兰州市某深基坑支护设计实例及事故分析

马 龙

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730030）

1 引言

受西部大开发及“一带一路”政策红利的影响，在西北部地区，尤其是兰州地区经济得到前所未有的发展机遇，由此带来的城市建设得到突飞猛进的发展，涌现出了大量深基坑工程，支护设计得到广泛推广与应用，支护形式由最初简单的放坡、土钉墙支护、桩锚支护，逐渐发展出现了内支撑、咬合桩等支护形式并得到广泛应用。基坑支护形式随之逐渐多样化，使基坑支护的安全性及可靠性得到一定提升。同时，由于城市建设步伐较快，基坑支护深度越来越大、周边环境越来越复杂，新型支护形式无法得到广泛推广，以及设计施工人员对基坑失稳破坏危害性认识不足，支护过程出现一些失败案例。文章以兰州地区某一事故案例进行分析，并对比相似基坑分析，为西北地区尤其是兰州地区基坑支护设计提供一定的借鉴经验。

2 兰州市气象及地质资料

2.1 兰州市气象条件

根据甘肃省气象局资料显示[1]，兰州市多年平均气温9.1 ℃，多年平均降水量311.7 mm，历年最大降雨量546.7 mm，历年平均降水日数75天；多年平均蒸发量1 446.4 mm；多年平均相对湿度56%。从20世纪80年代中期开始，西北地区大致以黄河为界的西部区域，降水开始呈现逐渐波动增加趋势[2]。近年来，兰州地区及相邻地区，均发生了降水量增加，河流出山口径流量增大，湖泊及地下水水位上升等现象，从侧面也反映了降雨增加趋势。

2.2 兰州阶地地形分布特点

兰州位于西北地区典型湿陷性黄土高原分布区，黄河穿城而过，形成两山夹一河的典型河流沟谷与高低级阶地分布特点，兰州市黄河阶地分布如下图1所示。黄河低阶地区域，湿陷性黄土层厚度较薄，湿陷性较小，含水率较大，下部卵石层为主要含水层，卵石层以下为砂岩。高阶地区，湿陷性土层分布厚度厚，土层湿陷性大、含水率小，无地下水或地下水分布深，下部为碎石类土，碎石层以下为砂岩。

图1 兰州市黄河阶地分布

2.3 水文资料

兰州地区深居内陆，地处温带半干旱气候区。黄河是流经兰州市区的主要河流，除此以外还有一些间歇性流水的沟谷，如韩家河、黄峪沟等，黄河由西向东流经市区40余公里，丰水年平均流量为1612 m3/s，枯水年平均流量为681 m3/s，多年平均流量为1 064 m3/s。

3 工程案例

3.1 工程概况

文章选取兰州某深基坑失稳案例，对其进行分析。拟建工程位于兰州市城关区段家滩路南侧，拟建物为1栋整体19F局部6F门诊医技综合楼，设有2层地下室，基坑开挖深度为10.2～13.5 m。基坑周边环境较为复杂，北侧临近城市主干道，基坑南侧、东侧及西侧为小区建筑物及道路，地下管线埋设较为密集。该基坑位于黄河一级阶地区域，具有湿陷性黄土低阶地场地，土层厚度薄、含水率低、湿陷性等级低、地下水位高等湿陷性黄土场地典型特点。

3.2 岩土地质条件

场地地质条件如下：

①全新统人工杂填土层（Q4ml）：该层分布连续，杂色，成分复杂，主要为碎石、砂土、粉土、碎砖块、煤渣、白灰等回填建筑垃圾，土质不均匀，稍湿，稍密。该层层厚为2.9～3.4 m；

②全新统冲洪积卵石层（Q4al+pl）：该层分布连续，黄褐色，土质不均匀，虫孔发育，偶夹细砂薄层，切面稍见光泽，摇振反应迅速，干强度低，韧性低，稍湿-湿，稍密。该层层厚为2.5～4.2 m，层面埋深2.9～3.4 m；

③全新统冲洪积卵石层（Q4al+pl）：该层分布连续，青灰色，一般粒径20～100 mm，最大粒径为110～200 mm，主要成分为花岗岩、石英质砂岩等硬质岩石，级配不良，磨圆度较好，呈亚圆-圆状，偶见漂石，骨架颗粒间呈交错排列连续接触，弱风化，以中细砂充填，充填饱满。稍密-中密。该层层厚为5.6～6.9 m，层面埋深为6.3～7.5 m；

③1全新统冲洪积细砂层（Q4al+pl）：该层分布于卵石层顶部，零星分布，黄褐色，砂质较均匀，稍湿，稍密。该层层厚为0.3～1.4 m，层面埋深为5.8～6.3 m；

④新近系风化砂岩层（N）：该层分布连续，棕红色，强风化，细粒结构，薄层状构造。泥钙质半胶结，矿物成分以石英、长石为主。成岩作用较差，岩质不纯，所见岩芯呈短柱状及散状，干时坚硬，遇水扰动或暴露地表极易软化或风化崩解，扰动后易破碎，呈散沙状。

