复合式重力坝在软土地区基坑中的应用及坍塌事故的应急处理

李红军

（中船勘察设计研究院有限公司，上海200063）

重力坝是指水泥土搅拌桩相互搭接形成一定宽度和厚度的重力式挡土墙，是浅基坑常用的一种支护形式。因其具有良好的止水效果，并兼具挡土作用，在上海等软土地区得到广泛应用。重力坝的宽度和厚度通常与基坑挖深、地质条件、周边荷载等有直接关系，有些基坑因周边荷载、贴边深坑或者开挖边线距离红线太近时，会选择在重力坝内排或者内外排内插一定间距的型钢，形成复合式重力坝，以增加坝体刚度。

根据相关规范和上海类似工程经验[1-3]，挖深7m以内、面积较大且周边环境相对宽松的基坑常采用该支护形式。与其他方法相比，该支护形式具有许多优点，如施工无振动、无噪音、抗渗性能好、施工工艺成熟、挖土方便、可以直立开挖到底，相对于带内支撑的板式支护，具有良好的经济和社会效益。其缺点是基坑变形较难控制，基坑开挖不当、暴雨突袭或者地面超载等是重力坝围护失稳的直接原因[4-6]。

以上海某浅基坑工程为例，介绍了复合式重力坝在软土地区的应用，并对开挖过程中基坑局部搅拌桩坍塌进行了分析，并提出了具体的处理措施，为后续类似工程提供经验参考。

1 工程概况

该工程位于上海市宝山区，包括14/18 层住宅、3层配套公建、电站、门卫等配套设施，1 层地下车库，基坑总面积约24700m2，周长约700m，典型开挖深度为4.6m，局部贴边集水坑落深1.6m，开挖深度6.2m。基坑东侧开挖边线距离红线为3.2～21m，红线外为约16m宽的河道，护岸采用混凝土浆砌石挡墙；基坑西侧开挖边线距离红线约5.5～11m，红线外为规划道路，规划道路在本工程后期施工；基坑南侧和北侧开挖边线和红线之间均为待建的住宅楼，基坑开挖前，12#楼的桩基均已施工完成，12#楼基础距离基坑开挖边线最近约5m。基坑安全等级和环境等级均为三级。

2 地质条件

拟建场地地貌类型属滨海平原类型，对基坑有影响的地下水主要是浅部的潜水，勘察报告提供的静止地下水（潜水）埋深1.08～2.06m，设计地下潜水位按0.5m考虑。基坑范围内北侧有一条近东西走向的暗浜分布，暗浜宽度为7～10m 左右，厚为1.1～1.6m，主要为黑色淤泥，土质极差。基坑围护设计参数见表1。

表1 基坑围护设计参数表

3 围护方案

3.1 基坑特点

（1）基坑面积较大，基坑长边较长，应对基坑的“长边效应”加以重视。

（2）局部填土较厚，且分布有明浜；对基坑围护不利的③、④软弱粘性土土层厚度较大，特别是④层，呈饱和流塑状态，高压缩性，力学性质较差。

（3）基坑总体环境较宽松，南北侧距离住宅12#楼的基础较近，应注意对12#楼基础进行保护。

3.2 支护结构

根据基坑开挖深度、地质条件及周边环境等分析，基坑总体采用水泥土搅拌桩重力式进行围护。

3.2.1 一般区域

基坑挖深4.6m，基坑开挖边线距离红线大于4.2m。采用4.2m 宽，11m 长的水泥土搅拌桩重力坝，插入深度为6.4m，插入比为1.39。坝体顶部设置200mm 厚C20 压顶砼面板，内配8mm@200mm 双向配筋。坝体最内及最外排各插一根6m 长的∅48mm×3.0mm钢管，插入坑底以下不小于1m。为控制重力坝边长过长造成基坑变形，每隔30m 设置暗墩进行加固。典型剖面如图1所示。

图1 典型剖面1（单位：mm）

3.2.2 贴边落深坑区域

贴边落深坑部位挖深6.2m，采用5.2m 宽，14m 长的重力坝，插入深度为7.8m，插入比为1.26。同时，在重力坝最内排内插9m 长（间距1m）的20a 槽钢，设置700mm×500mm的C20圈梁，与坝体顶部的压顶板形成整体，坝体最外排插入7.5m 长的∅48mm×3.0mm 钢管。典型剖面如图2所示。

图2 典型剖面2（单位：mm）

3.2.3 距离红线较近区域

基坑挖深4.6m，开挖边线距离红线最近约3.2m，采用坑外3.2m 宽、坑内1m 宽总体4.2m 宽的“椅壁式”双轴水泥土重力坝，同时在重力坝最内排内插9m 长（间距1m）的20a 槽钢，以提高围护体刚度。典型剖面如图3所示。

图3 典型剖面3（单位：mm）

4 坍塌事故分析及对策

4.1 坍塌事故情况

2016年10月23日现场巡视查看，基坑内外均有积水，基坑东侧部分区域地库已经全部开挖至底，底板钢筋正在绑扎，现场施工情况见图4，东侧坝体变形较大，多个监测点显示坝体顶部累积变形超过8cm，压顶多处出现裂缝。基坑北侧已开挖一半，靠近基坑北侧的12#楼已施工至地上一层，基坑北侧监测数据发生突变，围护整体出现大范围的向坑内位移，局部坝体和压顶板出现脱离，靠近12#楼位置的搅拌桩部分倒塌，搅拌桩坍塌现场见图5。

