深基坑工程事故启示

深基坑工程事故启示第1页/共94页1深基坑工程事故概述

第2页/共94页1.1深基坑的定义

1.2深基坑工程的特点1.3深基坑工程事故的破坏形式

第3页/共94页1.1深基坑的定义由于岩土工程具有很强的地域性，所以各地对于深基坑的定义也有所差别。

如上海、广东、山东、江西、南京规定5m以上为深基坑。宁波、厦门、苏州规定4m以上为深基坑。《建筑工程预防坍塌事故若干规定》(建质[2003]82号)《危险性较大的分部分项工程安全管理办法》(建质[2009]87号)《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009）规定：深基坑是开挖深度超过5米的基坑或深度虽未超过5米，但地质情况和周围环境较复杂的基坑。第4页/共94页也有一些专家的建议，可采用稳定系数Ns来判定：其中：(kN/m3)；开挖深度(m)，是土的不固结不排水抗剪强度(kPa)。对于≥7的基坑为深基坑。第5页/共94页深基坑工程除通常具有区域性、个性、综合性、风险性等特点外，当前我国各大城市深基坑工程更突出了以下几个特点。1.2深基坑工程的特点（1）近即深基坑离周边的环境保护对象近。由于城市的改造与开发，基坑四周往往紧贴各种重要的建（构）筑物，如轨道交通设施、地下管线（煤气、水、电、通讯管道等）、隧道、防汛墙、天然地基民宅、古建筑、大型建筑物等，环境保护已成为突出问题，设计或施工不当，均会对环境造成不利影响。如上海裕年大厦深基坑离地铁只有3m.力仕鸿华深基坑离民宅只有6m.第6页/共94页（2）深随着地下空间的开发利用，基坑越来越深，如无锡恒隆广场基坑深近27m，上海中心深基坑30m，均已挖入了承压水层。特别是在软土地区，对设计理论与施工技术都提出的更难的要求。第7页/共94页（3）大基坑的规模与尺寸越来越大。目前随着我国高铁及地铁的迅猛发展，现在许多大城市的高铁站前广场下均修建或计划修建与地铁及汽车公交的地下换乘空间，如虹桥枢纽、天津西站、南京南站、济南西站等，均有大规模地下空间的开发。还有，根据国务院对全国主要城市最新定位，包括北京、上海、天津、重庆等都正开展一系列大规模的地下工程建设，包括轨道交通建设及商业写字楼与地铁换乘空间等，如天津的于家堡金融区一期，设计有几幢高层建筑连同裙房，地下空间统一开发，并与地铁换乘，基坑平面10万平方米。另外我局的上海招商银行信用卡中心工程基坑面积达81000m2，无锡恒隆广场基坑面积35000m2。这类基坑在支护结构的设计中，特别是支撑系统的布置、围护墙的位移及坑底隆起的控制均有相当的难度。第8页/共94页（4）紧即场地紧凑。市区大规模的改造与开发，其中不少以土地出让形式吸引外资、内资开发，为充分利用土地资源，常要求建筑物地下室做足红线。场地可用空间小大大增加了施工难度。这必须通过有效的资源整合才能顺利实现。第9页/共94页1.3深基坑工程事故的破坏形式

基坑工程事故类型很多。在水土压力作用下，支护结构可能发生破坏，支护结构型式不同，破坏形式也有差异。渗流可能引起流土、流砂、突涌，造成破坏。围护结构变形过大及地下水流失，引起周围建筑物及地下管线破坏也属基坑工程事故。粗略地划分，基坑工程事故形式可分为：

(1)周边环境破坏：围护结构变形过大或地下水位降低造成周围路面、建筑物及地下管线破坏事故。

(2)支护体系破坏：主要包括：①墙体折断；②整体失稳；③基坑踢脚隆起破坏；④锚撑失稳。(3)渗透破坏：土体渗透破坏（流土、管涌、突涌）。第10页/共94页2010年1月南宁市中兴街路面开裂2010年4月广州市中山三路路面开裂(1)周边环境破坏第11页/共94页2010年5月深圳地铁5号线太安站基坑施工引起居民楼裂缝

