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[基坑支护设计] 武汉地铁王家湾站基坑垮塌事故原因分析

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    5 天前
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    [LV.10]元古宙

    发表于 2014-12-22 12:16:45 | 显示全部楼层 |阅读模式
    [size=1em]武汉地铁王家湾站基坑垮塌事故原因分析


    武汉地铁王家湾站基坑垮塌事故原因分析——导语 王家湾站为武汉市轨道交通4号线与3号线的换乘车站,采用“十”字型换乘,外带商业开发。车站位于汉阳区龙阳大道与汉阳大道交叉路口,地处繁华地段。汉阳大道红线为50m,龙阳大道红线为60m。在汉阳大 .....

    2014-12-19 10:29   




    导语

    [size=1em]王家湾站为武汉市轨道交通4号线与3号线的换乘车站,采用“十”字型换乘,外带商业开发。车站位于汉阳区龙阳大道与汉阳大道交叉路口,地处繁华地段。汉阳大道红线为50m,龙阳大道红线为60m。在汉阳大道和龙阳大道路中均有规划高架桥经过。

    2012年12月30日,王家湾站基坑开挖工程中,3号线方向南端头基坑出现垮塌事故。




    坍塌现场




    一、设计情况介绍(基坑事故所在位置)

    1、车站简介


    3号线为二层侧式车站,南侧设单渡线,车站总长约480.6m,宽约20.35m~44.5m,地下一层为站厅层,地下二层为站台层。


    2、车站周边环境


    地势东西向起伏较大、南北向较平坦,周围楼房密集,是武汉南北和东西向的交通要道交叉路口。部分规划尚未实现,现况路边场地较为宽阔,道路下方地下管线密集。

    大致的地理位置(4号线为东西方向,3好像为南北方向)

    路口以南350m左右西侧为正在营业的武汉摩尔城,二层地下室,支护型式为桩加预应力锚索,因部分锚索已进入车站基坑内,在施工本基坑前应将锚索凿除;东侧为武汉富豪4S店,2层钢结构,人工挖孔墩基础,埋深6-8m。


      2、地质情况

    根据王家湾站岩土工程勘察报告(详细勘察阶段),揭露深度范围内,场地分布地层自上而下可分为以下几个单元层,各岩土层按不同岩性及工程性能分为若干亚层,其分布情况及工程地质特征描述如下。

    (1-1)填土(Q4ml);(6-1)粉质粘土(Q4al);

    (10-1)粉质粘土(Q2-3al+pl);

    (10-1-1)粉质粘土(Q2-3al+pl);(10-2)粘土(Q2-3al+pl)

    (11-1)含粘性土细砂(Q2al+pl);(1-1)填土(Q4ml)

    (6-1)粉质粘土(Q4al);(10-1)粉质粘土(Q2-3al+pl)

    (10-1-1)粉质粘土(Q2-3al+pl);(10-2)粘土(Q2-3al+pl)

    (11-1)含粘性土细砂(Q2al+pl);

    具体地质参数如下表。


    C、φ值参照湖北省《基坑工程技术规程》提供,仅供基坑支护设计使用;基本承载力、极限承载力根据《铁路工程地质勘察规范》(TB10012-2007/J124-2007)提供。

      3、围护结构设计

    围护采用D1000@1200钻孔灌注桩,标准段采用3道支撑,其中第一道支撑为混凝土支撑,第二、第三道支撑为钢支撑,D800δ16;在端头位置,因基坑深度较大,采用3道支撑,并换撑一道。

    1)围护平面及第一道支撑平面布置图



    2)第二、第三道支撑平面布置图



    3)端头位置基坑横断面图



    4)端头位置基坑纵断面图




    二、基坑垮塌过程

    根据“基坑局部坍塌抢险的技术咨询意见”中的情况分析,武汉市轨道交通3号线王家湾站南端头井开挖施工深度至17m左右(距基底标高约2m),第一道钢筋混凝土内支撑及第二、三道钢支撑已安装完毕。2012年12月30日 上午11时30分左右,南端头井坑壁发现渗水,伴随坑边地表下沉,路面开裂,12时左右南端头支护桩突然在桩顶以下约10m处折断,靠近端头井侧壁部分支护桩受牵引发生较大变形,冠梁破坏,端头井基坑局部坍塌。

    根据施工方汇报的情况,在早上10点左右就发现混凝土支撑(第一道支撑)出现微裂缝,随后围护桩间抹平出现掉皮现象。现场在11点多发现渗水,地面下沉路面开裂……(后面的情况与咨询意见一致)。

    但与现场业主沟通了解情况。因当时施工方说在约在10m深度出现裂缝,问裂缝到底在什么位置,是第二道支撑之上还是之下,答复说,现场工人说的是地下10m的位置(对第二道支撑之上或之下没有明确说,显然是不太清楚的)


    三、原因分析

    因为现场情况并不是十分准确,按照以下多种工况进行了计算,情况列表如下:


      1、原设计条件(全过程)

    王家湾站基坑垮塌验算A原状土全过程基坑开挖深度为20.6m,采用1000@1200灌注桩围护结构,桩长为31.6m,桩顶标高为0m。计算时考虑地面超载20kPa。








      3、开挖17m计算(假定上部土体变差)




      4、支撑第三道未架设(原状土)




      5、支撑第三道未架设(假定上部土体变差)




