杭州地铁湘湖站“11·15”基坑坍塌事故引发的思考深基坑施工技术与管理

杭州地铁湘湖站“11·15”基坑坍塌事故引发的思考—浅析深基坑工程施工技术与管理李宏伟第一部分杭州地铁湘湖站“11·15”基坑坍塌事故原因浅析杭州地铁湘湖站杭州地铁为1号线的起始站，位于杭州市萧山区风情大道与湘西路交叉口东北侧，沿风情大道呈南北走向。车站总长约934.5m，标准段总宽20.5m，为12m宽岛式站台车站。湘湖站基坑工程共有8个基坑，从北到南序号分别为北1、北2、北3、北4、南4、南3、南2、南1。一工程概况发生事故的地段为湘湖站的北2基坑，长107.8m，宽21.05m，开挖深度15.7~16.3m。基坑西侧紧临风情大道，交通繁忙，重载车辆多，道路下有较多市政管线(包括上下水、污水、雨水、煤气、电力、电信等)穿过，东侧有一河道（建设河），北2基坑平面图如图1所示。北2基坑平面图湘湖小学外围墙线北2基坑1.53.719.25.810.9乐园路湘西路改移后风情大道混2混3混1店面房建设河33.435.91017.622北接大圩河26.9围挡线K0+454.684K0+346.884基坑围护设计采用“地下连续墙加钢管内支撑”方案。地下连续墙厚800mm，深度分别为31.5m、33.0m、34.5m，标准段竖向设置4道Φ609钢管支撑，支撑水平间距2.0-3.5m，支撑中部设置中间钢构立柱。原设计采取被动区水泥搅拌桩抽条加固，后图审时取消改为自流深井降水土体加固；原设计采取墙底注浆，后图审时取消。基坑被动区加固平面图1号出入口地质情况从上到下依次为①2层素填土，②2层粘质粉土，④2层淤泥质粘土，⑥1层淤泥质粉质粘土，⑧2层粉质粘土夹粉砂。地下潜水位为0.5m，无承压水。深度5m～21m为第④2层淤泥质粘土，呈灰色、饱和、流塑，含少量有机质，天然含水量40%～67%，孔隙比1.10～1.85，具有高压缩性、低强度和低渗透性特点。深度21m～33m为第⑥1层淤泥质粉质粘土，呈灰色、饱和、流塑～软塑，含少量有机质，夹薄层状粉土，天然含水量34%～52%，孔隙比0.95～1.50，具高压缩性。基坑底坐落在④2层淤泥质粘土上,地连墙的墙脚大部分位于⑥1层淤泥质粉质粘土中。二事故概况基坑土方开挖共分为6个施工段，总体由北向南组织施工。至事故发生前，第一施工段完成底板混凝土施工，第二施工段完成底板垫层混凝土施工，第三施工段完成土方开挖及全部钢支撑施工，第四施工段完成土方开挖及三道钢支撑施工、开始安装第四道钢支撑，第五、六施工段已完成三道钢支撑施工、正开挖至基底的第五层土方。15点15分左右，北2基坑部分支撑首先破坏，西侧中部地下连续墙横向断裂并倒塌位移，东侧地下连续墙也产生严重位移。由于大量淤泥涌入坑内，风情大道随后出现塌陷。地面塌陷导致地下污水等管道破裂、河水倒灌造成基坑和地面塌陷处进水。道路下的排污、供水、供电设施受到破坏，共造成21人死亡。三事故原因浅析对北2基坑的地理位置、地形、地貌，基坑坍塌范围及态地下连续墙及钢支撑的倒塌破坏形态、基坑周边环境等进行了多次现场踏勘；对相关单位的人员多次进行了了解和询问。重点从以下九大方面进行分析：１、审查了岩土工程勘察报告，在基坑西侧坍塌段的后缘外大于5.0m处非扰动区钻探取样，并委托二家单位进行土工试验。根据试验结果，与原勘察报告进行了对比分析。（1）北2基坑段采取原状土样及相应主要力学试验指标较少，不能完全反映北2基坑软土层的特性。（2）勘察单位未考虑薄壁取土器对基坑设计参数的影响，以及未根据当地软土特点综合判断选用推荐。勘察报告推荐的直剪固结快剪指标c、Φ值采用平均值不符合规范要求。结论:（3）推荐的④2层、⑥1层和⑧2层土的三轴CU、UU试验指标、无侧限抗压强度与验证值、类似工程经验值差异显著，且各层土的子样数不符合规范要求，不能反映土性的真实情况。２、审查了基坑围护结构设计文件及相关资料，对基坑围护结构进行了验算，同时对有关工况进行了计算分析。