地下工程施工安全控制及案例解析

1）安全管理体系

项目成立安全指挥抢险领导小组，小组内由专家顾问、业主、监理、总包、相关单位项目经理和项目总工程师以及主要责任人组成，正常施工时进行每周例会，监测单位提供监测分析报告，总包进行每周总结，若发生较大的位移情况或突发事件，每天早晨开会，专家委员会进行研究、认证方案。

（1）安全管理组织机构。安全管理体系如图5-9所示。

图5-9　安全管理体系

（2）人员职责。

①总指挥职责：组织确定施工风险目标及对施工过程中的潜在危险性进行评估；负责对应急小组各成员工作的检查、指导、监督；对小组成员汇报的工作进行分类、分析，做出风险评估，并决定预案的启动；负责把预案实施情况向上级领导汇报；负责预案启动后人员、设备、物资的调配。

②副指挥职责：按项目确定的施工风险性评估结果，有针对性地对潜在的施工危险进行监控，并向总指挥负责；对应急小组的组员的工作进行监督和检查；对各组员在施工过程中发现的潜在危险进行初步评估，对发现的异常情况必须仔细分析并上报总指挥；在总指挥不在场的情况下，对突发情况进行应急处理，并及时上报总指挥。

③小组组员职责：对各自专业范围内关键部位、技术、安全、质量控制点和施工中具备潜在危险的项目或工序进行日常检查并做好记录，发现异常及时上报副指挥或总指挥；对确定的是高风险性较大的环节进行重点监控，并做好施工人员的思想宣传教育工作，特别是施工操作人员应意识到施工过程中可能存在的各种风险。

（3）执行日常检查制度。为确保应急救助的快速反应能力和效果，研究和制定了安全排险救助的技术措施，做到统一指挥、分工明确、各尽其责、搞好协作和配合。就应对整个系统的各个环节进行经常性的检查，做到当突如其来的险情发生时，能够指挥得当，应对自如，真正发挥其抢险救助的作用，达到减轻或避免损失的目的。

施工现场配备必要的医疗急救设备，随时提供救助服务，与现场附近当地医院及时联系，以确保突发疾病和受伤人员能够得到及时救治。培训急救人员，并向职工进行自救和急救知识的教育，添置必要的急救药品和器材。

2）地下连续墙施工安全控制

由于本工程地下连续墙深度达57.5 m，且施工需穿越⑦1层砂质黏土和粉砂层及⑦2层粉砂层，在地下连续墙施工中极易产生坍孔现象。钢筋笼较重，吊装会产生危险。

（1）暗浜加固。对于暗浜区，侧采用水泥搅拌桩将地下连续墙两侧土体进行加固，以保证在该地层范围内的槽壁稳定性。

水泥搅拌桩采用直径φ700 mm（双头），水泥掺量控制在8%，水灰比0.5～0.6。水泥搅拌桩加固深度为8m，搅拌桩之间搭接长度为200 mm。

（2）外侧水泥土搅拌桩加固。根据投标图，原设计基坑外围施工道路比自然地坪落低2m，而根据目前施工方案及场地条件，拟在基坑开挖时将现有施工道路维持原状。为保证开挖时基坑边道路稳定，故在目前现场道路施工前对地下连续墙外侧进行部分土体加固，同时也起到了对于地下连续墙施工时的隔水和土体加固作用。

（3）提高泥浆比重。根据地质报告资料，成槽深度范围内槽壁内壁有流塑、软塑的③层淤泥质黏土，④层淤泥质黏土，⑤层黏性土为主。其含水率高、空隙率大、压缩性高、强度低，且具有很大的流变性，可能导致槽壁稳定性差，引起塌方。因此，根据实际试成槽的施工情况，调节泥浆比重，一般控制在1.18左右，但不得大于1.2，并对每一批新制的泥浆进行泥浆的主要性能的测试。

（4）控制成槽、铣槽速度。成槽机掘进速度应控制在15 m/h左右，液压抓斗不宜快速掘进，以防槽壁失稳。同样，铣槽机进尺速度也应控制，特别是在软硬层交接处，以防止出现偏移、被卡等现象。

