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深基坑支护设计方案分析及案例问题处理办法

268 2020-06-16 09:54:26


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近年来,随着城市化和地下空间开发利用的发展,出现了越来越多的深基坑工程,基坑支护体系是临时结构,安全储备小,有较大的风险性。如果设计或施工不当,就会对周边建(构)筑物产生影响,严重时导致支护体系本身或周边环境破坏,甚至造成人员伤亡,在深基坑工程中这方面的惨痛教训屡有出现。

基坑工程是一个古老而又具有时代特点的岩土工程课题,太沙基说的“岩土工程与其说是一门科学,不如说是一门艺术”的论述对基坑工程特别适用。岩土工程分析在很大程度上取决于工程师的判断,下面结合某工程事故案例,分析施工中产生支护结构变形过大,引起局部垮塌的原因,为类似工程提供借鉴。

1.工程概况

工程位于郑州市东南部。拟建工程周边环境如下:基坑东侧10m外为已建6层住宅,基础形式为条形基础,基础埋深约1.5m;基坑南侧为高架高压走廊,走廊南侧为已建市政道路,距离基坑30m;基坑西侧为已建市政道路,距离基坑约15m;基坑北侧为已建市政道路,距离基坑约12m,基坑开挖深度为14.2m,基坑侧壁安全等级取一级。


工程场地地形平坦,地貌单元属冲洪积平原,与基坑支护和降水有关的地层情况描述如下:

①杂填土,杂色,松散,含建筑垃圾。

②粉土,褐黄色-黄褐色,稍湿,中密,干强度低,韧度低。

③粉土,褐黄色,稍湿,密实,夹有小礓石颗粒,砂感较强,干强度低,韧度低。

④粉砂,褐黄色,稍湿,密实,夹有零星的小礓石颗粒,主要成分为石英、长石等。

场地的工程地质条件及基坑围护设计参数如表1所示。

1  土层参数表

层号

土层

重度KN/m3

粘聚力KPa

内摩擦角

锚固体摩阻力(KPa)

平均厚度(m)

杂填土

18

5

10

16

1.13

粉土

18.4

12

20.8

70

3.85

粉土

19.4

20

16

75

5.34

粉砂

20.1

2

25

65

9.29

拟建场地地下水位在现自然地面下26m左右,地下水类型为潜水,其补给来源主要为大气降水和地表径流,水位年变化幅度在1.0m左右,改区域近5年最高水位为24.0m左右。开挖期间不考虑降水措施。

2、基坑支护设计方案

本工程基坑开挖面积约为66407m³,延长米约为1178m,开挖深度为14.2m,属于超大超深基坑。结合周边环境条件和工程地质条件,适合本基坑的支护方案有以下几种。

第一种为地下连续墙结合支撑方案。此方案尽管已经在南方成熟应用于大型基坑工程,但在郑州应用非常少,其优点为安全系数高,可在红线内完成支护;但造价和工期均不理想,且施工技术复杂,对主体基础施工有影响。因而此方案是不可取的,也是较难实现的。

第二种方案是采用钻孔灌注桩+锚索支护体系,桩顶设置帽梁。此方案技术成熟,且在郑州应用较普遍,经验丰富。但需要成熟的施工队伍且在锚索施工工程中对周围管线及市政道路会带来不利影响。

第三种方案是采用微型桩+预应力锚杆复合土钉墙支护体系。此方案经济,但安全性较低,对施工质量要求比较高,且需要较大放坡空间。


综合工期造价的要求,结合周边情况和开挖深度,东西北三侧采用桩锚支护体系(1-1剖面),南侧采用复合土钉墙支护体系(2-2剖面),基坑支护剖面图详见图1,基坑支护设计主要构造见图2所示。


