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阅读 322 次 基坑工程坍塌事故浅析

摘要:在经济高速发展的今天,地下空间开发已成为一种必然趋势,因此,基坑工程安全生产形势也愈加严峻。基坑工程安全隐患是事故方式的内因,为此把基坑工程危险源找准,才能防患于未然。本文就基坑工程存在的安全隐患的现状、成因、主要问题及对策进行简明扼要的论述,以次防微杜渐、可供各有关单位技术人员参考。...

 基坑工程坍塌事故浅析

朱书勤  孙富田  武 玮

西安市建设工程质量安全监督站  

    一、现状

    1、随着经济发展、城市化步伐的加快,为满足日益增长的市民出行、轨道交通换乘、商业、停车等功能建设的需要,在用地愈发紧张的城市,结合城市建设和改造开发大型地下空间已成为一种必然趋势,多层地下室、地铁、地下通道、地下停车场、地下商城、地下仓库、地下变电站、地下民防工事等多种地下民用和工业设施纷纷建成并投入运行。建筑物基础的深度越来越深,面积也越来越大,建设时基坑常常紧邻建筑物、交通干道、各种市政地下管线、地铁等,施工场地紧张、施工条件复杂、工期还紧迫。这样的基坑工程的设计和施工难度越来越大,基坑事故时有发生,基坑工程安全生产形势也愈加严峻。基坑工程安全隐患是事故方式的内因,为此把基坑工程危险源找准,才能防患于未然。

    2、目前基坑工程存在的现象

   (1)基坑开挖多数由失去土地的村民介入施工,这些人无施工经验、又无施工资质、还不遵守规范规定;他们对基坑开挖常常采取无序作业,甚至不与基坑支护施工配合,一挖到底﹙不按设计放坡、垂直开挖甚至呈反向坡向﹚,对基坑坡面不进行整修;为了利益经常暂停基坑开挖并阻断基坑支护施工。

    基坑土方开挖引起基坑周边地层的位移、变形与开挖的空间几何尺寸、基坑暴露面积有关,分层、分段、分块开挖的空间几何尺寸越大,基坑暴露面积越大,位移、变形越大。只要基坑土方开挖就会伴随基坑周边地层的位移和变形,时间越久位移、变形越大。

    基坑开挖过程中,如不及时进行基坑支护或坑底暴露时间过长,基坑边坡位移就会明显变化,造成基坑周边既有建﹙构﹚筑物沉降持续发展,进而影响到基坑本身和基坑周边既有建﹙构﹚筑物、地下设施的安全。

   (2)基坑开挖深度超过2米,基坑周边不安装防护栏杆,不设置明显警示标志及供施工人员上下的专用梯道。坡道是施工机械专用通道,施工人员不能与车混用一条道路,这是不安全的,故必须设置供施工人员上下的专用梯道。

    高处作业的定义是在距坠落高度基准面2m或2m以上的有可能坠落的高处进行的作业。鉴于基坑开挖深度超过2m,就会有坠落事故发生,故必须在基坑周边安装防护栏杆。

   (3)基坑周边不按设计要求的范围内堆载或停放施工机械;基坑开挖后未立即对基坑坡面进行防雨淋、防土体蒸发和粉土细沙土失水的临时防护措施,这样都会对基坑坍塌等对基坑产生不安全的影响。

    基坑边堆土、停放机械都会加大基坑坑边的附加荷载,造成基坑安全隐患,故必须严格限制在设计工况的允许范围内。

   (4)基坑开挖会出现临时土坡,由于存留时间相对较短,往往对其坡体不进行支护,坡体也未进行混凝土硬化等处理,经挖方机械、运输车辆反复碾压,土体受到扰动变为松散状态,若再经雨淋含水量大幅增大,很易出现滑坡,对基坑工程造成很大的安全隐患或安全事故。

   (5)基坑土方已经开挖,但基坑工程变形监测还未开始,甚至开挖到坑底变形监测单位才介入;基坑土方开挖、基坑支护单位对基坑及周边环境不进行巡视、巡查。

    基坑工程监测应在基坑开挖前进行不少于2次的测报初始值,并在监测前根据基坑工程的特点确定监测报警值,以便在基坑工程实施期间及时发现危险点并采取有效应急措施确保基坑工程安全,减少对周边既有建﹙构﹚筑物及环境的影响,没有初始值就没有类比性和确定性,这是很大的安全隐患。

