某深基坑工程，在施工和開挖過程中不斷出現湧水冒砂，最多一天湧水冒砂約達2 000 m3，周邊地面以及建築物沉降變形明顯，且大大超過規範規定的預警值。
本文以該基坑的設計方案、施工記錄、變形監測數據為依據，綜合分析了該深基坑工程變形和事故發生的原因，並總結經驗教訓，以期為類似深基坑工程提供借鑑。
1 工程概況
1.1 工程區域
基坑工程周長約為430 m， 佔地面積約為9 800 m2。場地內地形較平坦，地面標高介於1 309.85~1 313.20 m 之間，平均高程為1 311.70 m，場地高差為3.35 m。基坑開挖深度為15.85~16.05 m。
1.2 工程地質和水文地質情況
場地地層情況見表1。在場地勘探深度範圍內，地下水屬潛水型，弱承壓水型孔隙水。主要含水層為第 ② -1 層粉土、第④層粉砂。初見水位埋深在0.1~3.4 m之間，平均為1.96 m。
表1 場地地層情況/m
1.3 周邊環境
基坑東面為小區住宅，有8 棟7 層住宅樓，框架結構，樁基礎，基礎埋深為9~14 m，其中有4 棟住宅樓緊鄰用地紅線，距基坑邊線20.5~36.4 m ;基坑北面臨市政主幹道，道路距基坑邊線約40 m ;
基坑西北、西南面為2~3 層住宅群;西面為2~4 層住宅群，以磚結構和磚混結構為主，獨立基礎、滿堂基礎或毛石基礎，基礎埋深為1.5~2.5 m，緊鄰用地紅線;基坑南面為6 棟6 層住宅樓，框架結構，距基坑邊線最近建築為1 棟4 層磚混結構住宅，距離約為8.3 m，基坑布點如圖1 所示。
圖1 基坑監測布點圖
1.4 基坑支護和止排水方案
1.4.1 基坑支護方案
基坑安全等級為一級。基坑北面1-1、2-2 剖面為Ф1200 旋挖灌注樁+5 排預應力錨索，樁長為25~26 m，樁間距和錨索橫向間距為1.8 m，錨索豎向間距為3.0~3.2 m。錨索總長為25~19 m，錨固端長為13~15 m。
其他部位為2~3 m 的1 ∶ 1 放坡+Ф1000 旋挖灌注樁+4 排預應力錨索，樁長為29~29.5 m，樁間距和錨索橫向間距為1.6 m，錨索豎向間距為3.2 m，錨索總長為25~21 m，錨固端長為16~13 m。
1.4.2 基坑止排水方案
1-1、2-2 剖面緊貼支護樁後設置一排雙管高壓旋噴樁止水帷幕，旋噴樁直徑為700 mm，樁間距為450 mm，搭接為250 mm。1-1 剖面樁長20.5 m，2-2剖面樁長21.5 m。
其他部位在支護樁後3.0~5.0 m 處設置一排雙管高壓旋噴樁止水帷幕，並在支護樁之間佈設兩根壓旋噴樁。高壓旋噴樁長為22~24 m。四周高壓旋噴樁均插入第⑤層全風化泥岩，形成整體的全封閉止水帷幕。
基坑排水採用坑內明排的方式，開挖過程中隨挖隨排，開挖到底後在坑內四周設置16 口直徑、井深均為1 m 的集水井。坑外四周設置13 口回灌井以備水位下降過大時進行回灌(圖2)。
圖2 基坑支護止水剖面圖
1.5 施工中基坑監測情況
施工過程中，監理單位對基坑以及周邊環境的變形情況進行了詳細巡視和記錄。由於種種原因監測單位、監測數據並不完整，詳細布點情況和監測結果見表2、3。
表2 變形監測點統計表
表3 監測預警值[1] 和實測變形最大值/ mm
2 監測數據分析
2.1剖面數據分析
1-1 剖面周邊建築物距基坑開口線只有4.6 m，基坑變形對周邊建築物影響明顯，因此需嚴格控制基坑變形。該斷面包括11 棟的沉降觀測點Z11-1、Z11-2，13 棟的沉降觀測點Z13-1、Z13-2，坡頂位移及沉降觀測點K3，2 號測斜孔。斷面上各監測數據可相互印證，以保證所測變形的準確性。