图4 现场施工情况

图5 搅拌桩坍塌现场

4.2 事故原因分析

4.2.1 施工质量不达标

由于受低价竞标、工期等多因素影响，施工方往往不按设计要求进行施工，水泥土搅拌桩的水泥掺量、搅拌工艺、喷搅次数和提升速度等都远低于设计要求。甚至有时候依仗自身的施工经验在不经设计单位同意下局部变更设计方案。现场巡视时发现，内插的钢管多处暴露在搅拌桩外侧，桩体垂直度明显未达到设计要求。东北角距离红线较近，为控制基坑变形，采用的是内插型钢的复合式重力坝，要求角部的压顶板进行加厚并在转角处做一个异形板。未经设计同意，施工方直接变更设计方案，取消内插型钢，将不够的搅拌桩直接按补偿式重力坝打入基坑内侧。

4.2.2 挖土不合理

该基坑面积较大，基坑长边较长，水泥土搅拌桩重力坝自身的特点决定了其变形较大，正是基于这种特点，分区、分块“跳仓开挖”的挖土方式显得尤其重要。施工图中设计明确要求分区、分块开挖，并要求开挖到底后要及时浇筑垫层，垫层完成且监测稳定后方可开挖相邻分区，但挖土人员对设计意图意识不足，施工时为了抢工期，多台挖机同时作业，一次性开挖到底，甚至超挖，造成垫层来不及浇筑，坑底暴露时间过长。本基坑东侧设计时坑内有几处留土区以代替坑内加固，现场也已全部挖除。

4.2.3 雨水影响

突发状况发生之前的两天，坝体变形较大，局部已出现裂缝，监测单位已提醒施工单位，但并未引起施工方足够重视，裂缝未进行处理。受台风影响，连续下了两天暴雨，坝体变形出现突变，导致局部出现坍塌。究其原因是雨水进入坝体和坝体后方土体的裂缝中，从而增大了围护体的主动土压力，同时降低了围护体的强度。另外，降雨致使基坑内积水，也降低了被动区土的抗剪强度。

4.3 应急措施

为控制险情进一步发生，设计对局部变形过大地区采取抢险措施，并对基坑围护结构进行加固，以防止过大变形造成严重隐患。

（1）坍塌位置的搅拌桩，采用图6方式，将上部重力坝修整成斜面，表面采用100mm 厚C20 混凝土带筋面层浇筑，防止明水冲刷。坡脚采用C20素混凝土填筑，作为坡脚压重，兼做底板混凝土外侧模，要求同面层一同浇筑。

图6 搅拌桩坍塌部位加固措施（单位：mm）

（2）暂停倒塌处基坑北侧12#楼的施工，待该处地库底板浇筑完成且监测稳定后方可施工。此外，监测单位需在12#楼角点布置至少5个测点，观测12#楼基础沉降及水平位移。

（3）东侧坝体压顶和坝体后面的裂缝及时采用水泥浆液填缝封堵，东侧基坑边在围护体与底板之间设置C20素混凝土压脚梁，高度同底板，兼做底板混凝土外侧模。

（4）清理基坑外侧超载，杜绝任何形式的超载。同时，做好场地排水工作，坑外排水沟积水应及时外排，不得排放在临近基坑区域。坑内积水在降雨后立即排出，防止坑底泡槽及地面水压力过大造成新的变形。

（5）后续土方开挖应按照设计图纸要求，分区、分块开挖，严禁超挖。

（6）监测单位应加强监测及现场的巡视检查工作，监测数据提交各相关单位，及时掌握墙体位移情况，发现异常立即通知有关各方。

由于该险情的发生，建设单位要求施工方尽快落实设计单位提出的上述措施，并要求监理单位加强监管。在后续的土方开挖中，施工方严格按照设计要求的分区、分块开挖。根据现场提供的监测数据，直至地下室施工至正负零，围护结构未发生异常。该工程已于2017年结构封顶，目前已完全交付使用。

5 结论

（1）在软土地区，开挖深度较浅，且周边环境较宽松的基坑可采用水泥土搅拌桩重力坝围护。对于局部落深坑、距离红线较近的部位可以采用内插型钢的复合型重力坝，作为浅基坑重力坝围护的补充手段。

（2）虽然水泥土搅拌桩施工工艺成熟，但在多种因素影响下，施工质量差强人意，水泥土搅拌桩重力坝的自身特点决定了其变形较大，分区、分块开挖是控制重力坝变形的一种有效手段。

（3）对于重力坝围护的基坑，暴雨、地面超载等多种偶然因素的影响，是基坑事故高发的直接原因。基坑开挖引起的坝体压顶和地面裂缝应及时采用水泥浆液进行灌缝处理，以防雨水渗入，降低水泥土搅拌桩重力坝围护的安全性。

（4）监测单位要加强监测和现场的巡视检查工作，尤其是加强降雨等不利天气条件时重点部位的监测频次。一旦发现监测数据每天或累积变形达到报警值，应立即通知各个相关单位，以便采取相应措施，防止出现重大险情。