某土岩混合深基坑支护结构坍塌成因分析

王翔宇

（上海市隧道工程轨道交通设计研究院，上海200235）

新世纪以来，随着经济的发展、城镇化步伐的加快，为满足日益增长的市民出行需求，大运量的轨道交通成为经济强市的首选，主城区轨道交通线路基本按照地下线进行敷设，基坑支护工程越来越多[1]。以重庆地区为例，其地层以砂岩和砂质泥岩为主，上覆填土及粉质粘土厚度在4m~20m，基坑开挖后形成典型的岩土混合基坑。因岩土不同介质的力学特性不同，造成支护结构的形式各异，由于诸多原因，其勘察、设计、施工等问题，造成工程质量事故频频发生[2]，笔者通过分析一个典型岩土混合基坑支护结构坍塌原因，理清岩土混合边坡的破坏模式，总结支护结构坍塌的经验教训，为类似基坑围护结构设计和施工提供参考和借鉴。

1 工程概况

某地铁车站位于石新路凤鸣山中学旁，沿石新路近东西向布置，车站为地下两层岛式车站。车站南侧为华宇地块，东南侧为凤鸣山中学。由于场地周边放坡空间紧张，主体基坑采用垂直开挖，基坑长227m，标准段宽21.8m，端头井局部宽26.5m，为土岩混合基坑。

车站场地位于川东南弧形地带，岩层呈单斜产出。岩层倾向约105~115°，岩层倾角14~18°。下伏基岩为侏罗系中统沙溪庙组砂岩及砂质泥岩，发育有两组构造裂隙。场地地下水主要为松散层孔隙水，以上层滞水的型式分布于局部地段的第四系松散层中，水量小，主要由大气降水及地下排水管网渗漏补给。基坑平面布置图及周边环境见下图1：

图1 基坑平面布置图

2 施工与设计

车站南侧边坡走向为10°，倾向350°；边坡长约227m，车站边坡高16.9~23.4m。上部1.5~8.0 为土质边坡，下部为岩质边坡，边坡安全等级为一级。

1） 上部土质边坡

根据工程地质剖面图分析，岩土界面平缓，土质边坡受自身稳定性控制。

2） 下部岩质边坡

对于下部的岩质边坡，结合结构面赤平投影图分析，边坡岩体内无外倾结构面，直立切坡后的主要破坏方式为沿近似倾角为45°+Φ/2 约61°的破裂角发生剪切破坏。直立切坡后边坡处于欠稳定状态，该边坡的岩体类型为III 类，岩体等效内摩擦角55 ，岩体破裂角61 （45 +φ/2），岩土物理力学参数详见表1。

表1 岩土物理力学设计参数推荐值

基坑南侧采用φ800@2000 桩锚支护结构，桩基嵌入下伏中风化基岩内3 倍桩径深，设置7 道3@28 锚杆，竖向间距2.5m，桩间采用喷锚防护，土层中设置4m 长1φ20 竖向间距1.2m 的砂浆锚杆进行挂网喷浆，且设置φ100 直径泄水孔，2mx2m 梅花形布置，具体支护结构见图2。

3 基坑坍塌原因分析

2015 年7 月底基坑大里程端南侧出现较大水平位移，地面开裂较严重，经各方现场查看、综合分析，认为主要原因为地下管线漏水造成素填土、粉质黏土层长期浸泡，物理力学性质变差，引起地面较大沉降及水平位移，提出对此处进行放坡卸载，且坑内增加一道对撑。

图2 基坑横剖面图

2015 年8 月17 日早晨6 点左右，因强降雨导致卸载凹槽积水无法及时排出，使基坑支护结构瞬间承受较大侧压力致使支护结构坍塌，根据现场坍塌情况，围护结构桩从岩土分界面处倒向坑内，而基坑上部土体未发生大规模坍塌，桩体因承受土压力过大被剪断（见图3）。