    基坑变形监测是定期的观测,而基坑坍塌经常是突发性的。每日对基坑及周边进行巡查是对定期监测的补充,是很有必要和行之有效的经验总结,它可以及时发现异常现象而启动应急救援预案,将危害安全消灭在萌芽状态之中。

   (6)基坑坡面不设置外倾的泄水孔。任何水源浸泡基坑坡面土体,基坑周边土体及坑底土体都会对基坑造成安全隐患,因此,基坑坡面适当的增设外倾的泄水孔等排水措施,作为坡面防护,保证排水畅通至关重要。

   (7)基坑勘察是参照主体工程的地质勘察报告作为基坑土方开挖、基坑支护结构设计及基坑降水设计的依据。

    基坑工程的勘察报告应提供场地内滞水、潜水、裂隙水、承压水等有关参数,包括埋藏条件、地下水位、土层的渗流特性及产生管涌、流砂、隆起的可能性。对于安全等级为一级且易于受水浸湿的基坑坑壁以及永久性基坑坑壁,设计中应要求勘察报告提供饱和状态﹙sr=85%﹚条件下的土性参数,以便进行稳定和变形计算。

    当地下水有可能与临近地表水沟通时,应查明其补给条件、水位变化规律。当基坑坑底面有承压水时,应测量其水头高度和含水层界面。对于基坑土方开挖过程中,需要进行必要的承压抽水试验。当地下水有腐蚀性时,应查明其污染源和地下水流向。

    地表水的汇水、流向等控制在勘察报告中普遍缺少描述,此种情况,会给基坑工程在雨季带来很大隐患。

    上述基坑工程岩土勘察报告普遍存在的现象与实际基坑坡面土层土性参数具有较大的差异性和片面性,这就造成了基坑工程的安全隐患。

   (8)基坑工程勘察、设计及土方开挖前,建设单位未对基坑周边开挖深度2倍范围内的环境状况进行详细调查和出具环境评估报告。

   (9)基坑工程施工过程中的隐蔽部位没有进行中间质量验收。

   (10)基坑工程没有按设计及现行国家标准进行竣工验收并办理主体施工单位移交签字手续

   (11)基坑工程验收资料缺失下列内容:

    1)原材料的产品合格证、出厂检验报告、进场复验报告或委托试验报告。

    2)混凝土试块或砂浆试块抗压强度报告及评定结果。

    3)锚杆或土钉抗拔试验检测报告、水泥土墙及排桩的质量检测报告。

    4)基坑和周边建(构)筑物沉降、变形监测报告。

    5)基坑工程的使用维护方案和应急预案

   (12)未将基坑工程竣工报告和有关文件交付基坑使用单位归档;大型永久性的基坑工程未报建设行政管理部门备案。

    二、基坑工程的特点与隐患的成因

    1、基坑工程安全储备小、风险大

    因基坑工程一般情况下,作为临时性分部工程,相对于永久性建筑结构工程而言,安全储备要求可小一些,加上建设单位对基坑工程认识上的偏差,为降低工程费用,对设计提出一些不合理的要求,实际的安全储备可能会更小一些,因此,基坑工程具有较大的风险性即存在了安全隐患。

    2、制约因素多

    基坑工程与自然条件关系密切,设计施工中必须全面考虑气象、工程地质、水文地质条件及其在施工中的变化,充分了解工程所处的工程地质、水文地质、周围环境与基坑开挖的关系及相互影响。基坑工程受到工程地质和水文地质条件的影响很大、区域性强。不同地层(有软土、砂土、砾石土、湿陷性黄土、膨胀土、盐渍土、红土、风化土、岩石等)中的基坑工程所采用的支护结构体系差异很大,即使是同一城市,不同的区域也有差异,因此,围护结构体系的设计、基坑的施工必须要根据具体的地质条件因地制宜。

    另外,基坑工程支护结构体系除受上述条件制约外,还受到相邻建(构)筑物、地下构筑物和地下管线的影响,周边环境的容许变形量、重要性等也会成为基坑工程设计与施工的制约因素,甚至成为基坑工程成败的关键,因此,基坑工程的设计与施工应根据基本的原理和规律灵活应用。

