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基坑工程安全技术讲座 陈龙珠安全与防灾工程研究所 1 讲座的主要内容 基坑支护的工程作用基坑支护体系类型及其应用范围基坑工程设计 施工要点基坑工程施工监控要点基坑工程的安全性问题基坑支护及开挖施工安全预评 2 一 基坑支护的工程作用 基坑是为了修筑建筑物的基础或地下室以及开发地下空间 如地铁车站 地下商场 人防工事 等而开挖的 面积较大的深坑 基坑支护 围护 工程是指在开挖基坑时 为了保证坑壁不致坍塌或过大位移而危及坑中主体结构基础和周围环境安全所采取的工程措施的总称 基坑支护的作用 主要是挡土 止水 基坑工程现行标准 国家行业标准 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 99 浙江省标 上海市标等 3 上海环球金融中心主楼基坑 上海新资大厦基坑 上海鹏利海景花园基坑 4 二 支护结构的基本型式 放坡开挖悬臂式支护结构重力式支护结构内撑式支护结构拉锚式支护结构土钉墙支护结构SMW工法等其它支护结构地下连续墙 5 基坑支护体系主要部分的功能 1 支护结构 基坑支护工程中采用的支护墙体 包括防渗帷幕 以及内支撑系统 或土层锚杆 等的总称 支护墙体 包括防渗帷幕 承受坑内外水 土侧压力以及内支撑反力或锚杆拉力 保证坑壁稳定 其中防渗帷幕防止坑外的水渗流坑内 并控制因坑内外水头差造成的流砂及管涌等现象 内支撑系统 是由围檩 支撑杆件 立柱等组成的结构体系 其作用是和坑底被动区土体共同平衡围护墙体外的主动区压力 包括土压力 水压力及地面荷载引起的侧压力 围檩 一道或几道沿着支护墙体内侧设置 将支护墙体所受的力趋于均匀并传递给支撑杆件 支撑杆件 承受着围檩传来的轴力和弯矩 立柱 承受支撑及施工荷载的重量 增加对支撑杆件的约束 6 2 地基土加固 在支护墙体外侧或内侧 坑底 对土进行的加固 以提高地基土的强度 模量 并减少其渗透性 地基加固工艺类型 1 深层水泥搅拌桩 2 旋喷桩 3 注浆 地基加固位置类型支护墙外侧 减少主动土压力 同时增强防渗帷幕 支护墙内侧坑底 提高被动区土抗力 减少围护墙侧向位移 坑底以下 在开挖前于坑底以下 围护墙底平面以上某范围内做一不透水加固土层 并与周围墙体连成整体 利用加固土层以上土重来平衡和抵抗承压水 3 地下水控制 在坑内 外地表设集 排水沟 或埋入一系列井管并利用专用设备连续抽水 使地下水位低于坑底面0 5m以上 以便开挖和支护体系稳定 控制方法 集水明排 降水 截水 回灌 7 地下水控制方法适用条件 8 1 井管 2 滤管 3 总管 4 弯联管 5 水泵房6 原有地下水位线 7 降低后地下水位线 轻型井点法降低地下水位示意图 9 放坡开挖 坑内外一般均需要布置井点降水 整体稳定性抗力分项系数不小于1 1 1 2 10 坑边大量堆土 会使浅坑变深坑而失稳 11 悬臂式支护结构 RC排桩或地连墙 12 重力式支护结构 坝宽 坑深 0 8 坝深 坑深 2 抗倾覆分项系数不小于1 4 抗水平滑移分项系数不小于1 2 搅拌桩 插筋 面板 13 内撑式支护结构 14 15 部分支护结构类型的适用范围 16 拉锚式支护结构 工程中应用不多见 17 土钉墙 挂网喷射砼 土钉 验算工况 喷射砼面层内配钢筋直径为6 10mm 间距宜为150 300mm 喷射砼强度不宜低于C20 厚度不宜小于80mm 土钉钢筋宜采用 级钢筋 直径宜为16 32mm 钻孔直径宜为70 120mm 开挖期 地下室施工期 有软夹层 整体稳定性抗力分项系数不小于1 3 18 19 三 基坑支护设计与施工基本要求 基坑支护设计与施工 应综合考虑工程地质与水文地质条件 基础类型 基坑开挖深度 降 排水条件 周边环境及其对基坑侧壁位移的要求 基坑周边荷载 施工季节 支护结构使用期限等因素 做到因地制宜 因时制宜 合理设计 精心施工 严格监控 