3.施工事故及原因分析

在施工中,2-2剖面当开挖至约12.5m深(即倒数第二道土钉注浆完成且坡面施工完毕后)的第2天,就直接开挖到基坑底部14.2m深,且10天内没有对12.5m以下深度范围内的坡面进行支护,第12天,坡脚开始出现了流砂现象,施工方采取了用砂袋反压坡脚的措施,第14天,在2-2剖面(即南坡)出现了从6.5m深度至坡底出现了大面积垮塌(6.5m以上的坡面出现了裂缝),形成了倒坡,垮塌长度达60m,所幸未造成人员伤亡。


经分析事故原因主要有以下几个方面:

(1)流砂问题:因基坑超挖,施工队为赶工期,开挖至粉砂层时,未按设计要求喷射混凝土,局部出现了流砂现象。由于流砂速度较慢,不足以威胁人身安全,未能引起施工方足够重视,没有及时采取防范措施。随后流砂引起坑壁坡体基底承载力降低,引发边坡失稳。

(2)坡面和土钉施工质量问题:在2-2剖面开挖及土钉施工中,发现放线与前期勘探位置不对应,施工队未及时与相关单位特别是设计进行沟通,造成坡度偏陡,与原设计坡面不符,导致现场情况比设计状态更加不利;且部分土钉没有达到设计长度,充盈系数和灌浆压力不足;部分土钉方向及角度不规范,造成土钉实际工作长度不够。笔者针对2-2剖面进行了复核验算,经验算,土钉墙局部抗拔承载力系数仅为0.536,远低于规范要求的1.6。

4.加固措施及效果

在塌方位置按照分层分段处理加固,每层处理高度不能超过2m,宽度不能超过20m,严格按照分层分段进行加固处理。具体措施如下:

根据事故原因  设计师在正在努力补救...

(1)在已裸露出来的第二排土钉,即-7.5m位置(原土钉长度为9米)上加设腰梁,进行锁定;


(2)下层15m预应力锚杆,既-9m位置进行处理与加强筋进行连接,局部形成倒坡位置采用实物进行填充,加固施工时应满布摩擦土钉。


(3)在-10.5m位置加设一排竖向轻型钢管桩,长度6m,横向间距0.5m,钢管采用Φ48钢管,并在钢管下部设置花管预留出浆孔。


(4)在-10.5位置加设一排预应力锚杆,长度9m间距1.5m,锚杆采用Φ20螺纹钢,并在坡面架设腰梁并与钢管桩连接,进行锁定。


(5)在主楼超挖部分-13.5m位置由于沙层较大无法成孔,在此位置横向加设一排轻型钢管桩,间距1.5m,钢管采用Φ48钢管,并在钢管下部设置花管预留出浆孔。


(6)为了避免基坑南侧再发生类似问题,建议在整个基坑南侧加设轻型钢管桩:①主楼位置增加竖向钢管桩,长3m,间距0.5m,横向钢管桩长3m,横向间距1.0m;②地库位置增加一排竖向钢管桩,长3m钢管桩,间距0.5m。

tips

由于现在基坑开挖深度较大,轻型钢管桩若使用顶管齐施工,扰动较大容易对基坑产生扰动;下部为砂层人工成孔易塌孔无法成孔;水冲钻容易对边坡造成沉降,为了保证施工质量,加快施工进度,采用挖机顶进的方法进行钢管桩施工。加固施工过程中,施工单位应派专人在坡顶巡视,结合现场监测数据,如有紧急情况,及时撤离坑内相关人员。


 5.总结与反思


(1) 对基坑事故原因分析表明,基坑挖土施工不当及未及时支护是造成本基坑事故的主要原因,借鉴土木工程其他领域的经验,建立基坑工程信息化施工尤为重要,可有效减低事故发生的概率并及时应对。

(2) 因地层条件的复杂性和不确定性,设计时应详细了解工程地质情况和周边环境,合理选用基坑支护型式,在符合规范要求的同时,应充分考虑到各种因素,预留安全储备空间。

(3) 岩土工程尤其重视工程实践,目前支护设计软件较多,使用软件计算的同时,应充分考虑类似工程实践的积累和分析,以达到安全和经济的设计效果。

解惑

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