[科普中国]-基坑失稳

研究背景

伴随着我国改革开发以来经济的高速发展，城镇化也加快了脚步，众多的人口涌入城镇，低层建筑以其容量小、地上地下空间没有充分利用而无法满足人们日益增长的需求；一般的路面公共交通因其破坏坏境、噪声和振动的影响而很难让人接受。为解决城镇化带来的住房难、交通难等问题，建筑业也发生了巨大变革，城市高层建筑不断涌现，而且向着更高、更复杂的趋势发展；对于交通发展高效地下有轨公共交通，形成四通八达的地下交通网已成为出现在各大城市的规划蓝图上[1]。无论是高层建筑还是地下交通系统都涉及到一个重要的问题，那就是基坑。大大小小由于基坑失稳造成的事故出现在各大新闻媒体上，轻则财产损失，重则人身伤害，一起起建筑事故敲响了警钟，给了我们警示，让我们不得不重视起基坑基坑稳定性对建筑的影响。

在基坑开挖中，影响其安全的因数众多。内因有土壤类别、土湿化程度、支护施工、开挖速率等，外因有气候、临近建筑、坡度、坑壁形式、地表水等，其中开挖速率可操作性较大，合理的开挖速率可以保证基坑的稳定性，同时充分发挥人、材、机等作用。所以研究开挖速率对基坑稳定性的意义重大。1

研究现状国外基坑稳定性研究现状

（1)起步阶段

起步阶段，滑坡研究开始于20世纪20年代的瑞典，瑞典人彼得森最早提出了条分法。但之后的20年左右的时间里世界各国对滑坡的研究也只是零星的和片段的。大多数国家都是由单独的研究人员进行小规模的滑坡研究，只有瑞典、挪威、前苏联是由国立土工研究所进行滑坡研究，并发表过一些著作和论文，其中瑞典人取得的成果最大。原苏联曾于1934年和1946年召开过两次全国性的滑坡会议。瑞典条分法同时考虑了粘聚力和摩擦力，缺点是原理粗浅而且它的基本假定脱离了实际情况是一个肤浅的理论，还有待进一步完善。

（2）初步发展阶段

初步发展阶段(20世纪50年代)，人们开始考虑岩体的结构面和材料特性，并且随着理论的研究，出现了极限平衡论和弹塑性理论，这些新角度新方法的出现显然推动了基坑稳定性研究的进步。接着索柯夫斯基在1954的时候提出了松散介质极限平

衡原理，但是这种方法存在着一些缺陷，会发现计算的结果与实际不符，其原因是没有考虑到岩体的力学状态和结构面，后来其他人在他的基础上完善了他的理论并提出一种基坑稳定性的方法，完善了这个时期基坑稳定性分析的发展。

（3）深入发展阶段

深入发展阶段(20世纪60年代)，这个阶段比较清晰明朗，人们对稳定性分析的角度主要是两个方面。一是考虑岩体中的结构面，以极限平衡理论为基础，运用图解法和计算分析法求出安全系数来判断其稳定性。 1.2.2 国内基坑稳定性研究现状

由于长时间的封建社会以及战争，新中国解放以前在基坑稳定性分析这方面几乎没有什么研究，要远远地落后于欧美等国。但中国那些可敬的研究人员们奋发图强使新中国成立以后基坑稳定性分析取得了很大的进步。总的来说，可分为以下四个阶段：

(1)起步阶段

起步阶段（20世纪50年代），主要以地质灾害为着眼点，通过工程地质类比法与极限平衡法等定性的分析方法，初步实现一些基本的基坑稳定性分析和防护设计。

(2)进步阶段

进步阶段（20世纪60年代）当时使用的主要方法是实体比例投影法，既通过赤平极射投影，来实现对基坑岩体的结构类型的划分，同时提出了岩体结构与控制的观点，用该方法对块体的破坏进行计算更快捷准确，并开展了许多大型的野外岩体力学实验为进一步基坑稳定性研究打下了基础。