圖3 K3 位移-時間曲線圖
頂位移及沉降觀測點(圖3)，但由於高壓旋噴注漿導致K3 升高，不能代表基坑真實的垂直變形，因此垂直位移以距基坑最近的Z11-2(圖4)對比K3位移進行分析，並以2 號測斜孔為印證。水平位觀監測點為K3，第一次監測時基坑已開挖4 m。由圖3 可以看出，變形顯著時期可分4 個階段。
圖4 Z11-2 沉降-時間曲線圖
第一階段為5 月22 日~6 月26 日，工況為土方開挖，進行第二層錨索施工。K3 位移累計值為17 mm，變形速率為0.35~0.55 mm/d，但沒有超過預警值;6 月 26 日 ~9 月3 日變形速率較小，位移僅為4 mm，累計位移為21 mm。
Z11-2 地表沉降累計值為16.2 mm，變形量和變形速率均未超過預警值，6 月14 日 ~9 月4 日，變形量較小，累計變形量為8.8 mm，變形速率僅為0.11 mm/d。該階段土方開挖、錨索施工，基坑處於變形期。6 月5 日 ~6 月14 日錨索施工時，由於鑽孔湧水冒砂，Z11-2沉降速率最大為1.04 mm/d，周邊建築物以及地表開始無明顯變化，至6 月22 日坡頂排水溝出現裂縫。
第二階段為9 月3 日 ~9 月23 日，工況為土方開挖至7 m 左右，進行第三排錨索施工。在土方繼續開挖過程中K3 變形速率加大，變形量累計達到16 mm，變形速率達0.8 mm/d，超過第一階段變形速率，至9 月23 日累計變形量已達37 mm，超過規範規定的預警值;9 月23 日 ~10 月28 日在土方停止開挖、錨索施工期間，變形趨緩，35 d 變形量僅為7 mm，變形速率為0.2 mm/d。
Z11-2 在9 月4 日 ~9 月24 日土方開挖期間沉降變形達25 mm，累計沉降已達50 mm，超過規定預警值，沉降速率也達到1.25 mm/d ;9 月24 日 ~10 月28 日變形速率較小，變形量為6 mm，變形速率為0.13 mm/d ;
9 月11 日 ～ 9 月13 日土方向下開挖時，水平和垂直位移明顯，地面排水溝與冠梁間出現新裂縫，錨索施工時鑽孔湧水冒砂比第一階段嚴重;10 月8 日對地面裂縫進行了修補，至10 月28 日土方沒有繼續開挖，地表無明顯變化。
第三階段為10 月28 日 ~11 月11 日，工況為土方開挖至11 m 左右，進行第四排錨索施工，並繼續開挖至14 m 深。該階段尤其是由-11 m 向-14 m 開挖時，15 d 變形量達到26 mm，變形速率達1.73 mm/d，累計變形量已達70 mm，已超過預警值兩倍多。
Z11-2 在10 月28 日 ~11 月12 日的沉降量達68.3 mm，沉降速率為4.27 mm/d，累計沉降量已達124.3 mm。錨索施工時鑽孔繼續湧水冒砂，水壓加大，基坑側壁支護樁間也出現多處湧水冒砂，導致11 月2 日冠梁與排水溝交接處再次開裂，且西面地面也出現裂縫，11 月4 日冠梁轉角處開裂。
11 月11 日由於基坑側壁湧水冒砂點數量以及湧出量均增大，1-1 剖面地表明顯下沉。
第四階段為11 月11 日 ~ 次年2 月4 日，工況為土方繼續開挖至基坑底。位移繼續增大，但位移速率有所減小，83 d 位移量為38 mm，累計位移量達到108 mm，位移速率為0.35 mm/d。
Z11-2 在該階段隨著湧水冒砂量的增多，變形不斷加大，至2 月5 日85 d內沉降量為77.3 mm，沉降速率為0.91 mm/d，之後變形繼續，至6 月24 日最後一次觀測，累計變形值已達298 mm。