施工过程中大型机械不得在槽段边缘频繁走动，泥浆应随着出土及时补入，保证泥浆液面在规定高度上，以防槽壁失稳。

针对地下连续墙工程，一方面提醒设计单位对基坑围护结构的稳定性从计算上把好关，并详细考虑施工过程中的具体情况，确保理论计算准确无误；另一方面，针对围护结构和逆作施工制定详细的施工技术措施，掌握好各工序间的施工空间和时间参数，使施工工况与设计工况相吻合，施工中做到挖土和结构施工及其他工序合理搭接，严格遵循“时空效应”的理论。

（5）地下连续墙钢筋笼吊装。由于整钢筋笼体积大、刚度差，起吊时极易变形散架，发生安全事故。为了防止钢筋笼在吊装过程中产生不可复原的变形，钢筋笼均设置横向、纵向抗弯桁架。为了保证钢筋笼吊装安全，吊点位置的确定与吊环、吊具的安全性应经过设计与验算，作为钢筋笼最终吊装环中吊杆构件的钢筋笼上竖向钢筋，必须同相交的水平钢筋自上至下的每个交点都焊接牢固。钢筋笼上设置纵、横向起吊桁架和吊点，使钢筋笼起吊时有足够的刚度，防止钢筋笼产生不可复原的变形。

3）立柱桩

（1）沉降控制。为控制桩基的沉降，进一步减小桩底沉降对于基坑安全的影响，在柱体内设置2根注浆管，对桩底实施加固。

注浆管深度为桩底以下0.2～0.5 m，单桩水泥用量2t。注浆压力为0.6～0.8 MPa，浆液采用水灰比0.6的单液浆。加固的目的主要在于充填、加固可能存在的桩底沉渣，而不在于加固桩底土体，因此注浆控制为压力和浆量双控制原则，以注浆量为主，注浆压力＞2 MPa，且注浆量达到设计浆量的80%时停止注浆。

（2）钢管支柱吊装。为保证钢管吊装安全，吊点位置的确定与吊环、吊具的安全经过设计及验算。立柱钢管最重为5.2 t，为保证钢管吊装安全，管起吊采用主吊机KOBELCO-7055型、55 t履吊带及QY25A型25 t汽车吊。钢支撑吊运必须使用与待安装的钢支撑长度、重量与安装作业半径相匹配的履带式起重机，并配置与起吊吨位相适应的钢索吊具。所有钢支撑端部的支托牛腿和连系构造都要焊接牢固，以防钢支撑因受碰撞需移动脱落。

施工中制定相应的安全技术措施和操作规程，在吊运过程中进行监控。对起重设备的操作人员和指挥人员进行交底。

4）土方开挖控制

本工程为全地下结构，采用逆作法施工，最大挖深达34 m。逆作结构包括四层梁板，两个夹层梁板，一道单环支撑，两道双环支撑以及800 mm厚的内衬墙结构，因本工程工期比较紧张，故需合理安排挖土工况，使挖土施工和土建施工能交叉同时施工，以减少施工工期。根据桩基工程施工情况，将顶板分为A、B、C、D、E五个区流水施工。暗挖阶段的分区为A、B、C、D、E、F、G七个区，如图5-10所示。

本工程周边有众多管线、道路及建筑等需要保护，故严格控制挖土施工中基坑的变形，避免因基坑变形过大而威胁到周边环境的安全。

（1）时空效应。土体具有时空效应的特点：土体开挖形式和空间分布形式与基坑变形有密不可分的联系；土体是一种弹塑性体，土体受荷后会产生流塑变形，即使在受力不变情况下，土体的变形也会随时间增长而不断增长，土体流塑变形的速度与受荷大小有关，一般在坑内被动区土体未达到被动土压力前，流塑变形的速度比较小，待达到被动土压力以后变形速度增长比较明显，土体的时间效应和空间效应是密不可分的，合理的土方开挖方式，坑内局部留土的合理分布可以有效增大被动区的被动土压力，减少土体流塑变形的大小和变形的速度。因此，在施工时应以土体的时间、空间效应理论指导挖土施工，在挖土施工时在基坑内部留有足够宽度的盆边土，用此部分土体产生的被动土压力来平衡基坑外部的主动土压力；按照设计的流程，在限定的时间内进行土体开挖以及混凝土垫层的施工，以此确保基坑的变形在规定的范围之内，避免因基坑的变形而威胁周边建筑物、管线的安全。