      6、桩内力汇总


      7、施工图围护桩承载力

    基坑垮塌范围,围护结构主要参数:

    (1)、采用D1000@1200桩,混凝土等级C35;主筋28Φ28;箍筋Φ12@100(加密区,支撑上下各2m),Φ12@200(非加密区)

    (2)、混凝土支撑800×1000,混凝土等级C35;

    (3)、钢支撑D800t16,Q235级钢。(≈45°斜撑)最大长度L=18.25m,中间有联系梁。

    (4)、根据以上参数,计算得到桩体承载力:

    抗弯承载力设计值:                      1840KN*m

    抗剪承载力设计值(加密区):             1350KN

    抗剪承载力设计值(非加密区):           740~1020KN

    (因抗剪与剪跨比λ=M/(V*h0)有关,且1≤λ≤3)

    对比各计算过程,围护结构弯矩完全满足要求,抗剪承载力也完全满足各种工况。

    对原状全过程工况计算,最大剪力时工况如下,出现剪力最大处,弯矩较小,实际λ=1,抗剪承载力约1000KN。


      8、假设漏水水管至基底以下1m范围土层参数全部折半

    漏水水管约地下4m,假设地下4m至基底以下1m(约地下18m)范围土层参数因漏水浸泡后参数全部折减一般,考虑漏水影响。



    可见按正常工序进行支撑架设(即3道支撑),即使漏水点(约地下4m)以下所有土体参数全部折减一半,桩的抗弯、抗剪承载力均满足要求。如果只有两道支撑,则桩的抗弯、抗剪不能满足要求。

    但实际上,土层均为若透水层(渗透系数10^(-6) cm/s数量级),即使漏水也很难很快就渗透到很深的范围,而施工现场围护桩内表面在事故前并无明显出水现象,故上述假设漏水一下所有土层参数折减一半是非常保守的。

      9、钢支撑构件等验算

    经初步验算,当采用三拼工45b钢腰梁时,钢腰梁的抗剪承载力达到V=2174KN,对于水土合算的各工况均未超过抗剪承载力设计值。

    经初步验算,支撑节点焊缝承载力Vmax=2432.2 kN,对于水土合算的各工况均未超过抗剪承载力设计值。

    对于考虑漏水点以下所有土层参数折半的情况,钢支撑与腰梁连接节点抗剪承载力不满足要求。



    经初步验算,抗剪蹬与钢腰梁的焊接承载力:

    V=1528*√2=2160KN,对于水土合算的各工况均未超过抗剪承载力设计值。

    对抗剪蹬的两块钢板之间的内部连接经验算也满足要求。


    四、实际情况分析

    工地出现垮塌事故后,在4号线全线工地巡检途中,有施工单位反映,在当时王家湾站基坑出现问题后,他们被要求过去支援,看到的情况并不是某某局施工单位自己汇报的那样。

    而且根据支援抢险单位的反映,在汉阳这边地质条件好的位置,有些做法,比较普遍

    如果没有架设第二道钢支撑,支护结构的情况如下:

    开挖至9.4m的内力及位移:



    开挖至17.0m的内力及位移:

    根据前面计算桩的最大承载力:

    抗弯承载力设计值:                      1840KN*m

    抗剪承载力设计值(加密区):             1350KN

    抗剪承载力设计值(非加密区):           740~1020KN

    (因抗剪与剪跨比λ=M/(V*h0)有关,且1≤λ≤3)

    实际在开挖至14.8m时,桩体受到的实际弯矩即将达到设计最大承载力,但仍有少量余地,此时桩有较大位移,应开始出现征兆。

    在开挖至17.0m时,桩体抗弯承载力完全不能满足要求,此时最大弯矩值在地下9m位置。

    为何在开挖至17m才出现事故,而不是在14.8m出现,因地下管线漏水情况等,无法确认。但可以肯定的说,土层的条件实际好于设计中考虑都变成淤泥土(C=5KPa,Φ=5°);根据设计规范取值的混凝土等级、钢筋强度等均有一定安全可靠率,实际混凝土强度、钢筋抗拉强度等均大于设计值,故基坑没有在开挖至14.8m时出现问题。

    根据工点设计院向现场施工管理人员了解,钢腰梁是否设置了抗剪蹬,施工单位人员支支吾吾说“部分位置有”,估计现场实际是没有按照设计要求设置的。


    五、结论

    1、设计是足够安全可靠的。

    2、施工到底按照设计图纸要求实施没有,无人查证。

    3、桩体断裂应是受弯折断,非施工、业主所称的受剪破坏。

    4、根据现场及相邻工点单位了解情况,施工现场十分过分,将设计的富裕度全部吃掉。

    5、钢腰梁在盾构井等角部位置(尤其不是扩大段的端头井),并不可靠,建议今后全部改为混凝土腰梁,避免施工单位安装滞后甚至不安装。

    6、基坑虽然填平,但是断桩的形态在重新挖开后是可以看到的。虽然支撑的多少,理论上也是可以查证的,但实际因土方重新开挖时间长,无法完全控制过程,一旦施工方想隐瞒,难以找到确实证据。

    7、最终官方处理意见是,事故是因为端头井外的污水管漏水致土层变差,最终致桩剪短。当然,明白人想想也知道是怎么回事。

    8、经过该事故后,武汉市4号线地铁基坑设计,加强了端头井处第一道撑以下的腰梁设计(尤其是非扩大段的),建议为混凝土腰梁。

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