該階段由於鑽孔內水壓過大，導致第五排錨索無法施工。基坑側壁支護樁間多處嚴重湧水冒砂，地面沉降明顯。12 月3 日1-1、2-2 剖面位置基坑側壁湧水冒砂不斷加大，最多一天湧水湧砂量約為2 000 m3，地面明顯下沉，12 月10 日西側地面已塌空，裂縫寬度不斷加大，至12 月4 日，裂縫寬度已達54 mm。
圖5 2號孔深層位移-時間曲線圖
由圖5 可知，該斷面測斜管埋設深度不夠，測量次數也有限，但從僅有的觀測數據看，測斜管頂部位移量和變形規律基本與位移監測點K3 相符。由測斜數據看，基坑的底部也有41.86 mm 的位移，接近預警值。
2.2 其他變形情況
除1-1 剖面外，其他各處隨著基坑的不斷開挖，基坑側壁多處湧水冒砂，基坑四周地面基本都有開裂、下沉，周邊的4 棟、10 棟、11 棟、12 棟、13 棟下沉、開裂嚴重，已成危房，施工過程中不得不將開裂嚴重的10 棟、11 棟拆除。
2-2、1-1 剖面隨著湧水冒砂量的增大，地面嚴重沉降空鼓，以致該處塔吊周圍地面在12 月4 日全部塌空，塔吊基礎開裂。由表4 可知，各監測點沉降量和沉降差異已遠遠越過預警值，沉降量最大的11 棟2 號點累計沉降量達298 mm，與1 號點的沉降差異達23.78/1 000。
表4 1-1、2-2 剖面建築物變形統計
2.3 變形規律總結
變形數據客觀地反映了基坑開挖的變形規律，基坑往深部開挖時基坑變形明顯，且變形值距基坑邊緣越近，變形越大。正常情況下，錨索施工時變形緩慢，但在側壁嚴重湧水冒砂時，基坑周邊地表(包括鄰近的建築物)沉降量迅速增大，地表裂縫增大、下沉明顯。
3 基坑事故分析
變形監測數據的變形值大部分超過預警值(尤其是距基坑較近的觀測點)，且大大超過設計計算的變形值(表5)。
表5 實測變形值與設計計算變形值對比/mm
利用設計方案、設計計劃書、施工記錄、監測數據、現場施工工況、湧水冒砂情況、變形情況等資料綜合分析事故原因。
3.1 整體方案缺乏全面考慮
基坑地下水控制設計應與支護結構的設計統一考慮，由降水、排水和支護結構水平位移引起的地層變形和地表沉陷不應大於變形允許值[2]。
某些支護結構的選型本身決定了帷幕將滲漏，如錨拉式支擋結構、位於水位以下的錨杆、施工鑽穿帷幕必然導致滲漏[3]。另外《建築基坑支護技術規程》中也明確說明“錨杆不宜用在軟土層和高水位的碎石土、砂土層中”[4]。
該基坑明顯沒有將地下水控制與支護結構統一考慮，基坑四周設置了全封閉止水帷幕進行止水，降水採用坑內明排，坑外水位仍處於較高水平，支護結構又設計成樁錨結構。錨索施工時儘管採用套管跟進，卻沒有采取提前降低地下水位的措施，鑽穿止水帷幕仍出現鑽孔大量湧水冒砂，基坑四周地表沉降過大。
3.2 止水帷幕設計不合理
對地下水位較高，滲透性較強的地層，宜採用雙排高壓噴射注漿帷幕。當注漿孔深為20~30 m 時，搭接寬度不應小於350 mm。該工程止水帷幕深度為20.5~24 m，搭接寬度僅為250 mm，且為單排帷幕。
高壓旋噴帷幕是由先後施工的截水單元相互搭接形成的，截水單元本身的質量缺陷、單元之間的搭接缺陷都將導致截水失敗[3]。根據工程經驗，高壓旋噴樁除樁徑外，最難控制的是垂直度，樁長越長垂直度越難控制，因此高壓旋噴樁深過大，施工質量難以保障[5] ;
且設計的搭接寬度不足，施工偏差導致帷幕大部分出現“開襠口”，產生大面積滲漏，地面深陷。因錨索施工和止水帷幕的“開襠口”導致基坑最多一天湧水冒砂達2 000 m3 (圖6)。