图5-10　暗挖阶段分区

（2）土方开挖。基坑开挖必须在地下连续墙、主柱桩、高压旋喷桩等达到设计强度后方可进行。基坑开挖时，其纵横向边坡根据地质、环境条件取定安全坡度（1∶2）～（1∶3），当施工期较长，开挖边坡时宜做好边坡保护措施。每层开挖深度一般不大于3m，分层、分区挖土，要求做到每个台阶的纵向坡度1∶2。A区开挖时，四周禁挖区域土体必须在结构达到设计拆模强度，拆模支撑排架后方可进行开挖。

严禁挖土机械碰撞、立柱桩、井点管、围护墙和临时立柱桩。严禁单边掏空立柱，避免立柱承受不均匀的侧向压力。挖土操作应分层分段，坑底应保留200 mm厚基人工挖除平整，防止坑底土扰动。垫层随挖随浇，且必须在见底后24 h内浇完，垫层面积控制在200 m2以内。（3）降排水控制。开挖时水位必须降至开挖面以下1m。除深井井点降水措施外，开挖面及坑内还应设明沟和集水井相结合的排水措施。纵向放坡开挖时，应在坡顶设置截水沟或挡水土堤，防止地表水冲刷坡面和基坑外排水再回流渗入坑内。基坑开挖后，应及时设置坑内排水沟，防止坑底积水。

尤其是针对与D、E区交接处的土方，由于该处土方留置时间较长，因此更应采取可靠的护坡和排水措施来确保放坡稳定。

（4）堆载控制。挖土机械的通道、挖土顺序、土方驳运、土方堆载等都应避免引起对围护结构、工程桩、支撑立柱和周围环境的不良影响。基坑边严禁大量堆载，围护体四周4m范围内地面荷载控制在10 kN/m2以内，弃土堆放远离基坑坡顶边线30 m以外。严禁挖土机械碰撞围护结构、监测元件、支承立柱和井点。

（5）管、线处开挖。开挖一柱一桩、格构柱、深井管及试验线周边土体时，为避免柱体侧向受力变形，尽量保持四周开挖同步，施工机械注意保持和柱体的距离，在柱体四周50 cm范围内不得用机械挖土，采用人工挖土。

（6）禁挖区设置。本工程有7个区域进行流水逆作施工，设置了9个取土口，为加快施工进度，在某区域进行结构养护时，相邻区域要进行土方开挖。因四周各区结构混凝土还没有达到拆模强度，在开挖前通过土坡滑移的计算，计算出滑移面，从而得到禁挖区的范围，并划分禁挖区位置。挖土机挖至离四周各区结构支撑排架一定距离时，应停止开挖。等四周各区结构混凝土达到拆模强度，将该区域的模板及排架拆除。拆模时以各个区域的出土口为中心向四周逐渐推进，拆下的脚手管、扣件、对拉螺栓和模板等材料从出土口用吊车运出。拆除支撑排架和模板后继续开挖。

施工中在土方禁挖区用红白带拉出警戒范围，并安排专人负责看护，防止意外事故的发生。

5）降水控制

根据地质资料，本车站基坑范围的土层中，表层有地下水（潜水），⑦1、⑦2层砂质粉土层为第一承压含水层，第⑨层中砂层为第二承压含水层。前期专门对工程基坑群井抽水试验及基坑降水方案进行了专家咨询，确定了群井抽水试验的同时，基坑开挖前施工-2.000 m楼板结构的方案。同时，通过群水抽水试验，测定⑦～⑨层的静止水位及其分布特征，分析群井抽水试验引起的⑦～⑨层的地下水水力联系特征，确定合理的基坑减压降水方案，并分析预测地下水渗流场的时空分布及减压水引起的基坑周边地面沉降的时空分布。