(3)进一步发展阶段

进一步发展阶段(20世纪70年代)，这个阶段已经开始了研究基坑的变形破坏机理工作。并开始运用弹塑性力学极限平衡理论等方法来分析和评价基坑的稳定性。潘家铮提出了滑坡极限分析的极大值原理和极小值原理两条基本原理进一步扩充了关于基坑稳定性研究的理论知识。随着科技的不断进步，理论知识和硬实力的提高也使得有限单元法、边界元法、离散元法等更前沿的方法进入评价基坑的稳定性、分析基坑变形破坏的条件的这个领域中。

(4)逐渐成熟阶段

逐渐成熟阶段（20世纪80年代），人们开始从整体上认识基坑稳定性的发展趋势以及基坑的变形破坏机理。诸如块体理论、DDA法、灰色理论、模糊数学、数据库与专家系统、计算机仿真技术、损伤断裂力学理论、神经网络模型和遗传算法等一些新理论、新技术、新方法开始出现并被运用到基坑稳定性研究，这些方法的出现为预测基坑的稳定性开创了更为广阔的前景。2

基坑失稳的形式及影响因素1、基坑失稳类型

基坑失稳主要有以下几种类型:

(1)坡顶变形过大，影响周边的管道和建筑;

(2)边坡产生滑移，主要发生在土钉支护类型;

(3)倾覆，主要发生在桩锚支护体系中。

2、 基坑失稳的影响因素

(1)外界因素:水的影响，当连续降水入渗及管道渗漏时，土体自重增大、土体抗剪强度降低进而引起土压力增加，同时支护结构强度降低;坡顶超载和动荷载影响。

(2)设计因素。

(3)施工因素。基坑失稳的影响因素很多，一般情况下是各种因素综合作用所致。本文仅考虑施工因素对基坑稳定性的影响。3

基坑失稳原因（1）违规修改设计

在实际施工过程中，有些工作人员为了施工方便等目的在未经监理人员许可的情况下对工程设计进行擅自修改，最终造成各类事故，例如擅自替换止水桩 ，将造成桩间的严重流砂；擅自改动支护桩的嵌固长度，将导致悬臂部分的增长 ，使支护桩发生严重倾斜。

（2）相互间沟通不力

在相邻基坑的施工过程中，经常出现一个开挖，一个打桩的情况。打桩就会产生超静孔隙水压力，引起严重的挤土作用，使临近基坑的工程桩和支护桩发生严重的唯一。另外，在同一个基坑的施工过程中，也经常会出现施工队彼此配合度不足的情况，导致支护结构的严重变形，严重时甚至会导致基坑滑移和破坏。

3）没有按照规程施工

有的挖土机械在支护桩附近反铲挖土，导致支护结构所要承受的荷载大幅增加；在基坑的开挖过程中，挖掘机对支撑体系随意碰撞，容易导致不应有的损害 ；基坑的开挖没有分层进行，一次到底的现象时有发生。或是分层不够合理，高差相差过多，使支撑施工无法满足开挖的要求；基坑底面暴露时间过长，使之出现了一定程度的回弹变形；在安装支护结构的过程中，没有遵守先支撑，后开挖的原则。

（4）管理混乱，安全意识淡薄

在施工期间，工作人员将工棚和材料库设置在基坑的边缘位置，甚至将建筑垃圾也堆放在基坑的边缘。基坑边排水沟为临时排水沟，未做垫层及砌砖，同时排水不及时，导致支护桩脚长期浸泡。在施工期间，没有对供水管线进行良好的保护，导致水管破裂，冲刷桩间土。

（5）施工单位延误抢险时机

基坑工程的系统性较强，涉及部门较多，可以说，工程的成败是与勘察、设计、施工、管理、监理五个方面的相互联系和紧密配合分不开的。一支优秀的施工队伍，除了要能够准确的领会设计单位的工程设计之外，还应该严格按照设计图纸和有关规范的要求进行施工，同时，还要具备进行信息化施工的能力和方法 ，从而对施工过程中的各项数据进行准确的分析，将基坑事故隐患消灭在萌芽的状态。但是在实际工作中，很多施工队伍并不具备这样的能力，导致事故的抢险时机被延误，扩大事故危害。4

