趙晶

（杭州海博地基技術(shù)有限公司，浙江 杭州 310012）

0 引言

在基坑圍護(hù)施工過程中，車輛作為主要運(yùn)輸設(shè)備是必不可少的，其運(yùn)行期間形成的車輛動(dòng)荷載，對(duì)正在施工的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞也是客觀存在的。

車輛動(dòng)荷載對(duì)周圍建筑結(jié)構(gòu)的影響主要有靜載產(chǎn)生的豎向壓力及由于車輛行走及路面不平整引起的地面振動(dòng)，這一振動(dòng)通過彈性波的傳播引起周圍建筑結(jié)構(gòu)的振動(dòng)。城市深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)所受的環(huán)境振動(dòng)主要是來自交通荷載，這種動(dòng)荷載是變頻率、變振幅、長(zhǎng)期作用的不規(guī)則循環(huán)荷載［1］。

我國(guó)現(xiàn)行《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 311—2013）［2］將車輛動(dòng)荷載列為一般危險(xiǎn)源，從專項(xiàng)方案的編制到施工階段的安全技術(shù)措施、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急響應(yīng)等方面做出了相應(yīng)規(guī)定。本文結(jié)合杭州市某基坑圍護(hù)工程因發(fā)生局部坍塌，致使鄰近道路塌陷的案例，在以往研究成果基礎(chǔ)上，探討車輛動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響規(guī)律，提出應(yīng)將車輛動(dòng)荷載提升為重大危險(xiǎn)源的建議，并提出相應(yīng)的解決對(duì)策。

1 基坑受載分析

1.1 基坑外側(cè)道路集中荷載

依據(jù)相關(guān)規(guī)范，對(duì)于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)直接破壞力來說，基坑外側(cè)道路集中荷載作用所引起的附加側(cè)向土壓力（參見圖1），可按下式計(jì)算（彈性理論，泊松比μ=0.5）［3］：

式中：ΔPm——附加側(cè)向土壓力標(biāo)準(zhǔn)值，kPa；Pk——基坑外側(cè)道路的集中荷載標(biāo)準(zhǔn)值，kN；Hs——地表至圍護(hù)墻底面的深度，m；n1、n2、n3——分別為x/Hs、z/Hs、y/Hs的比值；x、z、y——分別為集中荷載與圍護(hù)墻的水平、垂直距離和沿圍護(hù)墻長(zhǎng)度距離，m。

圖1 集中荷載作用下引起的附加側(cè)向土壓力Fig.1 Additional lateral earth pressure under concentrated load

式（1）表明：基坑外側(cè)道路的集中荷載值大小，除與荷載值本身絕對(duì)值相關(guān)外，還與集中荷載同基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的垂直距離相關(guān)，與水平距離高度相關(guān)，即距離越近，荷載越大。沿圍護(hù)墻長(zhǎng)度方向則逐漸變小［3］。

1.2 車輛動(dòng)荷載

通常情況下，車輛的動(dòng)荷載可以視為若干個(gè)半正弦形式的荷載疊加的形式，因而車輛荷載也可分解成一系列的正弦波荷載。其表達(dá)式為［4］：

式中：P0——汽車靜載；P——振動(dòng)荷載幅值，P=M0aω2；Μ0——汽車模型簧下質(zhì)量；a——幾何不平順矢高，反映了路面的不平整度狀況；ω——振動(dòng)圓頻率，ω=2πV/L；V——車速；L——路面幾何曲線波長(zhǎng)；t——正弦函數(shù)中某一段的時(shí)間。

式（2）反映了車輛沖擊荷載大小對(duì)鄰近建筑物的影響因素：

（1）汽車軸重的增大、速度的增加都會(huì)引起振動(dòng)響應(yīng)的增大；

（2）路面不平整度越差，振動(dòng)響應(yīng)越明顯；

（3）在相同振源條件下，在軟土類型的地基中的振動(dòng)響應(yīng)比硬土類型中的要大，但軟土地基對(duì)高頻振動(dòng)有一定的過濾作用［4-6］。

1.3 小結(jié)

根據(jù)以上理論研究分析歸納后可以看出，車輛動(dòng)荷載位于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)處的影響因素有以下幾個(gè)方面：

（1）汽車的自重越大，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)越大，其破壞力越強(qiáng)；

