樁基礎(chǔ)施工對臨近地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響

摘 要：為合理評價樁基施工對臨近地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響程度，本文結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測成果，從現(xiàn)有狀態(tài)、預(yù)測狀態(tài)條件出發(fā)，針對樁基施工對既有隧道穩(wěn)定性的影響程度等級進(jìn)行劃分。分析結(jié)果表明：在現(xiàn)有狀態(tài)條件下，豎向位移的X指標(biāo)值為0.558～0.737，水平位移的X指標(biāo)值為0.624～0.764。在預(yù)測狀態(tài)條件下，豎向位移的X指標(biāo)值為0.570～0.750，水平位移的X指標(biāo)值為0.648～0.803。同時，通過對比，K2點位處的樁基施工對既有隧道的穩(wěn)定性影響分級按C級進(jìn)行防治，其余兩點位按B級進(jìn)行防治。通過本文研究，為類似工程積累了經(jīng)驗。

關(guān)鍵詞：樁基礎(chǔ)；臨近地下結(jié)構(gòu)；既有隧道；變形預(yù)測

中圖分類號：P 642" " " " " " " " " " " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在城市建設(shè)過程中，近接施工難以避免，針對樁基施工對臨近地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響程度進(jìn)行分析具有重要意義[1]。同時，在既有建筑的類型劃分中，既有隧道較為常見，因此，樁基施工對既有隧道的變形分析就十分重要。結(jié)合以往的研究成果，將分析過程劃分為現(xiàn)狀狀態(tài)條件下分析和預(yù)測狀態(tài)條件下的分析。應(yīng)重視預(yù)測狀態(tài)條件下的分析，即變形預(yù)測研究，徐利鋒等[2]進(jìn)行了既有隧道沉降預(yù)測分析。劉義等[3]通過變形預(yù)測評價了既有隧道的安全性。孫佳羽等[4]運用了擬合方法進(jìn)行了既有隧道變形預(yù)測。綜合上述，本文結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測成果，從現(xiàn)有狀態(tài)、預(yù)測狀態(tài)條件出發(fā)，劃分樁基施工對既有隧道穩(wěn)定性的影響程度等級，以期為現(xiàn)場安全施工提供一定的理論依據(jù)。

1 基本原理

從變形分析角度對樁基礎(chǔ)施工對臨近地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分析，結(jié)合各類監(jiān)測項目的變形控制值，構(gòu)建評價指標(biāo)X，即相應(yīng)時刻的累計變形值與變形控制值（本文實例對應(yīng)水平位移、豎向位移的控制值均是20mm）的比值。

根據(jù)評價指標(biāo)X的構(gòu)建原理，值越小越好，因此，構(gòu)建樁基礎(chǔ)施工對臨近地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響分級，具體標(biāo)準(zhǔn)見表1。

表1 穩(wěn)定性影響分級標(biāo)準(zhǔn)

穩(wěn)定性影響等級 指標(biāo)X的范圍 影響程度評價

A級 X＜0.6 樁基施工對既有隧道的穩(wěn)定性影響很有限，可進(jìn)行正常樁基施工

B級 0.6≤X＜0.8 樁基施工對既有隧道的穩(wěn)定性有一定影響，可進(jìn)行正常樁基施工，但應(yīng)加強監(jiān)測頻率

C級 0.8≤X＜1.0 樁基施工對既有隧道的穩(wěn)定性的影響較大，須暫停樁基施工，并應(yīng)加強監(jiān)測頻率及采取相應(yīng)防治措施

D級 X≥1.0 樁基施工對既有隧道的穩(wěn)定性的影響很大，須暫停樁基施工，并立即啟動應(yīng)急預(yù)案

分析步驟可劃分為兩步：以現(xiàn)有監(jiān)測成果計算評價指標(biāo)X，評價現(xiàn)有狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性影響等級；對相應(yīng)監(jiān)測項目的變形數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測，根據(jù)預(yù)測成果計算評價指標(biāo)X，評價預(yù)測狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性影響等級。

