轴附近的咬合桩在底板以下开叉,基坑外潜水从基底以下咬合桩开叉处进入基坑内。 此次管涌发生的主要原因:一是由于坑底以下咬合桩开叉使坑内外地下水连通,当保持坑内降水不中断时,坑内降水使坑外水位下降,使坑底土体渗流水力梯度减少,在临界水力梯度值不变的情况下,抗管涌稳定安全系数增大,此时则不会发生管涌。停电造成坑内降水中断,使坑外水位升高,坑内外水头差增大,抗管涌稳定安全系数降低,而导致管涌发生;二是坑内降水中断后,也使坑内水位上升,并对底板产生压力,结构较松散的接地网沟槽回填土受到破坏,形成空洞,使底板下高压水沿着接地网沟槽涌入第8段垫层下,从后浇筑的强度低、较薄弱的接地网沟槽垫层处涌出。如图4所示。
5 施工对策5.1管涌抢险补救措施 为防止管涌对周围环境造成大的影响,管涌发生后,施工单位会同有关专家积极商讨对策,暂停基坑开挖,采取“支、堵、补、降”等如下有效措施,迅速控制了险情。 1)对内支撑结构(钢支撑、钢围檩等)进行排查补强,确保基坑围护结构的整体安全; 2)以渗漏点为中心,在四周堆码土袋墙进行反压封堵并浇筑混凝土,在继续增加反压重量的同时将土袋墙连为一个整体遏止涌水; 3)基坑南侧既有道路禁止所有施工车辆通行; 4)加强坑内降水措施,降低水头差; 5)及时采取高压旋喷及注浆的方法,对围护结构渗漏点外侧进行补强加固; 6)加强监测,为进一步采取措施提供依据。5.2 监测与动态管理 在基坑开挖全过程实行信息化监控对施工起到了积极的作用,通过对围护结构水平位移、地表沉降、地下水位、钢支撑轴力等的观测及时获取基坑施工安全信息,从而为方案决策、险情排查、设计验证提供了强有力的依据。以第一次管涌和分析监测信息为例作如下说明。 1)基坑变形情况 围护结构水平位移管涌前ＣＸ10累计最大位移29.02ｍｍ,管涌后最大位移为31.5ｍｍ(位于基坑深12.5ｍ处,此时测点处已开挖到第五道支撑);土体水平位移ＣＸ6的位移呈直线递增,由管涌前的32.12ｍｍ增大为52.16ｍｍ;第一道支撑轴力减少15ｋＮ,第二、三道支撑轴力分别增加90ｋＮ和140ｋＮ,支撑总轴力仍在设计值以内。说明此次管涌对基坑本身的安全影响不大。 2) 环境变化情况 漏水点处地面最大沉降量达500ｍｍ,距漏水点20ｍ以外各测点最大沉降量在3～12ｍｍ之间。管涌对环境影响较大。 3)水位变化情况 坑内水位无明显变化。坑外漏水点附近的水位观测井ＳＷ8管涌后陡降5ｍ左右,此时坑内外水位差由15ｍ减少到10ｍ左右,水位差对流沙的产生已失去作用。抢补措施完成约3ｈ后,水位又回升到原标高。ＳＷ8水位陡降证明围护结构止水帷幕在ＳＷ8附近存在缺陷,坑内外地下水已连通。6 结论与体会 1)粉土、粉砂地层中基坑围护结构的止水性能对基坑安全和环境保护至关重要,围护体一旦出现涌水、涌砂波及范围在2～4倍的基坑开挖深度,对环境危害极大。因此,围护结构施工质量的控制及基坑施工过程中对围护结构的排查与补强工作,必须认真细致。 2)对围护体渗漏点的补强加固深度以及加固技术措施,一方面必须进行抗管涌稳定性验算,不能仅凭经验行事,另一方面要严格控制施工质量,确保万无一失。 3)降水是基坑工程施工的重要环节,坑内降水可固结土体,提高土体的被动抗力,防止或减少坑底隆起。第二次管涌与坑内降水停止后地下水位上升使底板下土壤强度破坏形成渗流通道有关。 4)从坑外水位监测孔ＳＷ8的水位监测情况看,坑外水位监测对检验围护结构止水效果非常有效。西区基坑施工时可根据情况适当加密坑外水位监测孔数量,当坑内降水发现坑外水位变化异常时,提前采取加固补强措施。
