随着我国近二三十年来大规模地下工程建设的实施,建设者从地铁、地下管道等建设中积累了大量的经验。本着成功与失败都是经验,为了促使今后地下工程建设的更加顺利和环境的更加安全,笔者试图就一些工程问题作些浅显的总结、分析,与大家分享和探讨。
地下与地上工程建设施工相比,不同之处在于地下工程施工环境条件复杂,施工方法不同。在复杂的地下环境条件下施工,要应对周围围“岩”复杂的地质条件和地下水的影响,考虑施工安全,需要有针对性的施工措施和土体加固方法;而在城市环境条件下施工,更要考虑各种近接的地上地下建筑物、构筑物和管线这些“邻居们”的安全,需要针对性更强、范围更广、更加复杂和更加严格的施工措施和加固方法。作为隐蔽工程,在保证合格的施工质量的前提下,既要保证自身施工安全,还要保证周围环境安全。有时会面对几乎苛刻的变形控制要求,这对于城市各类地下工程的施工无疑是个新的挑战。
地层的变形与控制地下工程使地层经历了应力场变化的过程,甚至最终改变了地层的初始应力状态。土层的开挖使地中应力释放,附加应力发生变化。任何支护结构的施工与操作,都不能瞬时完全代替被挖去原状土的作用,也不能改变因挖土使土层产生应力变化的过程。无论从加固范围到加固效果,任何土体加固都无法保障使土体达到完全理想的状态。理论上,土中任何应力的改变都会造成地层的变形。附加应力的增减,会使地层压缩沉降;应力释放,也会造成地层隆起。地下工程施工就是伴随地层应力状态变化的过程。
因此,地下工程施工势必对环境中既有地上、地下构筑物造成影响。为了保证既有结构的安全,对新建地下工程产生的地层变形提出控制要求理所应当,而既有结构情况多种多样,有些要求甚至相当严格。城市简支梁桥,盖梁为主要控制对象,以横向基础沉降差或不均匀沉降控制;连续梁桥以纵向相邻墩台沉降差控制为主;房屋建筑以不均匀沉降控制;道路根据其等级不同,使用要求高低不同,目前北京对高等级路面控制值一般为15毫米,还有不平整度控制指标;轨道交通控制最严,以两轨道变形控制值为3毫米;而管道控制值则与管道的类型、直径、材料、使用年限和连接方式等有关。
我们对施工安全的认识应该从只重视自身安全,向在保证自身安全的同时,也要保证环境安全、既有结构安全和正常使用的全面安全而转变。对于不同的既有结构我们应该从实际出发,根据其自身情况,通过现代计算方法、试验手段和经验,提出保证其安全和正常使用的相应控制指标。制定基于针对风险源、风险对象和风险载体三方面治理的有针对性的专项施工方案,采取相应的施工和加固措施,以满足环境和既有结构的要求。
地勘报告的真实与完整至关重要
地质勘查报告是我们进行工程设计重要的参考依据,也是我们进行地下工程施工的依据,应根据地质条件选择适合的地层加固措施和工程施工工法。勘查报告应该真实的反映地层在新建地下建筑区域和其影响区域的分布情况,特别是地下水的情况。在实际工程中,特别是在地层分布复杂的情况下,由于勘查孔距离过大,不能形成较为完整的地质剖面图。有的工程甚至一个地区用一张地质图施工;有的地勘过时或过季,土层情况虽不会有什么变化,但地下水的情况却不能真实反映,工程施工无从依据或参考。这样的结果会造成施工方法无针对性或措施跟不上,只能边挖边看,出现问题,再想办法,出现事故也就不足为奇了。
当不能带水施工时,是降、是排、还是止?选择哪种措施与周边环境有关。降水会造成降水区域地层下沉,建筑稠密区会造成近接建筑的沉降变形,因此抽水、降水一般不被批准。由于水量大,明排也不可行,大量水的明排还会造成土层中粉细颗粒的流失,在地层中产生孔洞,造成地面下沉或坍塌。因此止水、堵水措施往往是最佳选择。然而,这些都需要依据一个真实完整的地勘报告。