第12页/共94页2010年8月上海逸虹景苑小区楼房开裂

第13页/共94页2005年北京地铁十号线熊猫环岛工地基坑塌方

第14页/共94页由于施工抢进度，超量挖土，支撑架设跟不上，是围护墙缺少大量设计上必须的支撑，或者由于施工单位不按图施工，抱侥幸心理，少加支撑，致使围护墙应力过大而折断或支撑轴力过大而破坏或产生大变形。①围护体折断破坏模式

(2)支护体系破坏第15页/共94页2008年苏州某基坑事故第16页/共94页2008年杭州地铁地下连续墙折断破坏

折断地连墙项原地连墙顶第17页/共94页2009年上海莲花河畔景苑基坑边管桩折断破坏致倒楼第18页/共94页基坑开挖后，土体沿围护墙体下形成的圆弧滑面或软弱夹层发生整体滑动失稳的破坏。②围护体整体失稳模式第19页/共94页浙江慈溪某工程土钉墙整体失稳第20页/共94页由于基坑围护墙体插入基坑底部深度较小，同时由于底部土体强度较低，从而发生围护墙底向基坑内发生较大的“踢脚”变形，同时引起坑内土体隆起。③围护体踢脚破坏模式第21页/共94页某基坑发生“踢脚”破坏第22页/共94页在地铁车站那样的长条形基坑内区放坡挖土，由于放坡较陡、降雨或其他原因引致滑坡、冲毁基坑内先期施工的支撑及立柱，导致基坑破坏。④

坑内土滑坡，使内支撑失稳第23页/共94页2009年杭州地铁1号线凤起路站基坑内土体滑坡及支撑体系破坏第24页/共94页在饱和含水地层（特别是有砂层、粉砂层或者其他的夹层等透水性较好的地层），由于围护墙的止水效果不好或止水结构失效，致使大量的水夹带砂粒涌入基坑，严重的水土流失会造成地面塌陷。①基坑壁流土破坏

(3)渗透破坏第25页/共94页宁波某基坑发生流土与地面塌陷止水帷幕渗漏，桩间流土地面塌陷第26页/共94页由于对承压水的降水不当，在隔水层中开挖基坑时，当基底以下承压含水层的水头压力冲破基坑底部土层，发生坑底突涌破坏。

②基坑底突涌破坏第27页/共94页上海某基坑坑底内发生承压水突涌第28页/共94页在砂层或粉砂底层中开挖基坑时，在不打井点或井点失效后，会产生冒水翻砂（即管涌），严重时会导致基坑失稳。

③基坑底管涌第29页/共94页湖南浯溪水电站二期基坑出现管涌

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以上基坑工程事故，只是从某一种形式上表现了基坑破坏，实际上基坑工程事故的表现形式往往具有多样性，有一个连锁效应，表现的形式也呈多样性。所以基坑工程事故发生的原因往往是多方面的，具有复杂性。第31页/共94页2深基坑工程事故原因分析

第32页/共94页2.1深基坑事故发生的内因与外因

2.2杭州地铁深基坑事故概况2.3杭州地铁深基坑事故的原因分析第33页/共94页基坑工程的自身特点是事故发生的内在因素，主要表现在以下方面:（1）基坑工程主要集中在市区，往往施工场地狭小，周围建筑物密集，临近道路和市政地下管线，因而对基坑稳定和变形控制要求极高，施工条件差，难度大。如地下管线特别是地下污水管道接头老化等因素，在基坑变形较小的情况下就有可能发生渗漏水的事故，如北京、南京地铁事故、北京饭店二期基坑事故等。（2）基坑工程涉及面广，技术性很强，同勘察、设计、施工、监测、管理等都有关。基坑设计和施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、地下水动态、施工程序和方法等许多复杂问题，任一环节出错，都有可能导致工程事故的发生。事故的内在因素2.1深基坑事故发生的内因与外因第34页/共94页（3）基坑工程施工周期长，且为隐蔽性工程，常需经历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，安全度的随机性较大，事故的发生往往具有突然性。（4）基坑工程中不确定因素多，如岩土性质个体差异大，勘察数据离散性大；土与支护结构作用机理研究不深入，致使安全系数的选取也具有不确定性。（5）基坑工程属临时性工程，业主一般不愿投入较多资金，一旦出现事故，处理十分困难，造成的经济损失和社会影响较大。第35页/共94页事故的外在因素