    3、基坑工程设计计算理论不完善

    基坑工程作为地下工程,所处的地质条件复杂,制约因素众多,人们对岩土力学性质了解还不深入,很多设计计算理论, 如岩土压力,岩土的本构关系等,还不完善,还是一门发展中的学科。

    作用在基坑围护结构上的土压力不仅与位移的大小、方向有关,还与时间有关。目前,土压力理论还很不完善,实际设计计算中往往采用经验取值,或按照朗肯土压力理论或按照库伦土压力理论计算,然后再根据经验进行修正。

    在考虑地下水对土压力的影响时,是采用水土压力合算还是分算更符合实际情况,各界还认识不一致,各地制定的技术规程或规范中的规定也不尽相同。至于时间对土压力的影响,即考虑土体的蠕变性,目前在实际应用中还很少顾及。

    实践发现,基坑工程具有明显的时空效应,基坑的深度和平面形状对基坑围护体系的稳定性和变形有较大的影响,土体所具有的流变性对作用于围护结构上的土压力、土坡的稳定性和围护结构变形等有很大的影响。这种规律虽已被初步认识和利用,形成一种新的设计和施工方法离完善还是有相当大的距离。

    岩土的本构模型目前已多达数百种,但真正获得实际应用的计算模型则寥寥无几,即使获得了实际应用也和实际工程情况还是有较大的差距。

    正如上述,基坑工程的设计计算理论还不完善,直接导致了工程的许多不确定性,因此,要与建设、施工、监理、监测、监控等单位人员紧密配合、齐心协力,更要有相应的、可操作性的应急措施,方可使基坑工程安然无恙。

    三、设计理论方面的主要问题

    1、基坑土方开挖过程中,地基土体主要经受的是卸荷过程,截至今日,国内外对基坑工程土方开挖的力学性质研究,大多数是针对加载方式进行的。土体的加载与卸荷过程是两种完全不同的应力路径,而应力路径又与土体的强度、变形特性密切相关,这就是使得加载工程的设计计算与实际情况存较大差异,同时这也是坍塌、滑坡、基坑支护结构遭受破坏对工程事故发生的主要原因之一。

    2、基坑工程的设计与施工不仅需要岩土工程方面的认识,也需要结构工程方面的知识;同时,基坑工程中设计与施工是密不可分的,设计计算的工况必须和施工实际的工况相一致,才能确保设计的可靠性。所以设计人员必须了解施工,施工人员必须了解设计,比较有效的是设计与施工由同一单位完成。设计计算理论的不完善和施工中诸多不确定因素往往会增加基坑工程实践中的风险。若干基坑工程的事故就印证了这一点。

    四、对策

    1、从事基坑工程的设计、施工人员需要具备及综合运用以下各方面的知识。

   (1)应具备岩土工程知识和经验。按工程需要提出勘察任务并对地质勘察报告提供的描述和各类参数进行研究、分析,以合理选用参数进行支护结构的土压力计算,对基坑开挖带来的环境影响进行较为精确的预估,以及对地质条件变化带来的问题做出正确的判断和处理。

   (2)应具有建筑结构和力学知识。能够了解主体结构的设计要求,掌握其与基坑围护结构的相互关系,处理好临时性围护结构与永久结构的相互关系以及围护结构和支撑作永久结构的技术问题。熟练应用钢筋混凝土结构和钢结构的设计理论、方法,设计各类支撑、锚杆体系。

   (3)应具有丰富施工经验。熟悉各种地基加固、防水、降水等特种工艺的施工方法、施工流程及相关设备的选择,能够对各种支护进行质量、安全、造价、工期的对比。

   (4)应熟悉工程所在地的施工条件。

    根据基坑所在地的地质、环境、施工条件等特点,因地制宜选择合理的技术施工方案,在支护机构设计计算时,要充分吸取当地施工技术以及工程成功和失败的经验。

    2、要周密考虑基坑工程周边环境保护。基坑所在地的地质、环境、施工条件等特点因地制宜选择合理的设计、施工方案,在支护结构设计计算时,要充分吸收工程所在地的施工技术以及基坑工程成功和失败的经验。