（2）車輛動(dòng)荷載著力點(diǎn)與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平距離高度相關(guān)，距離越近，荷載越大；

（3）汽車的通行速度，通過對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)的周期影響，間接構(gòu)成破壞力；

（4）路面不平整度越大，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)越大，其破壞力也越強(qiáng)；

（5）在軟土類型的基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)中的振動(dòng)響應(yīng)比硬土類型中的要大。

2 事故案例

2.1 簡(jiǎn)況

案例位于杭州市西湖區(qū)城郊結(jié)合部，為1層、2層地下室基坑圍護(hù)工程?；涌偯娣e為2.7萬㎡，圍護(hù)總長(zhǎng)度730 m?；犹帪?層地下室，開挖深度8.7 m。圍護(hù)樁采用?900 mm@1100 mm的C30鉆孔灌注樁（樁長(zhǎng)19.7m），止水帷幕為?650 mm@450 mm的單排三軸水泥攪拌樁（局部雙排），長(zhǎng)度12.7 m。設(shè)計(jì)基坑外堆載限值20 kPa，水平位移預(yù)警值為50 mm?；颖眰?cè)和西側(cè)為已通行城市道路，均為雙向四車道加外側(cè)非機(jī)動(dòng)車道，瀝青路面。緊鄰基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)北側(cè)有一座單跨25 m簡(jiǎn)支梁橋，基坑坍塌處距橋臺(tái)最近直線距離4 m，道路邊緣距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)最短凈距離1 m?；悠矫娌贾靡妶D2，基坑坍塌處土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面見圖3。

圖2 基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)平面布置Fig.2 Layout of the foundation pit enclosure

圖3 基坑坍塌處土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)剖面Fig.3 Cross?section of the soil layer and support of the foundation pit at the collapse location

2.2 事故經(jīng)過

圍護(hù)鉆孔灌注樁和止水帷幕樁施工時(shí)間為2017年9月20日至11月30日?；拥耐练介_挖、冠梁及支撐梁施工開始時(shí)間為2017年12月1日，至2018年6月11日基坑坍塌時(shí)，冠梁及支撐梁全部完成并達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度，基坑底部土方尚有30 m3未挖除。

2018年1月初土方施工期間，發(fā)現(xiàn)北側(cè)道路發(fā)生開裂，因基坑圍護(hù)各項(xiàng)觀測(cè)記錄并未達(dá)到預(yù)警值，此險(xiǎn)情未引起各方重視。5月22日，基坑外路面裂縫增大，導(dǎo)致道路下埋自來水管破裂。此時(shí)基坑圍護(hù)監(jiān)測(cè)記錄反映，已有5處觀測(cè)點(diǎn)累計(jì)水平位移超預(yù)警值，見圖4。

圖4 基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)報(bào)警示意Fig.4 Alarm diagram of the foundation pit monitoring data

6月11日，施工單位進(jìn)行最后約30 m3的基坑土方開挖，發(fā)現(xiàn)圍護(hù)樁出現(xiàn)水平裂縫，圍護(hù)樁外側(cè)有路面下沉現(xiàn)象，且圍護(hù)體系開始緩慢變形，隨即坑外土方擠斷灌注樁后涌入基坑。10 min后出現(xiàn)第二次土方向基坑內(nèi)位移，造成基坑約40 m左右圍護(hù)體系嚴(yán)重破壞，半幅路面塌陷100 m2，圍護(hù)樁、冠梁與之相連的支撐梁折斷一跨，之后基坑內(nèi)外趨于穩(wěn)定。見圖5。

圖5 基坑坍塌后的衛(wèi)星照片F(xiàn)ig.5 Satellite photo after the foundation pit collapse

2.3 事故原因分析

比照前述車輛動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響因素，本案例中有如下特征：

（1）土方施工啟用的載重汽車為當(dāng)?shù)貞T用的前四后八輪自卸車。以陜汽重卡為例，改裝后的前四后八輪自卸車，土方滿載自重加載重達(dá)80 t，按作用平面2 m×10 m，對(duì)基坑相當(dāng)于40 kPa地面超載［4］，嚴(yán)重超出設(shè)計(jì)限載（設(shè)計(jì)值20 kPa）。這一因素對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)大，其破壞力極強(qiáng)。