善用注浆加固的方法注浆加固是针对土体加固的好方法,被工程界广泛使用。我们常在一些工程中听到,需要阻水时注浆,需要加固时注浆,需要控制沉降时注浆,需要保护既有结构时还是注浆。的确,注浆可以在很大程度上帮助解决以上问题。但是要达到注浆加固的目的,必须实现好的注浆效果,并不是在图纸上绘出注浆加固区的几何范围,提出注浆标准,掌握注浆操作,问题就解决了。注浆范围不是画出来的,是注出来的,与地层条件、土质条件有关,注浆效果与注浆经验关系很大。应根据注浆设计要求,制定好注浆方案。要具体情况具体分析,解决怎么注、注得好的问题。要研究地层分布、土质条件、注浆方法、注浆孔布置等与注浆参数之间的关系。要学会从注浆施工中的信息反馈,分析因素之间的关联,及时调整注浆参数,修正注浆方案,更好地满足设计要求的注浆范围、均匀程度和注浆体强度等问题。尽可能地达到设计要求的注浆效果。
根据注浆加固对象的土质、土层情况,针对注浆范围内存在的各种管线和构筑物,制定有针对性的加固方案,解决注浆效果和注浆压力的矛盾,这对于防止因注浆而造成对既有管线的破坏、浅埋上覆土体的隆起,或是跑浆、窜浆都是十分重要的。
注浆加固的效果体现在:(1)增加了被注浆加固土体的刚度和强度、减小了因地应力的变化引起的土体自身变形;(2)改善了因地下工程开挖而造成的周边土应力状况的变化,减小了受影响范围内土体的变形,最终保护了工程和环境的安全。因此设计者在确定注浆范围时,应考虑以上两方面的问题,使其加固设计更加符合力学规律。
重视对管线的保护许多工程案例说明,在带压、易燃管线附近施工存在较大的环境风险,一旦这些管线出现问题,结果往往是灾难性的。对于带压、易燃管线保护的重要性不言而喻。而将既有雨水和污水管线的存在视作发生工程事故的隐患并不过分。更多的教训告诉我们,既有雨、污水管线渗漏断裂带来的次生灾害往往也是灾难性的。因此,对于工程施工中更多近接既有雨、污水管线的工程,应给予高度重视。
近接既有管线施工,对既有管线应有的具体保护措施,必须严格控制其变形在允许范围内。如对于既有旧的雨污水管线,已经漏水、渗水的不少,造成管线接口处存在流塑状态的软土区或是水囊。特别是顶管施工的管线接口都比较简单,微小的不均匀沉降都可能造成管线的渗漏。这对于开挖到此管线下方的隧道等地下工程,实在是顶在头顶的雷。对于较大管径的雨污水管线,这种风险存在的可能性更大。因此,在既有管线内做内衬是较好的选择;管线导改则是更好的选择。
对于情况较好的管线,严格控制其不均匀沉降十分重要。由于是地下隐蔽工程,且对既有管线变形控制值的影响因素太多,如修筑时间、直径、接口形式、材料和沉降变形现状等,即便用机器人等设备探查,也很难准确地了解地下管线的渗漏情况。因此,针对一条管线确定其具体控制指标比较难。对于许多工程来说,根据某个相关规定就给出相关控制指标,显得过于粗糙。而结合工程经验来确定,或是在某种先决条件下确定控制指标,可靠程度都可能打了折扣,或者说仍然冒着一定的风险。因此这种情况下,要根据管线的具体情况,具体分析并综合考虑。即便是有沉降控制指标,在危险管线近接施工中还是要小心谨慎,做好应急准备,最好是先探后挖,以便及时发现问题,及时采取措施。
保护措施的扬长避短对于某些保护、隔离措施的使用,应清楚需要其发挥的作用,避免施工中的副作用。
管棚作为一种浅埋暗挖工程的超前支护措施,对防止土层坍塌作用较显著,对保证掘进及后续工序的施工安全,起到了保证作用。但是对于沉降控制较为严格的工程,管棚对于减小地表下沉的作用往往不理想。而在管棚施工过程中带来的沉降,往往占工程总沉降的相当比例,使我们不能接受。针对这一原因,建议在严格控制沉降的工程中慎重采用。
