19.六月断弦 · 南宁绿地中央广场基坑坍塌事件

事故发生后，将近一半的路面陷入地下。

倒塌疑云

在事故发生后不久，网上随即流出了疑似基坑倒塌事故处理会议的会议纪要。

会议纪要开门见山，一开始就提及了基坑倒塌的结论。然而，结论并未能给基坑的倒塌提供一个全面的认识，反而令人心中升起了几个疑点。

• 基坑倒塌是突然发生的吗？

根据报道，基坑位移的突然增大是自6月6日下午开始引起人注意的。在短短的两天时间内，位移增大到不可接受的地步，事故发生。然而，在基坑坍塌后流出的一些照片显示，基坑的变形似乎早在倒塌前就已经有所预兆。

2019年4月26日，左侧马路路面出现了一些黑色的痕迹，而且绝大部分都平行于基坑边缘。如果这些黑色条纹是路面修补后的结果，这意味着早在4月份，基坑的变形已经大到可以引起邻近路面上出现裂缝。

在5月9日，街边的裂缝宽度进一步发展，远处路面上依稀可以看到修补的痕迹。

• 自来水管破裂是倒塌的诱因吗？

无可否认，水压的增加以及土体的软化，确实会令基坑支护结构受到的压力增大。但是，这种压力的增加量有多大？是否可以超出支护结构的安全储备，令到基坑出现整体性的倒塌？

下面照片更令人加深了心中的疑惑。在事故发生前，已有大量的地下水从支护结构之间涌出。这么大体量的地下水，仅在地下0~5m的深度处涌出，它来源于哪里呢？如果南宁的地下水位要远低于地面，那这些水很大可能就是来源于自来水管。如果这是事实，这意味着，在倒塌前的一段时间内，自来水管已经发生了破裂。

在5月24日的另一张照片中，基坑涌水已经停止，仅剩下被水压冲毁锚喷面板。承接上文的猜测，如果自来水管发生了破裂，那最晚也是早于5月24日发生的。在大约两周后，基坑才发生了倒塌。

是自来水管破裂诱发了基坑变形的逐步加大，还是基坑的逐步变形最终引起了自来水管的破裂？

• 紧邻区域为什么相差两道锚索？

从以下照片可以看出，坍塌区域由上至下采用了四道锚索，第一道设置在了冠梁，往下三道设置在腰梁处。然而，就在往东延伸的另一区域内，锚索的道数兀然变为了6道。

地下土层在不同区域的分布会有所不同，随着土层的变化，有时候基坑的支护形式也会发生改变。但是，一般的形式是过渡性的渐变，而不会是紧邻区域的突变。在事故发生后，邻近6道锚索区域并没有相应地也发生全部或部分的倒塌，坍塌范围完全坐落于4道锚索区域。

是什么原因造成锚索布置数量上的差异？

张拉的哲学

在对这些疑点进行探究之前，我们首先应该花点时间了解一下基坑支护的形式，以及它是怎么运作的。

在施工地下室之前，我们首先要将地下室区域内的土层挖除，形成一个开阔的空间。

如果往下开挖的深度太大，很容易就会引起旁边的土体向内变形，造成塌方。

此时，我们就要采取一些方法，防止旁边的土体塌下来。

第一种方法叫“内顶”。在挖出了土体的空间内部设置一些混凝土梁，顶着旁边的土体，以防止它们塌下来。专业上称为“内支撑体系”。

第二种方法叫“外拉”。与前者不同，这里采取的是一种截然相反的方法哲学：从外部用杆体或索体拉住土体，来保障土的稳定性。在原理上，类似于轮船下锚保障船体的稳定，所以专业上称为“锚拉体系”。

第一步，先用钻机在土层中钻出直径约15cm的孔。

其次，将预先固定好的锚索放进孔内。通常锚索之间会设置固定环，并在固定环中部预留注浆管。

安装好之后，通过注浆管对孔内灌入水泥浆，待水泥浆凝固后，锚索就成功与土层粘结在一起，可以承受一定压力了。锚索与土层粘结的区段称为“锚固段”（Bonded Length）。

最后，将锚索拉紧，并固定在支护墙上，一个完整的锚拉方法施工流程就算完成了。

其中，很关键的一个步骤就是最后对锚索索体的张拉。

射箭时，首先我们要将弓上之弦张拉，才能赋予弓箭射出的力。

如果想百击百中，合适的力度就是诀窍。如果弦过于松弛，箭射不远；如果弦过于紧张，弓箭可能就会发生断裂。

基坑的锚索张拉同理。如果张拉得太松，基坑的变形将会很大；如果张拉得太紧，锚索体系将会面临破坏的风险。

这正是绿地中央广场D区基坑锚拉体系所需面临的问题。

理想的设计方案

根据流出的设计图纸显示，坍塌区段由上至下采用了四道锚索进行张拉，每道之间的间距为5m。这在现场照片中也可以获得印证。

所有的四道锚索的锚固段都设置在了强风化岩层或中风化岩层之中。从设计图纸提供的设计参数来判断，强风化岩层和中风化岩层与锚索锚固段的粘结能力都非常高，按实践经验来判断，岩土层提供的粘结力应该是完全能胜任的。