基坑失稳处理措施当基坑工程发生安全事故后，首先要做的就是查明事故的发生原因，对其发展动态进行评价，在正确制定处理方案之后迅速组织力量进行处理，以免因丧失处理时机而导致严重后果。通过对以往工程实例的总结，对于基坑工程中的事故应采取以下对策。

1、整体或局部的滑塌、失稳如果条件允许，应尽可能的降低土中水位并进行坡顶的卸载，加强对未出现滑塌地段的监控和保护力度，避免事故的扩大化。同时，在进行整体稳定验算的基础上，对尚未固定的软粘土、淤泥土和容易失稳的泥土进行加固处理，避免失稳的继续发生。

2、悬臂支护结构或桩墙变位

对于悬臂结构的变位，可以采用坡顶卸载和桩后人工降水和挖土的方法进行处理，并在坑内桩前设置锚结构或堆筑砂石。对于桩墙变位，首先就是要停止坑内的挖土作业，增设锚杆或内撑，并进行坡顶或桩墙后卸载，同时在桩前堆筑砂石，避免锚杆拔出。

3、渗漏造成的下陷、倾斜

首先应停止坑内的施工和降水开挖，在第一时间使用堵漏材料对止水墙的渗漏进行处理，并在坑外设置若干新的回灌井进行高水位回灌，对发生渗漏或断裂的管线进行抢修，或对止水墙进行重新设置。对于那些已经发生倾斜的建筑物则需进行加固和纠正，避免倾斜的进一步恶化。于此同时，工作人员还应注意对坑周围建筑物的检测，如果基坑开挖所在地的水位较高，则应及时进行止水处理。

4、桩入土深度不足导致的桩墙倾斜

首先就是要停止坑内的开挖，对于已经开挖但是尚未出现事故的地段，应在坑底桩前堆筑土料或砂石反压，并对桩顶进行适当卸载。随后，根据室温原因对被动区的土体进行加固处理，或者在原有的挡土桩的内侧位置补设短桩。

5、桩间距过大导致的开裂和塌陷

对于此类事故应立即停止坑内的挖土，并通过在桩间设置挡土板或补桩的方法进行处理，利用桩后位置土体所形成的拱状断面进行水泥砂浆的抹面或悬挂铁丝网，如果有条件，还可以配合桩顶降水和卸载等措施。

6、相邻基坑的相互影响所导致的事故

此类事故发生后，应对施工振动的影响进行限制或立即停止施工，对于已经被破坏的支护桩采用相应的处理办法，协调不同基坑之间的施工，避免相互间的破坏和干扰。3

7、降水导致的基坑失稳事故

如果基坑内外的水位差异较大，并且桩墙的设置深度并未达到不透水层，或是嵌固不足，那么在发生持续降雨的时候就非常容易导致基坑失稳。对于此类失稳事故，施工人员首先应该停止基坑内的开挖工作进行降水，必要时可以通过堆料或灌水的方式进行反压，在流砂和管涌停止后，要立即通过堵漏、补桩、桩后压浆等措施进行加固处理。

8、因土方挖掘过度导致的失稳事故如果工作人员在施工过程中过度挖掘基坑土方，就容易引起支护结构的破坏。在发生此类事故时，应立即暂停施工，通过桩前堆载或回填土方的方式确保支护结构的稳定性，然后在根据现场的实际情况采取相应措施进行处理。3