根据王曙光（2005）对全国典型的522项基坑支护事故的统计分析发现：勘察失误引起的基坑事故约占7－8%，设计考虑不周引起的事故约占40%，施工引起的问题约40%，其它因素包括对水的认识不足、业主、监理管理不善，监测不到位等综合因素约占12-13%。下面主要以杭州地铁事故为例说明各方存在的问题，希望能引以为戒，在我们深基坑施工过程中不要再犯同样的错误。第36页/共94页2.2.1事故调查结果公布

2008年11月15日下午3时15分，正在施工的杭州地铁湘湖站北2基坑现场发生大面积坍塌事故，造成21人死亡，24人受伤(截止2009年9月已先后出院)，直接经济损失4961万元。其直接原因是施工单位违规施工、冒险作业、基坑严重超挖；支撑体系存在严重缺陷且钢管支撑架设不及时；垫层未及时浇筑。监测单位施工监测失效，施工单位没有采取有效补救措施。

2.2杭州地铁深基坑事故概况第37页/共94页杭州地铁事故基坑，长107.8m，宽21m，开挖深度15.7～16.3m。设计采用800mm厚地下连续墙结合四道（端头井范围局部五道）Φ609钢管支撑的围护方案。地下连续墙深度分别为31.5m～

34.5m。基坑西侧紧临大道，交通繁忙，重载车辆多，道路下有较多市政管线(包括上下水、污水、雨水、煤气、电力、电信等)穿过，东侧有一河道，基坑平面图如下图所示。2.2.2工程概况第38页/共94页基坑平面图第39页/共94页根据勘察，北2基坑西侧坍塌区为深厚的淤泥质土层，平均厚度32m，最大厚度35m，天然含水率近50%，呈流塑-软塑状，土体力学性质差。地下潜水位为0.5m，无承压水。

第40页/共94页土层序号土层名称层厚(m)含

水

率湿

密度土

粒

比

重天

然

孔

隙

比液

限塑

限塑

性

指

数液

性

指

数W(%)ρ(g/cm3)Gseωl(%)ωp(%)IPIL②2粘质粉土430.51.902.700.85④2淤泥质粘土1648.61.712.741.3741.822.319.51.35⑥1淤泥质粉质粘土1745.21.722.731.3037.521.516.01.48⑧2粉质粘土夹粉砂>933.01.832.720.9433.520.113.40.96各土层的物理指标第41页/共94页土层固结快剪值三轴CU值cφCcuΦcu②2粘质粉土3.928.83.928.8④2淤泥质粘土13.510.612.313.2⑥1淤泥质粉质粘土1314.51313.8⑧2粉质粘土夹粉砂12.216.819.421.3各土层的力学指标第42页/共94页西侧地下连续墙地质剖面图第43页/共94页东侧地下连续墙地质剖面图第44页/共94页基坑土方开挖共分为6个施工段，总体由北向南组织施工至事故发生前，第1施工段完成底板混凝土施工，第2施工段完成底板垫层混凝土施工，第3施工段完成土方开挖及全部钢支撑施工，第4施工段完成土方开挖及3道钢支撑施工、开始安装第4道钢支撑，第5、6施工段已完成3道钢支撑施工、正开挖至基底的第5层土方同时，第1施工段木工、钢筋工正在作业;第3施工段杂工进行基坑基底清理，技术人员安装接地铜条;第4施工段正在安装支撑、施加预应力，第5、6施工段坑内2台挖机正在进行第5层土方开挖。2.2.3事故概况第45页/共94页

