猇亭大道雨污水管網(wǎng)改造工程溝槽坍塌分析

丁育南，張明祥，馮一輝，沈 華

（1.上海市水基會工程咨詢有限公司，上海 201612；2.上海勘測設(shè)計研究院有限公司，上海 200434；3.上海公路橋梁（集團）有限公司，上海 200433；4.上海市奉賢區(qū)水務(wù)建設(shè)工程安全質(zhì)量監(jiān)督站，上海 201419）

1 發(fā)生坍塌溝槽處工程概況

1.1 工程概況

猇亭大道（民主路—亞元路段）雨污管網(wǎng)改造工程項目起點為民主路，終點為亞元路，設(shè)計長1 989m，道路紅線寬50m，采用雨污分流的排水體制。雨水管道全段新建DN500～1 000mm管道，分段分別排入民主路已建箱涵、金猇路雨水管網(wǎng)及猇亭大道下游雨水管網(wǎng)，污水分段排入民主路已建管網(wǎng)、金猇路污水管網(wǎng)及亞元路污水管網(wǎng)。本工程于2018年12月1日開工，后因管線遷改原因，項目暫停施工，2020年9月12日管線遷改完畢，施工單位組織人員進場施工。本次溝槽坍塌事故發(fā)生地點位于市政道路結(jié)構(gòu)層與綠化帶的結(jié)合部位的綠化帶中，與原設(shè)計的線路走線不一致（見圖1）。

圖1 溝槽坍塌位置平面

1.2 地質(zhì)概況

1.2.1 在道路基層下敷設(shè)管道的地層特性

1）地下0～0.12m，道路面層為瀝青混凝土層，持力性與穩(wěn)定性較好，層厚約12cm。

2）地下0.12～0.57m，素混凝土基層，持力性與穩(wěn)定性較好，厚約45cm。

3）地下0.57～0.95m，卵石基層（又稱炮渣層，是墊層也是道路結(jié)構(gòu)持力層），持力性與穩(wěn)定性較好，厚約38cm。

4）地下0.95～1.30m，紅砂巖（又稱山皮土層，是路基墊層也是其持力層），厚約35cm。

5）地下1.30～2.05m，含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，持力性與穩(wěn)定性較差，含水量較大，泡水后塑性變形明顯，厚約75cm。

6）地下2.05～2.40m，卵石沖積層，持力性與穩(wěn)定性較好，厚約35cm。

7）地下2.40m到溝槽底部均為黏土層，持力性與穩(wěn)定性較好。

1.2.2 在非道路基層下敷設(shè)管道的地層特性

1）地下0～0.30m，雜填土（耕植土層）厚約30cm，持力性與穩(wěn)定性一般。

2）地下0.30～1.46m，含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層，持力性與穩(wěn)定性較差，含水量一般，泡水后塑性變形明顯，厚約116cm。

3）地下1.46～2.36m，鵝卵石沖積層，持力性與穩(wěn)定性較好，厚約90cm。

4）地下2.36m到溝槽底部均為黏土層，持力性與穩(wěn)定性較好。

1.2.3 地下水特性

通過現(xiàn)場勘察，在溝槽開挖部位溝槽底板未見明水；但粉質(zhì)黏土層等原土層含水率較高；道路持力結(jié)構(gòu)層的力學(xué)結(jié)構(gòu)特性良好，基本未受到地下水的不利影響。

2 溝槽開挖設(shè)計、技術(shù)標準要求

2.1 溝槽坡比

2.1.1 設(shè)計要求

本工程管道溝槽開挖坡比設(shè)計要求中，明確提出“本設(shè)計中雨污水管道溝槽邊坡坡度應(yīng)符合GB 50268—2008《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》中的相關(guān)規(guī)定執(zhí)行”。

經(jīng)查閱規(guī)范，按該規(guī)范第4.3.3條“在地質(zhì)條件良好、土質(zhì)均勻、地下水位低于溝槽底面高程，且深度在5m以內(nèi)、溝槽不設(shè)支撐時，溝槽邊坡最陡坡度應(yīng)符合表4.3.3的規(guī)定”的要求放坡。

由此可見，本工程的溝槽開挖坡比應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場實際地質(zhì)工況、溝槽施工工作面受力工況即坡頂荷載情況（分坡頂無荷載、坡頂有靜荷載、坡頂有動荷載3種工況設(shè)定）確定。

2.1.2 施工與監(jiān)理要求

施工單位對溝槽開挖的坡比設(shè)定，是按照溝槽開挖區(qū)的土質(zhì)為硬塑的粉質(zhì)黏土、黏土，且溝槽邊沿頂部無荷載工況下的最陡1∶0.33坡比施工，而且在《基坑開挖施工方案交底記錄》中進行了明確規(guī)定。

