猇亭大道雨污水管网改造工程沟槽坍塌分析

丁育南，张明祥，冯一辉，沈 华

（1.上海市水基会工程咨询有限公司，上海 201612；2.上海勘测设计研究院有限公司，上海 200434；3.上海公路桥梁（集团）有限公司，上海 200433；4.上海市奉贤区水务建设工程安全质量监督站，上海 201419）

1 发生坍塌沟槽处工程概况

1.1 工程概况

猇亭大道（民主路—亚元路段）雨污管网改造工程项目起点为民主路，终点为亚元路，设计长1 989m，道路红线宽50m，采用雨污分流的排水体制。雨水管道全段新建DN500～1 000mm管道，分段分别排入民主路已建箱涵、金猇路雨水管网及猇亭大道下游雨水管网，污水分段排入民主路已建管网、金猇路污水管网及亚元路污水管网。本工程于2018年12月1日开工，后因管线迁改原因，项目暂停施工，2020年9月12日管线迁改完毕，施工单位组织人员进场施工。本次沟槽坍塌事故发生地点位于市政道路结构层与绿化带的结合部位的绿化带中，与原设计的线路走线不一致（见图1）。

图1 沟槽坍塌位置平面

1.2 地质概况

1.2.1 在道路基层下敷设管道的地层特性

1）地下0～0.12m，道路面层为沥青混凝土层，持力性与稳定性较好，层厚约12cm。

2）地下0.12～0.57m，素混凝土基层，持力性与稳定性较好，厚约45cm。

3）地下0.57～0.95m，卵石基层（又称炮渣层，是垫层也是道路结构持力层），持力性与稳定性较好，厚约38cm。

4）地下0.95～1.30m，红砂岩（又称山皮土层，是路基垫层也是其持力层），厚约35cm。

5）地下1.30～2.05m，含淤泥质粉质黏土层，持力性与稳定性较差，含水量较大，泡水后塑性变形明显，厚约75cm。

6）地下2.05～2.40m，卵石冲积层，持力性与稳定性较好，厚约35cm。

7）地下2.40m到沟槽底部均为黏土层，持力性与稳定性较好。

1.2.2 在非道路基层下敷设管道的地层特性

1）地下0～0.30m，杂填土（耕植土层）厚约30cm，持力性与稳定性一般。

2）地下0.30～1.46m，含淤泥质粉质黏土层，持力性与稳定性较差，含水量一般，泡水后塑性变形明显，厚约116cm。

3）地下1.46～2.36m，鹅卵石冲积层，持力性与稳定性较好，厚约90cm。

4）地下2.36m到沟槽底部均为黏土层，持力性与稳定性较好。

1.2.3 地下水特性

通过现场勘察，在沟槽开挖部位沟槽底板未见明水；但粉质黏土层等原土层含水率较高；道路持力结构层的力学结构特性良好，基本未受到地下水的不利影响。

2 沟槽开挖设计、技术标准要求

2.1 沟槽坡比

2.1.1 设计要求

本工程管道沟槽开挖坡比设计要求中，明确提出“本设计中雨污水管道沟槽边坡坡度应符合GB 50268—2008《给水排水管道工程施工及验收规范》中的相关规定执行”。

经查阅规范，按该规范第4.3.3条“在地质条件良好、土质均匀、地下水位低于沟槽底面高程，且深度在5m以内、沟槽不设支撑时，沟槽边坡最陡坡度应符合表4.3.3的规定”的要求放坡。

由此可见，本工程的沟槽开挖坡比应根据现场实际地质工况、沟槽施工工作面受力工况即坡顶荷载情况（分坡顶无荷载、坡顶有静荷载、坡顶有动荷载3种工况设定）确定。

2.1.2 施工与监理要求

施工单位对沟槽开挖的坡比设定，是按照沟槽开挖区的土质为硬塑的粉质黏土、黏土，且沟槽边沿顶部无荷载工况下的最陡1∶0.33坡比施工，而且在《基坑开挖施工方案交底记录》中进行了明确规定。

通过查阅基槽验槽记录，发现监理等单位均认可施工单位确定1∶0.33开挖坡比。

2.2 沟槽侧边边缘土方堆置

2.2.1 设计技术要求

设计对沟槽每侧临时堆土或施加其他荷载的技术要求不明确，但《给水排水管道工程施工及验收规范》第4.3.4条明确规定，沟槽每侧临时堆土或施加其他荷载时堆土距离沟槽边缘不小于0.8m，且高度不应超过1.5m。

2.2.2 施工与监理技术要求

施工方案与监理规划中，针对沟槽开挖时，在沟槽两侧堆土高度及土堆距离沟槽边坡最短距离均有明确规定，且均满足技术标准要求。

3 坍塌事故技术分析

3.1 施工过程描述

3.1.1 设备选型

施工现场当时正在实施雨水管网安装作业，吊运设备是日立ZAXIS200履带式挖掘机（斗容量0.8m3），质量约21.7t。

3.1.2 施工工艺选择

水泥管材采用吊带单点吊装（见图2），在起吊DN700mm水泥管材时，其垂直动荷载约220kN。在雨污水管道安装期间，履带式挖掘机往复行走，对沟槽两侧土体造成明显且持续振动作用。

