軟土深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及變形控制效果分析

吳 敏 張 峰

（1.航天規(guī)劃設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，北京 100162；2.浙江水利水電學(xué)院，浙江 杭州 310018）

0 引言

隨著市政工程的快速發(fā)展，基坑工程數(shù)量也日益增加，為保障基坑施工安全，進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)及變形控制效果分析具有重要意義[1-2]。目前，李世翠等[3]通過有限元分析進(jìn)行了基坑支護(hù)設(shè)計(jì)；李福清等[4]進(jìn)行了河流漫灘區(qū)的基坑支護(hù)研究；李廣等[5]進(jìn)行了復(fù)雜條件下的基坑內(nèi)支撐設(shè)計(jì)。前述研究雖取得了相應(yīng)成果，但均未對(duì)軟土地區(qū)的基坑支護(hù)進(jìn)行系統(tǒng)性設(shè)計(jì)，也沒有進(jìn)行設(shè)計(jì)實(shí)施后的變形控制效果研究。因此，該文以某軟土深基坑為例，先進(jìn)行其支護(hù)設(shè)計(jì)，再結(jié)合監(jiān)測(cè)成果分析其變形控制效果，以期為類似工程積累經(jīng)驗(yàn)。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目基本信息

某基坑屬軌道交通車站基坑近似東西展布，設(shè)計(jì)起止里程DK51+762.5m~DK51+908.3m，長度為145.8m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為20.9m，開挖深度為18.25m。基坑平面近似長方形形態(tài)，其示意圖如圖1 所示。

圖1 基坑平面示意圖

該基坑周邊近接既有建、構(gòu)筑物相對(duì)較多，其中北側(cè)主要近接廣場(chǎng)，無特殊建筑物；南側(cè)主要為2 棟大廈，高度87.6m，采用樁基礎(chǔ)；東側(cè)主要為城市交通主干道；西側(cè)主要為住宿小區(qū)，屬小高層，層數(shù)為8 層，采用天然獨(dú)立基礎(chǔ)。

1.2 工程地質(zhì)條件

結(jié)合勘察成果，基坑開挖所涉范圍共計(jì)有6 類土層，具體特征如下。

土層①：雜填土，巖性雜亂，主要為建筑垃圾，孔隙填充為黏性土，結(jié)構(gòu)較松散，普遍分布于場(chǎng)區(qū)范圍內(nèi)，厚度變化差異較大。

土層②：淤泥質(zhì)土，多為流塑狀~軟塑狀，光澤較弱，強(qiáng)度較低，工程性質(zhì)較差。

土層③：淤泥質(zhì)粉砂，多為流塑狀~軟塑狀，光澤較弱，強(qiáng)度較低，韌性較差，局部夾雜粉砂層。

土層④：中粗砂，稍濕~濕，松散~稍密狀，滲透性較大，夾雜了少量黏粒。

土層⑤：全風(fēng)化細(xì)砂巖，紫紅色，細(xì)砂質(zhì)及結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分主要為長石、石英，膠結(jié)物主要為硅質(zhì)、泥質(zhì)，巖芯完整性較差。

土層⑥：強(qiáng)風(fēng)化細(xì)砂巖，紫紅色，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及礦物成分特征與土層⑤一致，巖芯完整性相對(duì)較好，具短柱狀、柱狀特征。

2 基坑支護(hù)設(shè)計(jì)

為切實(shí)保證基坑施工安全，該節(jié)重點(diǎn)進(jìn)行其支護(hù)設(shè)計(jì)研究。在其設(shè)計(jì)過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)主體采用地下連續(xù)墻，中部設(shè)置4 道橫撐，其結(jié)構(gòu)示意圖如圖2 所示。

圖2 基坑支護(hù)示意圖

2.1 圍護(hù)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

基坑周邊支護(hù)結(jié)構(gòu)為地下連續(xù)墻，其厚度為0.8m，頂部施做冠梁，冠梁尺寸為1.0m×0.8m，混凝土標(biāo)號(hào)采用C35，鋼筋采用HRB300。

結(jié)合施工特點(diǎn)，其施工要點(diǎn)具體如下：1）施工機(jī)械采用SG-40 成槽機(jī)，機(jī)械要求為起吊100t，配置泥漿系統(tǒng)、焊機(jī)等。在施工過程中，成槽過程應(yīng)分部實(shí)施，避免局部塌方。成槽機(jī)的寬度不宜小于2.5m，可根據(jù)施工分幅寬度進(jìn)行調(diào)整。2）在地連墻施工過程中，泥漿顯得格外重要，結(jié)合工程實(shí)際，將其每立方材料配比設(shè)置為120kg 膨潤土、4kg 重質(zhì)純堿、1kg 中黏CMC 以及自來水960kg。3）在成槽過程中，應(yīng)嚴(yán)格控制垂直度，并嚴(yán)格利用經(jīng)緯儀進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)。槽寬允許誤差界線為5cm，垂直度誤差為3%，深度誤差不大于設(shè)計(jì)深度10cm~20cm。