為對樁基礎(chǔ)施工對臨近地下結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性影響分級進(jìn)行研究，還須構(gòu)建變形預(yù)測模型[5-6]。SVR非線性預(yù)測能力強，相應(yīng)初步訓(xùn)練函數(shù)f（x）如公式（1）所示。

f（x）=wδ（x）+b" " " " " （1）

式中：w為廣義參數(shù)矩陣；δ（）為映射函數(shù)；b為偏置矩陣。

最小化預(yù)測風(fēng)險的目標(biāo)R如公式（2）所示。

R=1/2||w||2+cξ" " " " " （2）

式中：c為懲罰因子；‖w‖2為結(jié)構(gòu)復(fù)雜度參數(shù)；ξ為松弛因子。

雖然SVR非線性預(yù)測能力強，但其參數(shù)c和參數(shù)ξ具隨機性，進(jìn)一步用生物地理學(xué)優(yōu)化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）對兩個參數(shù)進(jìn)行尋優(yōu)處理。

將預(yù)測模型初步確定為BBO-SVR，但為進(jìn)一步提高預(yù)測精度，須利用混沌理論（Chao Theory，CT）補充預(yù)測BBO-SVR。

在CT的補充預(yù)測過程中，先計算混沌特征判別參數(shù)λ，當(dāng)λ大于0時，對預(yù)測誤差進(jìn)行相空間重構(gòu)，計算ψj節(jié)點與臨近節(jié)點ψj的距離特征參數(shù)d如公式（3）所示。

（3）

當(dāng)d值最小時，通過反推處理即可補充預(yù)測BBO-SVR，最終變形預(yù)測模型為BBO-SVR-CT。

將預(yù)測效果評價指標(biāo)確定為相對誤差R及其均值P，其值越小，說明預(yù)測精度越高。

2 實例分析

2.1 工程概況

以天府站車場范圍內(nèi)站房配套項目為例，為滿足現(xiàn)場交通需要，新建了一條城市主干道，受線路規(guī)劃限制，道路擬采用橋梁進(jìn)行通過，且此段與既有隧道段平行，平面位置關(guān)系如圖1所示。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，既有隧道寬度18.5m，高度13.6m，用于日常交通，其埋深約5.4m，屬淺埋隧道。橋梁上部結(jié)構(gòu)采用兩跨2×70連續(xù)鋼箱梁結(jié)構(gòu)，且鋼箱梁采用變截面特征，中支點梁高設(shè)計為4.4m，主要分布于中支點前后6m，后逐步漸變至兩端，兩端梁高2.8m。橋梁下部基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，樁底位于既有隧道下。

中部支座處的橫斷面示意如圖2所示。

根據(jù)勘察成果，項目地層主要為填土層、粉質(zhì)黏土層、細(xì)砂層、夾卵石粉質(zhì)黏土層和卵石層，各層有以下基本特征。1）填土層。該層位于地表，廣泛分布，巖性多為黏性土，局部夾雜建渣，較為雜亂，結(jié)構(gòu)松散，滲透性強，分布厚度0.8m～3.1m。2）粉質(zhì)黏土層。紫紅色，可塑至硬塑狀態(tài)，稍濕，局部夾少量角礫，通常小于5%，巖性多為砂巖，區(qū)內(nèi)廣泛分布，分布厚度1.6m～5.3m。3）細(xì)砂層。褐黃色，細(xì)粒感，濕，飽和，分布厚度0.0～1.4m。4）夾卵石粉質(zhì)黏土層。紫紅色，可塑，稍濕，含有少量卵石，含量為6%～13.5%，母巖成分較為雜亂，磨圓度較高，多為次圓狀，分布厚度2.6m～7.9m。5）卵石層。顏色雜亂，稍密至密實狀態(tài)，卵石含量55%～75%，母巖成分多為花崗巖、灰?guī)r等，磨圓度高，多為次圓狀，工程性質(zhì)較好，分布厚度大于8.5m。