（2）如前述，車輛動(dòng)荷載著力點(diǎn)與基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平距離高度相關(guān)，距離越近，荷載越大。本案例道路邊緣距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)凈距離1 m，過往車輛所產(chǎn)生的動(dòng)荷載，通過豎向及側(cè)向傳力于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)，完全不能避免。

（3）汽車通行速度的影響。文獻(xiàn)［5］揭示，相同載重和距離下，在40~80 km/h車速范圍內(nèi)，錨桿軸力隨速度增加呈先增大再減小的變化規(guī)律。當(dāng)車速在60~70 km/h區(qū)間時(shí)，車輛振動(dòng)頻率與路面平整度激振頻率接近，致使車輛和路面產(chǎn)生共振，導(dǎo)致車輪動(dòng)荷載的最大化。而本案例地處城郊結(jié)合部，基坑北側(cè)道路限速80 km/h，過往車輛以大型工程車居多，車速多在40~70 km/h區(qū)間，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)也較大，其破壞力也較強(qiáng)。

（4）目前城市市區(qū)施工現(xiàn)場(chǎng)的涉運(yùn)作業(yè)（土方、鋼材及商品砼運(yùn)輸?shù)龋┒技性谕黹g20：00至次日6：00，此時(shí)間段無論交警、城管或路政等執(zhí)法部門上路執(zhí)法管理往往受客觀條件所限，對(duì)超載超限的執(zhí)法力度難以達(dá)到預(yù)期效果?，F(xiàn)場(chǎng)車輛事實(shí)超載嚴(yán)重，管控乏力，使得因超載而形成的車輛動(dòng)荷載時(shí)刻存在，傷及基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)很難避免。

（5）路面不平整度與橋頭跳車的影響。本案例北側(cè)道路有一單跨25 m簡(jiǎn)支梁橋，東橋臺(tái)往東50 m范圍內(nèi)，高差達(dá)1.523 m，坡度>3%?；犹l(fā)生在此范圍內(nèi)，且距離該橋臺(tái)僅4 m（橋頭搭板長(zhǎng)6 m），道路邊緣距基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)凈距離1 m。作為路面不平整的一個(gè)特例，橋頭跳車是其中的一種極端狀況，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)振動(dòng)響應(yīng)更甚于一般的車輛動(dòng)荷載，其破壞力大于普通車輛動(dòng)荷載。本案中的有關(guān)參建單位，也將橋頭跳車列為基坑坍塌事故的主要原因。

3 現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定

我國(guó)現(xiàn)行基坑支護(hù)相關(guān)安全規(guī)范中，將基坑周圍車輛動(dòng)荷載歸納為一般危險(xiǎn)源，而對(duì)其進(jìn)行的勘驗(yàn)設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)管，卻并未做出明確和詳細(xì)的規(guī)定。與此相關(guān)的條文，也只有原則性要求，并不構(gòu)成具有操作性的執(zhí)行指令，這對(duì)于指導(dǎo)和制約基坑支護(hù)施工，似有進(jìn)行補(bǔ)充的必要。

3.1 基坑安全規(guī)范

（1）《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》（JGJ 311—2013）［2］第5.3.3條，將車輛動(dòng)荷載列為一般危險(xiǎn)源，從專項(xiàng)方案的編制到施工階段的安全技術(shù)措施、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急響應(yīng)等方面做出了相應(yīng)規(guī)定。但是由于車輛動(dòng)荷載被納入了一般危險(xiǎn)源，其相應(yīng)的安全技術(shù)措施、應(yīng)急預(yù)案、應(yīng)急響應(yīng)等都?xì)w于一般性的預(yù)防和處置，往往達(dá)不到工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制的安全邊際要求，甚至可以不用另行編制“基坑工程施工安全專項(xiàng)方案”就可以現(xiàn)場(chǎng)施工，這將難以達(dá)到工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制的安全邊際要求。為此筆者建議考慮提升其危險(xiǎn)源等級(jí)。

（2）《建筑施工安全管理規(guī)范》（DB 33/1116—2015）［7］第3.3.4條款載明：“建筑施工企業(yè)應(yīng)當(dāng) 對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)存在的危險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別、評(píng)價(jià)，確認(rèn)重大危險(xiǎn)源后，建立重大危險(xiǎn)源監(jiān)控、公示制度，落實(shí)責(zé)任人責(zé)任，并根據(jù)具體情況制定應(yīng)急處置措施”。由于文獻(xiàn)［2］規(guī)定車輛動(dòng)荷載是一般危險(xiǎn)源，其危害程度歸為一般，相應(yīng)的監(jiān)控、公示制度、責(zé)任人制度以及應(yīng)急處置措施，只作一般性的要求，通過制度上的制約程度顯得不足。從此角度看，也有提升其危險(xiǎn)源等級(jí)的必要。