圖6 基坑側壁的湧水冒砂
3.3 施工過程沒有嚴格控制質量
施工過程沒有嚴格控制高壓旋噴樁的定位、垂直度、鑽進以及提鑽噴漿速度。高壓噴射注漿法施工的截水帷幕是由先後施工的一個截水結構單元(單根樁)相互咬合搭接形成的，每根樁施工時均存在偏差，包括樁位偏差和垂直度偏差[3]。
在施工過程中除需在安全方面嚴格控制外，還需在技術上對定位、垂直度、噴漿提鑽速度、壓力等進行把控，嚴格按施工方案操作，管理人員要時刻檢查、監督，不可掉以輕心。
3.4 應急預案落實不到位
施工單位儘管有應急預案，但落實不到位，遇到湧水冒砂問題，沒有引起足夠的重視，開始甚至沒有采取必要措施，更沒有組織勘察、設計、監理和業主對問題進行認真分析論證，最終湧水冒砂越來越嚴重，導致基坑周邊塌陷、房屋開裂，甚至最下一排錨索因無法施工而取消。
3.5 沒有做到信息化施工
基坑開挖應根據設計要求進行監測，實施動態設計和信息化施工[2]。作為信息化施工的一個重要內容，動態設計的實現依賴於系統合理的施工監測[6]。
GB 50497-2009《建築基坑工程監測規範》中明確規定大於15 m 的基坑，開挖深度小於等於5 m 時，監測頻率為1 次/2 d ;開挖深度為5~10 m 時，為1 次/d ;開挖深度大於10 m 時，為2 次/d ;且在特殊情況(如周邊地面突發較大沉降，鄰近建築嚴重開裂，側壁出現管湧、滲漏或流沙等)應加密觀測[1]。
該基坑監測頻率最大的為1 次/10 d，通常是1 個月才測一次，這種與規範要求嚴重不符的監測頻率根本無法及時、準確、完整地描述基坑的變形情況，更無法將變形分析結果與動態設計計算模型預測的結果進行對比分析，也就無法做到動態設計。
由於兩次監測的時間間隔較大，且沒有與現場施工工況相結合，監測數據不能反映變形發生的具體時間，僅能反映兩次時間間隔的累計變形，無法為動態設計提供更加精確的監測數據，無法將變形與施工工況進行聯合分析，無法對施工中的險情進行提前預警，從而失去了指導施工的現實意義。
4 結 語
通過對該基坑的設計、施工、監測、事故現象以及後果進行綜合分析，可以得出以下經驗教訓：
1)基坑地下水控制設計應與支護結構設計統一考慮。當基坑四周設有止水帷幕時，應儘量避免採取錨拉結構，以保證止水帷幕的完整性;即便已採用了錨拉結構，如孔口在地下水位以下，在錨索施工時也應提前降低地下水位，避免錨索鑽孔時湧水冒砂。
2)截水結構的選型和設計，需重點考慮漏水的後果、含水層的土性、地下水特性、支護結構形式、施工條件等因素。對於漏水後果嚴重(如建築物、公共設施損壞等)的基坑，在利用對施工質量無十分把握的截水結構時，不宜少於2 道防線[3]。施工過程中應嚴格按照操作規程施工，提高施工質量。
3)重視變形監測，做到信息化施工。按規範要求進行施工監測，不僅能對施工中的險情進行提前預警，而且通過比較分析監測數據和勘察、設計數據，可判斷前段設計與施工的合理性，從而優化施工設計和施工組織。另外，詳盡而齊全、完整的監測數據也是動態設計的基礎資料和不必可少的數據。
4)對專項設計方案進行論證。對於超過一定規模的危險性較大的分部分分項工程，施工單位應當組織專家對專項方案進行論證[7]。專家論證的過程也是學習當地經驗的過程，同時專家組也可通過方案論證指出設計方案的不足，避免工程事故的發生。
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