基坑工程安全技术讲座

基坑工程安全技术讲座陈龙珠安全与防灾工程研究所讲座的主要内容基坑支护的工程作用基坑支护体系类型及其应用范围基坑工程设计、施工要点基坑工程施工监控要点基坑工程的安全性问题基坑支护及开挖施工安全预评一、基坑支护的工程作用基坑是为了修筑建筑物的基础或地下室以及开发地下空间(如地铁车站、地下商场、人防工事)等而开挖的、面积较大的深坑。基坑支护(围护)工程是指在开挖基坑时，为了保证坑壁不致坍塌或过大位移而危及坑中主体结构基础和周围环境安全所采取的工程措施的总称。基坑支护的作用，主要是挡土、止水。基坑工程现行标准：国家行业标准《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120-99）、浙江省标、上海市标等。上海环球金融中心主楼基坑上海新资大厦基坑上海鹏利海景花园基坑二、支护结构的基本型式放坡开挖悬臂式支护结构重力式支护结构内撑式支护结构拉锚式支护结构土钉墙支护结构SMW工法等其它支护结构地下连续墙基坑支护体系主要部分的功能(1)支护结构：基坑支护工程中采用的支护墙体(包括防渗帷幕)以及内支撑系统(或土层锚杆)等的总称。支护墙体(包括防渗帷幕)：承受坑内外水、土侧压力以及内支撑反力或锚杆拉力，保证坑壁稳定，其中防渗帷幕防止坑外的水渗流坑内，并控制因坑内外水头差造成的流砂及管涌等现象。内支撑系统：是由围檩、支撑杆件、立柱等组成的结构体系，其作用是和坑底被动区土体共同平衡围护墙体外的主动区压力(包括土压力、水压力及地面荷载引起的侧压力)。围檩：一道或几道沿着支护墙体内侧设置、将支护墙体所受的力趋于均匀并传递给支撑杆件；支撑杆件：承受着围檩传来的轴力和弯矩；立柱：承受支撑及施工荷载的重量，增加对支撑杆件的约束。(2)地基土加固：在支护墙体外侧或内侧（坑底）对土进行的加固，以提高地基土的强度、模量，并减少其渗透性。地基加固工艺类型：(1)深层水泥搅拌桩；(2)旋喷桩；(3)注浆。地基加固位置类型支护墙外侧：减少主动土压力，同时增强防渗帷幕。支护墙内侧坑底：提高被动区土抗力，减少围护墙侧向位移。坑底以下：在开挖前于坑底以下，围护墙底平面以上某范围内做一不透水加固土层，并与周围墙体连成整体，利用加固土层以上土重来平衡和抵抗承压水。(3)地下水控制：在坑内、外地表设集、排水沟，或埋入一系列井管并利用专用设备连续抽水，使地下水位低于坑底面0.5m以上，以便开挖和支护体系稳定。控制方法：集水明排，降水，截水，回灌。地下水控制方法适用条件1－井管；2－滤管；3－总管；4－弯联管；5－水泵房6－原有地下水位线；7－降低后地下水位线轻型井点法降低地下水位示意图放坡开挖坑内外一般均需要布置井点降水整体稳定性抗力分项系数不小于1.1~1.2坑边大量堆土，会使浅坑变深坑而失稳！悬臂式支护结构RC排桩或地连墙重力式支护结构坝宽/坑深0.8坝深/坑深2抗倾覆分项系数不小于1.4；抗水平滑移分项系数不小于1.2１—搅拌桩；２—插筋；３—面板内撑式支护结构各种内支撑的特点平面尺寸不大，且长短边长相差不多的基坑宜布置角撑。开挖土方空间较大，但变形控制要求不能很高。钢支撑和钢筋混凝土支撑均可布置；支撑受力明确，安全稳定，有利于墙体的变形控制，但开挖土方较为困难。多采用钢筋混凝土支撑；中部形成大空间，有利于开挖土方和主体结构施工。多采用钢筋混凝土支撑；支撑体系受力条件好；开挖空间大，便于施工。开挖面积大的基坑宜采用；在软弱土层中，不易控制基坑的稳定和变形。便于土方开挖和主体结构施工，但仅适用于周边场地具有拉设锚杆的环境和地质条件。