图2 混凝土雨水管单点吊装

3.1.3 工程现场实况描述

本次沟槽拟开挖轴线长度约50m，已开挖约20m，其中基槽深2.6m，基槽上部宽度2.2m，下部宽度1.8m，实际施工部位的轴线走向与设计走向有偏差。基槽北侧堆有2处开挖土方，1处（北偏东）堆土高度1.4～1.6m，堆土方量约40m3，另一处（北偏西）堆土高度约1.0m，堆土方量约15m3，该两处土方均紧靠基坑边缘堆置。

3.1.4 降排水要求

经勘察现场发现，沟槽开挖部位两侧未设置截水沟、拦水堰（体）等有效防止地表水倒灌入沟槽的措施。经查看设计文件，未发现关于沟槽开挖期间的防地表水倒灌入沟槽的技术要求。经审查施工与监理单位的技术方案（规划）发现，对于沟槽开挖期间的防地表水倒灌入沟槽的监理要求缺失。

3.1.5 沉降与位移监测技术要求

现场勘察未发现沉降与位移测量监测点；查看施工过程资料也未发现本处沉降与位移监测的测量资料；经审查施工与监理单位的技术方案（规划），对于沟槽开挖沉降与位移变形（含地下水位变化等）监测内容的技术要求均缺失；查看设计文件未发现关于无支护沟槽开挖方面的相关沉降与位移变形（含地下水位变化等）监测及其预警报警值限值设置的技术要求。

3.2 不符合设计和技术标准之处

3.2.1 沟槽开挖坡比

1）现场实际放坡坡比 本工程坍塌部位沟槽开挖施工期间，经现场勘察，沟槽实际开挖尺寸如下：沟槽底宽1.8m，沟槽顶宽2.2m。经计算开挖沟槽放坡坡比为1∶0.08，近似于垂直放坡开挖施工作业，如图3所示。

图3 沟槽开挖放坡

2）设计与技术标准要求坡比 考虑到本工程紧邻G318国道，施工现场也有施工机具产生的动载以及地层土质的不均性，本工程沟槽开挖放坡时的最陡坡比应不小于1∶0.5。

3.2.2 沟槽侧面土方堆放

1）沟槽实际土方堆放位置 经现场勘察，沟槽开挖施工期间的余土直接紧邻沟槽侧面堆放，如图4所示。

图4 沟槽侧边开挖余土堆放

2）沟槽开挖余土堆放标准要求 沟槽每侧临时堆土或施加其他荷载时堆土距离沟槽边缘不小于0.8m，且高度不应超过1.5m。

3.2.3 沉降与位移监测

1）沟槽（基坑）开挖监测标准要求 GB 50497—2019《建筑基坑工程监测技术标准》第3.0.1条（强条）“开挖深度≥5m或开挖深度小于5m，但现场地质情况和周围环境复杂的基坑工程以及其他需要监测的基坑工程应实施基坑工程监测”；第3.0.2条“基坑工程设计提出的对基坑工程监测的技术要求应包括监测项目、监测频率和监测报警值等”。JGJ 180—2009《建筑施工土石方工程安全技术规范》第6.4.1条“开挖深度超过5m、垂直开挖深度超过1.5m的基坑及软弱土层中开挖的基坑，应进行基坑监测，并应向基坑支护设计人员、安全工程师等相关人员及时通报监测成果；安全员等相关人员应掌握基坑的安全状况，了解监测数据”。

2）现场实际监测情况 经调查，本工程在沟槽开挖期间，施工单位未进行安全监测工作；设计单位对箱涵等基坑施工安全监测工作提出明确要求，但对本工程的沟槽开挖安全监测工作未提出任何设计建议。监理单位就基坑开挖安全监测工作未提出任何监理措施。

3.2.4 地质土层岩性力学分析

市政道路基础力学性能良好，地层非常稳定且几乎不会发生塑性变形；绿化带原装土层力学性能相对较差，受地下水浸泡影响，含水量较大，有塑化现象。

1）技术与标准要求 《给水排水管道工程施工及验收规范》第4.1.3条“沟槽开挖、支护方式应根据工程地质条件、施工方法、周围环境等要求进行技术经济比较，确保施工安全和环境保护要求”以及第4.3.1条“沟槽开挖与支护的施工方案主要内容包括：不良土质地段沟槽开挖时采取的护坡和防止沟槽坍塌的安全技术措施”等规定中，已明确沟槽开挖施工方法及施工方案的选择应结合工程地质条件、不良土质地段等信息进行施工。