通過查閱基槽驗槽記錄，發(fā)現(xiàn)監(jiān)理等單位均認可施工單位確定1∶0.33開挖坡比。

2.2 溝槽側(cè)邊邊緣土方堆置

2.2.1 設(shè)計技術(shù)要求

設(shè)計對溝槽每側(cè)臨時堆土或施加其他荷載的技術(shù)要求不明確，但《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》第4.3.4條明確規(guī)定，溝槽每側(cè)臨時堆土或施加其他荷載時堆土距離溝槽邊緣不小于0.8m，且高度不應(yīng)超過1.5m。

2.2.2 施工與監(jiān)理技術(shù)要求

施工方案與監(jiān)理規(guī)劃中，針對溝槽開挖時，在溝槽兩側(cè)堆土高度及土堆距離溝槽邊坡最短距離均有明確規(guī)定，且均滿足技術(shù)標準要求。

3 坍塌事故技術(shù)分析

3.1 施工過程描述

3.1.1 設(shè)備選型

施工現(xiàn)場當時正在實施雨水管網(wǎng)安裝作業(yè)，吊運設(shè)備是日立ZAXIS200履帶式挖掘機（斗容量0.8m3），質(zhì)量約21.7t。

3.1.2 施工工藝選擇

水泥管材采用吊帶單點吊裝（見圖2），在起吊DN700mm水泥管材時，其垂直動荷載約220kN。在雨污水管道安裝期間，履帶式挖掘機往復(fù)行走，對溝槽兩側(cè)土體造成明顯且持續(xù)振動作用。

圖2 混凝土雨水管單點吊裝

3.1.3 工程現(xiàn)場實況描述

本次溝槽擬開挖軸線長度約50m，已開挖約20m，其中基槽深2.6m，基槽上部寬度2.2m，下部寬度1.8m，實際施工部位的軸線走向與設(shè)計走向有偏差?；郾眰?cè)堆有2處開挖土方，1處（北偏東）堆土高度1.4～1.6m，堆土方量約40m3，另一處（北偏西）堆土高度約1.0m，堆土方量約15m3，該兩處土方均緊靠基坑邊緣堆置。

3.1.4 降排水要求

經(jīng)勘察現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)，溝槽開挖部位兩側(cè)未設(shè)置截水溝、攔水堰（體）等有效防止地表水倒灌入溝槽的措施。經(jīng)查看設(shè)計文件，未發(fā)現(xiàn)關(guān)于溝槽開挖期間的防地表水倒灌入溝槽的技術(shù)要求。經(jīng)審查施工與監(jiān)理單位的技術(shù)方案（規(guī)劃）發(fā)現(xiàn)，對于溝槽開挖期間的防地表水倒灌入溝槽的監(jiān)理要求缺失。

3.1.5 沉降與位移監(jiān)測技術(shù)要求

現(xiàn)場勘察未發(fā)現(xiàn)沉降與位移測量監(jiān)測點；查看施工過程資料也未發(fā)現(xiàn)本處沉降與位移監(jiān)測的測量資料；經(jīng)審查施工與監(jiān)理單位的技術(shù)方案（規(guī)劃），對于溝槽開挖沉降與位移變形（含地下水位變化等）監(jiān)測內(nèi)容的技術(shù)要求均缺失；查看設(shè)計文件未發(fā)現(xiàn)關(guān)于無支護溝槽開挖方面的相關(guān)沉降與位移變形（含地下水位變化等）監(jiān)測及其預(yù)警報警值限值設(shè)置的技術(shù)要求。

3.2 不符合設(shè)計和技術(shù)標準之處

3.2.1 溝槽開挖坡比

1）現(xiàn)場實際放坡坡比 本工程坍塌部位溝槽開挖施工期間，經(jīng)現(xiàn)場勘察，溝槽實際開挖尺寸如下：溝槽底寬1.8m，溝槽頂寬2.2m。經(jīng)計算開挖溝槽放坡坡比為1∶0.08，近似于垂直放坡開挖施工作業(yè)，如圖3所示。

圖3 溝槽開挖放坡

2）設(shè)計與技術(shù)標準要求坡比 考慮到本工程緊鄰G318國道，施工現(xiàn)場也有施工機具產(chǎn)生的動載以及地層土質(zhì)的不均性，本工程溝槽開挖放坡時的最陡坡比應(yīng)不小于1∶0.5。

