膨胀土地区复杂环境下深基坑施工安全风险控制

谢海成 （中铁二十四局集团安徽工程有限公司，安徽 合肥 230011）

0 前 言

随着城市建设的发展，建筑密度不断加大,为了最大限度有效地利用有限的资源，地下交通和建筑物也越来越多、基础越来越深。当基坑开挖深度到达或超过膨胀土埋深时，膨胀土质遇水膨胀、失水收缩的特性对基坑边坡的稳定构成极大的威胁。膨胀土粘土在干燥时坚硬，但遇水时极易软化，在深基坑施工过程中很难控制其状态，易引起基坑变形，造成深基坑坍塌的事故时有发生，给人民生命和国家财产造成危害和损失，因此对膨胀土地区的基坑施工的风险识别和控制就显得非常有必要。本文就位于膨胀土地区的合肥市轨道交通1、3号线换乘站深基坑施工过程中，对其可能遇到的风险进行辨识，分析其产生的原因和提出控制方法，为以后的施工管理提供经验。

1 工程概况及水文地质情况

合肥市轨道交通1、3号线合肥换乘站位于胜利路与站前路交叉口下方,两者在交叉口处形成“十”字换乘,1号线北侧为合肥市火车站及站前广场，周围建筑物比较密集，车流、人流较大。周边有多栋最高23层的高层框架结构建筑和正在开发的地下二层商业广场，距换乘站主体最近6.0m。基坑开挖最深26m，设计采用明挖顺作法施工，基坑围护结构采用钻孔灌注桩与钢管内支撑体系。支撑采用一道混凝土支撑和四道管径609mm、壁厚16mm钢支撑，防护桩采用Φ1200钻孔灌注桩，围护桩桩间均采用100mm厚挂网喷射混凝土、基坑设中间临时立柱。

场地内地层分布表层为人工填土层厚3m～4m，粘土层厚23m～30m，含铁锰结核及灰白色高岭土，粉土和粉细砂厚4m～10m，强风化泥质砂岩1层；中风化泥质砂岩2层。

地下水类型为上层滞水和承压水，上层滞水埋深4.74m～4.89m，承压水埋深13.90m～21.60m，含水层主要为粉土2层、粉细砂3层。车站主要底板主要坐落在粘土层，局部位于粉质粘土，围护桩主要在粉细砂。车站主体基坑开挖深度标准段约26.0m（绝对标高2.64m），底板纵梁、废水池等结构最大开挖深度在底板以下1.274m（绝对标高1.366m）。按照承压水最大水头标高计算（14.430m），基坑有13.064m位于承压含水层，设计降水标高为6.000m。即在基坑开挖和结构施工过程中，基坑内外有约4.7m的水头高差。

2 施工过程中的安全风险分析

2.1 主要安全风险

对于合肥一般土质基坑，采用防护桩加内支撑方式，不考虑降低地下水是可行的，但是由于该工程在膨胀土中开挖，存有丰富的地下水且有承压水，基坑深度大、地基土层分布及周边环境复杂，如果施工方法不当，往往容易造成事故。要避免发生事故，就要对施工中可能存在的安全风险进行识别和控制。根据现场情况分析施工过程中，具有一定风险的主要有基坑围护结构设计、基坑开挖与支撑、钢支撑拼装、负高空作业、周边管线和建筑物的保护等。一般情况下，通过监控手段可以避免施工中的常规安全风险。但是由于膨胀土性质和深基坑本身的特殊性以及事故对周边的环境产生后果的特殊性，整个工程成为一个重特大风险，必须倍加关注。

2.2 风险分析

2.2.1 施工方案不合理

合肥地区膨胀土深基坑设计本身难度就高，设计人员没有足够的业务知识水平和工程实践经验，加上对合肥地区膨胀土土层和基坑环境把握不准确，在设计时常常会按照一般粘性土的特征，采用的物理力学参数以及地面超载取用不精确，在对施工方案上面就留下后遗症，其结果往往是灾难性的。在基坑开挖后土层进水造成土质变化，土体强度明显降低，土体膨胀产生对围护很大的推挤力，引起围护桩身出现断裂或移位，失去防护作用，造成重大安全生产事故。

2.2.2 开挖和支护控制不当

深基坑工程的开挖时，开挖土方不均衡、原土层平衡应力遭受破坏，引起应力场的改变，出现支撑架设不及时，导致基底回弹隆起和周围地基土体的变形。另外基坑南端和北端是城市主干道，车流量大，也会使基底产生隆起，围护结构和支撑失稳。支护失稳及基底的隆起不仅延误工期，还会造成事故，给相邻建筑物、构筑物及市政地下管网产生影响，影响严重的将危及相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的安全与正常使用。