对各种施工工况和参数进行计算，统计结果表明：如果根据设计的施工工况挖土，第三道钢管支撑的最大轴力和第四道钢管支撑的最大轴力均小于钢管支撑轴心受压承载力设计值；如果在未设置第四道支撑的情况下直接挖土至坑底，第三道钢管支撑的最大轴力均超过钢管支撑轴心受压承载力设计值。如果进一步考虑活络头偏心和节点薄弱等因素，实际作用于第三道支撑的轴力与钢管的承载能力之间的差距将更大。基坑整体破坏前基坑两侧地下连续墙向坑内产生严重位移，已产生过大变形，可能致使上层支撑轴力减小，下部支撑轴力相应大大增加，部分支撑因轴力超过其承载能力而发生破坏，进而导致支撑体系整体破坏。地下连续墙：围护体的内力、变形及稳定分析根据本工程地质分析结果，对四种情况进行了计算分析。挖土状况地面超载备注情况一按设计工况挖土至坑底Q=20kPa对应原设计的施工工况及地面超载要求情况二按设计工况挖土至坑底Q=30kPa对应原设计的施工工况，地面超载适当增加以分析地面超载对计算结果的影响情况三第三道支撑施加完成后，直接挖土至坑底Q=20kPa这种情况主要考虑施工超挖可能带来的不利影响情况四第三道支撑施加完成后，直接挖土至坑底Q=30kPa这种情况同时考虑施工超挖及超载增加可能带来的不利影响按设计工况进行正常施工：地下墙最大正弯矩均小于截面抗弯承载力设计值。第三道支撑施工完直接挖土至坑底时：计算结果进行分析：第三道支撑施工完成后，如果没有设置第四道支撑而直接挖土至坑底时，作用在围护体上的最大弯矩增加约37~51%，最大剪力增加约38~40%；作用在地下墙上的弯矩均将超过其承载能力，安全隐患非常大。本工程坑底以下均为大厚度的淤泥质土，如挖土机械直接在坑底附近作业，基底以下一定深度范围的土体将受到扰动，强度有所折减。考虑一定范围的被动区土体强度折减后进行围护体内力变形分析，则围护体内力、支撑轴力等的变化将更为显著。地面超载由20kPa增加到30kPa，对正常施工工况及超挖工况，第三道支撑的轴力、挖土至坑底时地下连续墙的最大弯矩及剪力均增加约4%~5%。按设计工况计算得到的地下墙抗倾覆安全系数在1.12~1.48之间，基本满足浙江省标准《建筑基坑工程技术规程》的规定（不小于1.15）；第三道支撑施工完成后，直接挖土至坑底，地下墙抗倾覆安全系数在1.06~1.39之间，部分参数的计算结果与规范要求相差较大。坑底抽条加固：采取坑底抽条加固措施后，地下墙的最大弯矩降低20%左右，第三道支撑轴力降低14%左右，地下墙的最大剪力降低13%左右，由于在坑底形成了一道暗撑，抗倾覆安全系数大大提高。综上分析，坑底土体抽条加固措施可显著提高基坑的安全性能。基坑端头井的开挖深度达17.4m，淤泥质土层更为深厚，采取了被动区土体抽条加固措施，基础底板已经施工结束。这说明坑底土体抽条加固措施对本基坑而言非常重要，不仅可以改善围护体及支撑系统的受力性状，同时给坑底土方开挖创造了良好的条件。结论：（1）土方超挖状况下，支撑轴力、地下连续墙的弯矩及剪力等大幅度增加，超过围护设计条件。与设计工况相比，如第三道支撑施加完成后，在没有设置第四道支撑的情况下，直接挖土至坑底，第三道支撑的轴力增长约43~47%，作用在围护体上的最大弯矩增加约37~51%，最大剪力增加约38~40%；由于超挖，第三道支撑的轴力及地下连续墙的弯矩均超过其设计承载能力。如果整个基坑施工过程中均存在土方超挖、支撑施加不及时的情况，则各个工况累计的支撑轴力、围护体内力变形将更大。（2）坑底抽条加固措施可提高基坑的抗倾覆安全系数，降低内支撑的轴力和地下连续墙的弯矩，同时方便挖土施工。该措施的取消降低了围护体系的安全储备。（3）地面超载的取值对支撑轴力、地下连续墙的弯矩及剪力等的大小均有一定影响。如地面超载取30kPa，与原设计方案相比，挖土至坑底时第三道支撑的轴力、地下连续墙的最大弯矩及剪力均增加约4%~5%。３、审查了地下连续墙施工资料，并对地下连续墙厚度和混凝土强度、钢筋强度和间距、保护层厚度等进行了检测。结论：（1）地下连续墙混凝土强度，未发现异常。