3.2.2 溝槽側(cè)面土方堆放

1）溝槽實際土方堆放位置 經(jīng)現(xiàn)場勘察，溝槽開挖施工期間的余土直接緊鄰溝槽側(cè)面堆放，如圖4所示。

圖4 溝槽側(cè)邊開挖余土堆放

2）溝槽開挖余土堆放標準要求 溝槽每側(cè)臨時堆土或施加其他荷載時堆土距離溝槽邊緣不小于0.8m，且高度不應(yīng)超過1.5m。

3.2.3 沉降與位移監(jiān)測

1）溝槽（基坑）開挖監(jiān)測標準要求 GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》第3.0.1條（強條）“開挖深度≥5m或開挖深度小于5m，但現(xiàn)場地質(zhì)情況和周圍環(huán)境復(fù)雜的基坑工程以及其他需要監(jiān)測的基坑工程應(yīng)實施基坑工程監(jiān)測”；第3.0.2條“基坑工程設(shè)計提出的對基坑工程監(jiān)測的技術(shù)要求應(yīng)包括監(jiān)測項目、監(jiān)測頻率和監(jiān)測報警值等”。JGJ 180—2009《建筑施工土石方工程安全技術(shù)規(guī)范》第6.4.1條“開挖深度超過5m、垂直開挖深度超過1.5m的基坑及軟弱土層中開挖的基坑，應(yīng)進行基坑監(jiān)測，并應(yīng)向基坑支護設(shè)計人員、安全工程師等相關(guān)人員及時通報監(jiān)測成果；安全員等相關(guān)人員應(yīng)掌握基坑的安全狀況，了解監(jiān)測數(shù)據(jù)”。

2）現(xiàn)場實際監(jiān)測情況 經(jīng)調(diào)查，本工程在溝槽開挖期間，施工單位未進行安全監(jiān)測工作；設(shè)計單位對箱涵等基坑施工安全監(jiān)測工作提出明確要求，但對本工程的溝槽開挖安全監(jiān)測工作未提出任何設(shè)計建議。監(jiān)理單位就基坑開挖安全監(jiān)測工作未提出任何監(jiān)理措施。

3.2.4 地質(zhì)土層巖性力學(xué)分析

市政道路基礎(chǔ)力學(xué)性能良好，地層非常穩(wěn)定且?guī)缀醪粫l(fā)生塑性變形；綠化帶原裝土層力學(xué)性能相對較差，受地下水浸泡影響，含水量較大，有塑化現(xiàn)象。

1）技術(shù)與標準要求 《給水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》第4.1.3條“溝槽開挖、支護方式應(yīng)根據(jù)工程地質(zhì)條件、施工方法、周圍環(huán)境等要求進行技術(shù)經(jīng)濟比較，確保施工安全和環(huán)境保護要求”以及第4.3.1條“溝槽開挖與支護的施工方案主要內(nèi)容包括：不良土質(zhì)地段溝槽開挖時采取的護坡和防止溝槽坍塌的安全技術(shù)措施”等規(guī)定中，已明確溝槽開挖施工方法及施工方案的選擇應(yīng)結(jié)合工程地質(zhì)條件、不良土質(zhì)地段等信息進行施工。

2）現(xiàn)場實際施工情況 本工程坍塌部位施工時，未充分考慮隨水文地質(zhì)條件的變化選擇合理與安全的施工方法。施工單位的方案中對類似地層突變段的不良地質(zhì)工況下的開挖施工方法未進行明確；監(jiān)理單位也未就地層突變段不良水文地質(zhì)條件下的安全施工提出監(jiān)理意見。

3.2.5 基槽驗收

1）技術(shù)與標準要求 GB 50202—2018《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗收標準》第3.0.4條“地基基礎(chǔ)工程必須進行驗槽，驗槽檢驗要點應(yīng)符合本標準附錄A的規(guī)定”、第A.1.1條“勘察、設(shè)計、監(jiān)理、施工、建設(shè)等各方相關(guān)技術(shù)人員應(yīng)共同參加驗槽”；第A.1.4條“驗槽應(yīng)在基坑或基槽開挖至設(shè)計標高后進行，對留置保護層時其厚度不應(yīng)超過100mm；槽底應(yīng)為無擾動的原狀土”。在本工程溝槽開挖施工期間應(yīng)得到執(zhí)行?！督o水排水管道工程施工及驗收規(guī)范》第4.1.5條“溝槽開挖至設(shè)計高程后應(yīng)由建設(shè)單位會同設(shè)計、勘察、施工、監(jiān)理單位共同驗槽；發(fā)現(xiàn)巖、土質(zhì)與勘察報告不符或有其他異常情況時，由建設(shè)單位會同上述單位研究處理措施”。

