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既有地下结构扩建改造施工中的安全风险与控制

文档作者：蔡来炳1 2 文档来源： 1.上海建科工程咨询有限公司 2.上海市工程结构安全重点实验室		点击数：	更新时间： 2021年12月16日
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改扩建工程 RECONSTRUCTION &amp;amp; EXPANSION PROJECT
既有地下结构扩建改造施工中的安全风险与控制
蔡来炳"2
1.上海建科工程咨询有限公司 上海 200032 ; 2. _h海市工程结构安全重点实验室 上海 200032
摘要：以上海为例，探讨了软土地区大型城市既有地下结构扩建改造工程施工中的安全风险特点，采用工作分解结构
(WBS)、风险分解结构(RBS )分析法，从人员安全、施工机械设备安全、结构安全和周边环境安全等角度对既有
地下结构扩建改造施工安全风险进行了识别，建立了风险清单。初步评估了风险事件的风险等级，提出了既有结构失
稳或坍塌、支护体系失稳或坍塌、支撑失稳、地下水管涌与流砂、模架体系失稳、新旧结构体系失稳或坍塌以及周边
设施变形或损坏等风险事件为不愿接受风险。结合施工案例分析，制订了既有地下结构扩建改造施工主要安全风险的
控制措施。
关键词：既有地下结构；扩建改造施工；安全风险；工作分解结构；风险分解结构；风险等级；风险控制
中图分类号：TU746.3 文献标志码：A 文章编号：1004-1001(2019)06-1099-04 DOI: 10.14144/j.cnki.jzsg.2019.06.035
Safety Risk and Control of Extension and Reconstruction
of Existing Underground Structure
CAI Laibing1,2
1. Shanghai Jianke Engineering Consulting Co., Ltd., Shanghai 200032, China;
2. Shanghai Key Laboratory of Engineering Structure Safety, Shanghai 200032, China
Abstract: Taking Shanghai as an example, this paper discusses the construction and safety risk characteristics of the
existing underground structure extension and reconstruction project in large cities in soft soil areas. By adopting the
work breakdown structure (WBS) and risk decomposition structure (RBS) analysis method and from the perspectives of
personnel safety, construction machinery and equipment safety, structural safety and surrounding environmentml safety,
the safety risks of the existi ng un dergro und structure exte nsion and rec on structio n were ide ntified and a risk list was
established. The risk grade of risk eve nts was in itially assessed. Risk eve nts such as the existing structural in stability or
collapse, instability or collapse of the support system, support instability, groun dwater piping and runoff, in stability of the
formwork system, instability or collapse of the old and new structural systems, deformation or damage to surrounding