隔离桩是将风险源和风险对象隔离的一种措施。隔离措施是通过切断风险源传播的途径,达到保护风险对象的目的。由于隔离桩的施工势必造成对周围地层的影响,因此隔离桩的布置应该尽量靠近风险源而远离风险对象,这样在起到隔离作用的同时,也可以减小隔离桩施工对风险对象的影响。同时既可以减小风险源的风险传播,还可以减小影响范围和隔离桩的工程量。当然在隔离桩成孔时,全套管跟成孔进对防止塌孔效果较好。
既有结构的状态与变形控制和监测
对于不同既有结构的安全,应根据其结构特点,地质环境和历史,采用不同的变形控制指标。对于建筑结构自身,即风险对象,一般自然环境和条件下,其自身承受变形的能力不会有太大的改变,也就是其对各类变形特征适应能力都可确定出一个数值,可以根据结构设计要求、结构形式、构造要求和材料配筋等,确定其适应各种地层变形特征的控制指标。对于多个工程施工影响,其风险源不止一个,影响可能有先有后。在此情况下,应区分不同风险源是同期作用,还是分先期后期作用。作用时间间隔较短,不同风险源的影响值应该叠加,这对各施工控制往往会带来很大难度。如果两个不同风险源先后作用,作用时间间隔较长,考虑既有结构在土中有一定的自适应性,又兼顾叠加影响,宜在原变形的基础上,适当地折减出先期作用风险源影响下的残留变形,作为先期作用风险源的变形值,在总的变形控制值不变的前提下,相对留给后期作用风险源变形影响控制稍显宽松。我们既要关注既有结构的变形历史、使用状态,还要注意一些旧结构因历史和认识等原因,站在现代的角度去看原设计存在的一些缺陷,确定更加符合实际的变形控制指标。做到在保证工程按要求圆满实施的同时,也保证既有结构的安全稳定。
现在的近接工程往往控制值都很严格。对变形控制好的工程,小的变形量是一点点抠出来的,是通过严格控制每个施工工序,甚至每个施工步骤挤出来的。因此面对一个工程的变形控制指标,应逐项分解,应分解到每个工程的施工步序,按步骤施工与控制,没有一点点的积累,也不会有符合要求的控制结果。
要重视和做好施工监测,往往施工监测值的变化也是对环境变化的预测,同时也是对施工风险的预警。
沉降监测点的布置与设置1.隧道沉降监测点的布置,应设置在隧道开挖的正上方,深层测点要布置在隧道加固范围之上。
2.由于路面结构强度较高,在路面上的布点往往不能真实地反映路面结构以下土体的沉降情况。因此道路测点应尽量布置在路面结构层以下。监测完毕后应及时封闭,防止雨水渗入道路结构层以下,对路面的耐久性和抗冻性造成影响。
3.既有结构(特别是桥梁)的监测点,应该布设在有变形控制要求的结构所有相应的位置,应该准确反映出有变形控制要求的既有结构变形的变化。
工程案例基坑施工坍塌
某地铁车站明挖基坑工程中子基坑开挖。基坑长107米,宽21米,深度平均16米。某日下午基坑西侧大道发生大面积坍塌,坍塌面积长75米,宽20米,深15米;塌陷处60余人施工,事故造成死亡21人,受伤24人,11辆汽车坠落塌陷处,直接经济损失高达4962万元,造成中国地铁建设史上最严重的伤亡事故。
事故基坑采用地连墙加钢管内支撑的方法,如按要求精心施工,事先或及时采取有针对性的应对措施,本可避免事故的发生。
该工程失败的原因有以下几点:地连墙基本是嵌固在淤泥质粉质黏土中,土质条件差,墙埋深不够,根底软、浅;其下为含水砂层,抽水易发生流动,而淤泥质土因压力差的作用,容易发生蠕动;以上情况下本可对墙底部被动土压力区淤泥质土进行加固,或增加墙的入土深度,但面对这样的地质条件,本案未采取任何有针对性的加固措施;基坑旁边大道上车流量大;基坑开挖未按规定的方式施工;支撑架设不及时;本可将基底垫层施工作为支护结构最下边的一道撑,同时垫层对于防止基坑隆起也可发挥作用,但垫层未及时浇筑;钢管撑与地连墙连接薄弱。该做的未到位或没做,不该做的做了,多个因素的积累,最终导致工程事故的发生。