基坑支护结构应考虑下列两类极限状态 承载能力极限状态 对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳 过大变形 管涌导致支护结构或基坑周边环境破坏 正常使用极限状态 对应于支护结构的变形或流水流土已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能 20 基坑工程安全等级及重要性系数 o 注 o相当于荷载调整系数 21 基坑支护设计 施工前应掌握的基本资料 场地工程地质和水文地质 气象资料 注意了解坑边区域地质情况 包括回填 有机质含量等 工程用地红线 建筑总平面图 地下结构施工图 涉及支护方案的技术和经济性 地下越界审批的可能性等 基坑周围道路与地下管线详图 注意了解坑边区域地下废弃管道 防空洞等 邻近建筑物和地下设施的类型 基础 结构特征及其与基坑的相对位置 注意了解既有建 构筑物安全现状和控制要求等 22 基坑支护设计应包括的内容 支护体系方案比较和选型 各工况下支护结构的强度和变形计算 三级坑变形可不算 基坑稳定性验算 支护结构构造及实施技术措施要求 地下水控制要求 挖土及支撑施工顺序和要求以及应急措施 现场监测项目和控制指标 基坑工程施工前应具备的技术资料 基坑支护设计施工图 施工组织设计 含应急措施 现场监测技术方案 23 支护结构稳定性验算 1 分项系数不小于2 0 分项系数不小于1 6 24 支护结构稳定性验算 2 抗渗验算图式 分项系数不小于1 15 25 施工控制要点 严格按图施工支护结构施工质量降水效果开挖分层分块 严禁超挖讲究时空效应 及时浇筑垫层和基础加强现场管理应急措施到位 26 挖土卸载方案的合理性问题 华元良渚坑边应急卸土方案比较 并未实质性减小坑深 27 四 基坑监测 监测 在基坑工程施工过程中 对基坑支护结构本身和周围地层 建筑物 地下管线等的受力和变形 地下水位变化等进行的量测 监测的目的 确保基坑工程本身的安全 对基坑周围环境进行有效的保护 检验设计假定和参数 为改进设计方法提供依据 当支护结构施工有挤土效应时 在其施工期即应做有关的现场监测工作 监测预警 由规范 设计和主管部门的相关要求 结合工程经验取定 各方认可 28 基坑监测项目 29 监测技术要求 30 监测时期与频次 支护墙顶水平位移和沉降 支护墙深层水平位移监测 从开挖到浇筑完结构底板 1次 天 浇筑完结构底板到施工到 0 00 2 3次 周 各道支撑拆除后的3天到一周 1次 天 内支撑轴力和锚杆拉力监测从支撑和锚杆施作到全部支撑拆除 1次 天 土体分层沉降 回弹 水土压力 围护墙体内力监测 基坑每开挖其深度的1 5 1 4 测读2 3次或1 2次 周 在每道内支撑 锚杆 施工间隔内 测读2 3次或1 2次 周 开挖到设计深度到浇筑完结构底板 3 4次 周 浇筑完结构底板到全部支撑拆除 1 2次 周 31 监测时期与频次 地下水位监测频率从基坑开挖到浇筑完结构底板或整个降水期间 1次 天 环境监测频率支护桩墙和止水帷幕施工期 1次 天 建筑倾斜和裂缝 1 2次 周 从开挖到浇筑完结构底板 1次 天 浇筑完结构底板到施工到 0 00 2 3次 周 各道支撑拆除后的3天到一周 1次 天 沉降和水平位移到结构 0 00 1次 天 32 监测预警条件 参考国家行标 上海地标 变形速率的控制 一级 2mm 天 二级工程 3mm 天 33 监测预警条件 参考国家行标 上海地标 煤气管的沉降和水平位移 累计10mm 2mm 天 自来水管的沉降和水平位移 累计30mm 5mm 天 坑外水位下降 累计1000mm 500mm 天 立柱桩隆起或沉降 累计10mm 2mm 天 煤气管 水管 光和电缆等监控报警值最好由市政主管部门提供 34 五 基坑工程的安全性问题 基坑工程是临时性措施 有关单位追求低造价 导致其安全储备较小 基坑工程面对着复杂的地基和环境条件 其设计分析方法并不完善 