深基坑工程安全问题.doc

深基坑工程的安全问题 深基坑工程是一门风险很性工程也是一门系统工程 涉及多学科的知识 土力学 基础工程 混凝土结构工程 钢结构工程 原位测试技术 测量技术等一个成功的深基工程,首先应该是安全的既要保证支护结构自身的安全，使基坑开挖和地下结构施工能顺利进行又要保证周围环境（包括周围的建筑物、构筑物、道路、地下管线）的安全。安全大前提，只有安全的支护结构，才能谈到合理的、经济的近年来，在基坑工程中，事故频发，险情不断，既影响了建设进度，又造成了严重的经济损失和不良的社会影响，深基坑工程的安全问题已引起了各面的严重关注1.深基坑工程的特点1）深基坑工程是临时工程、但周期较长临时思想，能省则省周期较长，季节变化雨雪堆载振动时间的延续2）深基坑工程规模大（深度深、面积大）、造价高大深度、大面积边长超百（米）面积过万（平方米）造价高、投资大与临时性是一对矛盾3）深基坑工程的工程地质和水文地质条件复杂深大基坑在不同位置与深度处的地质条件（土层构造、性质，地下水埋藏情况等）不尽相同，有时甚至相差很大4）深基坑工程施工条件差、与周围环境相互影响大深基坑周围环境条件复杂多变，对施工尤其是支护桩施工可能有诸多限制或不利因素，如场地狭窄、噪音限制、振动限制、施工时间限制等，在设计及选择施工方案时均需加以考虑。5）深基坑工程具有时空效应时空效应指深基坑开挖的空间几何尺寸和暴露时间与支护结构变形和坑周地层位移之间的相关性。在深大基坑施工中，控制变形往往是设计与施工的重点。深基坑设计必须考虑支护结构在不同施工阶段亦即不同工况条件下的内力与变形。6）深基坑工程事故后果严重理论发展尚不完善、技术复杂、变化因素多、涉及范围广、对周围环境影响大。一旦发生事故，后果十分严重，处理也很困难。往往造成基坑破坏、人员伤亡、周围房屋受损甚至倒塌、地下管线断裂等。既延误工期、引起较大的经济损失，又造成不良的社会影响。2、深基坑工程事故原因分析从深基坑工程事故中吸取经验教训，分析事故原因是最好的方法，正所谓“前事不忘，后事之师”。通过研究其实践经验教训，结合科学研究和更多成功的工程经验，我们试图对深基坑工程存在的问题进行探讨以期能进一步提高认识，促进技术发展。21勘察失误深基坑所在位置处的工程地质和水文地质条件是确定支护方法、地下结构施工方法、地下水处理方法等的重要依据。勘察工作的失误，势必对支护结构方案的正确选择和设计计算的准确性造成影响，给工程的实施留下隐患。1）勘察资料不全面或参数不足忽略基坑及坑底下一定深度土层的参数，而这正是支护结构设计所必须的。勘探孔位距离基坑及其侧壁过远或勘探孔间距过大。例：缺淤泥质粘土指标（估计耳=12，C=12kP）大面积滑移，最大位移1.2米对于软土基坑，缺少坑底或支护桩设计深度处的土体压缩模量、回弹模量、不排水搞剪强度等。对地下各层含水层（上层滞水、潜水、承压水）的地下水，一般情况下只有地下水位和渗透系数。2）勘察资料参数不准确土层参数失真，内摩擦角耳和内聚力C取值错误，致使设计计算结果不准确，埋下事故隐患。如某工程基坑10*200m，挖深9.510.5m，采用800m厚20m深地下连续墙，两道钢筋混凝土支撑。地下20多米范围内为饱和流塑状灰色淤泥，其内摩擦角11.5，内聚力12kPa。而实际上内摩擦角为6.5，内聚力13kPa，因此被动区抗力不足，连续墙整体滑移，基底隆起，支撑破坏，坑外地面下沉最大达4米。地下水位、水渗透系数不准确。地下水位不准确，则在进行止水帷幕设计时可能发生误差，渗透系数K则对降水设计产生较大影响。如南京某基坑，按勘探报告提供的渗透系数计算，需设置10口管井，在实际施工时打设了14口，其出水量大大超出计算值，说明勘探报告中的渗透系数偏小。内摩擦角和内聚力C因水（渗水、降雨）而减小。大面积塌方。因渗水、降雨等使土的含水量增加，内摩擦角耳和内聚力C下降。耳原为26，事故发生后取样，耳变为16.28。