facilities were identified as unacceptable risks. Combined with the construction case analysis, the control measures for
the main safety risks of the existi ng un dergro und structure exte nsion and rec on structio n were formulated.
Keywords: existing un dergro und structure; exte nsion and rec on struction; safety risk; work breakdow n structure; risk
decomposition structure; risk grade; risk control
既有地下结构扩建改造施工具有如下特点21:环境约
束多、地层与水文条件复杂、改造工程难度大、安全风险
髙。其施工过程中存在的安全风险高，造成的后果损失严
重、社会影响大，因此有必要对施工安全风险进行识别、
评估、响应和控制。
1 施工安全风险
既有地下结构通常处于地下地层中，从建造工程时
基全项《1： -L诲市科学技术妥员备科研计划项目
（16DZ1201605）。
作者简介：蔡来妬（1972—）,男，傅士，教梗级离级
工租呷。
通佶地址：上诲■审丸平南珞75号1号揍506壷（200032）。
也子 *P : cailaibing@jkec.com.cn
收稿 R 期：2019-01-29
土层扰动状态逐渐形成使用阶段的土层相对稳定状态。既
有地下结构改扩建施工，将改变既有的土层平衡状态、既
有地下结构受力状态，施工控制不当将引起土层、既有地
下结构破坏或失稳风险。同时，在既有地下结构改扩建工
程中，受周围水土介质、上部结构荷载、邻近荷载和施工
荷载等作用，存在新建结构、临时支撑结构破坏或失稳风
险，以及人员安全风险和机械设备安全风险。既有地下
结构扩建改造工程的风险分解结构（RBS）见图1。根据
DG/TJ08 2235—2017《既有地下建筑改扩建技术规范》
可以构建既有地下结构扩建改造工程工作分解结构
（图2）。
根据既有地下结构扩建改造工程工作分解结构
（WBS）和风险分解结构（RBS）凶可以构建风险识别矩
阵（表1）,进而建立风险清单（表2）。根据国家标准
GB 50652—2011《城市轨道交通地下工程建设风险管理规
建筑施工•第41卷•第6期1099 7I
蔡来炳：既有地下结构扩建改造施工中的安全风险与控制
|人员安全风诫莎||机械设备安全风险R2 ||结构安冬风险R3 ||周边环境安冬风险R4 |
|改扩建施工安全风险R|
I I I I
I ~T~ | | I I
龍
R1-1
机械
伤害
R12
高处
坠落
R13
触电
R14
火灾
或爆
炸
R15
中毒
R16
倒塌
R21
坠落
R22
火灾
IR23
失稳
或坍
塌
R31
变形
过大
R32
裂缝
与渗
漏
R33
设施
变形
过大
R41
设施
破坏
R42
失稳
或坍
塌
R43
图1既有地下结构扩建改造工程风险分解结构
I既有地下结构改扩建工程w|
W6
I止水就專II土体加国II囲护桩塡I
|_W31_J| W32 || ^33 \
图2既有地下结构扩建改造工程工作分解结构
范》⑷和上海市工程建设规范DG/TJ 08-2235—2017《既有
地下建筑改扩建技术规范》，将既有地下结构安全风险分
为I级、II级、III级、IV级等4级。采用专家评分法同和LS
风险矩阵，对安全风险事件进行评价，见表2。
表2表明，在既有地下结构扩建改造工程施工中，新旧
结构、支护体系失稳或坍塌，支撑、模架体系失稳，地下
水管涌与流砂以及周边设施变形或损坏等风险事件为II级
风险，属于不愿接受风险。对于II级风险事件，应制订针
对性的风险控制措施。以下结合工程实例，探讨既有地下
结构扩建改造施工风险控制。
2 风险控制
某建筑工程地下3层，基坑开挖面积约25 000 m2,最
大开挖深度14.60〜15.60 m,设置3道混凝土支撑。场地
周边分布有运营地铁线、居民建筑物和城市道路，地铁
隧道边与基坑边最小净距15 m,居民建筑物与基坑边最
近距离31 m （图3）。场地内土层自上而下分布为填土、
粉质黏土与淤泥质粉质黏土、粉土-粉砂、粉细砂、粉质
黏土、含卵砾石中粗砂、强-中风化泥岩等。其中粉土-粉
砂、粉细砂、含卵砾石中粗砂等为承压水含水层，水头埋
深在地面下3.6 m。基坑最大开挖面和底板均位于粉细砂
承压含水层。基坑竖向围护结构为地下连续墙，采用钢箱
接头形式，邻近地铁侧墙厚1.0 m,其余侧墙厚0.8 m,深