至今还停留在半经验 半理论的技术水平上 基坑支护系统施工 开挖 主体地下结构施工 现场监测一般由不同的单位承担 各方按图施工及基坑开挖过程中的工作协调往往不易做好 监管重点和应急对策常常难以把握到位 基坑工程事故 险情 时有发生 上世纪90年代的发生率约为20 左右 有的城市达30 基坑工程事故不但威胁生命安全 给工程自身带来较大的经济损失 而且还会对周围的管线 道路 房屋等的正常使用产生负面影响 甚至有可能引发社会稳定问题 35 基坑工程事故类型 36 支护体系破坏形式 37 失事基坑工程的支护结构类型统计 38 基坑事故原因统计 39 失事基坑深度统计 40 基坑事故环节分类 41 基坑安全性问题的技术来由 危险环节 勘察 设计 施工 使用 拆除 设计环节 对未深刻认识的问题 建模和求解可能失效 分析难点 土压力与支护结构 土体变形之间相互依赖 42 六 基坑安全预评 故障树方法 需要一套有效的评价体系 对基坑支护工程的安全性作出分析 预防性指导基坑工程的设计 施工和监测 以减少基坑工程事故的发生 针对采用较多且事故率较高的四种支护结构 排桩支护 深层水泥土搅拌桩挡墙 土钉支护和放坡开挖 对基坑工程的安全评价进行研究 43 安全评价和故障树方法介绍 安全评价是应用安全工程原理和技术 对系统中存在的危险因素进行识别与分析 判断系统发生事故的可能性及其严重程度 并根据可能导致事故风险的大小 提出相应的安全对策建议 从而为系统制定防范措施和管理决策提供科学依据 判别指标 44 常用安全评价方法一览表 45 常用安全评价方法一览表 续 46 故障树分析方法 FaultTreeAnalysis FTA FTA是一种评价复杂系统可靠性与安全性的重要方法 它从要分析的特定故障 顶事件 开始 通过向下层层分析其发生的原因 画出逻辑因果关系图 故障树 直到找出引发事故的基本原因 底事件 为止 从而确定系统故障原因的各种组合方式 最小割集 最小割集可根据布尔代数规则求解 故障树的一般形式 47 FTA定量计算公式 系统故障率 底事件的关键重要度 48 FTA安全评价的步骤 49 基坑支护故障树模型的建造 建树依据排桩支护结构体系故障树土钉支护结构体系故障树水泥土墙支护结构体系故障树放坡开挖结构体系故障树 50 建树依据 基坑工程相关知识基坑工程事故案例资料FTA有关理论行业标准 建筑基坑支护技术规程 JGJ120 99 51 1 排桩支护结构体系故障树 排桩支护体系由支护桩 支撑或拉锚 降水或防水排水系统三部分组成 本文将本支护结构体系事故的风险特征归结为 a 支护桩的破坏 b 支撑系统的破坏 c 水作用引起的破坏 52 支护桩破坏FT模块 53 支撑体系破坏FT模块 54 基坑涌水涌砂破坏FT模块 若坑底有承压水存在 则当基坑开挖使原有土压力减小到一定程度时 承压水能顶裂或冲毁基坑底土 造成突涌破坏 基坑内外地下水位差过大会使基坑土发生管涌或流砂 土 导致土体破坏和基坑坍塌 其危害性大 55 56 排桩支护结构体系故障树中符号意义 57 排桩支护FT的定性分析 T A1 A2 A3 B1 B2 B3 B4 B5 B6 B7 C1 C2 X3 X4 C3 X5 X6 C4 C5 C6 X7 X8 X1X9X10 X2X11X12X13 X14 X15 X16 X17 D1 D2 X3 X4 X18 X19 X20 X5 X6 X18 X21 X22 X23 D3 X24 X25 X29X30 X7 X8 X1X9X10 X2X11X12X13 X14 X15 X16 X17 X24 X25 X26 X29X30 X3 X4 X18 X19 X20 X5 X6 X18 X21 X22 X23 X27 X28 X24 X25 X29X30 X7 X8 X1X9X10 X2X11X12X13 X14 X15 X16 X17 X24 X25 X26 X29X30 X3 X4 X18 X19 X20 X5 