基于時空效應(yīng)的基坑動態(tài)設(shè)計和動態(tài)支護(hù)技術(shù)

宋明健，湯連生

(1.中國十九治集團(tuán)有限公司，四川 成都 610031;2.中山大學(xué)地球科學(xué)系，廣東 廣州 510275)

基坑工程受不確定因素影響極大，如巖土的個性和區(qū)域性［1］、土工試驗的代表性和擾動性［2］、施工因素的擾動性和難以量化性［3］、溫度氣候因素的復(fù)雜性［2］，［4］、流場和孔隙水壓的不穩(wěn)定性等［5］，這些不確定因素的組合效應(yīng)還會隨著時空變化而變化，使得難以對支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形進(jìn)行準(zhǔn)確度量和預(yù)測［1，4］。現(xiàn)有支護(hù)結(jié)構(gòu)基本是在一定初始條件下一次性設(shè)計施加的，盡管考慮了一定的安全儲備，但這種定值定態(tài)下所設(shè)計施加的“安全”多是暫時性的，對長期真實土壓力的估計未必合理［4］。

目前國內(nèi)外對支護(hù)結(jié)構(gòu)能否很好地適應(yīng)整個基坑生存期內(nèi)力及變形變化的要求，尚缺少有效的解決理論和方法［1］，［7］。為確保基坑使用期間的安全和穩(wěn)定，避免對工后建筑物與周邊環(huán)境造成不良影響，進(jìn)一步對支護(hù)技術(shù)的設(shè)計和施工開展探討是很有必要的。

1 基坑的時空效應(yīng)

基坑的時間效應(yīng)，主要是由土體的流變特性和施工的階段擾動性引起的。由于施工的擾動，引起流場和卸載效應(yīng)的變化，導(dǎo)致土體微觀結(jié)構(gòu)和力學(xué)指標(biāo)隨著時間發(fā)生漸變［2～5］，即土體流變。進(jìn)而引起土壓力和變形隨時間的變化。

基坑的空間效應(yīng)，主要體現(xiàn)在基坑空間變形的不一致上。由于巖土的粘彈塑性、施工的區(qū)域性和階段性，先施工區(qū)域比后施工區(qū)域變形發(fā)展得早，坑壁中部變形一般較之端部要大，坑壁上部位移要比底部多，坑底中央變形較坑角明顯［2，8～10］。

基坑時空效應(yīng)得到巖土界的高度重視，也取得大量的研究成果［2～3，8～17］。但，對本構(gòu)關(guān)系、強(qiáng)度理論以及孔隙水壓力消長規(guī)律認(rèn)識的不足，加之土工試驗的離散性、施工階段性等因素的影響，目前仍難以準(zhǔn)確把握基坑實際土壓力和變形的時空演化規(guī)律，這對支護(hù)結(jié)構(gòu)的可靠性是個巨大的考驗，也常常引起各種基坑事故。

2 基坑的設(shè)計方法

基坑目前的設(shè)計方法中，規(guī)范推薦的為等值梁法，很多專業(yè)軟件應(yīng)用的是山肩邦男法和彈性抗力法。這些方法雖然使用簡單，但都不能考慮開挖過程對支撐和支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，不能有效地計入基坑開挖過程中擋土結(jié)構(gòu)及支撐內(nèi)力的變化。且均忽略了每一支撐在安置以前支撐處擋土結(jié)構(gòu)已發(fā)生的初始變形，計算結(jié)果往往是很粗略的。大量的實測資料表明，不考慮開挖過程的計算結(jié)果使得結(jié)構(gòu)的最大彎矩和位移偏小，是偏于不安全的［1～5］。

3 基坑的支護(hù)措施

經(jīng)大量的工程實踐和理論研究，基坑支護(hù)現(xiàn)已發(fā)展出適合于不同空間形式和巖土狀況的多種形式，如表1所示［4］。

表1只是對我國近多年基坑支護(hù)措施的一個簡要總結(jié)。由于施工作業(yè)條件加上從業(yè)人員標(biāo)新立異的設(shè)計風(fēng)格，支護(hù)形式的選擇是多種多樣的，很難統(tǒng)一界定其類屬。如根據(jù)土壓力空間分布的差異，采用的異型截面擋土結(jié)構(gòu)的支護(hù)形式［18］;為了減少開挖深度，將錨桿作為圍護(hù)樁長的延伸，發(fā)展出的樁底錨桿支護(hù)技術(shù)［19］等等。諸如此類的支護(hù)技術(shù)便不符合表1中的某一類屬。

現(xiàn)有的支護(hù)，大都是在一定的巖土條件、環(huán)境要求、規(guī)范、經(jīng)驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計的，確定支護(hù)形式并施工后，很少再對每一支護(hù)結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行調(diào)整，是不符合基坑變形的時空效應(yīng)這一工程實際的。基坑工程的不確定因素極多，施工每一階段支護(hù)體系變形和土體性態(tài)都處于不斷變化之中，絕非最初設(shè)計所能考慮周全的［1～4］。