支护结构和其支护的土体是互为依靠的平衡关系。但以上原因致使墙后土压力不断发生变化、地连墙不断发生位移,加之支撑与支护结构的连接不牢,内撑、地连墙和土压力之间力的平衡关系建立不起来。在降水和道路车辆荷载作用等不利因素影响下,整个支护结构体系发生坍塌就不足为奇了。
不明检查井的威胁
某地铁区间隧道工程在城市道路下方施工,施工单位对于周边环境、既有地下管线逐条作了认真的调查。在施工上台阶开挖过程中,发现掌子面有渗水现象,虽然技术人员第一时间赴现场观察,因发展极快,来不及采取措施,施工人员在被迫撤离过程中,掌子面坍塌,大量泥水涌进洞中。因担心塌到路面造成行车灾害,便立即封堵了开挖位置的地面道路。表面上看路面并未发生塌陷,但挖开路面结构,其下方已形成巨大空洞,经及时回填,未对地面交通安全造成大影响。
事后分析原因,坍塌的是一座电讯井,因道路施工未将井口留在路面,而是被压在了路面结构层以下,在地面做管线调查时未能发现。事故发生在雨季,电信管线与井相连,因有水的电信管线将水输送到井中,井壁外和井底以下很大范围内的土在水长时间浸泡下呈流塑状态,当隧道开挖到井下方时,完全丧失了承载力的流塑状态土,产生了向隧道内的坍塌。此例告诉我们,对于隧道上方的土,长期浸泡,可呈现近于流塑状态,粉细砂可成流动状态,塌陷和喷砂冒水的风险也是非常大,这对下方隧道施工安全将构成非常大的威胁。因此在城市中的地下工程施工,对异常的环境条件,应该有充分的思想和物质准备,有相应的应急预案,做到防患于未然。而先探后挖也是针对可能出现不明地质环境和地质条件时可以采取的应对措施之一。
雨水管线渗漏的隐患
某工程单洞马蹄形断面,隧道宽9米,高9.6米。在直径约1.5米的污水管线下净距5.5米的位置顺行开挖。
由于污水管是顶管法施工,接头处存在长期渗漏水现象,在水的侵蚀下,形成泥、砂和水的混合体,当地铁隧道施工到该部位时,改变了软土周边应力平衡状态,土体涌入洞体,导致污水管断裂,大量污水和塌落的泥土冲进下方的地铁隧道中,造成隧道局部坍塌。与此同时,污水带着冲刷下来的土夹杂着污泥、淤泥排入隧道,导致隧道上方坍塌不断扩大并向地表发展,最终导致地表和路基、路面塌陷。这种情况下,由于路面下的管线断裂导致路面塌方的次生灾害往往是非常严重的,道路的坍塌往往是突发的,在主干道路下出现的此种事故往往是灾难性的。
在地下工程施工中如遇见雨、污水地下管线,一定要认真对待,了解它的建造年代、管材及施工方法,大直径、近满管流、年代久、顶管施工管线的断裂,可能带来灾难性后果。
立交桥下的穿越
北京某立交桥下地铁穿越。地下为双层地铁车站,覆土约9米,立交桥跨径37米,上部为宽幅单箱双室箱梁,下部墩为柱接四桩基础结构,梁从立交桥中跨穿越,车站结构开挖最近距离桥桩0.08米。
地铁施工中采取了诸多施工措施和加固方法,最大限度减少了对桥梁的危害。如利用洞桩法施工且深入到砂卵石层的桩,隔离了施工开挖面与桥梁桩基,对桥桩采用了大范围的深孔注浆措施,为预防万一,提前采取了防止沉降造成对箱梁影响的主动支顶措施。但结果仍造成箱梁开裂,为安全起见,最后采取了粘贴钢板的加固措施。分析桥梁自身原因:原桥下曾经有管线穿越,未有沉降记载,桥梁状态“原点”和现状未知。用现在设计人的角度看,原桥设计存在不足,桥梁的“身子骨”不太硬朗。施工方面:深孔注浆是否可以达到设计要求的理想效果,注浆范围是否需要加深……诸多问题值得思考。但施工结果证明诸多措施还是起到了一定的保护效果,特别是主动预支顶措施,最大限度地减少了地下施工对桥梁上部结构的威胁,避免了更大问题的发生,在保证地铁正常施工的同时,也保证了该桥正常的交通运营。
目前北京地铁穿越几大立交桥都采用了主动支顶措施,作为一个控制桥梁变形的“兜底”方法,效果很好,值得推广。
(作者单位/北京建筑大学)