22设计失误在深基坑事故中，由于设计不当而造成的大约有将近一半，既有方案选择问题，也有设计计算错误，更多的是由于设计师经验不足而造成各种失误。1）设计方案选择失误在未经验算与技术论证的情况下，盲目套用相似或相近工程的支护结构方案。选择不合适的支护方案，如在淤泥质土层中采用土层锚杆、土钉墙等，使支护结构产生过大变形。忽视变形过大对支护结构及其周边环境的不利影响，只求支护满足承载力（强度）要求，如在软土地区采用悬臂长度过大的支护桩墙，使支护桩变形过大。在对周围环境保护要求严格的工程中，选择放披开挖、悬臂式支护桩墙、土钉墙、拉锚板桩等变形较大的形式。2）支护结构上的作用（荷载）取值不当地面荷载取值不当，如漏算或少算地面荷载，使支护桩承受的主动土压力大于计算值。设计时，为了节约造价，过大折减主动土压力，使支护结构抗力不足。3）地下水处理方案不妥软土地区未设置止水帷幕。止水帷幕长度不足，发生管涌。左图：桩长12米挖深5-7米粉质粘土挖至7米时管涌桩长应为14米坑内集水坑距离支护桩过近，使支护桩抗力减小。坑内外水位差较大，冲溃坑底承压土层，造成管涌、流砂。4）设计计算错误计算错误。基坑平面：20*100米，挖深20米直径600mm灌注桩，中心间距1米，长20米，入土5米，顶部砌墙5.5米三层锚杆锚杆水平间距2.0、1.5、1.0米计算均取1.0米48根支护支护桩折断大面积塌方支护桩安全系数过低开挖11.2米，D700支护桩1400，配20+1022支护桩安全系数1.03施工质量差、坑边堆砖10根桩公倾倒、折断塌方1000立方未进行抗隆起、整体稳定验算珠海祖国广场逆作法挖深16.2米，四层钢支撑设计未进行坑底抗隆起和整体稳定性验算土方超开挖未能正确利用监测资料作出准确的分析和判断并提出应急措施支护桩踢脚外倾，钢支撑上崩，楼房倒塌5）内支撑结构设计失误内支撑结构布置方式不当，如头道支撑位置位置过低，致使支护桩顶部变形过大；内支撑水平间距过大，承载宽度内的压力超过支撑杆件承载能力，被压屈。基坑平面较大时，采用钢支撑，杆件易失稳（压屈）当温度变化较大时，未考虑支撑系统产生的附加应力钢支撑节点构造不合理钢角撑计算或构造有问题，失稳中间支柱设计不周（立柱桩桩长不足、间距过大、节点构造不当等）2.3施工失误1）施工方未能领会设计意图2）施工质量低下止水帷幕不连续实施方案与设计方案差异较大东南角止水帷幕未形成支护桩施工质量差（混凝土强度不足、颈缩、断桩）地下连续墙施工质量差锚杆或土钉长度不足、倾角不对内支撑位置错位，受力后杆件弯曲钢支撑焊接质量差，混凝土支撑混凝土质量差3）施工程序、工艺等错误先挖后撑（锚杆）挖土机、载重汽车载坑边作业挖土机械随意碰撞支护结构（支护桩、内支撑、锚杆、立柱桩等）基坑底暴露时间过长换撑不当坑边堆载过大4）抢挖、超挖、一挖到底5）任意更改设计方案2.4监测失误无监测监测内容过少对监测数据分析能力欠缺或不及时分析报警不及时3.深基坑工程若干问题的探讨3.1参数选择1）土压力 主动土压力Ka 静止土压力KO 被动土压力Kp库仑土压力理论挡土墙朗金土压力理论光滑墙背挡土墙3.2水压力计算2）水压力无渗流时，按静水压力考虑 总应力法水土合算（粘性土） 有效应力法水土分算（沙性土）有渗流时，按动水压力考虑3.3支护方案确定对具体工程，其适用的（可用的）支护结构型式可能有多种，应综合考虑基坑开挖深度、基坑平面形状和尺寸、场地土的工程地质和水文地质条件、邻近建筑物的重要程度、地下管线的限制要求、工期、造价等因素，经多方案优选后确定。3.4内支撑方案选择1）水平内支撑结构的平面布置 支撑轴线宜避开柱网轴线，支撑水平距离应4m，机械挖土时应8m，支撑端部与支护桩墙间应设沿桩墙周边贯通的水平围檩即腰梁，腰梁沿长度方向水平支撑点的间距，对钢腰梁应4m，对钢筋混凝土腰梁应9m，在主支撑两侧设置八字撑（琵琶撑）来实现之。当基坑平面为长条形时，可采用单向布置的对撑或对撑与角撑的组合型式。矩形或多边形基坑应优先采用相互正交均匀布置的双向支撑机构。如有向内凸出的阳角时，应在两个方向上均设支撑点。