图3 基坑支护坍塌现场图

事故发生后，业主立即组织专家对事故现场进行调查，并结合设计方案对事故原因进行分析。8 月16 日夜间，因重庆地区普降暴雨，且场地内排水措施不畅，致使原凹槽内积水，桩间预留泄水孔无法及时排出，导致桩体侧压力瞬间过大，经现场查看，支护结构体系存在以下几点缺陷：

1） 从现场坍塌掉的桩体上未发现锚杆钻孔，说明桩体锚杆未按照图纸要求进行打设，桩体处于悬臂状态，无法形成强有力的排桩式锚杆挡墙支护体系。

2） 锚头与桩体未达到应有的锚固效果，锚杆无法形成对桩体的拉力，桩体处于悬臂状态。

3） 原基坑面板设置有2m×3m 梅花形布置Φ100mm 泄水孔，现场仅少量施作，无法满足排出桩后土体中的地下水，造成围护桩体承受超出设计荷载的侧向水压力。

基于以上几点原因，支护体系与原设计方案出入较大，在突发情况下，原支护体系无法承受，引起桩体被剪断。

4 坍塌破坏机理分析

1） 从坍塌现场清理出的滑裂面上看，最下层滑裂面发生在土质边坡中，该层土体性状与勘察资料描述基本一致，按照圆弧滑动（详见图4）；

图4 基坑支护坍塌示意图

2） 结合现场坍塌情况，基坑支护破坏主要原因为锚杆仅在下部岩质边坡中打设，而上部未进行打设，造成支护桩悬臂过长，局部甚至达15m，且雨水在凹槽中积聚，无法有效排水；

经过以上原因分析，参照《建筑边坡工程技术规范》

6.2.3 公式[4]土压力计算：Ehk=356.9kN/m；

桩体侧压力根据《建筑边坡工程技术规范》[4]公式计算，侧向岩土压力修正系数取1.1，计算结果如下：

竖桩（立柱） 按照受弯构件分析，计算时可假定立柱与锚杆交点为一铰支座，底部视基础嵌固情况，可假定为固定支座或铰支座，按连续梁计算，通常竖桩（立柱） 基础嵌入基岩内的深度超过2 倍竖桩（立柱） 横截面尺寸时，可假定为固定端支座[4]。此立柱嵌入基岩约4m 大于2 倍D，底部按照固定支座考虑。计算见图如下：

桩间距2.0m，桩体视为下端铰接，支承于锚杆支点上的连续梁来计算，连续梁均布荷载标准值ehk=2.0×47.7=95.4kN/m，e1= (1.5x18+20) ×0.5=23.5 kN/m，经计算立柱最大剪力V=1159KN，φ800 围护桩截面不满足抗剪要求，故立柱基本在土岩分界面处被剪断。

5 由事故引起的思考

1） 岩土混合边坡及基坑破坏形式及机理比较复杂，设计与施工应给予支挡结构足够的重视，以应对极端工况。上部土质边坡或者碎裂结构岩质边坡可能出现圆弧滑动，若岩土分界面倾角大于30°，可能沿分界面整体滑动；下部岩质边坡若存在外倾结构面可能为平面滑动，故岩土混合基坑根据地勘报告分别确定其边坡滑动形式，综合对比计算，设计时视情况可取最不利计算结果进行设计。

2） 应特别重视水在边坡及基坑设计中的作用。重庆地区地下水基本为岩体裂隙水，基坑开挖需预留充足的泄水孔。若基坑变形比较大时，在基坑边卸载需谨慎，支护结构与卸载土体之间形成的凹槽必须可靠的泄水措施，否则会增加原围护结构的水压力，且同时水体下渗引起土体软化，粘聚力降低增加支护结构的负荷，造成基坑坍塌。

3） 对于桩锚、板肋式等外拉型基坑支护结构，锚索（杆） 与竖向支护结构的接头连接必须可靠，建议锚杆与桩体主筋进行焊接，焊接长度满足规范要求；在岩土分界面处，竖直支护结构在岩土分界面处上下2m 范围箍筋加强，提高结构的抗剪能力。

4） 一些细小或看似无足轻重的因素常会引发重大工程事故，需要引以为戒。