63.5~67.3 m,墙趾位于中风化泥岩。
2.1地下结构改造风险
该工程地下室底板完成，在拆除第3道混凝土支撑、
进行地下2层楼板施工时，由于建筑功能调整，上部结构
作重大变更，需对局部地下室进行改造：增补钻孔灌注桩
31根，桩径1 000 mm,桩长54 m,桩端位于中风化灰岩，
其中12根桩在基坑支撑栈桥上施工；增设4个集水井，增改
7个电梯井，落深基坑开挖深度1.3〜2.8 m。该工程既有地
下结构改造施工作业内容包括增补钻孔灌注桩、局部底板
表1既有地下结构扩建改造工程安全风险识别矩阵
分解项
既有地下结构改扩建工程W
土体
加固
施工
W1
桩基
施工
W2
围护结构施工
W3
水平
或竖
向支
撑施
工W4
既有
结构
拆除
W5
降水施工
W6
熬T
W7
曙
W31
JI
W32
围护
桩墙
W33
=
R1
物体打
击R11 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
机械伤
害R12 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
高处坠
落R13 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1
触电
R14 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
火灾或
爆炸
R15
1 1 1 1 1 1 1 0 1 1
中毒
R16 0 1 0 0 1 1 1 0 1 1
R2
倒塌
R21 1 1 1 1 1 1 1 0 1 1
坠落
R22 0 1 0 0 1 1 1 1 1 1
火灾或
爆炸
R23
1 I 1 1 1 1 1 0 1 1
R3
失稳或
坍塌
R31
0 0 0 0 1 1 1 0 1 1
变形过
大R32 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
裂缝与
渗漏
R33
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
R4
设施变
形过大
R41
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
设施破
坏R42 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
失稳或
坍塌
R43
0 1 0 0 1 1 1 1 1 1
结构凿除、落深基坑施工、增设电梯井或集水井结构施工
等。增设电梯井的平面和基坑剖面如图4所示。
根据表2给出的结果，该工程改造施工主要安全风险
有：原基坑支护结构使用时间超过1 a,与设计使用年限
不符，且部分补桩作业处于栈桥上，改变混凝土支撑受力
体系，存在既有基坑支护结构失稳风险；以增设电梯井为
例，拆除既有地下室底板、补桩、落深基坑施工等，存在
地下水管涌与流砂风险、落深基坑坍塌风险；在新建结构
施工时，由于水土流失，引起原有地下室结构下部土体松
软，或地下水作用引起新建结构上浮、混凝土离析等，存
在新旧结构体系破坏、漏水风险；因基坑施工引起周边设
施变形、破损，进而影响设施运营安全。
2.2风险控制措施
1）根据现状和补桩施工工况，结合基坑变形数据，
r\ 1100| 2019 • 6 • Building Construction
蔡来炳：既有地下结构扩建改造施工中的安全风险与控制
表2既有地下结构扩建改造施工安全风险清单与风险等级
一
|
st 1 编号风险描述
对应施
工部位
人员
伤亡RW1
在土体加固、桩基工程、围护结构等施工
时，由于工人操作不当、安全防护措施不
到位、机械设备与绳索配件缺陷和异常气
候等原因，发生物体打击、机械伤害、高
处坠落等人员伤害风险，或施工用电不当
引起触电风险；对于地下相对密闭空间作
业，由于燃烧、电焊、切割等有害气体排
放和排气通风措施不当，容易出现人员中
毒风险
土体加
固施工
W1〜新
建结构
施工WX
in
施工机
械设备
倒塌
RW2
施工操作不当、机械性能不符合现场要
求、机械固定不牢靠、碰撞、超负荷作业
和风荷载作用等因素，容易引起施工机械
倒塌风险，如水平或竖向钻机、起重设
备、桩机、冻结设备、泥浆设备、地下连
续墙成槽设备及接头箱（锁口管）、挖土
设备、水泥筒等倒塌风险
土体加
固施工
W1〜新
建结构
施工W8
m
结形漏
有变渗
既构与
RW3
扩建改造施工引起土层应力场、位移场和
地下水分布发生变化，或对既有地下结构
施加和拆除临时支撑时，或既有地下结构
布局拆除时，容易引起既有地下结构变