（2）地下连续墙主筋规格、数量和强度，未发现异常。（3）地下连续墙墙体厚度及深度，未发现异常。４、审查了钢支撑设计、施工及材料供应商等提供的有关资料，并对支撑钢管活络头轴心受压性能及钢管材质、北2基坑端头井未破坏部分的支撑钢管的位置及侧向弯曲等进行了检测。设计对钢支撑材料性能、安装和连接要求：施工图总中说明：“预埋钢板、钢支撑：材料为Q235-B，钢管支撑采用Φ609mm，壁厚12mm和16mm（第一道12mm，其余16mm）；焊接：电弧焊接Q235-B钢采用E43焊条；开挖基坑至各支撑下500mm安装钢支撑。”钢支撑与工字钢系梁连接节点构造：支撑编号支撑轴力（kN/m）支撑预加轴力第一道支撑127.730%第二道支撑87950%第三道支撑989.150%第四道支撑981.560%第一道换撑736.6100kN/m第二道换撑519.9100kN/m设计给出了各道支撑每延米支撑轴力值及钢支撑施加预应力的要求在支撑设计部分，设计单位没有提供支撑钢管与地下连续墙的连接节点详图及钢管连接节点大样，也没有提出相应的技术要求。施工单位对钢支撑的节点构造及加工质量标准未提出具体要求，仅同材料租赁商签订了“建筑用料租赁合同”，在其质量标准条款中明确：“在租赁物交付和归还时按出租方产品检验标准验收，在验收中一方如有异议，应当场向对方提出，否则视为合格。”支撑钢管租赁商没有产品检验标准；有关的节点加工草图系2004年参考其他单位类似工程加工图绘制而成，但不符合施工图的基本要求，也未经施工和设计单位复核确认。槽钢、连接钢板等材料质保单因时间较长没有保存，无法提供；钢楔由租赁商提供（无质保单）；法兰连接螺栓由施工单位自备（无质保单）。施工单位的施工日志及监理单位的监理日志对土方开挖及钢支撑安装记录很笼统，无法准确反映每层土方的开挖时间及随后的支撑安装进度。设计要求钢管支撑在系梁搁置处，需采用槽钢有效固定，实际情况部分采用钢筋（有的已脱开）固定、部分没任何固定措施，这使得钢管计算长度大大增加，钢管弯曲现象不同程度存在，降低了钢管支撑的承载力。本工程采用焊接钢管，中间有支点时的钢管承载力为5479kN，而无支点时的钢管承载力仅为3541kN，承载力减小了约35%。设计要求系梁垂直方向每隔三跨设一道剪刀撑，边跨应设置，实际情况未设，降低了支撑体系的总体稳定性。检测报告表明：未坍塌处钢支撑安装位置相对于设计位置偏差较大，相邻钢管间距与设计间距偏差较大。安装偏差导致支撑钢管受力不均匀和产生了附加弯矩。部分钢楔没塞满活络头少间隙，影响接头承载力。专项施工方案要求“钢支撑安放过程中相邻两钢支撑的活动端和固定端应相应错开”，实际情况是活络头在同一端连续布置，增加了活络头同时破坏的概率。设计没有对钢管支撑与地连墙预埋件提出焊接要求，实际情况也没有焊接，直接搁置在钢牛腿上，没有效连接易使支撑钢管在偶发冲击荷载或地下连续墙异常变形情况下丧失支撑功能。结论：（1）设计单位没有提供支撑钢管与地下连续墙的连接节点详图及钢管连接节点大样，也没有提出相应的技术要求；施工单位对钢支撑的节点构造及加工质量标准未提出具体要求；钢管支撑租赁单位的加工图不符合施工图的基本要求，也未经施工和设计单位复核确认。支撑钢管及节点构造的设计、加工制造及租赁管理环节存在缺陷。（2）节点受力性能没有试验资料，也没有质量检验、验收的标准和依据，存在很大的盲目性；根据破坏形态、检测结果及钢管承载力验算，节点构造不满足刚度和强度要求。（3）钢支撑安装严重不符合设计及规范要求，降低了支撑体系的整体稳定性。５、审查了监测方案、监测记录和报表，检查了监测仪器。监测内容和监测点数量：监测方案中的监测内容和监测点数量均不满足规范要求。实际监测点数量相对监测方案减小较多，并且大量监测点破坏未进行修复，造成监测点数量极少，形成多处监控盲区。实际地表沉降监测点布置范围不符合规范和设计要求。墙体侧向位移和钢支撑轴力的测试存在严重缺陷，造成数据失真，不能反映实际情况：支撑轴力的报表数据表明，支撑轴力数据均为