3.2 基坑勘察設(shè)計(jì)規(guī)范

（1）《巖土工程勘察規(guī)范》（GB 50021—2001）［8］和《工程建設(shè)巖土工程勘察規(guī)范》（DB 33/T 1065—2009）［9］作為國(guó)家和地方工程勘察規(guī)范，無論是在可行性研究、初步勘察階段，還是在詳細(xì)勘察階段，都沒有引入危險(xiǎn)源的提法，也沒有將車輛動(dòng)荷載納入近似的不良地質(zhì)作用或地震效應(yīng)的類別，更沒有提出查明最大車輛動(dòng)荷載的要求。顯然，這方面有進(jìn)一步補(bǔ)充完善的必要。

（2）《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）［10］、《建 筑 基 坑 支 護(hù) 技 術(shù) 規(guī) 程》（JGJ 120—2012）［11］以及《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（DB 33/T1136—2017）［12］作為國(guó)家和地方的設(shè)計(jì)規(guī)范，在基坑支護(hù)工程方面仍然沒有引入危險(xiǎn)源的提法。車輛動(dòng)荷載在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)附近的存在，可以視為附加集中荷載，設(shè)計(jì)驗(yàn)算時(shí)基本上是采用靜荷載加分項(xiàng)系數(shù)，其算法還沒有采用車輛動(dòng)荷載的概念。這與基坑附近實(shí)際的車輛動(dòng)荷載情形有很大出入，且不符合基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的實(shí)際受力狀況。有研究表明，相較于靜荷載，動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，無論是土釘?shù)妮S力最大值，還是基坑坡頂水平位移和豎向位移都有所增大［13］。另有研究表明，車輛動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，還與車型、車速、距離及車流量有關(guān)［14］。目前的工程實(shí)踐中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)一般會(huì)考慮基坑周邊的堆載、附近建筑物的附加荷載，或者規(guī)范中明確需要驗(yàn)算的其它附加荷載，唯獨(dú)與基坑施工活動(dòng)密不可分的車輛動(dòng)荷載，沒有對(duì)其進(jìn)行變形和穩(wěn)定性的驗(yàn)算要求，這是急需補(bǔ)充完善的規(guī)范內(nèi)容。

3.3 基坑施工規(guī)范

《建筑地基基礎(chǔ)工程施工規(guī)范》（GB 51004—2015）［15］和《建筑地基基礎(chǔ)工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50202—2018）［16］作為指導(dǎo)、約束和監(jiān)督施工活動(dòng)的國(guó)家規(guī)范，對(duì)于施工單位在基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)施工和管理的活動(dòng)中，沒有對(duì)車輛動(dòng)荷載進(jìn)行規(guī)范約束，也是急需進(jìn)行補(bǔ)充完善的。

3.4 基坑監(jiān)測(cè)規(guī)范

《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2009）［17］由于缺乏針對(duì)性的研究成果及標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的規(guī)定，基坑的監(jiān)測(cè)管控也沒有針對(duì)車輛動(dòng)荷載的監(jiān)測(cè)要求，這方面也需補(bǔ)充完善。

4 對(duì)策及措施

4.1 提升危險(xiǎn)源等級(jí)并加以研究

（1）將車輛動(dòng)荷載提升為重大危險(xiǎn)源，并將橋頭跳車、軌道交通動(dòng)荷載等各種交通動(dòng)荷載逐一列為研究對(duì)象，根據(jù)荷載大小、性質(zhì)以及危害程度等分門別類，劃分等級(jí)。形成基坑圍護(hù)工程從立項(xiàng)、勘察、設(shè)計(jì)、施工到使用各階段的全覆蓋，使得全部建設(shè)周期都有針對(duì)這種危險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別、規(guī)避和防范的規(guī)范性文件。