首先西侧中部地下连续墙横向断裂并倒塌，倒塌长度约75m，墙体横向断裂处最大位移约7.5m，东侧地下连续墙也产生严重位移，最大位移约3.5m。由于大量淤泥涌入坑内，风情大道随后出现塌陷，最大深度约6.5m。地面塌陷导致地下污水等管道破裂、河水倒灌造成基坑和地面塌陷处进水，基坑内最大水深约9m。下图所示为一组事故现场照片。第46页/共94页第47页/共94页第48页/共94页第49页/共94页第50页/共94页根据勘查结果对基坑土体破坏滑动面及地下连续墙破坏模式进行了分析，并绘制相应的基坑破坏时调查平面图与施工工况图以及基坑土体滑动面与地下连续墙破坏形态断面图。2.3.1破坏模式分析2.3杭州地铁深基坑事故的原因分析第51页/共94页第52页/共94页据靠近西侧地下连续墙静力触探试验表明，在绝对标高-8m～-10m处(近基坑底部)，qc值为0.20MPa（qc仅为原状土的30％左右），土体受到严重扰动，接近于重塑土强度，证明土体产生侧向流变，存在明显的滑动面。西侧地下连续墙墙底（相应标高-27.0左右），C1孔静探qc值约为0.6MPa（qc为原状土的70％左右），土体有较大的扰动，但没有产生明显的侧向流变，主要是地下连续墙底部产生过大位移而所致。第53页/共94页第54页/共94页第55页/共94页第56页/共94页杭州地铁破坏模式示意图第57页/共94页2.3.2勘察问题由于勘察工作量不足，加上勘察人员对土性的认识的不足，造成基坑工程勘察资料不详细或土的物理力学指标取值偏高，使设计计算失误引起的事故。如杭州地铁工程在勘察方面主要有以下一些问题：第58页/共94页（1）不符合规范要求1）基坑采取原状土样及相应主要力学试验指标较少，不能完全反映基坑土性的真实情况。

规范要求每一主要土层的原状土样不能少于6个，土样较少会引起指标统计计算的偏差。2）勘察单位未考虑薄壁取土器对基坑设计参数的影响，以及未根据当地软土特点综合判断选用推荐土体力学参数。规范规定通常采用三轴固结不排水试验指标进行基坑设计，但好多勘察单位只提供了直剪固结快剪峰值强度指标，经上海若干个基坑的对比分析，两者指标对设计的影响较小。但需指出的是薄壁取土器取的土样相对常规取土器指标要偏高30%，所以在推荐设计取用的指标时，宜按地区经验进行适当折减。宜根据取样、试验、地区经验及计算模型综合考虑推荐。第59页/共94页3）勘察报告推荐的直剪固结快剪指标c、Φ值采用。平均值，未按规范要求采用标准值，指标偏高。

土体采用一些物理力学指标的时候，须对试验的结果进行统计分析，规范规定基坑设计时土体的物理指标宜采用算术平均值，力学指标采用标准值计算。4）勘察报告提供的④2层的比例系数m值（m=2500kN/m4)与类似工程经验值差异显著。根据④2层的物理力学性质指标判断，其为流塑的粘性土，根据规范其比例系数取值范围为500-2000kN/m4，明显偏大。第60页/共94页（2）提供的土体力学参数互相矛盾，不符合土力学基本理论。1）推荐用于设计的主要地层土的三轴CU、UU试验指标、无侧限抗压强度指标与验证值、类似工程经验值差异显著。

如④2层土的有效内摩擦角（Φ´=4.5º）仅为验证值（约25º）的20%；⑥1层和⑧2层土的有效内摩擦角Φ´为验证值的40%，且小于总应力的Φ值；⑥1层和⑧2层的有效内聚力c´均大于总应力的内聚力c；以上所推荐的指标明显不符合土力学基本理论。一般qu/2和Cu值接近十字板抗剪强度Su，而勘察报告提供的qu/2和Cu值指标（如④2层土qu/2＝10.2kPa、Cu＝8.3kPa）仅为十字板抗剪强度（Su＝30kPa）和验证值的30%，并低于扰动土的十字板抗剪强度（Su´＝15kPa）。第61页/共94页（3）试验原始记录已遗失，无法判断其数据的真实性。需重视资料的收集、整理与归档，做到有据可查。第62页/共94页2.3.3设计问题由于基坑设计涉及到多种学科，如土力学、基础工程、结构力学和原位测试技术等，需要对场地周围环境、施工条件、工程地质条件、水文地质条件详细了解和掌握，是一门系统科学，具有复杂性。所以目前基坑支护的设计方案与措施大多数是偏于保守的，即便如此，如果设计的人员经验不足，考虑不周，也易引起相应的事故。对522例基坑事故统计也说明基坑设计的不足，是引发事故的重要原因。杭州地铁工程在设计方面主要有以下一些问题：第63页/共94页（1）计算参数的选择1）设计单位未能根据当地软土特点综合判断、合理选用基坑围护设计参数，力学参数选用偏高降低了基坑围护结构体系的安全储备。2）设计中考虑地面超载20kPa较小。基坑西侧为一大道，对汽车动荷载考虑不足。根据实际情况，重载土方车及混凝土泵车对地面超载宜取30kPa，与设计方案20kPa相比，挖土至坑底时第三道支撑的轴力、地下连续墙的最大弯矩及剪力均增加约4%~5%，也降低了一定的安全储备。