部分支护结构类型的适用范围结构形式适用范围排桩稀疏排桩土质较好，地下水位低或降水效果好连续排桩土质差，地下水位高或降水效果差框架式排桩单排桩刚度不能满足变形要求组合排桩排桩加挡板排桩桩距较大，利用挡板传递土压并有一定防渗作用排桩加水泥搅拌桩以水泥搅拌桩互搭组成平面拱代替挡板传递土压力，具有较好的防涌效果排桩加水泥防渗墙地下水位较高的软土地区排桩或组合排桩加锚杆开挖深度较大，排桩或组合排桩结构强度无法满足要求地下连续墙与地下室墙体合一，防渗性强，施工场地较小，开挖深度大沉井软土地区重力式挡土墙具有一定施工空间，软土地区拉锚式支护结构工程中应用不多见土钉墙挂网喷射砼土钉验算工况喷射砼面层内配钢筋直径为6～10mm，间距宜为150～300mm；喷射砼强度不宜低于C20，厚度不宜小于80mm；土钉钢筋宜采用Ⅱ、Ⅲ级钢筋，直径宜为16～32mm，钻孔直径宜为70～120mm；开挖期地下室施工期有软夹层整体稳定性抗力分项系数不小于1.3三、基坑支护设计与施工基本要求基坑支护设计与施工，应综合考虑工程地质与水文地质条件、基础类型、基坑开挖深度、降-排水条件、周边环境及其对基坑侧壁位移的要求、基坑周边荷载、施工季节、支护结构使用期限等因素，做到因地制宜，因时制宜，合理设计、精心施工、严格监控。基坑支护结构应考虑下列两类极限状态:承载能力极限状态:对应于支护结构达到最大承载能力或土体失稳、过大变形、管涌导致支护结构或基坑周边环境破坏；正常使用极限状态：对应于支护结构的变形或流水流土已妨碍地下结构施工或影响基坑周边环境的正常使用功能。基坑工程安全等级及重要性系数o安全等级破坏后果o一级行标：支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响很严重。浙标：软土地区开挖深度大于8m；支护结构是主体结构的一部分；基坑影响范围内有重要建筑建筑或需严加保护的管线。1.10二级行标：支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响一般。浙标：除一级、三级以外的基坑。1.00三级行标：支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境及地下结构施工影响不严重。浙标：开挖深度小于5m，且周围环境无特殊要求。0.90注：o相当于荷载调整系数。基坑支护设计、施工前应掌握的基本资料场地工程地质和水文地质、气象资料；（注意了解坑边区域地质情况，包括回填、有机质含量等）工程用地红线、建筑总平面图、地下结构施工图；（涉及支护方案的技术和经济性、地下越界审批的可能性等）基坑周围道路与地下管线详图；（注意了解坑边区域地下废弃管道、防空洞等）邻近建筑物和地下设施的类型、基础、结构特征及其与基坑的相对位置。（注意了解既有建、构筑物安全现状和控制要求等）基坑支护设计应包括的内容：支护体系方案比较和选型；各工况下支护结构的强度和变形计算（三级坑变形可不算）；基坑稳定性验算；支护结构构造及实施技术措施要求；地下水控制要求；挖土及支撑施工顺序和要求以及应急措施；现场监测项目和控制指标。基坑工程施工前应具备的技术资料：基坑支护设计施工图；施工组织设计（含应急措施）；现场监测技术方案。支护结构稳定性验算（1）分项系数不小于2.0分项系数不小于1.6支护结构稳定性验算（2）)(2.1wa0hhhd抗渗验算图式分项系数不小于1.15施工控制要点严格按图施工支护结构施工质量降水效果开挖分层分块-严禁超挖讲究时空效应-及时浇筑垫层和基础加强现场管理应急措施到位挖土卸载方案的合理性问题华元良渚坑边应急卸土方案比较并未实质性减小坑深！四、基坑监测监测：在基坑工程施工过程中，对基坑支护结构本身和周围地层、建筑物、地下管线等的受力和变形、地下水位变化等进行的量测。监测的目的：确保基坑工程本身的安全；对基坑周围环境进行有效的保护；检验设计假定和参数，为改进设计方法提供依据。当支护结构施工有挤土效应时，在其施工期即应做有关的现场监测工作。监测预警：由规范、设计和主管部门的相关要求，结合工程经验取定，各方认可。基坑监测项目监测技术要求监测时期与频次支护墙顶水平位移和沉降、支护墙深层水平位移监测：从开挖到浇筑完结构底板：1次/天；浇筑完结构底板到施工到±0.00：2-3次/周；各道支撑拆除后的3天到一周：1次/天。