如果我们将参数输入计算软件中分析，可以发现即使开挖至坑底时，支护结构体系的最大水平变形量也仅为28mm而已。

而现实中，在基坑倒塌之前，支护结构的变形量曾最大达到了50cm，出现了数量级的差异。到底是哪里出了问题呢？

推理分析

为了能接近事实的真相，我们可以先对基坑的倒塌形态进行分析。

对于基坑支护结构体系，出现整体性破坏的模式主要为两种类型。

第一种类型是整体滑动失稳，滑动面穿越整个基底，基坑支护结构表现为整体向后倾倒。

第二种类型是整体倾覆失稳，基坑支护结构表现为整体向前倾倒。

在倒塌视频中我们可以看到，项目基坑出现的失稳模式正是典型的第二种类型。

事实上，本项目基坑也不太可能出现第一种类型的失稳。由于坑底已进入中风化岩层一定深度，若要产生整体性滑动失稳，首先要有足够大的力，使中风化产生破裂面。

如果基坑出现第二种类型的失稳，那么又有四种可能的情况会导致基坑出现倾覆破坏。

第一种是锚索索体被拉断。通常是配备的锚索材料出现问题，强度不足。

第二种是锚索锚固体被拔出。通常是锚固体与土层之间的粘结力不足。

第三种是锚索索体从凝固的水泥浆中拔出。通常是索体与水泥浆之间的粘结没有做好。

第四种是沿锚固体后端倾覆失稳。通常是锚固体的长度不足。

情况1和情况3的破坏模式比较少见。一般在锚固力足够的情况下，只要设置了足够束数的锚索，前两者都不会发生。通过计算也可以证明这一点。而且前两者的情况要是出现，基坑的倒塌破坏会更加突然。

通过对土层破坏面的分析也可以印证这一点。基坑倒塌后，现场经过测量，坍塌区域的宽度约15m左右。如果我们把这个距离在图中表示出来，可以发现这正是接近第一道锚索锚固不足时的破坏面的形态。

第一道锚索在锚固段的粘结能力确实也是四道锚索中最弱的。根据图纸提供的参数进行计算，由上至下四道锚索的粘结能力比例为1：1.275：2.175：1.65。

如果按照规范现行的土压力理论计算，这样的设置无可厚非。按照朗肯理论的主动土压力，土层由上至下的土压力为三角形分布，第一道锚索受力按理论是最小的。

然而，如前所述，在现实中，锚索在固定之前，为了更好地控制基坑的位移，需要按设计值的0.75~0.9倍进行张拉锁定。由于锁定张拉力的存在，在锚索位置处的土压力将会产生突变，并不是按照三角形的分布模式。在多道锚索的情况下，实际情况中更接近马鞍形分布。

在本项目四道锚索的情况下，真实的土压力可能更倾向于以下的分布模式。

可以看出，对于第一道锚索而言，其承受的实际压力要比理论计算出来的土压力要大得多。这种情况下，用表观土压力理论（Apparent earth pressure）来进行计算会比较贴合实际的土压力分布情况。

区别于三角形，表观土压力在不同土层条件下为矩形或梯形分布，其实是实际土压力的包络图。

换言之，由于使用了三角形的土压力模型，在张拉之后，实际中第一道锚索可能承受了比设计时更大的拉力。

那么，如果将基坑的锚索放松一些，是否就能避免这种理论与实际的差别？这涉及到了图纸中另一个重要的细节。

在图纸中，除了第一道锚索的锁定荷载为100kN之外，其余三道的锁定荷载均为0。如果实际中按此进行施工，由于没有对锚索进行任何张拉，这意味着锚索正处于最松弛的状态。当锚索在遭遇一定量的变形之后，才会慢慢受到张力，发挥作用。

此时，可能基坑的变形已经达到了一个不可控制的地步。

太松弛也不行。

不止于此，计算模型中可能还存在第三个问题，即假定锚索的锚固段拉力的分布是均匀的。

事实上，在实际中锚固段拉力的分布存在一个传递过程。在最开始的阶段，只有大约一半长度的锚固体会实际受到拉力。当拉力继续增加时，部分超过极限的区域将会产生屈服，其粘结能力显著降低。释放出来的荷载将会由后面的锚固体承担，并逐步发展至锚固段末端，形成力的传递。

所以，第一道锚索锚固段应力的分布可能更类似于下图所示。在实际应力发展的过程中，必须要有足够的锚固长度让传递充分发挥。

在上述重重分析下，针对之前提及的三个疑点，我们可以大致推理出一种可能性：

基坑北面的强风化岩层和中风化岩层埋深较浅，所以在这个区域采用了较其他区段少的锚索数量。

由于土压力和锚索拉力实际与理论的差异，第一道锚索的承载能力在刚开始时已较其余三道偏弱。

如果基坑的锚索按照规范0.75~0.9倍设计值进行了张拉，那第一道锚索会缓慢出现应力传递，承载力将受到越来越严峻的挑战，并开始发生显著的变形；如果基坑的锚索是按照图纸的锁定荷载进行张拉，那未经张拉的锚索将起不到预想的效果，基坑在向下挖掘的同时，变形也会不受控制地增大；

无论是哪种情况，在4月份开挖到坑底时，地面已经变形过大出现裂缝。

在5月份，继续增大的变形破坏了自来水管，使基坑出现涌水，这又进一步增大了基坑的变形。

6月份，基坑终于在过大的变形下发生了倒塌。

事故的调查报告并没有揭露太多信息，也许基坑倒塌的真相另有原因。

但有一件事值得我们思考。

如果理论与实际是两个岸，那它们之间隔有一道沟。虽然我们可能永远无法直接从理论岸边跨到对岸，但在我们仍然可以时刻多看对岸两眼，以防掉到沟里。

后续

废墟在清理之后，被修复成一个边坡。在边坡的底部，似乎设置了一排大直径灌注桩支挡，以防边坡日后再次发生坍塌。

不久前，曾半边陷入地下的东葛路也重新开通。

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18.破碎的记忆 · 德国科隆地铁坍塌事件

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