本項目地層條件相對一般，上部土層工程性質(zhì)較差，因此，分析樁基礎(chǔ)施工對臨近地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響是十分必要的。

2.2 樁基施工對既有隧道的影響分析

橋梁樁基位置臨近既有隧道位置，屬近接施工，因此，為保障既有隧道的運營安全，分析橋梁樁基施工對其影響顯得格外重要。

為切實掌握橋梁樁基施工對既有隧道的變形影響，在3個橋梁樁基施工斷面處布設(shè)了相應(yīng)變形監(jiān)測點，監(jiān)測點位于既有隧道內(nèi)，用于監(jiān)測樁基施工過程中既有隧道的變形規(guī)律，且監(jiān)測項目包括水平位移和豎向位移。

在既有隧道監(jiān)測過程中，按照1次/d的監(jiān)測頻率進(jìn)行監(jiān)測，共得到23期變形數(shù)據(jù)，具體詳見表2，C為豎向位移監(jiān)測，S為水平位移監(jiān)測（見表2），3個監(jiān)測點的豎向位移變化為11.15mm～14.75mm，水平位移變化為12.48mm～15.28mm，兩類位移的變形值雖在控制范圍內(nèi)，但也相對較大，側(cè)面說明后續(xù)樁基施工對既有隧道影響分級研究的必要性。

為進(jìn)一步掌握既有隧道的變形規(guī)律，對6個監(jiān)測點的變形速率特征參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計，在豎向位移監(jiān)測成果中，K1-C的最大變形速率為1.18mm/d，最小變形速率為0.03mm/d，均值為0.53mm/d。K2-C的最大變形速率為1.45mm/d，最小變形速率為0.04mm/d，均值為0.64mm/d。K3-C的最大變形速率為1.59mm/d，最小變形速率為0.03mm/d，均值為0.48mm/d。在水平位移監(jiān)測成果中，K1-S的最大變形速率為1.23mm/d，最小變形速率為0.04mm/d，均值為0.54mm/d。K2-S的最大變形速率為1.48mm/d，最小變形速率為0.04mm/d，均值為0.66mm/d。K3-S的最大變形速率為1.80mm/d，最小變形速率為0.03mm/d，均值為0.55mm/d。通過對比，各監(jiān)測點的變形速率均波動較大。

2.2.1 現(xiàn)有狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性影響分級

以表2中第23期變形數(shù)據(jù)值為基礎(chǔ)，計算現(xiàn)有狀態(tài)條件下的評價指標(biāo)X，結(jié)果見表3。豎向位移的X指標(biāo)值為0.558～0.737，其中，K3-C的穩(wěn)定性等級為A級，其余兩個監(jiān)測點的穩(wěn)定性等級為B級。水平位移的X指標(biāo)值為0.624～0.764，3個監(jiān)測點的穩(wěn)定性等級均為B級。

2.2.2 預(yù)測狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性影響分級

在對預(yù)測狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性影響進(jìn)行分級中，應(yīng)利用BBO-SVR-CT進(jìn)行變形預(yù)測。統(tǒng)計豎向位移的變形預(yù)測結(jié)果見表4。K1-C的P值為2.06%，K2-C的P值為2.11%，K3-C的P值為2.17%，均具有較高預(yù)測精度，說明BBO-SVR-CT適用于豎向位移的變形預(yù)測。

水平位移的變形預(yù)測結(jié)果見表5。據(jù)表5，K1-S的P值為2.13%，K2-S的P值為2.09%，K3-S的P值為2.15%，也均具有較高預(yù)測精度，進(jìn)一步說明BBO-SVR-CT適用于水平位移的變形預(yù)測。

表2 既有隧道的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)

