52监测网专家报告分享-第54期
成都地铁深基坑支护及安全施工
中国建筑西南勘察设计研究院有限公司 张波
目录
一、成都地区地层分布基本状况
二、成都地区砂卵石基坑支护
三、成都地区膨胀土基坑支护
四、成都地铁建设中应引起重视的问题
内容简介
一、成都地区地层分布基本状况
1、阶地
Ⅰ级阶地
顶部土层厚度薄（粉粘、粉土为主），卵石微风化~未风化，卵石之间充填砂，卵石层厚度大、地下水丰富、泥岩埋深大；
Ⅱ级阶地
顶部土层厚度较厚（顶部粘土具微膨胀性、底部粉粘为主），卵石中风化~微风化，卵石之间充填砂或粘性土，卵石层厚度薄、地下水较丰富、泥岩埋深较浅；
Ⅲ级阶地
顶部土层厚度不均（以粘土为主，粘土具有膨胀性），卵石层缺失或卵石全风化~强风化，且层位薄、地下水不丰富、局部泥岩出露；
2、台地
分布于成都东北部。顶部土层厚度不均（以粘土为主，粘土具有膨胀性），且层位薄、地下水不丰富、局部泥岩出露；
二、成都地区砂卵石基坑支护
成都地区广泛分布砂卵石地层。该层成因不一，层中密实度变化大，构成复杂，不同亚层的力学性质差异大，粒径从0.047---几百mm，从粘土到砂砾充填，呈现透镜体至层状出露；层中多含水，不同亚层渗透性差异大。
成都地铁目前在建及投入使用的线路，均涉及到砂卵石地层的基坑支护问题。在砂卵石基坑中，地铁基坑使用的支护形式主要有坡率法、土钉墙、排桩、内支撑等。这些方法多复合使用。如坡率法 土钉墙，排桩 内支撑。
坡率法 土钉墙受到场地条件的限制，在市内地铁施工中使用不多。市外如4#线西部一些站点有所使用。市内地铁基坑绝大部分采用排桩 内支撑的形式进行基坑支护。
坡率法
成都地区基坑工程安全技术规范规定坡率法为：通过调整、控制边坡坡率和采取构造措施保证边坡稳定的边坡防治方法。
切坡问题
切坡要看地形、环境等条件。坡面较缓或坡顶平缓时切坡工程量小,形成的边坡较低,易于确保稳定。由于边坡坡率要向上逐级变缓,坡面较陡时不宜切坡,否则形成高边坡。
切坡要看地质条件。地质结构不利于临空面稳定者,如基岩与覆盖层界面较陡直、基岩顺向坡,都不要盲目切坡。在坡脚崩塌堆积体前部切坡,由于堆积体松散,处于极限平衡状态,不宜深切。
要按稳定坡率进行切坡。多级时应向上逐级放缓。条件容许时，级间留不窄于2m的马道。一般土质边坡稳定坡率最陡为:1:1.25,向上逐级放缓0.25。
必须挖切可能失稳的坡体时,开挖前应先在坡脚设抗滑桩等工程措施，进行预加固,对崩塌堆积体切脚有条件时亦应预加固。
土钉墙支护
成都地区基坑工程安全技术规范规定土钉墙为：采用土钉加固的基坑侧壁土体与护面等组成的支护结构。
土钉墙是常用的全封闭型支挡措施。土钉墙用土钉与其间土体形成复合墙体,以增大土体抗剪能力。富水土体中不宜采用。其自上而下分层施工，有利于边坡的及时封闭与稳定。土钉墙无基础，抗滑功能有限，固底不够时则易滑塌,施工锁脚锚杆非常重要，或配矮脚墙固脚；
土钉墙的结构与喷锚支护坡类似,但原理和工艺有别。土钉墙的锚杆密,与其间土体共同组成墙体,起挡土墙作用。土钉墙高不宜超过8.0m,可分级,单级高不应超过4.0m,级间平台不窄于2m,坡率应视不同地层而定。土钉墙的土钉密度问题现未解决,对不同土质的经验值为0.75—2.0m。分层开挖厚度据岩土特性取0.5—2.0m。除对土钉锚固力检算外还要按挡土墙进行墙体外部稳定性的检算,据之确定土钉长度,其经验值为单级墙高的0.4—1.0倍。
据南昆铁路现场工程试验,当土质较差时，土钉并不能全长都形成墙体,坍塌后显示墙厚为钉长的2/3,其后钢筋连同砂浆体呈活塞状拔出。因此、稳定性检算中应同时考虑2/3厚墙体的抗滑力和1/3长土钉的锚固力。
三、成都地区膨胀土基坑支护