    3、要周密考虑保护基坑工程周边的环境。基坑工程必将引起基坑周围地基中地下水位和应力场的变化,会导致周围地基中土体的变形,对邻近基坑的建(构)筑物、地下构筑物和地下参考管线产生影响,影响严重的将危及相邻建(构)筑物、地下构筑物和地下管线的安全和正常使用,因此必须引起足够重视。另外,基坑工程施工产生的噪声、粉尘、废弃的泥浆、渣土等会对周围环境产生影响,基坑降水会消耗大量地下水资源并造成基坑周边地面既有建(构)筑物、地下构筑物和地下管线沉降等产生不良后果;基坑支护结构需要大量水泥、砂子、石子、钢材等,加固体留在土体内部,将来可能造成难以清除的地下障碍物。基坑工程属于能耗高、污染较大的分部工程,因此,在基坑工程的方案设计过程中,要充分考虑到基坑工程的降低能耗、尽量采取有效减少污染措施、节约社会资源,既要达到质量安全,周边环境保护,又要实现综合的经济和社会效益。

    4、通过大量现场调查发现,由地质勘察报告提供的数据与现场土层往往有一定的出入,存在较大误差,土质变化和水位变化等诸多原因,理论上计算的变形值,只能作为参考。

    地下水上升和下水管道破坏,往往对基坑破坏而导致坍塌事故发生有较大影响,因此进行场地调查十分必要,包括地下水位上层滞水与勘察报告是否符合、场地周围上下水管道、化粪池等有无渗漏现象、附近有无渗水源头、基坑是否能在雨期或冬期施工。在考虑整个基坑支护方案设计时,根据基坑开挖深度、土质参数γ、ψ、С等值以及设计经验,要考虑并重视基坑周边既有建(构)筑物的结构情况,特别是一些距基坑较近的危房,保证基坑边坡变形与位移不致使邻近建(构)筑物发生较大的沉降和裂缝。另外,要确保基坑附近地下市政、通信管网、地下民用与工业设施的正常安全运行,保证城市道路畅通和人行道的安全。

    5、基坑工程在雨期施工时应做好水的排导和防护工作。边坡坡顶、坡面、坡脚和水平台阶应设置排水系统,在坡顶的周围应设置排水沟。

    6、基坑工程安全施工专项方案应通过专家论证,经过专家论证后的基坑方案、不得随意改变,若要改变必须重新进行论证。

    7、应根据基坑工程支护结构施工图设计文件、危险源及其特征进行识别,周边环境与地质条件、施工工艺设备、施工经验等进行安全分析,选择相应具体的安全技术控制措施、监测预警、应急处理技术措施,制定应急预案并确定应急响应措施。

    8、基坑工程设计使用规范应注意以下几点:

   (1)基坑支护的设计计算,应使用同一本规范,对于陕西地区应选用《湿陷性黄土地区建筑基坑工程安全技术规程》(JGJ167-2009),不应几本规范混用。 由于各种规范、规程的编写时间和背景不尽相同,相似的公式、土工参数、承载力限值、安全系数等可能有着截然不同的含义,绝对不能生搬硬套。

   (2)基坑支护结构设计应严格遵守规范、规程中的有关规定,当地方建设标准由于地域特点所作出的规定应严于高于国家标准时,应首先满足地方性标准的规定。

   (3)规范中所作出的规定,一般是在安全适用原则下的“最低”要求,设计人员要根据工程的实际需要,在设计中体现。

   (4)条文说明是对标准中的条文的注解,在运用规范遇到疑惑时,往往可从条文说明中得到启迪和理解。

    9、动态法设计。由于设计依据的不确定性(地质勘察报告不一定真实完全符合土层实际情况,或参数提供不准确),设计计算理论的不完善等诸多原因,围护结构的设计不一定符合工程实际要求,不一定安全可靠,这就需要在施工过程中实时监测、分析、预测、反分析,反馈给设计人员进行动态设计,在施工过程中优化设计,调整可能存在的设计不足问题,使设计与实际情况更吻合。

    10、信息法施工。在施工过程中,每开挖一层,施工人员应对照场地的“岩土工程勘察报告”检查地层土质是否相符,并加强基坑监测数据、各种工程现象(巡视,巡查记录)和施工工况的关联分析,及时反馈给设计人员,充分利用现有的分析理论和计算工具,进一步分析,预测基坑工程的各种变化规律和发展趋势,必须因地制宜、优化施工工艺,采取一系列安全管理措施,将安全隐患消除在萌芽状态,减少对周边环境的影响,确保基坑工程安全。

(本文来源:陕西省土木建筑学会    文径网络工程项目投资中心:刘红娟 尹维维 编辑   刘真 文径 审核)

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