X6 X21 X22 X23 X27 X28 X7 X8 X1X9X10 X2X11X12X13 X14 X15 58 排桩支护FT的定性分析 该故障树的最小割集共有24个 X16 X17 X24 X25 X26 X29 X30 X3 X4 X18 X19 X20 X5 X6 X21 X22 X23 X27 X28 X7 X8 X1 X9 X10 X2 X11 X12 X13 X14 X15 每个最小割集代表一种导致事故发生的模式 即失效路径 所以该排桩支护结构体系有24种潜在的破坏模式 例如 最小割集 X29 X30 表示当 防水排水设施不当 降雨或地下管道漏水 这两个条件同时发生时 会引起基坑排桩支护结构体系事故 59 2 土钉支护结构体系故障树 土钉支护风险特征 1 土与土钉之间相互作用破坏 主要表现为土钉的拔出破坏 这是由于稳定区的土与土钉之间的摩擦力小于主动区的推力 2 混凝土面层被破坏 3 水作用引起的破坏 土体内大量的水会对面层产生很大的压力 并降低土体强度和钉 土界面的粘结力 60 61 土钉支护结构体系FT的定性分析 土钉支护结构体系故障树的最小割集共有16个 X4 X14 X15 X5 X16 X17 X18 X19 X20 X6 X21 X22 X1 X2 X7 X8 X3 X9 X10 X11 X12 X13 代表16种潜在破坏模式 62 3 水泥土墙支护结构体系故障树 水泥土墙支护结构 是利用水泥作为固化剂 通过深层搅拌机械 在地基土中就地将原状土和水泥强制拌和 经过土和水泥产生一系列物理化学反应 形成具有一定强度 整体性和水稳定性的加固土桩体 它兼具挡土和止水功能 风险特征 1 对施工工艺要求较高 成桩质量控制一般难度较大 容易出现某些质量问题 2 保证水泥土的强度也是关键 水泥土的强度与土的性质 水泥掺入比 水灰比 龄期 水泥 外掺剂等因素有关 63 64 水泥土墙支护结构体系FT的定性分析 该FT共有16个最小割集 分别为 X12 X17 X18 X19 X20 X13 X14 X21 X22 X15 X3 X16 X4 X1 X5 X6 X2 X7 X8 X9 X10 X11 代表16种潜在的破坏模式 65 4 放坡开挖结构体系故障树 66 放坡开挖体系FT的定性分析 T A1 A2 B1 X1 B2 X2 B3 B4 B5 B6 X5 X6 X1 X7 C1 X2 X8 X9 X3X10X11 X4X12X13X14 X15 X16 X5 X6 X1 X7 D1 X17 D2 X2 X8 X9 X3X10X11 X4X12X13X14 X15 X16 X5 X6 X1 X7 X8 X9 X17 X18X19 X2 X3X10X11 X4X12X13X14 X15 X16该故障树有13个最小割集 代表13种潜在的破坏模式 X5 X6 X1 X7 X8 X9 X17 X18 X19 X2 X3 X10 X11 X4 X12 X13 X14 X15 X16 控制这些危险源组合是防止放坡开挖体系事故发生的关键 67 FTA安全评价工程实例 本文选取了三个工程事故案例进行应用分析 以初步检验所建基坑工程安全分析故障树的合理性和实用性 作为试探性工作 本文模拟专家对故障树的底事件概率进行打分 概率值与事件发生的可能性间的对应关系 0 01 不可能 0 1 可能性较小 0 3 可能但不经常 0 5 可能且一般较为严重 0 7 相当可能且严重 0 9 完全可能且非常严重 68 1 土钉支护工程实例的FTA安全评价 土钉支护基坑深11 5m 坑边长250m 东边空地 南傍环市东路 西临华信大厦 北面16m处有2栋多层民房 基坑支护体系分两类 A A段按1 0 9放坡 土钉较短 B B段自边壁中部以下放坡1 0 2 土钉较密 长度较大 工程概况 69 工程概况 续 根据勘察报告 浅层地基土质自上而下为 1 人工堆积层 距地表1 5 3 6m深 是人工近期回填土 由粉质粘土 