2）現(xiàn)場驗收工作進展情況 在此次調(diào)查中發(fā)現(xiàn)，本工程溝槽開挖完畢，在進行管道敷設(shè)之前，各參建單位未及時開展已開挖溝槽的基槽驗收工作。

4 發(fā)生坍塌事故原因分析

4.1 直接原因

1）未按照設(shè)計與標準要求放坡 在溝槽開挖期間，未按設(shè)計與標準的要求的1∶0.5的最陡坡比放坡。現(xiàn)場溝槽開挖實際坡比是1∶0.08，遠比設(shè)計要求的坡比陡，幾乎為垂直開挖。

2）未按技術(shù)規(guī)范、施工方案或監(jiān)理規(guī)劃要求堆載土方 本工程溝槽坍塌部位，溝槽開挖余土直接緊靠溝槽側(cè)邊堆載，且最高堆載高度達1.6m，均超過在溝槽側(cè)面堆載土方距離溝槽邊沿應(yīng)大于0.8m，堆載高度最高不得超過1.5m的要求。

3）未采取有效的防地表水倒灌措施 本工程溝槽開挖位置的水文地質(zhì)工況比較復(fù)雜，含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層（厚約1.5m）為不易透水層，受地表水長期浸泡會滯留，并導(dǎo)致其持力能力急劇降低，極大增加溝槽失穩(wěn)風(fēng)險。

4）地質(zhì)土層持力性較差 本工程溝槽位置地質(zhì)工況比較復(fù)雜，地層不均勻，有比較厚（約1.5m）的含淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土層（疑似），且該土層含水量比較大，塑性變形較明顯。坍塌部位有比較明顯的撕裂現(xiàn)象。

5）動、靜荷載影響明顯 本工程處于金猇路與猇亭大道（G318國道）交叉口的西北角，且猇亭大道為國道，重載車輛通行量大，且振動明顯，對溝槽壁會產(chǎn)生較嚴重的側(cè)向振動；施工期間，重載車輛通行會對本工程溝槽邊坡穩(wěn)定造成比較嚴重的不良影響。在本工程管道吊裝期間，吊運管道時的履帶式挖掘機往復(fù)行走會對溝槽頂部垂直產(chǎn)生的動荷載約為200kN。

4.2 間接原因

4.2.1 未進行有效的安全監(jiān)測工作

未落實溝槽開挖坍塌部位的沉降與位移安全監(jiān)測預(yù)警措施；施工期間也未對邊坡穩(wěn)定性開展實時安全監(jiān)測與巡查工作。

1）設(shè)計單位 設(shè)計單位就本次溝槽開挖未設(shè)定沉降與位移監(jiān)測技術(shù)標準及預(yù)警值設(shè)置等。

2）施工單位 施工之前，施工單位未按照規(guī)范要求設(shè)置水平位移與沉降觀測點，施工期間也未開展相關(guān)安全監(jiān)測與巡查工作。

3）監(jiān)理單位 監(jiān)理單位未開展相關(guān)沉降與位移安全監(jiān)測成果的復(fù)核，以及施工現(xiàn)場的安全巡查工作。

4.2.2 對不同巖性突變段結(jié)合面的土力學(xué)性能差異重視不夠

本工程坍塌部位正位于施工道路與綠化帶的結(jié)合部位，這兩類土層巖性的土力學(xué)性能差異明顯。在工程施工期間，各參建單位均未重視地層巖性突變段的結(jié)合面土力學(xué)性能差異及地表水對土層持力穩(wěn)定性的不良影響。

4.2.3 未及時進行基槽驗收工作

本工程溝槽開挖及雨污水管道敷設(shè)之前，各參建單位未及時開展已開挖溝槽的基槽驗收工作，也可能是此次坍塌事故產(chǎn)生未及時進行事前預(yù)警的原因之一。

5 結(jié)語

猇亭大道雨污水管網(wǎng)改造工程溝槽坍塌事故發(fā)生在市政道路與綠化帶結(jié)合部的綠化帶中。從技術(shù)角度來看，此次坍塌事故發(fā)生的直接原因包括：溝槽開挖施工期間未按照設(shè)計與標準要求放坡；未按技術(shù)規(guī)范、施工方案或監(jiān)理規(guī)劃要求在溝槽側(cè)邊堆載土方；未采取有效的防地表水倒灌措施；坍塌部位土層巖性的地質(zhì)力學(xué)性能較差，且受動、靜荷載不利影響明顯。間接原因包括：在溝槽開挖施工期間，未按技術(shù)標準要求進行有效的安全監(jiān)測工作；未對不同巖性地層突變段結(jié)合面的土力學(xué)差異特性引起足夠重視；溝槽開挖完畢且在敷設(shè)雨污水管道之前未及時進行基槽驗收工作。