在分段分层开挖时未按照要求做好放坡、挖台阶、喷浆等防护措施，出现了纵向滑坡，冲垮已开挖段的支撑体系。

2.2.3 地下水控制不当

主要是基底抗突涌安全系数不足造成坑底突涌；围护结构出现渗水、漏泥，围护结构插入部分不能起到止水作用、过量降水导致周边地层塌陷等。而这些危害造成坑外发生严重水土流失，围护结构发生歪斜、下沉、失稳、破坏，危及周边公用管线和建（构）筑物安全。

2.2.4 其他因素

本工程建在城市老城区，基坑深度达26m深，火车站站前广场附近，人群密集、建筑物密度大，周边环境复杂，作业环境较为复杂。类似环境发生起重伤害、物体打击、触电、高空坠落等事故屡见不鲜。

2.3 控制重点

本工程中，基坑开挖深度、跨度大，地下承压水、钢管支撑及钻孔围护的技术要求较高。因此，保证基坑开挖施工中密封承压水水、控制支护安装、不造成附近构造物过量沉降是本工程的控制重点。

3 安全风险控制和事故预防

3.1 施工前研究有关设计文件，确定施工方案

根据设计单位提供的设计图纸、有关设计文件和基坑围护施工技术要求，以及现场试验和检测要求，对施工管理现场进行复核，尤其是查看是否按照弱膨胀土的地质情况来设计。若发现实际情况与设计文件不符或有异常情况时，应及时与相关单位研究解决，必要时请求补充勘察和变更设计。

根据设计文件和设计技术要求，遵照住建部的要求编制围护结构（钻孔灌注桩）、降水、基坑开挖和支撑等施工组织设计或施工方案，按照项目部、公司两级审批，并经过专家论证后组织施工。经评审过的方案不得随意变动，确需修改时，须经原批准单位审批同意。

3.2 采取有效降水措施降低水的影响

基坑施工中影响开挖的上层滞水可采用坑内明排法进行疏干，承压水最大水头高约18.4m，基坑开挖不能满足基底抗渗稳定性要求，需降低其水头标高。上层滞水采用明排法，在基坑四周设置排水沟和在基坑边坡采取相应措施，防止雨水直接冲刷边坡土体。

降低承压水水头标高，首先按照设计要求先需进行抽水试验，利用3号线车站主体降水井布置7眼抽水试验井，井深40.0m，用加筋水泥管。在抽水试验过程中发现抽水含砂量较大，达到15.91/10000～49/10000（体积比，下同），远大于设计抽水含砂量小于1/10000的要求。经过论证采用沿基坑周围布置封闭式管井降水，降水井管采用外径360mm、壁厚50mm水泥加筋管，沿车站周围距离基坑结构外轮廓线2.0m～3.0m布置，标准井间距为8.0m，井深43.0m车站基坑开挖至标高9.6m前10d开始降水。

为防止因降水带出地层细颗粒物质造成地面沉降，全部降水运行时含砂量要求：粗砂含量<1/50000；中砂含量<1/20000；细砂含量<1/10000。含砂量不满足要求的管井禁止抽水，且在距原井为2.0m～3.0m范围内重施作降水井。为了及时了解地下水情况和降水实施效果，利用前期抽水试验井作为水位观测井，观测井构造同降水井。降水运行过程中，做好各井的水位观测工作，及时掌握含水层水头的变化情况。

3.3 重视基坑土方开挖施工过程风险控制

弱膨胀土开挖容易引起地基、基坑边坡膨胀变形、地下承压水可能引起基底突涌，在开挖时充分运用“时空效应”的规律，按照本文3.2中降水措施降低地下承压水水位，提高土体抗剪强度，严格控制土体开挖卸载后无支撑暴露时间。根据本工程的情况由于1号线车站是地下2层、3号线车站是地下3层，较好的开挖方式是由换乘节点向3号线两侧，1号线两侧，开挖至1号线坑底时，换乘节点南北两侧各做出一定长度的底板后，继续开挖3号线地下3层基坑。换乘节点施工的同时，1号线南端头可同时按工序作业。严格按照“分段、分层开挖，先支后挖，严禁超挖”的原则采用中间抽槽法施工，纵向分段，竖向分层。第一道钢筋混凝土支撑施工应与冠梁同时浇筑施工，待第一道钢筋混凝土支撑全部施工完成并达到设计强度后，才能进行开挖；在第二道支撑的土层开挖中，每小段开挖宽度一般为6m左右，小段土方要在16h内完成，随即在8h内安装好该小段的支撑并施加预应力；在第三层开挖中，每小段开挖宽度一般为3m左右，小段土方要在8h内完成。为防止出现纵向滑坡，在基坑分段开挖时采取1∶1放坡,并根据土质情况灵活地调整坡度。