4 動態(tài)設(shè)計

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基坑開挖過程中，土體性態(tài)和支護(hù)結(jié)構(gòu)的力學(xué)特性都在不斷地變化，用確定不變的特征參數(shù)分析不斷變化的系統(tǒng)，顯然不能得到預(yù)想的效果。如何最大程度地把握施工過程中這些力學(xué)參數(shù)的變化，并用這些參數(shù)的變化獲得最新的土壓力和變形狀態(tài)，是確保基坑安全可靠的根本。

4.1 動態(tài)設(shè)計的概念

動態(tài)設(shè)計的要旨就是設(shè)計過程中同時考慮開挖過程和其他不確定因素的影響，設(shè)計工作不是根據(jù)最初工況一次性完成的，而是把監(jiān)測到的每一工況下受開挖過程和其他不確定因素影響的最新土壓力和變形狀況等作為條件，反演力學(xué)參數(shù)，并用這些反演的即時的最新的力學(xué)參數(shù)重新設(shè)計，調(diào)整下一工況的施工工藝和支護(hù)結(jié)構(gòu)。

4.2 動態(tài)設(shè)計的流程

按動態(tài)設(shè)計的思想，以詳細(xì)勘察為基礎(chǔ)資料的工程設(shè)計只是設(shè)計的最初階段。通過監(jiān)測，開挖引起的最新巖土狀態(tài)，如果滿足強(qiáng)度控制標(biāo)準(zhǔn)和變形控制標(biāo)準(zhǔn)，則繼續(xù)施工，如果不能滿足相關(guān)要求，則根據(jù)最新的巖土信息反演基坑和圍護(hù)結(jié)構(gòu)的其他力學(xué)特征，進(jìn)行前期設(shè)計的修正完善，補(bǔ)充施工勘察，并更正施工路線和支護(hù)技術(shù)，如此循環(huán)，直至工程竣工，其流程如圖1所示。

圖1 動態(tài)設(shè)計流程

動態(tài)設(shè)計考慮了開挖過程和其他不確定因素的影響，較好地把握了基坑土壓力和變形的發(fā)展趨勢，對基坑工程的安全穩(wěn)定具有重要的意義［8～9，12，16～17］。

4.3 動態(tài)設(shè)計的應(yīng)用現(xiàn)狀

動態(tài)設(shè)計的設(shè)計施工理念，目前已有頗為成功的理論體系和工程實踐［2－3，15－17］。其中，較為有代表性的是時空效應(yīng)施工法和增量法。

4.3.1 時空效應(yīng)施工法

時空效應(yīng)施工法是劉建航院士在上海地鐵工程實踐的基礎(chǔ)上，結(jié)合理論分析提出的［2，11］。時空效應(yīng)施工法將施工過程納入設(shè)計分析的范疇，設(shè)計指導(dǎo)施工，施工反饋設(shè)計，及時調(diào)整設(shè)計和施工要素。

時空效應(yīng)施工方法和隧洞的單側(cè)(雙側(cè))導(dǎo)坑法具有異曲同工之處。都是在充分利用巖土的自穩(wěn)自承能力的基礎(chǔ)上，通過改變開挖區(qū)域的大小和調(diào)整各區(qū)域施工的先后順序，以此來減小變形量和抑制不均勻變形的產(chǎn)生。

4.3.2 增量法

增量法是楊光華教授在彈性地基梁簡化計算的基礎(chǔ)上提出來的［3］。增量法的基本思想是把每一施工環(huán)節(jié)所改變的荷載，作為一種增量荷載作用于支護(hù)結(jié)構(gòu)，按新的計算體系求得該增量荷載產(chǎn)成的增量效應(yīng)，通過對前面增量計算結(jié)果進(jìn)行迭加，即可求得每一施工環(huán)節(jié)后支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。

增量法考慮到了開挖過程和支撐施加的不同步性，認(rèn)為先施工區(qū)域和先支撐結(jié)構(gòu)先發(fā)揮力學(xué)作用，后施工區(qū)域和后支撐結(jié)構(gòu)逐步參與共同作用，分析結(jié)果接近工程實際。目前增量法在廣州已經(jīng)有較為廣泛的應(yīng)用［3］。

5 動態(tài)支護(hù)

現(xiàn)有支護(hù)除了一次性設(shè)計施加的特點外，其支護(hù)能力還不具有可調(diào)節(jié)性，這對土壓力受施工和其他不確定因素影響頗為明顯的基坑工程來說是很不合適的。盡管動態(tài)設(shè)計可以較好地把握施工過程中基坑變形破壞的變化規(guī)律，但動態(tài)設(shè)計是分階段地對非線性增量效應(yīng)進(jìn)行反復(fù)分析計算，計算和施工工作量大，對階段內(nèi)的真實巖土狀態(tài)和力學(xué)特征也只能近似把握和無限趨近，設(shè)計結(jié)論多是要求對支護(hù)體系做補(bǔ)強(qiáng)處理，即通過加寬、加粗或加密支護(hù)結(jié)構(gòu)來增加支護(hù)能力，對減小支護(hù)能力方面控制的靈活性較差，在土壓力減小時顯得保守和不經(jīng)濟(jì)。