2）现场实际施工情况 本工程坍塌部位施工时，未充分考虑随水文地质条件的变化选择合理与安全的施工方法。施工单位的方案中对类似地层突变段的不良地质工况下的开挖施工方法未进行明确；监理单位也未就地层突变段不良水文地质条件下的安全施工提出监理意见。

3.2.5 基槽验收

1）技术与标准要求 GB 50202—2018《建筑地基基础工程施工质量验收标准》第3.0.4条“地基基础工程必须进行验槽，验槽检验要点应符合本标准附录A的规定”、第A.1.1条“勘察、设计、监理、施工、建设等各方相关技术人员应共同参加验槽”；第A.1.4条“验槽应在基坑或基槽开挖至设计标高后进行，对留置保护层时其厚度不应超过100mm；槽底应为无扰动的原状土”。在本工程沟槽开挖施工期间应得到执行。《给水排水管道工程施工及验收规范》第4.1.5条“沟槽开挖至设计高程后应由建设单位会同设计、勘察、施工、监理单位共同验槽；发现岩、土质与勘察报告不符或有其他异常情况时，由建设单位会同上述单位研究处理措施”。

2）现场验收工作进展情况 在此次调查中发现，本工程沟槽开挖完毕，在进行管道敷设之前，各参建单位未及时开展已开挖沟槽的基槽验收工作。

4 发生坍塌事故原因分析

4.1 直接原因

1）未按照设计与标准要求放坡 在沟槽开挖期间，未按设计与标准的要求的1∶0.5的最陡坡比放坡。现场沟槽开挖实际坡比是1∶0.08，远比设计要求的坡比陡，几乎为垂直开挖。

2）未按技术规范、施工方案或监理规划要求堆载土方 本工程沟槽坍塌部位，沟槽开挖余土直接紧靠沟槽侧边堆载，且最高堆载高度达1.6m，均超过在沟槽侧面堆载土方距离沟槽边沿应大于0.8m，堆载高度最高不得超过1.5m的要求。

3）未采取有效的防地表水倒灌措施 本工程沟槽开挖位置的水文地质工况比较复杂，含淤泥质粉质黏土层（厚约1.5m）为不易透水层，受地表水长期浸泡会滞留，并导致其持力能力急剧降低，极大增加沟槽失稳风险。

4）地质土层持力性较差 本工程沟槽位置地质工况比较复杂，地层不均匀，有比较厚（约1.5m）的含淤泥质粉质黏土层（疑似），且该土层含水量比较大，塑性变形较明显。坍塌部位有比较明显的撕裂现象。

5）动、静荷载影响明显 本工程处于金猇路与猇亭大道（G318国道）交叉口的西北角，且猇亭大道为国道，重载车辆通行量大，且振动明显，对沟槽壁会产生较严重的侧向振动；施工期间，重载车辆通行会对本工程沟槽边坡稳定造成比较严重的不良影响。在本工程管道吊装期间，吊运管道时的履带式挖掘机往复行走会对沟槽顶部垂直产生的动荷载约为200kN。

4.2 间接原因

4.2.1 未进行有效的安全监测工作

未落实沟槽开挖坍塌部位的沉降与位移安全监测预警措施；施工期间也未对边坡稳定性开展实时安全监测与巡查工作。

1）设计单位 设计单位就本次沟槽开挖未设定沉降与位移监测技术标准及预警值设置等。

2）施工单位 施工之前，施工单位未按照规范要求设置水平位移与沉降观测点，施工期间也未开展相关安全监测与巡查工作。

3）监理单位 监理单位未开展相关沉降与位移安全监测成果的复核，以及施工现场的安全巡查工作。

4.2.2 对不同岩性突变段结合面的土力学性能差异重视不够

本工程坍塌部位正位于施工道路与绿化带的结合部位，这两类土层岩性的土力学性能差异明显。在工程施工期间，各参建单位均未重视地层岩性突变段的结合面土力学性能差异及地表水对土层持力稳定性的不良影响。

4.2.3 未及时进行基槽验收工作

本工程沟槽开挖及雨污水管道敷设之前，各参建单位未及时开展已开挖沟槽的基槽验收工作，也可能是此次坍塌事故产生未及时进行事前预警的原因之一。

5 结语

猇亭大道雨污水管网改造工程沟槽坍塌事故发生在市政道路与绿化带结合部的绿化带中。从技术角度来看，此次坍塌事故发生的直接原因包括：沟槽开挖施工期间未按照设计与标准要求放坡；未按技术规范、施工方案或监理规划要求在沟槽侧边堆载土方；未采取有效的防地表水倒灌措施；坍塌部位土层岩性的地质力学性能较差，且受动、静荷载不利影响明显。间接原因包括：在沟槽开挖施工期间，未按技术标准要求进行有效的安全监测工作；未对不同岩性地层突变段结合面的土力学差异特性引起足够重视；沟槽开挖完毕且在敷设雨污水管道之前未及时进行基槽验收工作。