随着我国近二三十年来大规模地下工程建设的实施,建设者从地铁、地下管道等建设中积累了大量的经验。本着成功与失败都是经验,为了促使今后地下工程建设的更加顺利和环境的更加安全,笔者试图就一些工程问题作些浅显的总结、分析,与大家分享和探讨。
地下与地上工程建设施工相比,不同之处在于地下工程施工环境条件复杂,施工方法不同。在复杂的地下环境条件下施工,要应对周围围“岩”复杂的地质条件和地下水的影响,考虑施工安全,需要有针对性的施工措施和土体加固方法;而在城市环境条件下施工,更要考虑各种近接的地上地下建筑物、构筑物和管线这些“邻居们”的安全,需要针对性更强、范围更广、更加复杂和更加严格的施工措施和加固方法。作为隐蔽工程,在保证合格的施工质量的前提下,既要保证自身施工安全,还要保证周围环境安全。有时会面对几乎苛刻的变形控制要求,这对于城市各类地下工程的施工无疑是个新的挑战。
地层的变形与控制地下工程使地层经历了应力场变化的过程,甚至最终改变了地层的初始应力状态。土层的开挖使地中应力释放,附加应力发生变化。任何支护结构的施工与操作,都不能瞬时完全代替被挖去原状土的作用,也不能改变因挖土使土层产生应力变化的过程。无论从加固范围到加固效果,任何土体加固都无法保障使土体达到完全理想的状态。理论上,土中任何应力的改变都会造成地层的变形。附加应力的增减,会使地层压缩沉降;应力释放,也会造成地层隆起。地下工程施工就是伴随地层应力状态变化的过程。
因此,地下工程施工势必对环境中既有地上、地下构筑物造成影响。为了保证既有结构的安全,对新建地下工程产生的地层变形提出控制要求理所应当,而既有结构情况多种多样,有些要求甚至相当严格。城市简支梁桥,盖梁为主要控制对象,以横向基础沉降差或不均匀沉降控制;连续梁桥以纵向相邻墩台沉降差控制为主;房屋建筑以不均匀沉降控制;道路根据其等级不同,使用要求高低不同,目前北京对高等级路面控制值一般为15毫米,还有不平整度控制指标;轨道交通控制最严,以两轨道变形控制值为3毫米;而管道控制值则与管道的类型、直径、材料、使用年限和连接方式等有关。
我们对施工安全的认识应该从只重视自身安全,向在保证自身安全的同时,也要保证环境安全、既有结构安全和正常使用的全面安全而转变。对于不同的既有结构我们应该从实际出发,根据其自身情况,通过现代计算方法、试验手段和经验,提出保证其安全和正常使用的相应控制指标。制定基于针对风险源、风险对象和风险载体三方面治理的有针对性的专项施工方案,采取相应的施工和加固措施,以满足环境和既有结构的要求。
地勘报告的真实与完整至关重要
地质勘查报告是我们进行工程设计重要的参考依据,也是我们进行地下工程施工的依据,应根据地质条件选择适合的地层加固措施和工程施工工法。勘查报告应该真实的反映地层在新建地下建筑区域和其影响区域的分布情况,特别是地下水的情况。在实际工程中,特别是在地层分布复杂的情况下,由于勘查孔距离过大,不能形成较为完整的地质剖面图。有的工程甚至一个地区用一张地质图施工;有的地勘过时或过季,土层情况虽不会有什么变化,但地下水的情况却不能真实反映,工程施工无从依据或参考。这样的结果会造成施工方法无针对性或措施跟不上,只能边挖边看,出现问题,再想办法,出现事故也就不足为奇了。
当不能带水施工时,是降、是排、还是止?选择哪种措施与周边环境有关。降水会造成降水区域地层下沉,建筑稠密区会造成近接建筑的沉降变形,因此抽水、降水一般不被批准。由于水量大,明排也不可行,大量水的明排还会造成土层中粉细颗粒的流失,在地层中产生孔洞,造成地面下沉或坍塌。因此止水、堵水措施往往是最佳选择。然而,这些都需要依据一个真实完整的地勘报告。
