某土钉墙基坑支护事故分析及处理

【摘要】随着城市建设的发展，越来越多的深基坑项目涉及复杂的场地环境，如何根据地质情况选用合理的参数，以保证基坑工程及周围构筑物的安全，是工程设计人员必须严格把控的问题。以运城市某基坑事故为例，使用理正深基坑软件进行计算，分析其在工程设计、施工环节中所存在的问题。

基坑支护； 土钉墙； 工程事故

【中图分类号】TU94+2【文献标志码】A

［定稿日期］2023-06-08

［基金项目］山西省教育科学“十四五”规划2022—2024年度一般规划课题（项目编号：GH-220482）

［作者简介］杨腾（1988—），男，硕士，讲师，研究方向为桥梁与隧道工程、岩土工程。

0 引言

随着我国建设事业的发展，利用地下空间已成为一种趋势，随之而来的深基坑相关的岩土问题日益增多，基坑开挖引起的工程事故也屡见不鲜。岩土问题本身有着很强的地域性，基坑的支护设计又是一个系统的工程，涉及水文地质条件、周边环境、支护结构选型等问题，这些问题所引发的工程事故一旦出现，不但会影响到工程的正常进度，还会造成重大的财产损失和人员伤亡。

本文以某一基坑事故为例，从地质条件、支护设计、工程施工等多个角度进行分析，阐述事故原因，提出合理的建议，以供工程技术人员参考，也为相似基坑工程提供借鉴。

1 工程概况

本工程位于山西省运城市盐湖区铺安街与禹西路交汇口东南侧，西邻万达广场，东侧为规划周西路，场地平面布置见图1。项目共包含15栋高层住宅，1栋幼儿园，1栋项目展示中心，7栋商业配套及地下室人防工程组成，高层住宅均为剪力墙结构，其余为框架结构。

本深基坑支护设计等级为二级，设计使用年限为一年。基坑支护形式采用自然放坡+土钉墙+微型桩。建筑场地范围内地势南高北低，地形起伏较大，东临周西路拟建路段，西临万达广场，顶边线距现有围墙约3.5 m，北临铺安街，顶边线距现有围墙约6.0 m，南临规八路，顶边线距现有围墙约1.5 m，因三面临路，一面紧靠万达广场停车场及绿化带，西侧和南侧不具备自然放坡条件，坑顶标高介于365.50～370.50 m之间，设计地库基坑开挖地面标高为358.775～363.375 m，基坑开挖深度为6.68～7.07 m。经调查基坑开挖深度3倍范围内无地下管线（图1）。

2 场地环境与工程地质条件

2.1 气象和水文情况

拟建场地属暖温带大陆性气候，四季分明，光热资源丰富，自然降水不足。降水时空分布不均，平均年降水量在500～600 mm之间。雨量分布是由东南向西北递减。雨量在时间分布上很不均匀。据统计，平均年降水量为504.7 mm，夏季雨量占49%，秋季占29%，春季占20%，冬季雨量仅占3%。雨量的年际变化幅度也不少，1958年最多达945.8 mm，1997年最少仅305.0 mm，变幅达3倍有余。

2.2 工程地质情况

工程场地所处地貌单元属运城盆地，属河流冲积平原，地形平缓，建筑场地范围内地势较为平缓，地形总体起伏不大，标高介于366.43～367.70 m之间，最大高差1.27 m。地基土主要为黄土状粉土、粉土、粉质黏土及粉细砂，基坑支护范围内所涉及的土层为4层。

①杂填土：黄褐色，稍湿，稍密，主要成分为建筑垃及生活垃圾，充填物主要为粉土，成分不均匀。

该层在勘察区均有分布，厚度 0.7～7.2 m。平均厚度 3.06 m，该层为近两年来周边施工所填，未经有效碾压，固结性较差，工程性质差，该层粘聚力C建议值取5.0 kPa， 内摩擦角建议值取10.0°。平均动探击数 4.2 击/10 cm。建议挖除。