基坑失稳的突变特点基坑开挖后形成一定高度的开挖面,开挖面附近开始出现形变调整,水平方向压应力逐渐转化为张应力,即出现初始应力释放,随着开挖深度的增加,变形场调整的范围也随着扩大,土体的变形由压缩形变向剪切变形转化,在这种转化过程中,当形变量超过土体的固有变形极限值时,就会导致土体的破坏。导致土体向临空面发生剪切位移的条件,一方面取决于土体中积累的应变能量大小,另一方面取决于土体本身的力学性质,当土体本身抗剪强度值较小时,仅仅需要较少的应变能量就会产生向开挖面的滑移,随着应变能量的增加,位移量也不断增加;当土体的抗剪强度值较大时,应变能的增加除了达到某一临界值之外,土体本身并不产生任何位移,因此,能量和抗剪强度是控制变量(ControlVariables),而位移是响应变量(ResponseVariables)。2

基坑失稳应急预案应急预案的方针与原则坚持“安全第一，预防为主”、“保护现场作业人员安全优先，保护环境优先”的方针，贯彻“常备不懈、统一指挥、高效协调、持续改进”的原则。更好地适应法律和经济活动的要求；给企业员工的工作和施工场区周围居民提供更好更安全的环境；保证各种应急资源处于良好的备战状态；指导应急行动按计划有序地进行；防止因应急行动组织不力或现场救援工作的无序和混乱而延误事故的应急救援；有效地避免或降低人员伤亡和财产损失；帮助实现应急行动的快速、有序、高效；充分体现应急救援的核心。

应急预案工作流程图根据工程的实际情况，认真的组织对危险源和环境因素的识别和评价，特制定项目发生紧急情况或事故的应急措施，开展应急知识教育和应急演练，提高现场操作人员应急能力，减少突发事件造成的损害和不良环境影响。其应急准备和响应工作程序见右图。

突发事件风险分析和预防为确保工程正常施工，预防突发事件以及某些预想不到的、不可抗拒的事件发生，事前有充足的技术措施准备、抢险物资的储备，最大程度地减少人员伤亡、财产和经济损失，必须进行风险分析和预防。