成都市二级阶地上，广泛分布膨胀土。膨胀土是指具有遇水膨胀、失水收缩，并具有普遍裂隙性和强度变动性的一种特殊土体，导致其具有遇水膨胀特性的原因是膨胀土中含有一定数量的亲水性粘土矿物所致（如蒙脱石、伊利石等）。
膨润土通常是指以蒙脱石为主要成分的非金属矿产，蒙脱石的含量达85%以上。由此可见，二者在概念上是有所不同的。在遇水膨胀这一特性上，膨胀土的自由膨胀率一般为40%至120%，而膨润土可达2000%以上。从膨胀性上看，膨胀土与膨润土没有本质上的区别。
膨胀土属于高液限土。高液限土通常含有大量的蒙脱石、伊利石、高岭石等黏土成分。其中蒙脱石是由颗粒极细的含水铝硅酸盐构成的矿物，其晶格单元由两层硅氧四面体层夹一层氧化铝八面体层构成，层间联接依靠范得华力，较弱，水分子容易进入晶胞之间，增大晶胞距离，脱水后，又产生相应的收缩，其液限变化范围可达到140～710%，塑限范围为50～100%；在晶格之间，由于同晶置换作用，使蒙脱石具有很强的吸附能力，大量的Na 、Ca2 填充进来，产生双电层效应，导致粒间的膨胀。相似的，伊利石也具有2：1的三层晶体结构，但其吸附的阳离子主要为Na 、K ，晶格间连接力较强，水分子不容易进入，所以伊利石亲水性、胀缩性不如蒙脱石，其液限变化范围为80～120%，塑限为45～60%.伊利石属于较不稳定的中间产物，性质介于蒙脱石和高岭石之间，并随着层间K 含量的逐渐减少，而接近于蒙脱石。高岭石的结构单元是由一层铝氢氧晶片和一层硅氧晶片组成的晶胞。晶胞之间的联结是氧原子与氢氧基之间的氢键，联结力较强，晶胞之间的距离不易改变，水分子不能进入，亲水性及膨胀性较前两种矿物成分。
高液限土的工程性质与其母岩成份、含水量、密实度、外荷载大小及作用方式、其他物理化学作用等都有关系。根据大量工程实践可知：高液限土透水性较差；干硬时强度高，坚硬不易挖掘，不易压实；毛细现象明显，吸水后能长时间保持水分，故吸水后承载力小、稳定性差；成都膨胀土自由膨胀率可达60%以上。属于弱—中等膨胀土。该膨胀土垂直裂隙发育，土体往往成“蒜瓣”状出现。当前面土体发生位移时，多成牵引式大面积坍塌，其破坏力极大。成都基坑事故，80%以上均由于膨胀土造成。
3号线某站深基坑变形及处置
1、现场情况：
2012年10月21日该站Z26#围护桩桩体位移（测斜）累计位移值超过控制基准值的60%（ 18mm）,达到黄色预警。
2012年10月31日该站Z26#围护桩桩体位移（测斜）最大累计位移值达到42.25mm，单次最大变形量27.35mm，（-16.5m处）。对应的Y20#桩桩体位移（测斜）最大累计位移值达到28.79mm，单次最大变形量9.79mm，（-16.0m处），达到红色预警。
2、原因分析：
（1）开挖15-16轴处土方时，16轴处已完成的垫层及边坡处出现开裂、垮塌，监测报告显示桩体下部发生较大突变。垮塌处膨胀土有较为丰富的裂隙面，裂隙面处存在渗水现象，沿软弱面，出现滑移，开裂。
（2）由垫层及边坡处出现的开裂、垮塌现象可以判定，土体沿裂隙面滑移深度已经超过基坑深度，应存在超越设计桩体锚固深度状况。即基坑围护桩发生“踢脚”问题。
（3）施工单位未及时架设第3道钢支撑，另外在北侧端头未加设钢支撑。
3、采取措施：
（1）施工方于10月31日夜间完成第三层钢支撑和北侧端头4#楼梯口上部加设2道钢支撑；监测数据表明，从钢支撑架设完成后，变形已基本稳定。
（2）对于基底垮塌处先用砼封闭，做好防排水工作，减少水对基底及基坑围护结构的影响。
（3）针对基坑底部复杂的地质情况（本粘土为膨胀土，遇水膨胀、软化、地基承载力下降，粘土中高岭土含量大），基坑南侧在后续施工时可能也会遇到类似问题，设计单位应考虑基底北侧产生垮塌、滑移处是否需要调整设计。
