某工程深基坑支護方案優化

黃 偉

(杭州市蕭山區建設工程安全監督站，浙江杭州310052)

深基坑支護設計與施工是一項系統工程，它的實施涉及到結構力學、土力學、地基基礎、地基處理、原位測試等多種學科知識，同時要有豐富的施工經驗，并結合擬建現場的地質和周圍環境情況，才能因地制宜地制定出合理的支護設計方案和施工方案［1、2］。深基坑支護優化設計是個復雜的問題，涉及到的設計參數比較多，目標函數與設計參數之間的關系是復雜的非線性關系，并且是一個多極值問題，采用傳統的優化技術(如梯度法)很難解決，為此很多學者改變思維方式，將神經網絡、遺傳算法、微粒群算法等智能計算技術應用到基坑支護優化設計中，取得了一定效果，但此類優化僅限于對同一支護方案的優化。本文以杭州銀泰購物廣場的深基坑工程的支護為例，通過對兩種不同的支護方案的優化和比較，在保證基坑支護安全系數的同時，可選擇支護費用最低的支護方案，從而取得更高的經濟和社會效益。

1 工程概況

本工程位于杭州城西地區，基坑北側為萍水路，南側為待建之富強路及阮家橋港河道支流，東側為塘中路，西側為豐潭路。該綜合商業中心項目位于城西核心地帶，項目發展將形成城西乃至杭州的一個新地標，對區域服務和完善城市規劃有著極其重要的作用。該工程占地面積6.5×104m2，總建筑面積為 39.6 ×104m2，其中，地上 24.5 ×104m2，地下15.1×104m2，人防面積3.52×104m2，地下室共三層，底板面標高分別為－15.5 m、－11.6 m、－7 m，功能包括地下一層商業步行街、自行車庫、卸貨區、機動車停車庫及人防工程。該工程是集大型購物中心、休閑運動設施、延伸教育服務、辦公、星級商務精品酒店一體之大型城市建筑綜合體。

2 基坑支護方案

2.1 支護方案一施工流程

支護方案一具體施工工序如下:先拆除富強商業廣場結構至地下一層樓板，保留地下室外墻，同時施工坑外主動區加固體(圖1)。在原富強商業廣場結構地下一層底板上開槽，施工雙排樁(灌注樁)，采用咬合樁機全套管輔助處理清除土釘障礙物后施工圍護樁。底板上開槽應分段間隔交替進行，每段長度約18 m。每段圍護樁施工完畢后馬上進行該段壓頂梁施工，并以混凝土填實壓頂梁與周邊底板間縫隙，然后施工雙排樁間旋噴樁。圍護樁及壓頂梁達到80%強度后，拆除中間地下一層樓板，施工工程樁。原富強商業廣場范圍內工程樁、圍護樁及壓頂梁均施工完畢并達到一定強度后，拆除基坑范圍內原富強商業廣場地下一層底板及墻板，開挖至第一道支撐底標高，施工第一道支撐及圍檁。同時回填保留的地下室外墻外土方，施工排水溝，形成施工場地。待第一道支撐及圍檁施工完畢并達到一定強度后，開挖至第二道支撐底標高，施工第二道支撐及圍檁。待第二道支撐及圍檁施工完畢并達到一定強度后，開挖至坑底，施工基礎底板及傳力帶，以及地下二層樓板及傳力帶。待基礎底板及傳力帶達到一定強度，拆除第二道支撐，施工地下二層、地下一層樓板及傳力帶。待地下一層樓板及傳力帶達到一定強度，拆除第一道支撐。

圖1 支護方案一示意

2.2 支護方案二施工流程

支護方案二具體施工工序如下:先拆除富強商業廣場結構至地下一層樓板，保留地下室外墻，同時施工坑外主動區加固體(圖2)。在原富強商業廣場結構地下一層底板上開槽，施工雙排樁(灌注樁)，采用咬合樁機全套管輔助處理清除土釘障礙物后施工圍護樁。底板上開槽應分段間隔交替進行，每段長度約18 m。每段圍護樁施工完畢后馬上進行該段壓頂梁施工，并以混凝土填實壓頂梁與周邊底板間縫隙，然后施工雙排樁間旋噴樁。圍護樁及壓頂梁達到80%強度后，拆除中間地下一層樓板，施工工程樁。原富強商業廣場范圍內工程樁、圍護樁及壓頂梁均施工完畢并達到一定強度后，拆除基坑范圍內原富強商業廣場地下一層底板及墻板，逐級放坡至基礎承臺底標高，并在坡面噴射60厚C15混凝土護面，內配Φ6.5@300×300 mm鋼筋網片，同時回填保留的地下室外墻外土方，施工排水溝，形成施工場地。待邊坡護面達到一定強度后，開始施工坡底以外部分主體結構地下三層及地下二層，并留置好后澆帶。待主體結構達到一定強度后，施工基坑內周邊放坡部位地下一層處支撐及圍檁。待地下一層處支撐及圍檁達到一定強度后，開挖基坑內周邊放坡部位至地下二層支撐底標高，施工地下二層處支撐及圍檁。待地下二層處支撐及圍檁達到一定強度后，開挖至坑底，施工基礎底板及傳力帶，以及地下二層樓板及傳力帶。待基礎底板、地下二層樓板及傳力帶達到一定強度，拆除地下二層處支撐，施工地下一層處樓板及傳力帶。待地下一層樓板及傳力帶達到一定強度，拆除地下一層處支撐。