碎砖石及生活垃圾组成 2 冲积层 以粉质粘土 砂层为主 层厚2 5 5 8m 其中砂层以石英砂为主 松散 稍密 呈饱和状 粉质粘土为可塑状 3 残积层 成分为粉质粘土 可塑 坚硬 主要由泥质粉砂岩风化残积而成 层厚2 0 7 5m 70 工程概况 续 B B类支护剖面的整体稳定性系数为KS 1 6 工程于6月开始动工 挖土方案要求先东后西 出土口留在西南角 在B B类支护段每次挖深1 3m 每次挖土长度为10m左右 由于地下水位较低 该工程只在坡面预留了排水孔 该工程设计 施工之前 对基坑四周地下管线分布情况并不清楚 并未查明该区段地下水管的根数 埋深 走向 水量 水压等情况 B B类支护剖面图 71 土钉支护体系FT底事件概率模拟打分 72 由底事件概率 求得该体系的事故概率Fs 0 9015 各底事件的关键重要度 关键重要度较大的底事件是引起该基坑支护工程事故的主要原因 施工或监理单位应针对这些危险源 及时采取措施予以消除 73 由FTA结果采取的土钉支护工程安全对策 针对X13 开挖后土体变形引起管道开裂 为了避免土体变形过大 应补加锚杆 针对X22 超额堆载或附加动载作用 应严格控制坡顶堆载量和在基坑旁边的车辆通行情况 针对X6 超挖 应避免超挖的发生或当一旦超挖时应及时进行土方回填等 针对X5 水渗漏致使锚固力不足 和X20 降雨或地下管道漏水 应及时查明基坑四周地下管线分布情况 并加强开挖过程中对基坑变形的监测 针对X19 防水排水设施不当 应在坡面加设排水孔 74 工程事故情况 实际上 10月6日该基坑南侧长约40m 宽17m的路面发生了灾难性沉陷 最大沉陷深度3m 致使环市东路单边封闭了40多小时 附近道路交通严重阻塞 造成了较大的社会影响 事后调查分析确认 引起该基坑事故的主要原因 是施工过程中地下管道漏水 坑边附加动载作用 防水排水设施不当等因素综合造成的 FTA安全评价结果与其基本一致 75 工程概况 某交通银行大楼地上24层 地下室1层 土层自上而下为 人工填土 厚3 0 4 3m 粉土及粉质粘土 厚0 4 1 8m 淤泥质粉质粘土 厚9 9 10 7m 粉质粘土 厚20 30m 砾卵石层 灰色安山岩 基岩埋深38 43m 地下水位深度1m左右 2 排桩支护工程实例的FTA安全评价 76 工程概况 续 坑深6 7m 支护采用 800RC灌注桩悬臂支护 桩间距1m 桩长14m 桩顶设0 8m 0 5m的RC圈梁 桩后设直径0 3m的旋喷桩形成止水帷幕 坑内设3个深度20m的井管降水 桩外卸土1 5m 以减少排桩的土压力 计算排桩的抗倾覆和滑移安全系数均满足规范要求 实施方案有改动 基坑加深了0 7m 灌注桩实际桩长改短了1m 桩顶未降至1 5m设计标高 原设计方案 实施方案 77 排桩支护体系FT底事件概率打分 78 由底事件概率 求得体系事故概率Fs 0 8861 各底事件的关键重要度 79 由FTA结果采取的土钉支护工程安全对策 针对X3 桩顶圈梁缺陷 施工单位应及时施工桩顶圈梁 待圈梁做好后再进行进一步的土方开挖 针对X5 桩嵌固深度不足 施工方应该重新进行基坑稳定性验算 若稳定性不符合要求 应当进行基坑边壁的加固 如加密支护桩或增加锚杆或支撑等 针对X6 超挖 应注意控制开挖深度 一旦超挖了应立刻采取土方回填 针对X26 超额堆载或附加动载作用 应尽快进行桩外侧土体的卸载 或者通过加设锚杆 支撑 避免桩的变形过大 80 工程事故情况 该基坑开挖后 东南角支护桩间出现大量涌泥和流砂 支护桩向基坑内侧位移20cm以上 桩后地面产生5 10cm裂缝 东南面的和平电影院严重开裂破坏 湖南路路面开裂 被迫用锚杆加固 事后调查分析确认 引起该基坑事故的主要原因是 支护桩长度不足 圈梁未及时施工等 FTA评价结果与其基本一致 81 3 放坡开挖工程实例的FTA安全评价 设计开挖深度 坡高 8 46m 开挖坡度为1 1 5 要求设置二级井点降水 根据基坑开挖深度和设计