7号线某站深基坑开裂及处置
1、现场情况：
2013年12月9日地铁公司质安部、建设公司安质部在巡检7号线某站施工现场时发现基坑南侧路面出现5条长度不等的裂缝，其中有两条裂缝长度近达40m，裂缝最大宽8cm，且裂缝有逐步扩大的趋势，已经形成了明显的滑移面，情况非常危险。
地铁公司质安部和建设公司下发红色整改通知单，约谈了中铁成投、工点施工、监理等单位负责人，组织上述单位和建设分公司有关部门召开了事件原因分析及处置会。
2、原因分析：
（1）该基坑围护方式基坑上部为放坡 土钉墙，下部为锚拉桩。施工单位在基坑上部土方施工时，盲目赶进度，边坡施工中未严格执行“分层开挖，分层支护”的要求，开挖面未及时进行土钉墙防护；地勘单位建议坡率为1:1.2，设计杂填土、粘土坡率为1:0.50，设计要求分层开挖每层不超过2m，但现场开挖达到7～8m，严重超挖，支护严重滞后。现场地表原有裂缝未及时进行封闭，致使雨污水沿裂缝下渗，引起膨胀土变形，地表开裂；
3、采取措施：
（1）对坑角进行堆土反压，制止变形扩大；
（2）对地表进行封堵，加强地面排水设施，对排水沟进行封底处理。
（3）对不稳定的边坡进行卸载，放坡，减少土压力对该位置的影响；
7号线某站深基坑变形及处置过程
1、现场情况：
由于基坑北侧基坑边坡表层土质松散，部分存在淤泥土质，地质条件不良，土体含水率高达到饱和，土体软塑变形，加之连续降雨、土钉施工等因素导致车辆段北侧边坡DP-17~DP-18断面监测点位移、沉降较大，累计值已分别达到49.5mm、49.8mm，已达到红色预警值。造成环形道路、边坡坡顶出现裂缝。
2、原因分析：
(1)施工扰动是基坑变形的主要因素：现场施工时只要土钉、锚索风钻施工作业，基坑变形就会发生较大变化，停止施工作业后基坑变形基本稳定；
(2)变形点附近原址为废弃鱼塘，采用垃圾土回填，土质松软，透水性较大，呈软塑状。
(3)土层中存在上层滞水、裂隙水，且土质多为粘性土，基坑周围虽然布置了降水管井，但降水效果不佳。
3、采取措施：
(1)对不稳定的边坡进行卸载，减少土压力对该位置的影响。
(2)对基坑变形较大10m范围内打花管注浆加固土体。
(3)将原风压钻机土钉锚索钻孔改成循环水钻成孔，采取多台钻机分区域施工，隔孔跳打，减小施工过程对土体的扰动。
(4)增加降水井，将原降水井间距25m调整为12m，加大降水力度，集中排放；增加基坑二级边坡锚喷土钉墙及桩间喷锚面的泄水孔。
(5)增加抗滑桩，以保证边坡稳定；再增加一排围护桩（距既有围护桩3.6m），与既有围护桩通过连梁形成稳定的框架双排桩结构。
(6)基坑周边新增监测点，加强观测，增加观测频率，加强与设计及地勘人员的联系，发现问题及时上报。
4号线某站雨水检查井冲毁、挡墙倾斜
1、现场情况：
2015年8月17日11时，大学城站受长降雨影响，雨水由基坑外两根DN800雨水管汇集到大学城站基坑北侧新迁改DN1400雨水检查井，因雨水流量过大导致检查井（砖砌）被毁，雨水进一步冲破北侧局部基坑挡墙，导致基坑挡墙向基坑内倾斜，大量水流入基坑，影响基坑及周边天然气管道安全。
2、原因分析：
（1）此次降雨属于多年一遇，降水量达100mm以上。
（2）雨污水管改迁设计不合理，基坑北侧和东侧的雨污水管在基坑南侧汇合，一旦遇到强降雨，超过下游雨污水管负荷，不能有效排水。
（3）雨污水管改迁质量存在问题，导致改迁后的雨污水管部分断头管封仍未有效封堵，雨污水管管道连接处存在渗水的部位也未完全封堵。
3、处理措施：
（1）在基坑内水泵正常抽排水的情况下，在大学城站配线段底板最低处增设水泵，完成基坑内的抽排水工作。
(2)安排车辆及设备对挡土墙靠基坑一侧采用回压卵石土的方式，保证挡土墙的安全。