善用注浆加固的方法注浆加固是针对土体加固的好方法,被工程界广泛使用。我们常在一些工程中听到,需要阻水时注浆,需要加固时注浆,需要控制沉降时注浆,需要保护既有结构时还是注浆。的确,注浆可以在很大程度上帮助解决以上问题。但是要达到注浆加固的目的,必须实现好的注浆效果,并不是在图纸上绘出注浆加固区的几何范围,提出注浆标准,掌握注浆操作,问题就解决了。注浆范围不是画出来的,是注出来的,与地层条件、土质条件有关,注浆效果与注浆经验关系很大。应根据注浆设计要求,制定好注浆方案。要具体情况具体分析,解决怎么注、注得好的问题。要研究地层分布、土质条件、注浆方法、注浆孔布置等与注浆参数之间的关系。要学会从注浆施工中的信息反馈,分析因素之间的关联,及时调整注浆参数,修正注浆方案,更好地满足设计要求的注浆范围、均匀程度和注浆体强度等问题。尽可能地达到设计要求的注浆效果。
根据注浆加固对象的土质、土层情况,针对注浆范围内存在的各种管线和构筑物,制定有针对性的加固方案,解决注浆效果和注浆压力的矛盾,这对于防止因注浆而造成对既有管线的破坏、浅埋上覆土体的隆起,或是跑浆、窜浆都是十分重要的。
注浆加固的效果体现在:(1)增加了被注浆加固土体的刚度和强度、减小了因地应力的变化引起的土体自身变形;(2)改善了因地下工程开挖而造成的周边土应力状况的变化,减小了受影响范围内土体的变形,最终保护了工程和环境的安全。因此设计者在确定注浆范围时,应考虑以上两方面的问题,使其加固设计更加符合力学规律。
重视对管线的保护许多工程案例说明,在带压、易燃管线附近施工存在较大的环境风险,一旦这些管线出现问题,结果往往是灾难性的。对于带压、易燃管线保护的重要性不言而喻。而将既有雨水和污水管线的存在视作发生工程事故的隐患并不过分。更多的教训告诉我们,既有雨、污水管线渗漏断裂带来的次生灾害往往也是灾难性的。因此,对于工程施工中更多近接既有雨、污水管线的工程,应给予高度重视。
近接既有管线施工,对既有管线应有的具体保护措施,必须严格控制其变形在允许范围内。如对于既有旧的雨污水管线,已经漏水、渗水的不少,造成管线接口处存在流塑状态的软土区或是水囊。特别是顶管施工的管线接口都比较简单,微小的不均匀沉降都可能造成管线的渗漏。这对于开挖到此管线下方的隧道等地下工程,实在是顶在头顶的雷。对于较大管径的雨污水管线,这种风险存在的可能性更大。因此,在既有管线内做内衬是较好的选择;管线导改则是更好的选择。
对于情况较好的管线,严格控制其不均匀沉降十分重要。由于是地下隐蔽工程,且对既有管线变形控制值的影响因素太多,如修筑时间、直径、接口形式、材料和沉降变形现状等,即便用机器人等设备探查,也很难准确地了解地下管线的渗漏情况。因此,针对一条管线确定其具体控制指标比较难。对于许多工程来说,根据某个相关规定就给出相关控制指标,显得过于粗糙。而结合工程经验来确定,或是在某种先决条件下确定控制指标,可靠程度都可能打了折扣,或者说仍然冒着一定的风险。因此这种情况下,要根据管线的具体情况,具体分析并综合考虑。即便是有沉降控制指标,在危险管线近接施工中还是要小心谨慎,做好应急准备,最好是先探后挖,以便及时发现问题,及时采取措施。
保护措施的扬长避短对于某些保护、隔离措施的使用,应清楚需要其发挥的作用,避免施工中的副作用。
管棚作为一种浅埋暗挖工程的超前支护措施,对防止土层坍塌作用较显著,对保证掘进及后续工序的施工安全,起到了保证作用。但是对于沉降控制较为严格的工程,管棚对于减小地表下沉的作用往往不理想。而在管棚施工过程中带来的沉降,往往占工程总沉降的相当比例,使我们不能接受。针对这一原因,建议在严格控制沉降的工程中慎重采用。