2.2 支撐體系的設(shè)計(jì)

由于基坑區(qū)地質(zhì)條件相對(duì)較差，因此支撐體系的設(shè)計(jì)是必要的。在該工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)過程中，共計(jì)設(shè)計(jì)了4道支撐。其中第一道支撐為鋼筋混凝土支撐，施做于冠梁處，尺寸為0.8m×1.0m，混凝土標(biāo)號(hào)為C30，重度設(shè)計(jì)為25kN/m3，彈性模量設(shè)計(jì)為30GPa，泊松比設(shè)計(jì)為0.167，體積模量設(shè)計(jì)為15GPa，剪切模量設(shè)計(jì)為12.9GPa。第二道至第四道支撐均是鋼支撐，鋼支撐型號(hào)為Q235 的Φ609mm鋼，厚度為16mm，重度設(shè)計(jì)為78.5kN/m3，彈性模量設(shè)計(jì)為200GPa，泊松比設(shè)計(jì)為0.3，體積模量設(shè)計(jì)為166.7GPa，剪切模量設(shè)計(jì)為76.9GPa。

根據(jù)各支撐所處位置不同，其支撐軸力設(shè)計(jì)如下。第一道支撐：軸力設(shè)計(jì)值為3471kN，報(bào)警值為2756kN。第二道支撐：軸力設(shè)計(jì)值為2036kN，報(bào)警值為1687kN。第三道支撐：軸力設(shè)計(jì)值為1927kN，報(bào)警值為1577kN。第四道支撐：軸力設(shè)計(jì)值為1728kN，報(bào)警值為1342kN。

2.3 基坑水的處理設(shè)計(jì)

2.3.1 地表水處理設(shè)計(jì)

為避免地表水及降雨影響施工，在基坑頂部周邊設(shè)置截排水溝并且地連墻高度一般要高于地表，高出高度不少于20cm。

2.3.2 地下水處理設(shè)計(jì)

為降低地下水水位，將其類型設(shè)計(jì)為疏干井和降壓井。

3 基坑變形控制效果分析

3.1 評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建

一般來說，基坑變形越大，說明其支護(hù)控制效果相對(duì)越差；反之，說明其控制效果越優(yōu)。因此，一方面，可通過現(xiàn)有變形監(jiān)測(cè)成果評(píng)價(jià)其是否在基坑預(yù)警值范圍內(nèi)；另一方面，可通過變形預(yù)測(cè)評(píng)價(jià)其后續(xù)發(fā)展特征。該文通過這2 個(gè)方面的綜合評(píng)價(jià)，以期全面評(píng)價(jià)基坑變形控制效果。

根據(jù)上述內(nèi)容，在基坑變形控制效果的評(píng)價(jià)方法的構(gòu)建過程中，重點(diǎn)是構(gòu)建變形預(yù)測(cè)模型。據(jù)姚凱等[6]的研究成果，廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Generalized Regression Neural Network，GRNN）的預(yù)測(cè)能力較強(qiáng)，因此該文通過其構(gòu)建基坑變形預(yù)測(cè)模型。

根據(jù)GRNN 模型的基本原理，其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)包括4 層，和傳統(tǒng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相比具有一定差異，各層作用具體如下。

首先，輸入層。該層是將基坑基礎(chǔ)變形信息輸入模型結(jié)構(gòu)中，完成信息輸入任務(wù)。

其次，隱含層。該層是利用激勵(lì)函數(shù)保證隱層節(jié)點(diǎn)與輸入節(jié)點(diǎn)間的連接關(guān)系，該關(guān)系具一一對(duì)應(yīng)特點(diǎn)，不具混亂特征，并將激勵(lì)函數(shù)設(shè)置為高斯函數(shù)，如公式（1）所示。

式中：hi為該層輸出值；m為節(jié)點(diǎn)個(gè)數(shù)；S為光滑因子；wi為隱含層的訓(xùn)練向量。

再次，求和層。該層是在隱含層基礎(chǔ)上增加一個(gè)維度，實(shí)現(xiàn)輸入信息的進(jìn)一步變換，該變換過程主要通過求和參數(shù)A和變化參數(shù)Gj實(shí)現(xiàn)，如公式（2）、公式（3）所示。