第64页/共94页（2）考虑不周，经验欠缺

1）设计图纸中未提供钢管支撑与地下连续墙的连接节点详图及钢管节点连接大样，也没有提出相应的施工安装技术要求。没有提出对钢管支撑与地连墙预埋件焊接要求。2）同意取消施工图中的基坑坑底以下3m深土体抽条加固措施，降低了基坑围护结构体系的安全储备。

经计算，采取坑底抽条加固措施后，地下墙的最大弯矩降低20%左右，第三道支撑轴力降低14%左右，地下墙的最大剪力降低13%左右，由于在坑底形成了一道暗撑，抗倾覆安全系数大大提高。

第65页/共94页3）从地质剖面和地下连续墙分布图中可以看出，对于本工程事故诱发段的地下连续墙插入深度略显不足，对于本工程，应考虑墙底的落底问题。4）设计提出的监测内容相对于规范少了3项必测内容。第66页/共94页基坑横剖面图第67页/共94页2.3.4施工问题基坑土方超挖以及支撑施加不及时，支撑体系存在薄弱环节，基坑边超载过大等均容易引起基坑失稳。由于在以上因素的作用下，会引起基坑围护结构变形较大，容易导致支撑破坏或地下水管破裂，进而引发事故的发生。如杭州地铁工程在施工方面主要有以下一些问题。第68页/共94页（1）土方超挖土方开挖未按照设计工况进行，存在严重超挖现象。特别是最后两层土方（第四层、第五层）同时开挖，垂直方向超挖约3m，开挖到基底后水平方向多达26m范围未架设第四道钢支撑，第三和第四施工段开挖土方到基底后约有43m未浇筑混凝土垫层。土方超挖导致地下连续墙侧向变形、墙身弯矩和支撑轴力增大。

第69页/共94页事发前工况纵剖面图

第70页/共94页计算土层参数情况类型最大变形（mm）第一道支撑力（kN）第二道支撑力（kN）第三道支撑力（kN）第四道支撑力（kN）最大负弯矩（kN-m/m）最大正弯矩（kN-m/m）最大剪力(kN/m)抗倾覆坑底隆起墙底承载力固结快剪值不超挖25.4120.5628.9743.3703.7-803.61186.4596.31.481.832.33超挖34120.5563.71064.3(1.43)-978.41750.9(1.48)820.7(1.38)1.391.692.33