5.1 動態(tài)支護(hù)的概念［4］

本文特在基坑工程中引入動態(tài)支護(hù)這一支護(hù)理念，其基本思想就是在支護(hù)強(qiáng)度足夠的前提下，結(jié)合監(jiān)測信息，根據(jù)土壓力和變形的增大或減小變化，對已有基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力進(jìn)行相應(yīng)地可大可小地動態(tài)調(diào)節(jié)、確保基坑不發(fā)生破壞并始終處于變形控制標(biāo)準(zhǔn)之內(nèi)的一種支護(hù)技術(shù)。

5.2 動態(tài)支護(hù)的流程

與動態(tài)設(shè)計的概念不同，動態(tài)支護(hù)不需進(jìn)行大量的再設(shè)計工作，而是依靠監(jiān)測、經(jīng)驗、和規(guī)范，結(jié)合基坑土壓力和變形的發(fā)展變化，對支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力進(jìn)行相應(yīng)地動態(tài)調(diào)節(jié)，以此來保證支護(hù)的可靠性和有效性，確保基坑的安全穩(wěn)定［20］。其流程如圖2所示。

圖2 動態(tài)支護(hù)流程

5.3 動態(tài)支護(hù)的分類

從支護(hù)能力可調(diào)節(jié)的角度來看，動態(tài)支護(hù)可以分為兩種形式。一種是分步支護(hù)的動態(tài)支護(hù)，該動態(tài)支護(hù)通過不斷地改變支護(hù)密度和支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面大小，或者改變支護(hù)結(jié)構(gòu)的空間布局來達(dá)到增減支護(hù)能力的目的。另一種是動態(tài)調(diào)節(jié)理念的動態(tài)支護(hù)，該動態(tài)支護(hù)方法基本不改變一次性設(shè)計施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)及其空間形式，也不增加支護(hù)密度和改變支護(hù)結(jié)構(gòu)的截面大小，只是對原有支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力進(jìn)行可大可小地實時動態(tài)調(diào)節(jié)，以此來抵抗基坑土壓力和變形的增減變化［4］。

5.3.1 分步支護(hù)的動態(tài)支護(hù)

分步支護(hù)的動態(tài)支護(hù)方法在基坑工程中的應(yīng)用不多，但在交通、礦業(yè)等專業(yè)有過較為悠久而成熟的實踐［14，21－22］。著名的新奧法就是其中的一個代表。但是，相關(guān)專業(yè)的這些動態(tài)支護(hù)，基本都是按照巖土的漸進(jìn)變形和自穩(wěn)能力變化規(guī)律，向一個方向，即分步增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力方向進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)，對另一個方向，即支護(hù)結(jié)構(gòu)負(fù)載減小時需要降低支護(hù)強(qiáng)度的方向沒有給予充分地考慮。基坑工程受不確定因素影響極大，土壓力和變形的時空關(guān)聯(lián)性極強(qiáng)，有時要求增加支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力來抵御基坑過大的變形，有時卻要減小支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力來減小或協(xié)調(diào)基坑的空間變形。這就要求支護(hù)能力除了能及時向增大支護(hù)強(qiáng)度方向動態(tài)調(diào)節(jié)外，還能向減小支護(hù)強(qiáng)度的方向及時動態(tài)地改變。

5.3.2 動態(tài)調(diào)節(jié)的動態(tài)支護(hù)

實時動態(tài)調(diào)節(jié)的動態(tài)支護(hù)較好地考慮了支護(hù)能力隨土壓力增減變化的雙向調(diào)節(jié)要求，能緊隨土壓力和變形的或大或小變化及時做出相應(yīng)調(diào)節(jié)，既不需進(jìn)行大量的再設(shè)計，也省卻了增減支護(hù)的施工工作量。但這方面的研究，無論是基坑工程領(lǐng)域，還是其他相關(guān)行業(yè)，可參考的文獻(xiàn)都很有限。

6 結(jié)束語

基坑工程是一個由巖土體、支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊環(huán)境共同作用的復(fù)雜系統(tǒng)，受時空效應(yīng)影響顯著，僅依靠常規(guī)的理論分析和經(jīng)驗估計，難以完全準(zhǔn)確地把握基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)和土體的變形特征。因此，結(jié)合先進(jìn)的監(jiān)測技術(shù)，采用動態(tài)設(shè)計和動態(tài)支護(hù)技術(shù)，了解工程期間基坑及其支護(hù)結(jié)構(gòu)受不確定因素作用的變化趨勢，并及時調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，或改變支護(hù)結(jié)構(gòu)的支護(hù)能力，才能最大可能地確保基坑及其周圍構(gòu)筑物的安全穩(wěn)定。

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