形、局部受力突变，进而导致结构裂缝、
渗漏风险
土体加
固施工
W1 ~新
建结构
施工W8
in
周边设
施变形RW4
扩建改造施工引起周边设施所处的土层应
力场、位移场和地下水分布等变化，既有
结构渗漏、失稳或坍塌，临时结构、新建
结构失稳或坍塌，可能造成周边设施变形
或损坏，如周边建筑物、地下管线（管
廊）、地铁设施、地下通道、水利设施、
人防设施等。周边设施变形或损坏进一步
加剧时，可能发生失稳或坍塌风险
土体加
固施工
W1〜新
建结构
施工W8
n
火灾或
爆炸RW5
既有地下结构扩建改造施工存在有压力容
器、易燃易爆物体等危险源，如空气压缩
机、水泥筒、氧气瓶、乙快瓶、聚氨酯
等，由于保护措施不到位、施工操作不
当、环境气温变化和外力作用等，可能引
发火灾或爆炸风险，特别是在地下相对密
闭空间
土体加
固施工
W1〜新
建结构
施工W8
in
撑或坠
支件件落
钢构配
RW6
扩建改造施工，如地基加固、桩基施工、
围护结构施工、既有地下结构拆除、降水
与土方开挖等将对既有地下结构产生不利
影响，在这些施工作业前，施加水平或竖
向钢支撑对既有地下结构进行加固。在钢
支撑施设和拆除过程中，受作业空间制
约，因施工作业不当、措施不到位或外界
荷载作用，存在钢支撑构件或配件坠落风
险
既有结
构拆除
W5〜新
建结构
施工WX
in
结稳塌
有失坍
既构或
RW7
扩建改造施工引起土层应力场、位移场和
地下水分布等变化，包括地层空洞或塌
陷、水土流失等，以及既有地下结构变
形、局部受力突变，这些变化进一步加剧
或长时间持续作用，可能导致既有结构失
稳或坍塌风险
既有结
构拆除
W5 ~新
建结构
施工W8
n
支撑失
稳RW8
在土方开挖和降水施工过程中，由于支护
体系变形、碰撞、支撑堆载、支撑施设或
拆除不当、作业不当或不利气候条件等原
因，引起支撑压弯失稳或松弛失稳
降水
施工
W6〜新
建结构
施工W8
n
围护结
构变形
或渗痛
RW9
围护结构所受荷载变化、地下水位或水力
联系变化、支撑不及时、隆水效果未达到
要求、不均衡土方开挖或超挖以及围护结
构缺陷等，可能导致围护结构变形过大，
造成围护结构特别是围护结构连接处和不
同时间施工的围护结构发生渗漏水、流土
流砂风脸
降水
施工
W6〜新
建结构
施工W8
in
地下水
管涌与
流砂
RW10
既有地下结构扩建改造施工时，自然土层
发生二次变化。在粉土、砂性土含水层
中，因地下水控制措施不当、降水不合理
或未按方案抽降水、围护结构与止水帷幕
缺陷、土方开挖作业不当、地下水位或水
力联系变化等，或者承压水作用，在土方
开挖中存在地下水管涌、流砂风险
降水
施工
W6〜新
建结构
施工W8
n
表2既有地下结构扩建改造施工安全风险清单与风险等级（续）
编号风险描述
对应施
工部位
1
支护体
系失癥
或坍塌
RW11
围护结构变形过大、渗漏加剧，支撑失
稳，地下水管涌、流砂，可能导致围护结
构和支撑体系失稳或坍塌风险。对于水平
暗挖扩建改造工程，土体加固和地下水的
治理不当，或忽视土层加固与支护结构整
体作用，易引起支护体系失稳或坍塌风险
土方开
挖与支
撑W7
II
模架体
系失稳RW12
新建结构模架体系设计与实际现场不符、
加固措施不到位、搭设和拆除不合理、混
凝土浇筑与设计方案不符、施工荷载过大
或分布不均衡，可能引起包括柱子模架、
侧墙模架、楼板模架和结构衬砌模架等失
稳风险
新建结
构施工
W8
n
新旧结
构变形
或渗漏
RW13
既有结构界面处理不当、钢筋连接措施不
当、新建结构混凝土质量缺陷、地下水位
变化和拆模与养护不当，或者临时支撑体
系变形或拆除不当，可能导致新建结构和
既有结构变形过大、新旧结构连接处渗漏
风险
新建结
构施工
W8
in
Is
轟
新构失坍
RW14
新建结构强度和刚度未达到要求或新旧结
构连接处缺陷，即新旧结构体系未形成有
效承载能力，拆除临时支撑，或承受过大
荷载作用，如水土压力增大，可能发生新
旧结构体系失稳或坍塌风险
新建结
构施工
W8
n
图3基坑工程平面布置
-底板破除边线-ij.10 m
-15.70 m
2 3粉土、粉砂
2)4粉细砂
二 31.10m
-16.70 m
.~J8.80 m
0800@600 三重
管髙压旋喷桩
（b）剖面
图4增设电梯井落深基坑
对既有基坑支护结构进行安全性验算。由于底板与地下连
续墙连接为整体，故基坑内降水、底板凿除、落深基坑开
挖、支撑栈桥上钻孔桩施工和其他改造施工作业时，既有
基坑支护结构应稳定安全。支撑栈桥开洞位置须避开栈桥
梁，在开洞处设置围挡及警示装置，围挡内严禁作用任何
建筑施工•第41卷•第6期1101 71
蔡来炳：既有地下结构扩建改造施工中的安全风险与控制