与设计工况相比，如第三道支撑施加完成后，在没有设置第四道支撑的情况下，直接挖土至坑底，第三道支撑的轴力增长约43%，作用在围护体上的最大弯矩增加约48%，最大剪力增加约38%；超过截面抗弯承载力设计值1463kN•m/m。第71页/共94页1）现场钢支撑活络头节点承载力明显低于钢管承载力钢支撑体系均采用钢管结合双拼槽钢可伸缩节点，施加预应力后钢楔塞紧传递荷载但该节点的设计、制作加工、检测、验收、安装施工等均无标准可依，处于无序状态现场取样试验结果表明，正常施工状态下该节点的承载力为3000kN，明显低于上述钢管的承载力计算值5479kN。如果在未设置第4道支撑的情况下直接挖土至坑底，第3道钢管支撑的最大轴力均超过钢管支撑轴心受压承载力设计值3000kN如果进一步考虑活络头偏心、钢楔没塞满活络头间隙等节点薄弱因素，实际作用于第3道支撑的轴力与钢管节点的承载能力之间的差距将更大。现场钢支撑体系的破坏状态表明：大部分破坏均为该节点破坏，充分说明该伸缩节点不满足与钢管等强度、等刚度的连接要求。（2）支撑体系问题第72页/共94页第73页/共94页第74页/共94页2）钢管支撑与工字钢系梁的连接不满足设计要求设计要求钢管支撑在系梁搁置处，需采用槽钢有效固定，实际情况部分采用钢筋（有的已脱开）固定、部分没任何固定措施，这使得钢管计算长度大大增加，钢管弯曲现象不同程度存在，最大弯曲值达11.76cm，由于偏心受压降低了钢管支撑的承载力。第75页/共94页两端铰支、中间无支点钢管抗压强度设计值钢材型号连接方式稳定系数φφfA(kN)Q235轧制0.6334057焊接0.5533541两端铰支、中间有一支点钢管抗压强度设计值钢材型号连接方式稳定系数φφfA(kN)Q235轧制0.9155865焊接0.8555479

从以上计算可以看出，在本工程中，21.05m无支点的钢管相对中间有一支点的钢管的抗压强度设计值减小了约1/3，相差较大。第76页/共94页3）钢立柱之间也未按设计要求设置剪刀撑

设计要求系梁垂直方向每隔三跨设一道剪刀撑，边跨应设置，实际情况未设，降低了支撑体系的总体稳定性。第77页/共94页钢支撑安装位置相对设计位置偏差较大，最大达83.6cm,平均为20.6cm；相邻钢管间距与设计间距偏差最大达65.0cm。安装偏差导致支撑钢管受力不均匀和产生了附加弯矩。4）部分钢支撑的安装位置与设计要求差异较大第78页/共94页5）钢支撑与地下连续墙预埋件未进行有效连接钢管支撑与地连墙预埋件没有焊接，直接搁置在钢牛腿上，没有效连接易使支撑钢管在偶发冲击荷载或地下连续墙异常变形情况下丧失支撑功能。第79页/共94页2.3.5监测问题基坑工程不确定性因素多，应实施信息化施工，监测是基坑信息化施工中必不可少的手段，对基坑工程，监测单位应科学、认真测试，及时、如实报告土体位移、地面沉降、支撑轴力等测试成果。对于杭州地铁工程在施工方面主要有以下一些问题：第80页/共94页电脑中的原始数据被人为删除，通过对监测人员使用的电脑进行的数据恢复，发现以下3个问题。（1）2008年10月9日开始有路面沉降监测点11个，至11月15日发生事故前最大沉降316mm，监测报表没有相应的记录。（2）11月1日49号（北端头井东侧地连墙）测斜管18m深处最大位移达43.7mm，与监测报表不符。（3）2008年11月13日CX45号测斜管最大变形数据达65mm，超过报警值(40mm)，与监测报表不符。通过以上可以发现，电脑中的数据与报表中的数据不一致，实际变形已超设计报警值而未报警，可以认为监测方有伪造数据或对内对外两套数据的可能性。（1）提供的监测报表中数据存在伪造现象，隐瞒报警数值，丧失了最佳抢险时机。第81页/共94页（2）监测方案中的监测内容和监测点数量均不满足规范要求。监测项目规范要求设计方案施工监测方案实际监测内容周围建筑物沉降和倾斜(地表沉降)√√√√（地表沉降）周围地下管线的位移√×××土体侧向变形√×××墙顶水平位移√√√√墙顶沉降√√√√支撑轴力√√√√地下水位√√√√立柱沉降√×××孔隙水压力△×××墙体变形△√√√墙体土压力△×××坑底隆起△√××第82页/共94页监测项目设计图纸数量施工监测方案数量实际监测点数量地表沉降1288墙顶水平位移888墙顶沉降888支撑轴力2244地下水位20m/孔（5孔）20m/孔（5孔）1墙体变形1088(其中4个CX46、CX47、CX48、CX50已破坏)坑底隆起500第83页/共94页（3）测点破坏严重且未修复，造成多处监控盲区；部分监测内容的测试方法存在严重缺陷。通过钢支撑应力计现场测试表