（3）针对沉降部位和断头管封堵点采取浇筑混凝土的方式，确保基坑边坡稳定和断头管的有效封堵。
4号线某站基坑污水管渗漏、基坑坍塌
1、现场情况：
2013年7月6日至2013年7月10日，成都地区普降暴雨，4号线某站东端DN800污水主管道及车站基坑边（距离基坑5米）污水检查井不堪重负，发生损坏，随后扰动基坑围护桩背后砂卵石地层及桩间土，导致基坑喷层发生渗漏，泥沙随水从围护桩间流入基坑。流水缺口瞬间扩大，基坑内被大量雨污水浸泡，基坑旁出现一约200m3塌坑，危机周边房屋安全。
2、原因分析
（1）此次降雨，雨期长、雨量大，堪称近40年一遇。
（2）该站施工前期废除结构范围d800雨水管道，并在结构端最近一口井上进行封堵，将上游管段临时反压向东排放。车站南北两侧的雨污水支管采用d400钢管沿基坑坑壁悬吊的方式引排至车站东端的基坑边上第一个既有污水检查井内，导致雨季期间污水检查井不堪重负而损坏，扰动基坑围护桩背后砂卵石地层及桩间土，导致基坑喷层发生渗漏。
3、采取措施：
（1）对污水管道回填粘土进行封堵。
（2）对塌方处回填水泥袋、膨润土等封住管道，减少渗水后，采用C40混凝土回填。
（3）对附近雨污水管进行迁改优化、抽排等措施，减小基坑边雨污水管负荷。
四、成都地铁建设中应引起重视的问题
地铁深基坑的安全生产，离不开深基坑的三要素：1、基坑深度；2、地层；3、周边环境；所涉及的有1、地下水控制；2、基坑支护设计方案；3、施工组织设计；4、监测方案；应急预案；
1、设计问题：
三要素中基坑深度、周边环境，基本上是地铁施工面对的基本条件。是相对固定的条件。地层问题在各个基坑中都是不同的。设计应针对不同地层条件，进行基坑支护设计。
成都东北部为成都的三级阶地和台地。这些地带岩石广泛分布。
这些地带分布着白垩纪、侏罗纪的泥岩、砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等地层。这些岩层总的来说属于软岩或较软岩。其产状总体较平缓。倾角多在10度左右。全风化带厚度一般不大。岩层中一般不富水。裂隙及节理发育一般较弱。裂隙面一般有浸染物。一些地层中含有芒硝、石膏矿物。一般具有膨胀性。在东部台地岩层埋深较浅。
这些地带的基坑具有完全不同于砂卵石地层的物理力学性质。应针对岩质基坑，进行基坑支护设计。
成都1#线3期一些基坑场地条件开阔，周边无建构筑物，处于3—5米填土下伏软岩的地层条件。针对岩层地勘报告给出1:0.50的坡率，设计院采用1:0.2坡率法 土钉墙进行基坑支护。这完全套用了土层的设计理念。没有考虑到地层构造、岩层的产状、裂隙、节理的发育，基坑各个方向的不同组合关系。岩层施工时石方开挖对基坑坑壁稳定性的影响。从设计上造成了安全隐患。
2、地下水控制
地下水控制是基坑安全生产的必备条件。成都地区在不同地带面临不同的地下水问题。
成都地铁深基坑尚未发生地下水所引发的重大安全问题。但成都地区因为地下水问题也曾发生过重大的安全问题。成都地铁一些站点临河设置，应引起地铁深基坑安全的足够重视。
基坑只有在无水的条件下才能成形并进行后续施工。成都市的基坑在城市西部由于地层为厚层砂卵石层，其厚度一般为20几米至50—60米，目前的基坑深度还未穿过其厚度，采用管井降水的方法，其降水问题尚能满足基坑工程的需要。在成都的东北部地区砂卵石层的厚度仅为几米至10几米，成都的南部地区砂卵石层的厚度仅为10几米至20几米，仅依靠管井降水是不能彻底解决基坑的降水问题的。通常采用管井与明排相结合的方法解决问题。但这样解决问题对于基坑而言存在一定的安全隐患。