監(jiān)測周期/d K1-C K2-C K3-C K1-S K2-S K3-S

0 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00 0.00

1 0.46 0.08 0.14 0.07 0.58 0.16

2 0.86 0.20 0.43 0.17 1.09 0.49

3 0.94 0.25 0.82 0.21 1.18 0.93

4 1.04 0.35 0.90 0.29 1.30 1.03

5 1.34 0.40 1.32 0.34 1.69 1.50

6 1.37 0.60 1.43 0.51 1.72 1.63

7 1.43 0.74 2.49 0.63 1.80 2.83

8 1.58 1.03 3.07 0.87 1.99 3.49

9 2.45 2.49 3.73 2.10 3.08 4.24

10 3.50 3.90 3.95 3.30 4.40 4.49

11 4.29 4.14 4.30 3.50 5.39 4.89

12 4.94 5.53 4.34 4.68 6.21 4.93

13 5.15 6.80 4.98 5.75 6.46 5.66

14 5.68 7.89 5.62 6.68 7.13 6.39

15 6.67 9.29 6.19 7.86 8.38 7.04

16 7.39 10.52 6.22 8.90 9.28 7.07

17 7.94 11.45 6.58 9.69 9.97 7.48

18 8.47 11.61 7.90 9.83 10.64 8.98

19 8.95 12.54 9.48 10.61 11.24 10.78

20 10.13 12.80 10.25 10.83 12.72 11.65

21 11.14 13.58 10.46 11.49 13.99 11.89

22 11.77 14.40 11.04 12.19 14.79 12.56

23 12.17 14.75 11.15 12.48 15.28 12.68

表3 現(xiàn)有狀態(tài)條件下的穩(wěn)定性影響分級結(jié)果

監(jiān)測點 指標(biāo)X值 穩(wěn)定性等級

K1-C 0.608 B級

K2-C 0.737 B級

K3-C 0.558 A級

K1-S 0.624 B級

K2-S 0.764 B級

K3-S 0.634 B級

根據(jù)表4和表5的預(yù)測結(jié)果，統(tǒng)計兩類變形在24～26期的后續(xù)變形速率均值，其中，K1-C的速率均值為0.12mm/d，K2-C的速率均值為0.18mm/d，K3-C的速率均值為0.17mm/d。K1-S的速率均值為0.28mm/d，K2-S的速率均值為0.36mm/d，K3-S的速率均值為0.21mm/d。

水平位移比豎向位移的后續(xù)變形速率略大，但均值較小，說明兩類變形趨于穩(wěn)定，并根據(jù)兩類變形在26期的累計變形值，預(yù)測狀態(tài)條件下的評價指標(biāo)X，結(jié)果見表6。豎向位移的X指標(biāo)值為0.570～0.750，其中，K3-C的穩(wěn)定性等級為A級，其余兩個監(jiān)測點的穩(wěn)定性等級為B級。水平位移的X指標(biāo)值為0.648～0.803，其中，K2-S的穩(wěn)定性等級為C級，其余兩個監(jiān)測點的穩(wěn)定性等級為B級。

綜合上述，對比現(xiàn)有、預(yù)測狀態(tài)下的評價指標(biāo)X值可知，隨著時間的推移，X值略有提高，但各類變形總體趨于穩(wěn)定方向發(fā)展，按不利原則，K1、K3點位處按B級進(jìn)行防治，K2點位處按C級進(jìn)行防治。

3 結(jié)論

通過分析樁基礎(chǔ)施工對臨近地下結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性影響，得出以下結(jié)論。1）在現(xiàn)有狀態(tài)條件下，豎向位移的X指標(biāo)值為0.558～0.737，水平位移的X指標(biāo)值為0.624～0.764。在預(yù)測狀態(tài)條件下，豎向位移的X指標(biāo)值為0.570～0.750，水平位移的X指標(biāo)值為0.648～0.803。2）按不利原則，建議K1、K3點位處按B級進(jìn)行防治，K2點位處按C級進(jìn)行防治。

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