圖2 支護方案二示意圖

3 方案優化和比較

基坑支護優化就是在保證基坑和周圍環境的安全和正常使用的前提下，通過合理選擇支護參數，達到最經濟的目的。基坑穩定性與支護參數之間存在密切的關系，在滿足穩定性的前提下，必定存在一組支護參數，使工程造價最低，優化設計的目的就是尋找這一組支護參數。針對基坑穩定性與支護參數之間存在復雜的非線性映射關系，由于支持向量機算對于處理高維、非線性問題具有很好的適應性，通過用支持向量表示支護參數與安全系數之間的映射關系，還可以避免優化過程中反復調用安全系數計算程序，提高了計算效率。所以我們采用支持向量來表示基坑的安全系數與支護參數之間的復雜非線性映射關系，即基坑安全系數與支護參數之間的非線性關系可以用支持向量 S(x1，x2，…，xn)來描述:

式中，X=(x1，x2，…，xn)是基坑支護參數，它們因支護方式而對應不同的參數，如排樁支護就是樁的長度、直徑、間距等;y是基坑安全系數。首先，通過試驗設計構造一定數量的支護參數組合，然后計算每一種支護參數組合下對應的基坑安全系數，從而構造出一定規模的學習樣本;然后，根據支持向量機算法，通過一定的優化技術求解支持向量機算法中的二次優化問題，獲得向量支持，實現基坑安全系數與支護參數之間復雜非線性關系的表示;對于支持向量機算法的具體描述和實現，限于篇幅請參考其他文獻。

基坑支護優化的目標函數就涉及到基坑的安全系數和支護費用兩個目標函數，其中，安全系數越大越安全，當然對應的支護費用就會相應增大看，優化的目的就是尋找兩者之間的平衡。通常對于安全系數，基坑支護規范中有明確規定，所以我們以支護費用作為目標函數，以安全系數作為一個約束條件，這樣比較合理;因為費用涉及到材料的價格，而價格隨市場情況變化，因此我們以材料量作為目標函數。這樣基坑支護參數問題變為優化問題，即

基坑支護優化問題就是求解上面的約束優化問題，其中:X為一組支護參數;W(X)為該支護參數下對應的支護材料量;F(X)為該支護參數下對應的基坑安全系數;Fs為保證基坑安全需要的基坑安全系數，通常與具體工程有關，可參照規范給出。對于上面的約束優化問題，可以采用懲罰函數法轉化為無約束優化問題，即

其中，M是一個大于1的數，可以根據實際情況進行調整。

假定各樁的長度、直徑相等，排樁之間的間距是均勻的，這樣待優化的支護參數就是樁長、樁徑以及排樁間距。采用上述方法，構造學習樣本，通過支持向量機學習建立待優化參數(樁長、樁徑以及排樁間距)與基坑安全系數之間的非線性關系，在此關系的基礎上，采用微粒群算法進行基坑支護參數優化，從而比較方案一和方案二的支護材料量，如圖3所示。由圖3可知，在相同的安全系數下，方案二的支護材料量要遠少于方案一。

圖3 二種方案的比較

4 結語

本基坑支護工程在方案論證和初步設計階段，參考類似工程基坑支護設計的經驗，在方案優化過程中，根據本基坑工程的實際情況，采用排樁結合基坑內原狀土放坡的支護結構類型，充分利用了排樁及原狀 土放坡兩種支護方案的優點，并利用結構主體作臨時支撐的支撐點，大大降低了基坑支護的費用，可供類似基坑支護工程設計及施工參考。

［1］陳忠漢，程麗萍.深基坑工程［M］.北京:機械工業出版社，1999

［2］龔曉南.基坑工程實例［M］.北京:中國建筑工業出版社，2008

［3］徐揚青.深基坑工程設計的優化原理與途徑［J］.巖石力學與工程學報，2001，22(2):248 －251

［4］徐揚青.深基坑工程設方案優化決策與評價模型研究［J］.巖土工程學報，2005，27(7):844 －848

［5］莫海鴻，周漢香，賴愛平.基坑支護樁結構優化設計［J］.巖土工程學報，2001，23(2):144 －148

［6］王成華，王卓雄，陳海明.基坑擋土結構的粒子群優化設計方法［J］.天津大學學報，2005，38(6):547 －551

［7］楊雪強，何世秀，余天慶.加筋砂土作用在擋土墻上的土壓力研究［J］.巖土力學，1997，18(1):25 －34