在基坑开挖期间采用26m深疏干井降浅层潜水，严格控制开挖时的降水质量。用46 m深降压井降第一承压水层，以确保工程开挖安全。基坑开挖20 d前，采用26 m真空深井泵降低地下潜水水位至开挖面以下1 m（-6.400 m）。抽降承压水应在基坑四周设置回灌井，进行地下水回灌。

（1）减压降水引起的地面沉降预测计算。近20年来上海深层（针对第⑦1层）降水实践经验证明，只要降压井布置合理，成井和降水运行管理控制得好，深层降水对地面沉降的影响是较小的，抽水结束后大部分可以回弹，由于降水引起的承压水头降落漏斗的坡度不大，对建（构）筑物产生的差异沉降可以忽略不计，不会影响其安全性。同时，地下连续墙隔断含水层的情况下，坑内降水对坑外影响更小，但应布置监测点，随时注意⑧层⑨层和坑外⑦层的水位变化和重要建筑物的变形情况。

预测计算结果表明，在基坑外侧靠近地下连续墙的地段，因减压降水引起的地面沉降为8.0～12.0 mm。持续抽水90 d地面的沉降预测如图5-11所示。

图5-11　持续抽水90 d地面的沉降预测

（2）减压降水引起的地面沉降控制。

①减压井抽水时间应尽量缩短，按需减压降水，尽量减少减压降水的抽水量。

②采用信息化施工，对周围环境进行监测，发现问题及时调整抽水井数量及抽水流量，以指导降水运行和修复施工。(www.chuimin.cn)

③监测资料及时报送降水项目部，以绘制相关的图表、曲线，调控降水运行程序。

④在降水运行过程中随开挖深度逐步降低承压水头，根据抽水试验得到的参数，计算不同井群组合下坑内地下水的深度，随基坑开挖深度确定井群的运行。没有抽水的井可作为观测井，控制承压水头与上覆土压力足以满足开挖基坑稳定性要求，这将使降水对环境的影响进一步降低。

⑤对各种管线、要保护的建筑、已建成的隧道等，必须由专业监测单位进行监测。

⑥基坑施工过程中，如地下连续墙发生渗漏或严重渗漏，应及时采取封堵措施，以避免导致基坑外侧浅层潜水位发生较大幅度下降，以及由此引起的严重的地面沉降。

（3）轻型井点降水。本工程降水采用降压井和疏干井相结合的方法，在工期安排不能保证正常的深井降水工期，则在首层土开挖前，在A区增加轻型井点降水，确保开挖时已降水至开挖面下0.5～1 m。轻型井点总共布置4套。

6）逆作施工环境作业措施

（1）地下结构逆作阶段通风、废气处理技术。本工程中使用离心通风机（图5-12）以增强基坑内空气流动，为作业人员输送新鲜空气。离心通风机布置在顶板上，下接800 mm×800 mm白铁皮方管作为竖向通风管道（图5-13）。在每个挖土阶段标高设2个风口，接出内配螺旋筋的塑料软管。塑料管道可移动和加长。

图5-12　离心通风机

图5-13　白铁皮通风管

采用抽吸的方式直接抽出废气排放集中区的污浊空气，尽快在废气扩散前排除。在施工人员的作业面，通过送风的方式输送新鲜空气。当挖土到下一层标高时，可将上一层的风口封闭，塑料软管移至下一层继续使用。

（2）地下结构逆作阶段照明措施。由于逆作法施工半封闭，且基坑深度较深，仅依靠取土口采光不能满足逆作法施工要求，因此本工程通过设置地下室照明系统，每隔约8m布置一盏照明灯（图5-14），以确保施工的安全。考虑到施工便捷以及最大可能减小对永久结构的影响，照明灯的管线在浇捣上一层楼板的时候预埋。在下层土方开挖时，随着挖土方向灯具及时跟进安装，以提供足够的照明亮度。