隔离桩是将风险源和风险对象隔离的一种措施。隔离措施是通过切断风险源传播的途径,达到保护风险对象的目的。由于隔离桩的施工势必造成对周围地层的影响,因此隔离桩的布置应该尽量靠近风险源而远离风险对象,这样在起到隔离作用的同时,也可以减小隔离桩施工对风险对象的影响。同时既可以减小风险源的风险传播,还可以减小影响范围和隔离桩的工程量。当然在隔离桩成孔时,全套管跟成孔进对防止塌孔效果较好。
既有结构的状态与变形控制和监测
对于不同既有结构的安全,应根据其结构特点,地质环境和历史,采用不同的变形控制指标。对于建筑结构自身,即风险对象,一般自然环境和条件下,其自身承受变形的能力不会有太大的改变,也就是其对各类变形特征适应能力都可确定出一个数值,可以根据结构设计要求、结构形式、构造要求和材料配筋等,确定其适应各种地层变形特征的控制指标。对于多个工程施工影响,其风险源不止一个,影响可能有先有后。在此情况下,应区分不同风险源是同期作用,还是分先期后期作用。作用时间间隔较短,不同风险源的影响值应该叠加,这对各施工控制往往会带来很大难度。如果两个不同风险源先后作用,作用时间间隔较长,考虑既有结构在土中有一定的自适应性,又兼顾叠加影响,宜在原变形的基础上,适当地折减出先期作用风险源影响下的残留变形,作为先期作用风险源的变形值,在总的变形控制值不变的前提下,相对留给后期作用风险源变形影响控制稍显宽松。我们既要关注既有结构的变形历史、使用状态,还要注意一些旧结构因历史和认识等原因,站在现代的角度去看原设计存在的一些缺陷,确定更加符合实际的变形控制指标。做到在保证工程按要求圆满实施的同时,也保证既有结构的安全稳定。
现在的近接工程往往控制值都很严格。对变形控制好的工程,小的变形量是一点点抠出来的,是通过严格控制每个施工工序,甚至每个施工步骤挤出来的。因此面对一个工程的变形控制指标,应逐项分解,应分解到每个工程的施工步序,按步骤施工与控制,没有一点点的积累,也不会有符合要求的控制结果。
要重视和做好施工监测,往往施工监测值的变化也是对环境变化的预测,同时也是对施工风险的预警。
沉降监测点的布置与设置1.隧道沉降监测点的布置,应设置在隧道开挖的正上方,深层测点要布置在隧道加固范围之上。
2.由于路面结构强度较高,在路面上的布点往往不能真实地反映路面结构以下土体的沉降情况。因此道路测点应尽量布置在路面结构层以下。监测完毕后应及时封闭,防止雨水渗入道路结构层以下,对路面的耐久性和抗冻性造成影响。
3.既有结构(特别是桥梁)的监测点,应该布设在有变形控制要求的结构所有相应的位置,应该准确反映出有变形控制要求的既有结构变形的变化。
工程案例基坑施工坍塌
某地铁车站明挖基坑工程中子基坑开挖。基坑长107米,宽21米,深度平均16米。某日下午基坑西侧大道发生大面积坍塌,坍塌面积长75米,宽20米,深15米;塌陷处60余人施工,事故造成死亡21人,受伤24人,11辆汽车坠落塌陷处,直接经济损失高达4962万元,造成中国地铁建设史上最严重的伤亡事故。
事故基坑采用地连墙加钢管内支撑的方法,如按要求精心施工,事先或及时采取有针对性的应对措施,本可避免事故的发生。
该工程失败的原因有以下几点:地连墙基本是嵌固在淤泥质粉质黏土中,土质条件差,墙埋深不够,根底软、浅;其下为含水砂层,抽水易发生流动,而淤泥质土因压力差的作用,容易发生蠕动;以上情况下本可对墙底部被动土压力区淤泥质土进行加固,或增加墙的入土深度,但面对这样的地质条件,本案未采取任何有针对性的加固措施;基坑旁边大道上车流量大;基坑开挖未按规定的方式施工;支撑架设不及时;本可将基底垫层施工作为支护结构最下边的一道撑,同时垫层对于防止基坑隆起也可发挥作用,但垫层未及时浇筑;钢管撑与地连墙连接薄弱。该做的未到位或没做,不该做的做了,多个因素的积累,最终导致工程事故的发生。