形式的施工荷载；桩机基座需垫铺钢板，确保栈桥受力均
匀；在栈桥上设置泥浆池时，应严格控制泥浆池高度，确
保栈桥荷载不超过设计限值30 kPao应加强混凝土支撑立
柱桩钢构件的防腐措施，加强既有基坑支护体系变形和支
撑轴力监测。
2） 地下室底板改造施工影响范围土层为粉砂性土，
为预防地下水管涌与流砂风险，底板开洞增设12 口降水
井，深度21.5 m。通过在基坑内抽降地下水至底板底以下
0.5 m,以控制补桩、施设高压旋喷桩、落深基坑开挖等作
业的地下水管涌与流砂风险。当满足封井条件时，首先对
增设的12口降水井依次进行封井，最后对原有的6口降水井
进行封井。
3） 落深基坑采用三重管高压旋喷桩重力式挡墙作为坑
内支护结构，重力挡墙厚度0.8〜2.0m,插入比约1.30,高
压旋喷桩直径800 mm,搭接200 mm。保证高压旋喷桩质量
是预防落深基坑坍塌风险的首要措施。高压旋喷桩注浆材
料釆用双液浆。施工时需派专人看护施工区域附近降水井
的抽水情况，防止高压旋喷桩与水井串通，影响降水井的
降水效果及避免水井被埋。一旦发现排水量减少、断排及
高压旋喷桩施工时出现清水变浑浊，说明高压旋喷桩与水
井己串通，必须立即采取应对措施：停止旋喷桩施工及周
围的降水井排水，待45 min水泥浆初凝后，立即清洗降水
井，直至恢复降水井的排水状况；一旦降水效果恢复，停
止抽水，继续施工高压旋喷桩，加快施工速度完成该区域
内的工程量。
4） 增补钻孔灌注桩、新建电梯井或集水井结构安全风
险控制措施。由于靠近破除边缘350 mm范围内均为人工破
除，即原有底板钢筋保留长度为350 mm,原底板钢筋与后
增加钢筋采用单面焊连接，接头无需错开处理，需满足焊
接长度不小于15d （d为钢筋直径）的要求。新老结构防水
措施：在垫层、砖侧模施工完成后，按设计施工厚1.5 mm
的CPS-CL反应粘接型高分子湿铺防水卷材（双面粘）+厚
50 mm的C20细石混凝土保护层，阴阳角、新旧卷材接槎处
设置宽500 mm相同材质卷材附加层。同时，在新老结构部
位预埋注浆管，混凝土强度满足后进行控制注浆，预防结
构漏水风险；增设基坑边梁，以有效控制新增集水井或电
梯井的结构安全（图5）。
5） 邻近地铁隧道安全风险控制措施。邻近地铁区间隧
道区域段采用850 mm三轴深层搅拌桩对主、被动区土体
进行加固。地下连续墙两侧槽壁采用三轴深搅拌桩加固，
坑外在地铁与地下连续墙中间采用隔离桩控制地铁盾构区
间隧道变形。
2.3实施结果
基于安全风险分析，釆取有效的降水措施和高压旋喷
桩加固等风险控制，该工程地下室改造施工过程中未发生
图5落深基坑边梁结构与新旧连接部位处理
安全风险事件。从增设钻孔桩施工开始到新建集水井与电
梯井结构完成，既有基坑支护结构最大沉降变化量控制在
5 mm以内，最大水平位移变化量7 mm；地铁盾构区间隧道
沉降最大变化量5 mm。结合沉降观测结果，采用后注浆措
施，新建结构和既有地下室底板未出现渗漏。
因此，对于该工程既有地下结构改建，针对基坑支
护结构体系、增设桩基以及集水井或电梯井等局部改造内
容，基于工程监测，采用土体加固、开挖降水和新旧结构
防水等措施是控制安全风险的主要内容。
3 结语
1） 采用WBS-RBS法可以有效形成既有地下结构扩建
改造工程风险清单。结合专家调查法和LS风险矩阵，风险
评价结果表明：新旧结构、支护体系失稳或坍塌，支撑、
模架体系失稳，地下水管涌与流砂以及周边设施变形或损
坏等风险事件为H级风险，属于不愿接受风险。
2） 在风险控制方面，土体加固和开挖降水等措施可以
有效控制开挖土体失稳风险和地下水管涌风险⑼；钢筋连
接、新旧结构界面处理和沉降控制是新建与原有结构体系
安全的重要内容；应根据周边设施的特点制订针对性的环
境设施安全风险控制措施阀。
------- --------- ^===^ 参考文献亠丄 -- =
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范:DG/TJ 08-2235—2017[S].上海:同济大学出版社,2017.
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风险管理规范：GB 50652—2011 [S}.北京:中国计划出版社,2011.
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施工控制研究[D]上海:同济大学,2008.
1102. 2019 • 6 • Building Construction

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