1、突发事件、紧急情况及风险分析

根据工程特点及地质情况，在辩识、分析评价施工中危险因素和风险的基础上，确定工程重大危险因素是基坑坍塌、倒塌、渗漏，引起附近建筑物倾斜、管线移位和沉降。

2、突发事件及风险预防措施

从以上风险情况的分析看，如果不采取相应有效的预防措施，不仅给将来基础结构施工造成很大影响，而且对施工人员的安全造成威胁。

（1） 深基础开挖前先采取管井降水，将水位降至开挖最深度以下，防止开挖时出水塌方。

（2）材料准备：开挖前准备足够优质木桩和脚手板，装土袋，以备应急，为防止基础出水，准备2台抽水泵，随时应急。

（3）进行基坑土方开挖施工方案的审核，报专家认证。

（4）深基础开挖，另一种措施是准备整体喷浆护坡，开挖时现场设专人负责按挖土

施工方案挖土，由专业队做喷浆护坡，确保围护墙体的整体稳固。

（5） 降雨量过大引起基坑坍塌的预防措施：

1)基坑的周边砌筑30cm高的防淹挡墙，作为通常情况下的挡水设施；配备足够数量的草包，紧急时对基坑周围施做围堰，防止地面水大量流入坑内。

2) 配备足够数量的抽水泵，用于排除坑内积水。

3) 施工现场仓库配备足够数量的潜水泵、泥浆泵。

4) 及时获取天气信息，预先做好准备工作。

5)在进行现场平面布置时，考虑适当加大明排系统的能力，并加强管理保持其畅通。

3、基坑围护出现渗漏的预防措施

1)应急情况的预计和分类：

(1) 情况一：围护桩周围有明显的潮湿痕迹；

(2) 情况二：围护桩周围有水珠慢滴的现象；

(3) 情况三：围护桩周围有水线渗漏现象；

(4) 情况四：围护桩周围有高压小水柱急渗现象。

2)发生情况一、二时，基坑堵漏施工方法：

(1) 在坑壁围护桩间隙附近确定渗水范围。

(2) 剔除围护桩间隙泥土，凹糟深度为10cm左右。

(3) 清洗凹糟，凹糟内先用快干水泥抹涂5cm左右控制渗水，后再用快干水泥拌砂1：1抹涂5cm左右封平凹糟。

(4) 在离渗漏点3米范围在三轴桩(单排时)的外侧每隔500mm距离进行双液注浆，三轴桩(双排时)在两排之间进行双液注浆，以对该范围的土体加固及切断渗水路径。

3)发生情况三时，基坑堵漏施工方法：

(1) 确定渗水范围(一般为坑壁围护桩间隙)。

(2) 对渗水处先用麻片布进行堵塞，控制渗水源头。

(3) 剔除围护桩间隙泥土，凹糟深度为20cm左右。

(4) 清洗凹糟，凹糟内先用快干水泥抹涂10cm左右控制渗水，同时置入引流管导水，后再用快干水泥拌砂1:1抹涂10cm左右封平凹糟。

(5) 使用专用注浆泵，将“TZS聚氨酯”从注浆管中缓缓地注入土体中，待浆液注满后，随时扎住注浆管(一般压力控制在0.2～0.3MPa左右)。

(6) 注浆后24h确认无渗漏时割管作封闭处理。在进行坑内封堵时，同时在渗水点后面的止水帷幕侧采取双液双管注浆，从根本上消除渗漏路径。1

4)发生情况四时，基坑堵漏方法：

(1) 将漏水部位扩缝凿成“V”型槽，再用水清洗干净。

(2) 在“V”型槽内预埋导流管后，用干海带或棉花胎在导流管四周塞紧再用水玻璃配PO32.5级普通硅酸盐水泥将“V”型槽封闭，待水泥达到一定强度后封闭导流管。如流水量相对比较大时要同时预埋注浆管，采用化学注浆。

(3) 使用专用注浆泵，将“TZS聚氨酯”从注浆管中缓缓地注入土体中，待浆液注满后，随时扎住注浆管(一般压力控制在0.2～ 0.3Mpa左右)。

(4) 注浆后24h确认无渗漏时割管作封闭处理。在进行一般性堵漏时，同时在渗水点后面要采取双液双管注浆以防渗水面扩大。

5)当发生情况四，并且漏水较严重时的处理：

(1) 立即将漏水部位用P32.5水泥堆包堵漏，采用“222”法双液注浆法截断坑外水源头。

(2) 坑内、外堵漏施工同时进行，坑内堵漏，采用“堵漏王”注入漏水点。

(3) 坑外堵漏：用一台工程地质钻机在漏水点正后方2m处开机钻孔，孔径100mm，成孔深度比出水点高出2m，成孔后在孔内并排振动插入两根注浆管，间距2cm，在其中一管中首先泵入水泥浆液，观察水泥浆液是否从漏水点流出，当发现在漏水点有黑褐色水泥浆液溢出时，此时在另一根管中泵入水玻璃溶液，由于水玻璃的凝结固化作用，5min后渗漏点漏出浆液逐渐变稠，20min后渗漏点闭合，为增强封闭效果同时填补可能存在的裂隙，继续原地注浆30min，然后停止送入水玻璃溶液，而边往上拔管、边注入水泥浆液，用以填补钻孔形成的孔洞。

(4) 双管双液注浆应注意的关键几点：

a)应防止止水帷幕与围护钻孔灌注桩之间留有间隙，发生止水帷幕局部失效，在此间隙中形成漏水环形通道，从而导致漏水源的扩大。

b)双管双液注浆法具有止水迅速、持效时间长、施工简便的优点，其成功关键在于截断漏水通路。由于很难直接探明漏水路线和位置，因此具体操作时可按“222”的方法执行，即双管插入间距2cm，插入深度比出(漏)水点浅2m，插入位置在漏水点后2m，且凝结剂必须在确认水泥浆液从出水点溢出后才能投放，注浆时注浆管压力可控制在1.0～1.5MPa之间 。1