图5-14　逆作阶段的照明布置

在各层板的应急通道上设置一路应急照明系统，以防发生停电事故时作业面失去照明，进而发生人员伤亡事故。应急照明需采用单独的线路，每隔20 m设置一盏应急照明灯具（图5-15）。应急照明灯具在停电后可依靠自身能源储备持续发光，从而便于施工人员在意外停电的时候从现场安全撤离。

（3）超深基坑通信设施。由于逆作法基坑施工作业面处无线通信信号弱，为保障作业面与办公室的通信畅通，以便在遇到紧急事件时及时联络，在施工区域内采取了通信信号加强措施。通过安装手机信号接收装置和中继站、自放站增强信号覆盖范围，使信号可完全覆盖整个地下室施工区域，保证地上地下任意点对点联系通畅，确保了可能发生的险情的及时处理。

图5-15　应急照明布置

（4）洞口防护。由于逆作法项目取土口等洞口较多，项目针对设置了多种防护措施（图5-16）。伸缩式隔离护栏规格1 200 mm×3 000 mm，下部800 mm固定，上部400 mm可伸缩，用于出土口周边围护。隔离护栏（图5-17）规格2 000 mm×1 500 mm，用于环道与B0板间2m高差围护。

图5-16　取土口防护

图5-17　隔离护栏

（5）地下工程施工的垂直交通组织。为满足B2板以下各层的施工需要以及方便人员上下，本工程在B2板结构施工完成以后在南、北两侧预留孔中设置了两个人员出入口，安装2台GJJ SCD200/200GZ施工升降机（图5-18）。由于本工程为逆作法施工的地下结构，施工升降机在B2板施工完成后开始安装。在地下结构施工时，在结构顶板、地下一层、地下二层及地下三层结构预留施工升降机井道孔，并做好升降机基础梁、附墙及围栏埋件，确保施工升降机正常安装及使用。

图5-18　施工升降机

7）基坑监测

（1）监测项目。为了确保在地下工程施工期间支护结构和邻近建筑物、地下管线的安全，通过对基坑周边土体、水体以及保护对象的应力、应变参数的监测，验证基坑围护结构设计和基坑开挖施工组织设计的正确性，并通过对工程环境变化因素的趋势分析，对基坑围护体系的稳定性、可靠性、安全性进行预测预报，掌握在施工中不同工况下围护结构的应力和应变，同时根据现场实际情况，科学、合理地调整施工步骤，必须要采取详尽的环境监测保护方案。

逆作法基坑本体监测部分包括：地下连续墙墙体水平位移，地下连续墙墙顶变形，地下连续墙内外侧水、土压力，地下连续墙环向及竖向钢筋应力，地下连续墙环向及竖向混凝土应变，内衬墙环向及竖向钢筋应力，地下连续墙受力线性性状监测，结构梁钢筋应力，环形支撑轴力，钢管立柱应变，格构柱应变，立柱桩桩身应力，立柱桩桩身隆沉，工程桩桩身应力，基坑底土体回弹，桩顶反力，地下水浮力，底板钢筋应力，底板混凝土应力，底板及墙柱底面沉降，地下连续墙外侧土压力，地下连续墙环向及竖向钢筋应力，内衬墙环向及竖向钢筋应力。

周边环境监测部分包括：周边地下管线变形，周边建筑物沉降，周边建筑物裂缝，成都路高架桥墩沉降，基坑外地表变形，基坑外地下潜水水位，基坑外承压水水位，基坑外深层土体位移，基坑外分层沉降。

（2）自动监控系统。在工程的整个施工过程中，为采用科学方法和有效手段获取瞬间变化的信息，使监测数据能及时、准确地反映实际情况，采用了自动监控系统，包括集自动监测数据的采集、分析、查询于一体的自动监测系统和实时传输远程监控工地现场的网络视频远程监控系统（图5-19）。做到信息化施工，以确保在施工过程中围护体系和周边道路、地下管线、邻近建筑物的安全，使整个工程地下施工能顺利进行。