3.3 地下水分布条件

场地地下水属第四系松散岩类孔隙潜水，主要赋存于下部卵石层中，接受大气降水及侧向径流的补给，流向东北，勘察期间地下水水位埋深为8.1～8.4 m，相应水位高程1 504.84～1 505.35 m。根据区域水文地质资料，卵石层的渗透系数40～50 m/d。

3.4 湿陷性分布

场地内2层粉土的湿陷系数δS＝0.017～0.039，自重湿陷系数δZS＝0.007～0.015，场地地基土的湿陷等级为Ⅰ级（轻微），最大湿陷深度7.0 m。

4 基坑支护设计方案

4.1 设计计算依据

根据地勘报告提供的基坑支护设计参数见表1。

表1 基坑支护设计参数

4.2 基坑支护设计

根据对现场基坑周边环境的调查，并对周边道路、管线及建筑物等进行测量，支护设计考虑施工空间及施工荷载等外部因素，结合勘察工程地质条件，采用“支护桩及复合土钉墙”等方式进行支护，鉴于该基坑事故案例仅分布于场地东侧复合土钉墙部分，文章仅对复合土钉墙部分进行分析说明。

典型断面如图2所示，基坑支护设计采用理正深基坑7.0软件进行验算，最后一工况安全稳定系数为1.402，满足规范最小安全系数要求[3]。

图2 复合土钉墙支护典型断面

5 基坑支护失稳分析

5.1 基坑支护失稳原因分析

在基坑开挖过程中，基坑支护发生局部失稳坍塌事件，坍塌位置位于场地东部，该区域上部为临时道路，宽度约为4 m，道路外侧为1层门房，道路下部存在两条雨污排水管沟，经现场查验，坍塌长度约为15 m，坍塌时基坑开挖深度约为9 m，塌方后侧土体最大滑塌范围约为2.5 m，塌方前后现场照片如下图3—图4所示：

图3 基坑失稳前开挖照片

图4 基坑失稳后照片

在基坑支护塌方后，对现场进行详细调查与询问，得出主要结论有以下几个方面：

（1）通过总体分析，主要为现场施工、监理及建设单位对基坑危害性认识不足，监管人员能力有限，监管不力，盲目追求工期；

（2）基坑失稳前后照片相差时间约为6 d，基坑施工开挖至预应力锚杆标高处，实施分台阶开挖，对支护有利，但锚杆及土钉抗拉强度均未达到抗拉强度设计值，立即进行下一步基坑开挖，面层强度及预应力锚杆抗拔承载力均未达到设计要求，盲目进行下一步工序，直接导致上部支护结构强度破坏，基坑失稳破坏；

（3）基坑开挖后，场地土层含水率较大，现场人员未对异常情况进行反馈，后期对塌方区土体进行室内含水率试验，统计值为31.7%、26.8%、22.0%，平均值为26.8%，湿陷性黄土遇水饱和，土体抗剪强度严重降低，与设计使用抗剪强度严重不符；

（4）基坑顶部存在一平行支护剖面方向污水管沟，埋深约为3.0 m，基坑开挖后，未切断管沟污水来源，仅采取简单封堵措施，基坑失稳后可见污水向外渗流，水流量较大；

（5）基坑支护施工过程直至基坑失稳前，现场未委托第三方单位对基坑进行变形监测，直至开挖回填，未见变形监测数据，无法对该基坑变形进行预测。

5.2 基坑支护设计及施工建议

（1）加强监管人员、现场施工人员培训及技术指导，如有异常应及时向设计人员进行反馈，动态化施工，信息化管理；

（2）湿陷性黄土地区基坑支护设计，尤其是老城区基坑支护设计，应注意对周边环境调查，摸清周边场地雨污水排水方向，管沟破裂应及时改迁或采取严格封堵措施；

（3）严格按照规范[4]要求，对基坑进行变形监测，实时预测基坑变形发展趋势，科学指导，减小基坑失稳概率；

（4）湿陷性黄土地区基坑支护设计，周边环境较为复杂，地下管线分布较为密集时，荷载常因外界环境而改变，设计荷载应及时根据外界环境变化进行调整。

6 结语

通过上述案例分析，可以得出以下结论：

（1）基坑支护施工前，应加强监管人员、现场施工人员培训及技术指导，加强基坑支护失稳破坏性认识；

（2）基坑支护施工，应严格按照设计及相关规范要求，分步实施，支护设计强度未达到设计要求，严禁实施下一道工序；

（3）水的因素是导致湿陷性黄土地区基坑失稳的主要外界因素，施工过程应加强周边排水管沟管控与监测，防止地下水管沟破裂。当地层条件、外部荷载发生变化时，应引起足够重视，及时与设计人员进行沟通，并提前采取有效处理措施。

（4）湿陷性黄土地区旧城区基坑支护设计，周边环境较为复杂，地下管线分布较为密集，荷载常因外界环境变化而改变，应适当增加安全储备，防止周边环境变化或其他不良因素改变影响基坑安全性。