内支撑轴力和锚杆拉力监测从支撑和锚杆施作到全部支撑拆除：1次/天。土体分层沉降、回弹、水土压力、围护墙体内力监测：基坑每开挖其深度的1/5-1/4，测读2-3次或1-2次/周；在每道内支撑(锚杆)施工间隔内，测读2-3次或1-2次/周；开挖到设计深度到浇筑完结构底板，3-4次/周；浇筑完结构底板到全部支撑拆除，1-2次/周。监测时期与频次地下水位监测频率从基坑开挖到浇筑完结构底板或整个降水期间：1次/天。环境监测频率支护桩墙和止水帷幕施工期：1次/天（建筑倾斜和裂缝：1-2次/周）；从开挖到浇筑完结构底板：1次/天；浇筑完结构底板到施工到±0.00：2-3次/周；各道支撑拆除后的3天到一周：1次/天；沉降和水平位移到结构±0.00：1次/天。监测预警条件（参考国家行标、上海地标）一级二级三级基坑深度(m)149～149地下水埋深(m)22～55软土层厚度(m)52～52与邻近建筑基础或重要管线边缘净距(m)0.5H0.5～1.0H1.0H监控值设计值监控值设计值上海市墙顶位移(mm)305060100参考二级基坑，可适当放宽。墙体最大位移(mm)608090120地面最大沉降(mm)305060100最大差异沉降6/100012/1000变形速率的控制：一级2mm/天，二级工程3mm/天。监测预警条件（参考国家行标、上海地标）煤气管的沉降和水平位移：累计10mm，2mm/天；自来水管的沉降和水平位移：累计30mm，5mm/天；坑外水位下降：累计1000mm，500mm/天；立柱桩隆起或沉降：累计10mm，2mm/天。煤气管、水管、光和电缆等监控报警值最好由市政主管部门提供。五、基坑工程的安全性问题基坑工程是临时性措施，有关单位追求低造价，导致其安全储备较小。基坑工程面对着复杂的地基和环境条件，其设计分析方法并不完善，至今还停留在半经验、半理论的技术水平上。基坑支护系统施工、开挖、主体地下结构施工、现场监测一般由不同的单位承担，各方按图施工及基坑开挖过程中的工作协调往往不易做好，监管重点和应急对策常常难以把握到位。基坑工程事故（险情）时有发生。上世纪90年代的发生率约为20％左右，有的城市达30％。基坑工程事故不但威胁生命安全，给工程自身带来较大的经济损失，而且还会对周围的管线、道路、房屋等的正常使用产生负面影响，甚至有可能引发社会稳定问题。基坑工程事故类型支护体系破坏形式失事基坑工程的支护结构类型统计1234567890.00.10.20.30.40.50.0140.1010.1150.1010.0270.0610.0680.0680.439排桩支护其他放坡水泥搅拌桩土钉支护地加下支连撑续墙地下连续墙桩撑桩锚悬臂桩频率基坑事故原因统计失事基坑深度统计基坑事故环节分类基坑安全性问题的技术来由危险环节：勘察、设计、施工、使用、拆除。设计环节：对未深刻认识的问题，建模和求解可能失效。作用（荷载）系统（结构）响应（事故）分析难点：土压力与支护结构、土体变形之间相互依赖。建模实际系统求解修正解答检验参数分析深刻认识系统应用六、基坑安全预评-故障树方法需要一套有效的评价体系，对基坑支护工程的安全性作出分析，预防性指导基坑工程的设计、施工和监测，以减少基坑工程事故的发生。针对采用较多且事故率较高的四种支护结构：排桩支护、深层水泥土搅拌桩挡墙、土钉支护和放坡开挖，对基坑工程的安全评价进行研究。安全评价和故障树方法介绍安全评价是应用安全工程原理和技术，对系统中存在的危险因素进行识别与分析，判断系统发生事故的可能性及其严重程度，并根据可能导致事故风险的大小，提出相应的安全对策建议，从而为系统制定防范措施和管理决策提供科学依据。判别指标危险性识别危险度评价安全评价危险源辨识（辨识）1.危险、危害因素2.危险性变化计算风险率（确认）1.事故发生概率2.后果严重度（设定）风险判别准则危险性控制（确认）采取措施1.消除危险2.减低危险常用安全评价方法一览