②黄土状粉土：浅黄色、黄绿色，稍湿，稍密，干强度及韧性低，可见黄色锈斑，偶见蜗牛壳碎片，含植物根系及少量芒硝，孔隙发育，具湿陷性。

该层厚度 1.3～7.4 m，平均厚度 5.21 m。该层的天然孔隙比e为0.935，天然含水量W为14.0%，液性指数IL为 0.43，重度为15.8 kN/m3，压缩系数a0.1-0.2为0.178 MPa-1，为中偏低压缩性土，粘聚力C标准值取13.3 kPa，内摩擦角φ标准值取24°。平均标准贯入锤击数9.2击/30 cm，承载力特征值110 kPa。

③粉质黏土：浅黄色，略发绿，干强度及韧性高，土质较均匀，切面稍具光泽，含大量芒硝及石膏晶体，局部夹薄层粉土。

该层厚度 5.3～8.5 m，平均厚度 6.7 m。该层的天然孔隙比e为 0.911，天然含水量W为 28.1%，液性指数IL为0.51，重度为18.2 kN/m3，压缩系数a0.1-0.2为0.386 MPa-1，为中偏高压缩性土，粘聚力C标准值取22.0 kPa，内摩擦角φ标准值取23.8°。平均标准贯入锤击数11.2 击/30 cm，承载力特征值125 kPa。

④粉土：褐黄色，湿，稍密，干强度及韧性低，含大量云母碎片，局部略具砂感，具摇震反应，可见黄色锈斑，局部夹薄层粉砂。

该层厚度1.8～3.7 m，平均厚度3.15 m。该层的天然孔隙比e为0.627，天然含水量W为 21%，液性指数IL为0.42，重度为20.1 kN/m3，压缩系数a0.1-0.2为 0.211 MPa-1，为中偏低压缩性土，粘聚力C标准值取18.3 kPa，内摩擦角φ标准值取20.7°。平均标准贯入锤击数 14.1击/30 cm，承载力特征值120 kPa。

2.3 水文地质条件

经调查，场地内无地表水水系。根据勘察报告勘察期间稳定水位埋深11.0～12.1 m（标高355.38～355.60 m），场地内地下水类型为松散岩类孔隙水，赋存在粉质黏土及粉砂组成的含水层中，属于潜水含水层。根据运城水文站长期观测资料，地下水位变幅在1.5 m左右。地下水补给来源主要为大气降水渗入及北侧安邑水库侧向径流补给，排泄主要以人工抽水及地下水径流排泄。

3 原支护结构设计方案

根据支护设计方案及现场情况，基坑开挖深度介于6.68～7.07 m之间。基坑开挖分区及剖面布置情况见图2。基坑共有六个剖面，采用放坡、土钉墙、微型桩复合土钉墙三种支护方式，各剖面支护形式见表1。

1-1剖面和3-3剖面由于地势较开阔，采用1∶0.75坡率自然放坡，坡面喷射100 mm厚C20细石混凝土，内设6 mm间距200 mm双向钢筋网片。

2-2剖面和4-4剖面采用土钉墙进行支护，坡面坡率分别为1∶0.45、1∶0.37，采用三排钢筋土钉，水平间距1.5 m，第一排土钉在地面下1.5 m，竖向间距为2 m，倾角15°，坡面喷射100 mm厚C20细石混凝土，内设6 mm间距200 mm双向钢筋网片，2-2剖面支护结构见图3，4-4剖面支护结构见图4。

5-5剖面采用土钉墙进行支护，坡面坡率为1∶0.35，采用四排钢筋土钉，水平间距1.5 m，第一排土钉在地面下1.5 m，竖向间距为1.5 m，倾角15°，坡面喷射100 mm厚C20细石混凝土，内设6 mm间距200 mm双向钢筋网片，5-5剖面支护结构见图5。

6-6剖面采用微型桩复合土钉墙进行支护，微型桩桩长9 m，300 mm，桩间距500 mm，采用五排钢筋土钉，水平间距1 m，第一排土钉在地面下1.2 m，竖向间距为1.2 m，倾角15°，坡面喷射100 mm厚C20细石混凝土，内设6 mm间距200 mm双向钢筋网片，6-6剖面支护结构见图6。