（2）通過跨行業(yè)跨學(xué)科交叉研究，建立各種交通動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的危害方式、危害程度和動(dòng)荷載的計(jì)算數(shù)學(xué)模型。從設(shè)計(jì)原則、穩(wěn)定性驗(yàn)算、變形控制等方面，規(guī)范對(duì)勘察設(shè)計(jì)階段的勘驗(yàn)計(jì)算要求，并納入標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范。

（3）通過對(duì)各種交通動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的危害控制規(guī)范化，在城建、交通、市政、交管、路政和安監(jiān)等方面，從政策層面制定針對(duì)性措施，推出相應(yīng)的管理法規(guī)，對(duì)癥下藥，全方位地對(duì)其進(jìn)行防范和管控。

4.2 提高基坑外限載

在當(dāng)前暫時(shí)沒有準(zhǔn)確的力學(xué)模型可以引用的情況下，在實(shí)踐中可以先行將基坑外限載值提高，從目前的大于15 kPa［12］，提高至大于35 kPa。并以此作為依據(jù)，驗(yàn)算基坑周邊各種危險(xiǎn)源，重新審視荷載分項(xiàng)系數(shù)、結(jié)構(gòu)構(gòu)件重要性系數(shù)等的取值，尤其是在基坑部位存在軟土地層時(shí)，更應(yīng)適當(dāng)提高。

4.3 完善基坑監(jiān)控

基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻頂水平位移、深層水平位移、豎向位移和變化速率等報(bào)警值的取值范圍，雖在《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2009）［17］中作了詳細(xì)規(guī)定，但目前實(shí)際執(zhí)行中，還需設(shè)計(jì)人員根據(jù)地方經(jīng)驗(yàn)最終給出報(bào)警值，當(dāng)下顯然沒有考慮基坑外車輛動(dòng)荷載的影響，這方面也需要補(bǔ)充完善。同時(shí)，在基坑變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過報(bào)警值時(shí)的處置規(guī)定，也僅有《建筑深基坑工程施工安全技術(shù)規(guī)范》［2］在第5.4.5條款作了強(qiáng)制性規(guī)定，其涉及面和權(quán)威性都達(dá)不到理想效果，這方面也急需普及提高。

4.4 現(xiàn)場(chǎng)管控

（1）在目前的背景下，現(xiàn)場(chǎng)管理可以從制度層面限制運(yùn)輸車輛的型號(hào)。例如：可以規(guī)定凡自重加載重實(shí)際超過30 t的大型車輛，或者擅自違規(guī)改裝的超載車輛，一律禁止進(jìn)入基坑外延一定距離以內(nèi)區(qū)域，以杜絕圍護(hù)結(jié)構(gòu)體系遭受破壞。

（2）針對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)場(chǎng)車輛（尤其是土方、鋼材、商品砼等運(yùn)輸車輛）、挖掘機(jī)和其它重型設(shè)備等，加強(qiáng)管理，限制超載，限制進(jìn)入，其作業(yè)范圍要遠(yuǎn)離基坑一定距離以內(nèi)區(qū)域。

（3）從安全管理角度，加強(qiáng)管理，加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)巡視，時(shí)刻糾正違規(guī)違章作業(yè)，杜絕事故隱患。

5 結(jié)論與建議

（1）高層建筑大多位于交通要道，在基坑施工過程中，通常車輛動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞作用是客觀存在且十分顯著的。因此，研究車輛動(dòng)荷載作用對(duì)基坑結(jié)構(gòu)安全的影響，分析基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)在車輛動(dòng)荷載作用下的變形、穩(wěn)定性規(guī)律以及防范措施具有重大意義。

（2）車輛動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，有以下規(guī)律：①鄰近基坑的車輛，總質(zhì)量越大，其動(dòng)荷載對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的破壞力越大；②車輛動(dòng)荷載與基坑的水平距離和垂直深度有關(guān)，距離越近，危害越大；越靠近地表，危害越大；③道路的路面不平整度越大，或橋頭跳車縱坡越大，對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的危害越大；④車輛行駛速度對(duì)基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的危害也構(gòu)成一定影響。

（3）建議將車輛動(dòng)荷載等提升或補(bǔ)增為基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的重大危險(xiǎn)源，并列為研究對(duì)象，找出力學(xué)模型，歸納出影響因素和規(guī)律，并給出針對(duì)性措施。將這方面的研究成果補(bǔ)充進(jìn)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為規(guī)范各參建方的行為提供法規(guī)依據(jù)，已經(jīng)迫在眉睫，十分必要。