式中：q為求和層節(jié)點(diǎn)數(shù)；kij為求和層的訓(xùn)練向量

最后，輸出層。該層主要是繼承求和層信息，輸出預(yù)測(cè)結(jié)果，如公式（4）所示。

式中：zj為預(yù)測(cè)結(jié)果。

但是，根據(jù)GRNN 模型的使用經(jīng)驗(yàn)，其應(yīng)用過程存在一定不足，主要表現(xiàn)為連接權(quán)值是由模型自動(dòng)隨機(jī)生成的，欠缺客觀性。由于螢火蟲算法（Firefly Algorithm，F(xiàn)A）的全局尋優(yōu)能力較強(qiáng)，因此該文提出利用其實(shí)現(xiàn)GRNN 模型的參數(shù)尋優(yōu)處理，并結(jié)合FA 算法的原理，將其對(duì)GRNN模型的尋優(yōu)過程總結(jié)如圖3 所示。

圖3 FA-GRNN 算法的流程

FA-GRNN 模型雖具較優(yōu)的預(yù)測(cè)效果，但基坑變形具顯著的非線性特征，因此該文再提出Arima 模型進(jìn)行補(bǔ)充預(yù)測(cè)，即利用Arima 模型進(jìn)行FA-GRNN 模型預(yù)測(cè)誤差的修正預(yù)測(cè)。在Arima 模型優(yōu)化過程中，其優(yōu)化函數(shù)如公式（5）所示。

式中：Rt為誤差預(yù)測(cè)值；φm、θj為自回歸、滑動(dòng)參數(shù)；p、q為回歸階次；at為白噪聲信息。

根據(jù)上述內(nèi)容，將基坑變形預(yù)測(cè)模型最終確定為FAGRNN-Arima 模型。

3.2 變形特征及控制

3.2.1 基坑變形特征

在基坑施工過程中，變形監(jiān)測(cè)是必要的，其中水平位移是必測(cè)項(xiàng)目。結(jié)合工程實(shí)際，該文共計(jì)布設(shè)了24 個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（布置如圖1 所示）。

在變形監(jiān)測(cè)過程中，共計(jì)監(jiān)測(cè)了30 個(gè)周期，得到的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)水平位移值見表1。

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)水平位移值

根據(jù)上述內(nèi)容，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移值存在一定差異，變化范圍介于24.46mm~38.19mm，平均值為31.52mm，充分說明基坑變形特征顯著，分析其后續(xù)控制效果格外重要。該項(xiàng)目水平位移的預(yù)警值為40mm，現(xiàn)有各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平位移值均在預(yù)警范圍內(nèi)。

3.2.2 控制效果分析

該文以3.1 節(jié)思路進(jìn)行基坑變形控制效果分析，限于篇幅原因，僅對(duì)3 個(gè)最大的水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行分析，即以SW-07、SW-09 及SW-20 監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)分析，預(yù)測(cè)結(jié)果見表2。據(jù)表2 可知，3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)效果存在一定差異，其中SW-07 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差介于2.02%~2.13%，平均相對(duì)誤差為2.08%；SW-09 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差介于2.05%~2.20%，平均相對(duì)誤差為2.12%；SW-20 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)誤差介于2.06%~2.16%，平均相對(duì)誤差為2.11%。因此可得出3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)效果相當(dāng)，充分驗(yàn)證了FAGRNN-Arima 模型在變形預(yù)測(cè)過程中的穩(wěn)定性。

表2 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的預(yù)測(cè)結(jié)果

根據(jù)外推預(yù)測(cè)結(jié)果，得到SW-07 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在31~34 期的速率均值為0.51mm/d，SW-09 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在31~34 期的速率均值為0.70mm/d，SW-20 監(jiān)測(cè)點(diǎn)在31~34 期的速率均值為0.55mm/d。因此可得出3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的后續(xù)變形仍會(huì)進(jìn)一步增加，但增加速率較小，水平位移趨于穩(wěn)定，說明基坑支護(hù)設(shè)計(jì)措施是有效的。

綜上所述，基坑水平位移目前仍在預(yù)警值范圍內(nèi)并且后續(xù)變形趨于穩(wěn)定，說明基坑支護(hù)設(shè)計(jì)是合理的，具有良好的變形控制效果。

4 結(jié)論

該文通過軟土深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)及變形控制效果分析，主要得出如下結(jié)論：1）基坑支護(hù)設(shè)計(jì)對(duì)保護(hù)其安全施工具有重要意義，該文實(shí)例的主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用地下連續(xù)墻，內(nèi)支撐共計(jì)設(shè)計(jì)4 道橫撐，其中除第一道為鋼筋混凝土支撐外，其余均是鋼支撐。2）基坑水平位移特征顯著，但現(xiàn)有變形值均在預(yù)警值范圍內(nèi)，并經(jīng)過FA-GRNN-Arima 模型變形預(yù)測(cè)得出基坑水平位移將進(jìn)一步增加，但增加速率較小，發(fā)展趨于穩(wěn)定，說明基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的變形控制效果較優(yōu)。