4 事故经过及原因分析

4.1 事故经过

2021年9月以来，运城市连日多次降雨，雨量达到同期三倍以上，周围雨水流入地下，致使基坑护壁压力逐渐增大，同时坑外路面已出现长度31 m，宽24 mm的裂缝，走向平行于南侧基坑，并有进一步增长的趋势，现场裂缝见图7。2021 年 9 月 25 日，项目基坑南侧5-5剖面支护结构突然发生坍塌，坍塌时有大量雨水流出，基坑顶部围挡倾倒，地面严重塌陷。事故发生时，施工人员已离开危险区域，因而未造成人员伤亡。事故发生后，为防止南侧基坑变形进一步增大，施工单位对该区域采取堆土反压的措施，图8为事故现场。

4.2 基坑支护失稳分析

4.2.1 气候方面

根据当地气候资料显示，地基施工时，场地正经历连续降雨，工地周边的市政设施排水能力不足，导致雨水不易排出、大量聚积在基坑周边。此外，基坑顶部也未按照设计要求设置截排水沟，大量雨水直接冲刷坡面。坡面喷射混凝土进行封闭，但未设置泄水孔，雨水无法及时排出，最终导致基坑坍塌事故的发生。

4.2.2 设计方面

地质勘查报告对第一层杂填土的描述：该层在勘察区均有分布，厚度 0.7～7.2 m。平均厚度 3.06 m，该层为近两年来周边施工所填，未经有效碾压，固结性较差，工程性质差，该层粘聚力C建议值取5.0 kPa， 内摩擦角φ建议值取10.0°。设计单位在基坑设计时，并未考虑区域内杂填土土层厚度变化较大的情况，选用参数见表2，杂填土的厚度取2.5 m，事故发生后，调查附近钻孔资料显示杂填土厚度达4.2 m，由于第一层杂填土抗剪强度较第二层黄土状粉土低很多，土层厚度的错误选取对土钉墙的抗滑稳定安全系数的计算产生了较大的影响。

4.2.2.1 杂填土厚度取2.5 m，按原设计方案进行验算

依据原设计方案，用理正深基坑7.0版软件，对基坑破坏位置5-5剖面进行土钉抗拔承载力验算及整体稳定验算，基坑顶面超载值为20 kPa，据坑边4.5 m，支护结构安全等级2级，支护结构重要性系数取1.0，土钉抗拔承载力验算结果见图9，整体稳定性验算结果见图10。

4.2.2.2 杂填土厚度取4.5 m，按实际情况进行验算

根据实际情况，选用地质勘查报告中钻孔41土层物理参数，杂填土厚度取4.2 m，其余参数均同原设计，土钉抗拔承载力验算结果见图11，整体稳定性验算结果见图12。

4.2.2.3 计算结果分析

原设计方案土钉抗拔安全系数最小的是第一道土钉，K=Rk，1Nk，1=72.943.6=1.67≥1.6， 土钉的极限抗拔承载力均满足要求。各道土钉杆体受拉承载力均符合Nj≤fyAs，满足要求。施工完成后，基坑边坡整体稳定安全系数K=1.409gt;1.3，满足规范要求［1］。

根据实际地质情况验算，土钉抗拔安全系数如下。

第一道土钉，Rk，1Nk，1=54.239.6=1.4≤1.6，不满足要求。

第二道土钉，Rk，1Nk，1=72.557.6=1.3≤1.6，不满足要求。

第三道土钉，Rk，1Nk，1=94.372.3=1.3≤1.6，不满足要求。

第四道土钉，Rk，1Nk，1=101.820.0=5.1≥1.6，满足要求。

各道土钉杆体受拉承载力均符合Nj≤fyAs，满足要求。

基坑施工完成后，边坡整体稳定安全系数K=1.18lt;1.3，不满足规范要求。

根据上述结果可以看出，土钉抗拔安全系数除最底层满足要求以外，其余三根土钉均低于1.6，雨水进入土层后，土压力增大，土钉轴向拉力标准值增大，土与土钉的摩阻力降低，土钉极限抗拔承载力标准值降低［3］，基坑坍塌时，上部土钉部分有拔动的迹象，这也与现场实际情况相符合。