支护结构和其支护的土体是互为依靠的平衡关系。但以上原因致使墙后土压力不断发生变化、地连墙不断发生位移,加之支撑与支护结构的连接不牢,内撑、地连墙和土压力之间力的平衡关系建立不起来。在降水和道路车辆荷载作用等不利因素影响下,整个支护结构体系发生坍塌就不足为奇了。
不明检查井的威胁
某地铁区间隧道工程在城市道路下方施工,施工单位对于周边环境、既有地下管线逐条作了认真的调查。在施工上台阶开挖过程中,发现掌子面有渗水现象,虽然技术人员第一时间赴现场观察,因发展极快,来不及采取措施,施工人员在被迫撤离过程中,掌子面坍塌,大量泥水涌进洞中。因担心塌到路面造成行车灾害,便立即封堵了开挖位置的地面道路。表面上看路面并未发生塌陷,但挖开路面结构,其下方已形成巨大空洞,经及时回填,未对地面交通安全造成大影响。
事后分析原因,坍塌的是一座电讯井,因道路施工未将井口留在路面,而是被压在了路面结构层以下,在地面做管线调查时未能发现。事故发生在雨季,电信管线与井相连,因有水的电信管线将水输送到井中,井壁外和井底以下很大范围内的土在水长时间浸泡下呈流塑状态,当隧道开挖到井下方时,完全丧失了承载力的流塑状态土,产生了向隧道内的坍塌。此例告诉我们,对于隧道上方的土,长期浸泡,可呈现近于流塑状态,粉细砂可成流动状态,塌陷和喷砂冒水的风险也是非常大,这对下方隧道施工安全将构成非常大的威胁。因此在城市中的地下工程施工,对异常的环境条件,应该有充分的思想和物质准备,有相应的应急预案,做到防患于未然。而先探后挖也是针对可能出现不明地质环境和地质条件时可以采取的应对措施之一。
雨水管线渗漏的隐患
某工程单洞马蹄形断面,隧道宽9米,高9.6米。在直径约1.5米的污水管线下净距5.5米的位置顺行开挖。
由于污水管是顶管法施工,接头处存在长期渗漏水现象,在水的侵蚀下,形成泥、砂和水的混合体,当地铁隧道施工到该部位时,改变了软土周边应力平衡状态,土体涌入洞体,导致污水管断裂,大量污水和塌落的泥土冲进下方的地铁隧道中,造成隧道局部坍塌。与此同时,污水带着冲刷下来的土夹杂着污泥、淤泥排入隧道,导致隧道上方坍塌不断扩大并向地表发展,最终导致地表和路基、路面塌陷。这种情况下,由于路面下的管线断裂导致路面塌方的次生灾害往往是非常严重的,道路的坍塌往往是突发的,在主干道路下出现的此种事故往往是灾难性的。
在地下工程施工中如遇见雨、污水地下管线,一定要认真对待,了解它的建造年代、管材及施工方法,大直径、近满管流、年代久、顶管施工管线的断裂,可能带来灾难性后果。
立交桥下的穿越
北京某立交桥下地铁穿越。地下为双层地铁车站,覆土约9米,立交桥跨径37米,上部为宽幅单箱双室箱梁,下部墩为柱接四桩基础结构,梁从立交桥中跨穿越,车站结构开挖最近距离桥桩0.08米。
地铁施工中采取了诸多施工措施和加固方法,最大限度减少了对桥梁的危害。如利用洞桩法施工且深入到砂卵石层的桩,隔离了施工开挖面与桥梁桩基,对桥桩采用了大范围的深孔注浆措施,为预防万一,提前采取了防止沉降造成对箱梁影响的主动支顶措施。但结果仍造成箱梁开裂,为安全起见,最后采取了粘贴钢板的加固措施。分析桥梁自身原因:原桥下曾经有管线穿越,未有沉降记载,桥梁状态“原点”和现状未知。用现在设计人的角度看,原桥设计存在不足,桥梁的“身子骨”不太硬朗。施工方面:深孔注浆是否可以达到设计要求的理想效果,注浆范围是否需要加深……诸多问题值得思考。但施工结果证明诸多措施还是起到了一定的保护效果,特别是主动预支顶措施,最大限度地减少了地下施工对桥梁上部结构的威胁,避免了更大问题的发生,在保证地铁正常施工的同时,也保证了该桥正常的交通运营。
目前北京地铁穿越几大立交桥都采用了主动支顶措施,作为一个控制桥梁变形的“兜底”方法,效果很好,值得推广。
(作者单位/北京建筑大学)