成都市的东北部地区，出露大片膨胀土地层。膨胀土地层受到气候、水分的影响，其土的物理力学性质会发生剧烈的变化。特别是水的影响特别应引起重视。膨胀土地区的基坑十有八九都市因为水的问题造成基坑失稳。这里的水的问题不仅是地下水的问题，地表水甚至雨水都会造成基坑垮塌、剧烈变形。
成都地区布井间距15---20米，卵石地层中井深控制在基坑地面以下8—10米，岩石出露较浅时，井深控制在岩面以下3—5米，辅以明排，基本可以解决基坑的降水问题。
3、岩质基坑
成都东北部为成都的三级阶地，这些地带膨胀土及岩石广泛分布。
这些地带分布着白垩纪、侏罗纪的泥岩、砂岩、粉砂岩、粉砂质泥岩、泥质粉砂岩等地层。这些岩层总的来说属于软岩或较软岩。其产状总体较平缓。倾角多在10度左右。全风化带厚度一般不大。岩层中一般不富水。裂隙及节理发育一般较弱。裂隙面一般有侵染物。一些地层中含有芒硝、石膏矿物。一般具有膨胀性。在东部台地岩层埋深较浅。
成都7#线一些基坑场地条件开阔，周边无建构筑物，处于上部膨胀土，下伏软岩的地层条件。针对膨胀土地勘报告给出1:1.5的坡率，设计院采用上部1:0.5坡率法 土钉墙，下部采用锚拉桩进行基坑支护。成都地区在膨胀土及膨胀岩中使用锚索。因为锚索施工的难度，造成锚索达不到设计要求，致使基坑造成了安全隐患。
4、预应力锚索（锚杆）的主要问题
（1）预应力衰减
加固松散体的锚索（锚杆）的预应力随着时间的延长，其预应力会逐渐变小，必须予以补充，否则会造成支护体系的失效，引发基坑事故；
（2）锚固段设计
锚索设计中是以剪应力沿锚固段全长均匀分布，采用平均粘结强度来计算锚固段的长度。但事实上，剪应力在锚固段并非均匀分布，而是呈单峰曲线状分布,按剪应力均布计算锚固段长度趋于不安全。目前,这一曲线的机理和模型尚在探讨中,锚固段设计只能变通地解决。
（3）锚固段施工质量问题。
我国有关规范一般规定，锚杆（索）的锚固段强度为M30，锚固段灌注应密实、饱满，而锚杆施工中，对其的检测存在难度，一般很难达到设计的要求。（4）锚索施工
松散体中跟管钻进问题,深长锚孔钻进的纠偏问题,扩孔与二次压浆问题,张拉与锁定工艺问题。造成实际施工的预应力锚索与设计有一定差异，严重时会造成支护体系失效。尚需改进。
5、钢支撑架拆
成都地区基坑工程安全技术规范规定排桩支护为：以某种桩型按队列式布置组成的支护结构。
成都市建设工程施工安全监督站2012年37号文规定：“处于膨胀土分布区域基坑，场地属于三级阶地的护壁桩净间距不大于800mm，场地属于二级阶地的护壁桩净间距不大于1000mm，非膨胀土分布区域，基坑边坡土质无膨胀性的，护壁桩净间距不应大于1500mm”。“严禁在直径小于1.20m的桩身上钻设锚索孔。凡采用桩身钻设锚索孔的，桩身应增加不小于4根的通长受力钢筋，锚索孔影响范围内箍筋应加密1倍”。
成都地铁自2006年开始建设以来，还未出现过规模较大、影响较大的基坑安全事故。在全国地铁建设范围内，取得这样的成绩，这与成都地铁公司领导对安全生产的重视密不可分。公司董事长、总经理始终将安全生产视为重中之重。每季度均进行由董事长、总经理为首的的安全大检查。组建了依托国内一线院校、单位，涵盖地铁各个专业的专家团队。实施了安全专项施工方案专家审查制。安全管理中进行了特别重大危险源级别管理。对重大及以上级别的危险源，实施了公司总工程师为首的重点管控。特别重大安全问题，公司实施了总经理牵头的公司级别例会管理。对于地铁建设的各个工点实行了联网监控、及时汇报、处置。发现任何事故苗头均及时进行处置。公司制定了一系列生产、质量、安全管理制度，坚持了安全施工中的一师两员制。
成都地铁深基坑支护及安全施工
中国建筑西南勘察设计研究院有限公司 张波
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