边坡的整体稳定安全系数K=1.18，已经低于规范要求，在遇到连续强降雨时，土的强度还会进一步降低，最终导致基坑边坡发生破坏［2］，杂填土因力学参数较低，其厚度变化对基坑的安全影响很大，设计单位在设计时，应充分考虑地层的变化。

4.2.3 施工方面

事故发生后，在现场对坍塌后的废墟及未坍塌的土钉墙进行了检查，发现基坑支护施工并未严格按照施工方案及设计图纸进行施工。

基坑支护方案中5-5剖面应分五层进行开挖，每挖一层支护一层，实际上施工单位仅两次就开挖到底部，然后再进行土钉的施工，边坡的坡度也未达到设计要求的1∶0.35。在基坑顶部未设置截排水沟，靠近边坡坡顶的地面未严格按设计要求喷射混凝土护面，因而在下雨时，部分雨水渗入边坡土体。边坡底部也未设置排水沟，下雨时雨水堆积，坡脚土体软化，进而导致支护结构破坏。

通过对土钉的检查，发现土钉灌浆并不密实，部分区段未灌注水泥浆，灌浆质量不稳定，有些区域嵌入泥土。此外，坡面喷射混凝土厚度不足，设计中喷射混凝土厚度为100 mm，测量发现实际厚度多处不足80 mm。

在调查过程中，发现基坑支护构件有被机械碰撞、损坏的地方，在施工的时候应避免机械对基坑构件的破坏。基坑顶部的裂缝未及时处理，下雨雨水顺裂缝进入土体。此外，在施工中应加强监测［4］，发现变形值过大，应及时预警并分析原因。

5 结论

随着建筑规模地不断扩大，基坑工程的事故也越来越多，通过对本工程案例进行分析，可以得到几点结论和启示：

（1）连续强降雨会导致土层粘聚力和内摩擦角的数值降低，排水不畅会增加支护结构的水土压力，影响支护结构的安全性，因而在设计及施工中应注意防排水工作。

（2）由于地层的特殊性及复杂性，设计单位在选用设计参数时应结合地质勘查报告，在充分了解地层的分布及变化情况后分区段按最不利原则进行设计［5］。在本次事故中，设计单位简单地按照其他区域勘察报告中提供的土层厚度进行全部区段的计算，未能考虑到局部区域地层厚度变化较大的情况，这样提供的设计方案是不安全的，也为后来的事故埋下了隐患。

（3）基坑工程是危险性较大的分部分项工程，施工单位在施工时应编制专项施工方案，经论证后需严格执行。施工过程中，相关单位应及时沟通，按照图纸进行施工，不能因为赶进度而冒险。此外，施工企业还应加强现场管理，提高施工质量。

（4）基坑工程虽然是临时工程，但其引起的危害和后果不容小觑［6］，园的风险很高，一旦出现事故，经济损失和社会影响都是巨大的。

（5）基坑监测是保证基坑安全的重要措施，按规定做好监测工作能够及时发现问题，避免事故的发生。

参考文献

［1］ 建筑基坑支护技术规程： JGJ 120-2012［S］.

［2］ 王晓初，张天宇，刘晓.沈阳某深基坑支护工程事故原因分析［J］.沈阳大学学报（自然科学版），2018，30（5）：401-408.

［3］ 朱彦鹏，朱胜祥，叶帅华，等.某工程深基坑事故分析与二次加固设计［J］.岩土工程学报，2014，36（S1）：186-191.

［4］ 建筑基坑工程监测技术规范： GB 50497-2009［S］.

［5］ 基坑工程手册（第二板）［M］.北京：中国建筑工业出版社，2009.

［6］ 石建军.基坑塌方事故的危害及防治措施［J］.建筑安全，2007（7）：10-11.