多道水平支撑最上一道可为混凝土双向或环形内支撑，以下双线水平钢支撑，对变形控制严格时宜用多层混凝土双向内支撑。当需要留设较大作业空间时，可用桁架式对撑，当基坑为方形或三角形时，亦可采用桁架式角撑结构。采用环形混凝土内支撑是适宜的，也可以选择边桁架和对撑或角撑桁架的组合结构。对于长方形和多边形基坑，也可采用圈环形或其他结构的组合结构来布置内支撑。钢筋砼内撑钢度好中心区域采用了环梁，便于挖土机从坡道进入基坑边桁架和桁架式对撑或角撑组合对多边形基坑的适应性较强，上海金茂大厦基坑支撑平面图开挖深度主楼为19.65m，裙房15.1m，采用厚1m深36m地下连续墙支护，主楼四道，裙房三道钢筋混凝土内支撑，三个大空间，最大一个空间为主楼位置，图中涂黑部分为土方开挖阶段的栈桥式停机平台3.5支护结构计算1）桩墙入土深度计算 桩墙式支护结构抗倾覆稳定所需的入土深度可采用极限平衡法（又称被动侧极限应力法）计算；2）桩墙结构的内力与变形计算 三级基坑和地层较稳定、周围环境较简单的二级基坑，一般可采用极限平衡法计算；但支点钢度较小的多支点支护结构和需严格控制墙顶水平位移的悬臂结构宜采用侧向地基反力法（又称弹性支点法）计算； 一级基坑，地层软弱或周围环境复杂的二级基坑及空间作用明显的基坑，宜采用侧向地基反力法计算。3.6变形问题3.7稳定性验算边坡稳定抗隆起稳定整体稳定管涌验算坑底渗流量稳定验算承压水稳定验算3.8信息化施工问题深基坑支护工程的监测技术在基坑开挖前制定系统的监测方案，在开挖及地下结构施工中，用科学的仪器、设备和手段对支护结构、周边环境（土体、建筑物、道路、地下设施等）的位移、倾斜、沉降、应力、开裂、基底隆起及地下水位的动态变化、孔隙水压力变化等进行综合监测。并对监测数据进行整理与分析，比较斟察、设计所预期的性状与监测结果的差别，对原设计成果进行评价并判断现有施工方案的合理性。通过反分析法计算和修正岩土力学参数，预测一下施工阶段可能出现的新动态，为施工期间进行设计优化和合理施工提供可靠信息，对后续开挖提出建议，对有可能出现的险情进行及时预报，当有异常时立即采取必要技术措施，防患未然，确保安全。2.监测点的布置与监测方法的确定（1）支护结构监测1）支护结构顶部水平位移监测最重要的监测项目之一。每间隔520m设一个监测点，每条直边至少34点，关键部位适当加密。可选择以下方法进行监测：用铟钢丝、钢卷尺两用式位移收敛计对支护结构顶部进行收敛量测 测量精度为0.5mm。用精密光学经纬仪进行观测 视准线法。用铟钢丝式伸缩计进行量测 与自动记录系统相连，可连续获得水平位移曲线和位移速率曲线。（2）周边环境的监测周边环境的监测应包括基坑开挖深度3倍以内的范围。1）邻近建筑物的沉降、倾斜和裂缝及发生时间和发展过程的监测可用DSI型精密水准仪进行沉降和倾斜观测。房屋沉降量测点应布置在墙角、柱身（特别是代表独立基础及条形基础差异沉降的柱身）、门边等外形突出部位，测点间距要能充分反映建筑物各部分的不均匀沉降。2）邻近构筑物、道路、地下管网设施的沉降和变形监测可用DSI型精密水准仪进行沉降观测。地下管线位移量测有直接法和间接法两种，直接法就是将测量布置在管线本身上，而间接法则是将测点设在靠近管线底面的土体中，为分析管道纵向弯曲受力状况或在跟踪注浆调整管道差异沉降时，间接法必不可少。3）对岩土性状受施工影响而引起变化的监测 包括对土体表层沉降（采用精密水准仪）、水平位移（采用精密经纬仪）进行观测和对土体深部分层沉降（采用分层沉降仪）及倾斜进行监测。监测着重再距离基坑边为基坑开挖深度的1.52.0倍范围以内。可及时掌握边坡的整体稳定性，及时查明土体中存在的潜在滑移面的位置。4）桩侧土压力测试 桩侧土压力是支护设计中很重要的参数，常要求测试。可将钢弦式或电阻应变式压力盒埋设于土中，测试桩身在受到的实际土压力分布状况。5）基坑开挖后的基底隆起观测包括由于开挖卸荷基底回弹的隆起和由于支护变形或失稳引起的隆起。