当天的监测资料获得后，及时向监测单位的服务器上传资料，通过网络即可浏览监测成果，监测成果包括具体监测数据及历时曲线，出现险情可及时发现及响应（图5-20）。

8）应急措施

（1）居民住宅楼、管线沉降变形。对基坑附近的高层居民住宅楼及一些对变形较敏感的管线，除在开挖前采取有效加固措施外，还将备好注浆材料，根据监测数据采用双液跟踪控制注浆，调整变形率。

（2）围护结构变形超标应急措施。地下连续墙变形超标时，轻则引起地面沉降开裂，重则可能引起基坑塌方，以及其他连锁反应。在基坑开挖前制定应急预案，在开挖过程中立即启动应急预案，停止挖土施工，迅速分析并查明原因，启动坑外降压井，对挖土深度进行严格控制，加厚混凝土垫层，在垫层内配制钢筋。对结构强度进行测试，消除隐患，并对施工方案进一步进行优化，减小或阻止围护体继续变形。

图5-19　动态实时监控系统

（3）地下连续墙渗漏应急措施。土方开挖后地下连续墙出现渗水会对基坑施工带来不便，如渗漏严重时，则往往会造成土颗粒流失，引起地下连续墙背面地面沉陷，甚至支护接结构坍塌。所以在基坑开挖前必须制定专项地下连续墙渗漏应急预案。

在基坑开挖过程中，发现地下连续墙出现渗漏时，立即启动应急预案停止挖土施工。如渗水量较小，采用双快早强水泥浆封墙；如渗水量较大，立即启动坑外降水井，采用“引流修补”方法。一旦地下连续墙严重渗漏，第⑦层土坑内外产生水力联系，应该立即采取坑内降压井抽水降压、坑外降压井抽水降压、对地下连续墙进行注浆堵漏等措施。当以上措施无法达到预期的目的的时候，可以利用快速钻孔聚乙酯注浆设备，在2h内到达现场进行事项处理。有部分降压疏干井必须在底板浇筑后才能停止抽水，对于这部分降压疏干井采用板内封井的办法。

（4）流砂及管涌的应急预案。对轻微的流砂现象，在基坑开挖后及时堵涌，并采取加快垫层浇筑或加厚垫层的方法“压住”流砂；对较严重的流砂应增加坑内降水措施，并启动坑外降压井，使地下水位降至坑底以下1～2 m。降水是防止流砂最有效的方法。

图5-20　综合监测信息系统

造成管涌的原因一般是由于基坑下部围护未及标高或地下连续墙出现较大的孔洞。发生这类涌管，应先在该桩位及桩背进行压密注浆或高压喷射注浆，保证其在开挖时不漏水，开挖后可将孔洞部位凿除，支模用混凝土浇筑填实。如果管涌十分严重，也可在地下连续墙后再打一排钢板桩，在钢板桩与地下连续墙之间进行注浆。

（5）支柱失稳的应急措施。为防止支柱失稳，应及时进行监测，对监测立柱每天测一次，同时加强对旁边立柱的观测，当发现个别支撑或立柱失稳，应立即进行加撑或补强，防止因局部变形处理不及时而引发更大的变形。补强时除对发生变形较大的立柱或横撑补强外，应根据实际情况对相邻柱或撑进行同步加强，防止造成个别支撑受力过大而失稳。

（6）基坑大幅度变形应急措施。监测结构梁、板应力和围护变形情况，一旦发现变形速率及变形值增大，应立即停止开挖，并根据变形的部位和原因采取加强、增加柱间支撑和其他相应的有效措施。监测基坑隆起变形情况，及时按需要抽取承压水，防止基坑隆起。认真做好基坑降水，开挖前检查地下水位，如满足不了开挖条件，严禁开挖施工。

（7）原勘测阶段孔及P1～P5桩桩侧壁冒流应急措施。如果出现原勘测阶段孔回填不实及P1～P5桩桩侧壁不密实而引起第⑨层承压水冒流，应立即采取坑内降压井抽水降压、坑外降压井抽水降压、对原勘测阶段孔填重金石及注浆堵漏，桩侧进行注浆堵漏的措施。

（8）突发断电事故应急处理与救援预案。工地现场发生突发断电事故，应立即派电工启用应急电源，保证现场降水井、人货梯及施工现场照明灯的正常运行。