3.4 掌握基坑支护的程序

按照设计文件第一道支撑为钢筋混凝土支撑，余下各道支撑为管径609mm、壁厚16mm钢管支撑。钢支撑两端在设计标高处设置钢围檩，1号线钢围檩采用2根45C#工字钢并放,3号线钢围檩采用2根56C#工字钢并放。基坑转角及变截面处支撑为斜撑，为保证斜撑受力，在斜撑对应的钢围檩上设置三角形剪力块，确保受力面与斜撑正交。为减少钢支撑竖向挠度，在钢支撑中间预埋格构柱，在基坑开挖前与钻孔桩一起施工。

基坑支撑体系对周围建筑物和地下管线稳定、基坑围护桩体位移变形和基坑内施工安全非常重要，因此必须按照时空效应及时架设钢支撑；另外，垫层混凝土是基坑支撑体系的第一道防线，对基底强度和基坑稳定不容忽视，因此基坑开挖后必须迅速封底。

在钢管支撑安装时，控制支撑轴线及交汇点的偏心。每根钢管支撑的配置根据长度，将一端固定为定点，另一端为活动端，在中间配置标准管节。钢管的平直作为控制重点，偏心控制在2cm以内，每个支撑点都要经过严格检查。钢围檩与围护桩体之间的缝隙必须用细石混凝土填塞，能够均匀接触，防止支撑施加轴力时因局部受力过大而失稳。支撑架设好后，定时观测预应力损失，及时复加预应力。

3.5 加强基坑开挖过程中施工监控量测

在基坑施工过程中一边开挖一边做好监控量测工作，分别对基坑围护结构的桩顶水平和垂直位移及桩的深层侧向变形位移、支护体系和支撑轴力、地表沉降、地下水位、周围建筑物沉降、倾斜、裂缝及地下管线等项目的观测，掌握在基坑施工过程中各部位的变化情况，通过监测数据的分析处理与计算，进行预测和反馈，决定是否需要对支护结构、地面建筑物和地下管线采取保护、加固措施，预测预报下一步开挖和降水引起的围护结构的位移和变形及地面沉降的发展，随时掌握围护结构的位移和地面沉降情况，及时预测施工出现的问题，判断结构可能发生变位的原因，信息化指导施工，为进一步采取措施提供依据，防止过大变形和沉降的发生，以确保基坑施工期间的稳定和周围环境的安全。

3.6 应对措施

3.6.1 做好地面和地下蓄水的排放及施工用水管理

在施工前设置完善的排水沟、截水沟等排水措施防止地表水下渗，湿润土壤，减小土的强度。在施工时避免水管出现漏水，使基坑内土体受到浸泡，而影响到施工总体质量导致出现安全隐患。在基坑周边设排水出口并设置沉淀池，沉淀池采用圬工或砌砖池，减少水污染。

市区存在很多已废弃的地下构筑物，多年来成了蓄水池，容易出现基础底地层扰动，造成基坑失稳。在遇到地下不明构筑物时先探明是否含水，断其补给源（引排或封堵），将其中的水抽出排走。地下承压水水面凹凸不平，在局部粘性土夹层或潜水含水层处会出现渗水线，在出水点设盲管通过贴壁盲沟，导流到集水坑内集中排走。

3.6.2 重视基坑开挖、支护的时机和连续性

避免在汛期和雨期进行基坑开挖和回填作业，若不能避开，就要采取有效的安全措施。施工时要掌握好每次开挖的面积，分层、分阶段快速进行，注意不让基坑暴晒或浸水。当基坑挖到接近设计标高时，预留30cm的土层，继续下一段的工序。在进入层压水区时注意采用一定长度和厚度的C20混凝土垫层封闭。

3.6.3 编制应急救援预案，在演练中完善

在膨胀土深基坑施工过程中经常出现一些不可预见的突发事件，往往在短时间内造成的事故和损失急速增大，对这些突发事件的处理显得尤为重要。常见的突发事件如下：①基坑内流沙、管涌；②支护结构局部出现沉降、裂缝；③气象异常；④周围地面和建筑物出现沉降；⑤相邻工地施工的影响；⑥地下障碍物妨碍施工正常进行等。上述突发事件一旦发生，应及时启动应急预案，并组织有关单位研究解决对策。

4 结 论

随着新一波的地铁建设的快速发展，在城市中间建设车站的数量越来越多，深基坑的开挖数量也随着不断增加，随之而来的安全事故发生次数也在攀升。膨胀土在我国的分布范围很广，在膨胀土地区的深基坑施工中对安全影响最为严重的是围护方案和地下水的控制，一旦发生安全事故，不仅对工程本身的结构安全有影响，对周边的环境影响更大。因此膨胀土地区尤其是在城市中心的深基坑施工安全风险控制显得特别重要，对风险进行深入的研究，正确认识，把握重大安全风险的控制方式和手段，才能避免事故的发生。

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