用分层沉降仪监测之。6）土层孔隙水压力变化的测试 一般用振弦式孔隙水压力计，电测式测压计和数字式钢弦频率接收仪进行测试。7）地下水位监测 当地下水位的升降对基坑开挖有较大影响时，应对其进行动态监测以及渗漏、冒水、管涌、冲刷的监测。8）肉眼巡视于裂缝观测 由有经验的工程师每天进行的肉眼巡视工作是很有意义的。主要对地圈梁（帽梁）、邻近建筑物及邻近底面的裂缝、塌陷和支护结构工作失常、流土、渗漏或局部管涌等不良现象的发生和发展进行检查、记录和分析。 上述监测项目中，水平位移监测、沉降观测、基坑隆起观测、肉眼巡视和裂缝观测等是必不可少的。其余项目可根据工程地质水文地质特征及设计要求有选择地进行，强调量测数据于施工工况的具体施工参数配套，以形成有效的整个监测系统。使工程设计和施工设计紧密结合，以达到保证工程和周围环境安全和及时调整优化设计及施工的目的。3.监测结果分析与评价 深基坑支护工程监测的特点是在通过监测获取准确数据之后，十分强调定量化分析与评价，强调及时进行险情预报，提出合理化措施的建议，并进一步检验调整处理后的效果，直接解决问题。 对监测结果的分析评价主要包括下列方面：（1）对支护结构顶部水平位移的分析对支护结构顶部的水平位移进行细致深入的定量分析，包括位移速率和累积位移量的计算，及时绘制位移随时间的变化曲线，对引起位移速率增大的原因（如开挖深度、超挖现象、支撑不及时、暴雨、积水、渗漏、管涌等）进行准确记录和仔细分析。（2）对沉降的分析 对沉降及沉降速率进行计算分析，要区分是由支护结构水平位移引起还是由地下水位降低等原因引起。一般由支护水平位移引起相邻地面的最大沉降与水平位移之比约为0.651.00，沉降发生时间比水平位移发生时间滞后510天左右，而由地下水位降低会较快地引起地面较大沉降，应给予重视。（3）对各项监测结果的综合分析与判断 对各项监测结果进行综合分析并相互验证和比较。用新的监测资料与原设计预计情况进行对比，盘算现有设计、施工方案的合理性，及时进行险情预报分析，提出合理化建议，调整设计和施工方案，确保支护的结构和地下结构施工的安全。（4）对监测结果的反演分析 根据监测结果，全面分析基坑开挖对周边环境的影响和基坑支护的工程效果。通过反分析，查明工程石斛的技术原因。 用数值模拟法分析基坑施工期间各种情况下支护结构的位移变化规律和进行稳定性分析，用反分析方法推算岩土体的特性参数，检验原设计计算方法适宜性，预测后续开挖工程实践可能出现的新行为和新动态。4.险情预报及险情处理措施 险情发生时刻的预报是很困难的，但如加强监测，对于有前兆的险情完全可以防止巨大偶然灾害的发生。在工程监测中，每一测试项目都应事先确定相应的警戒值，以判断位移或受力状况是否已超过允许的范围，工程施工是否安全可靠，是否需调整施工步序或优化原设计方案。1）警戒值确定的原则满足设计计算的要求，不可超过设计值；满足测试对象安全要求，达到保护目的；对于相同的保护对象，应针对不同的环境和不同的施工因素而确定；满足各保护对象的主管部门提出的要求；满足现行的相关规范、规程的要求；综合考虑，减少不必要的资金投入。2）警戒值的确定根据以上原则，并结合工程实践经验，具体分析后确定警戒值，切不可生搬硬套。基坑支护桩（墙）水平位移（包括测斜）对只关系基坑本身安全问题的测试，最大位移一般取80mm且最大位移与开挖深度的比值不超过0.70%，每天不超过10mm。对周围有需严格保护建筑物的基坑，应根据保护对象的需要来确定，一般最大不超过30mm且不超过0.35%，每天不超过5mm。支护结构水平位移连续急剧增大的速率不超过2.55.5mm/d.煤气管道的变位 沉降或水平位移不得超过10mm，每天发展不得超过2mm。自来水管道变位 沉降或水平位移均不得超过30mm，每天发展不得超过5mm。 基坑外水位 坑内降水或开挖引起坑外水位下降不得超过1000mm，每天不得超过500mm。立柱桩差异隆起或沉降 不得超过10mm，每天发展不得超过2mm。弯矩及轴力：根