既有建筑復雜條件下基坑支護設計及效果評價

摘要：為保障基坑在既有建筑復雜條件下安全施工，結合項目區地質條件，先進行基坑支護方案設計和支護措施計算，再結合基坑變形監測成果，通過變形預測評價基坑支護效果。分析結果表明，由于基坑周邊近接既有建筑較復雜，基坑支護設計格外重要，并將支護方案設計為“支護樁+錨索”。在基坑變形監測成果中，基坑變形值范圍為12.52mm～20.16mm，總體均＜35mm，說明現狀條件下的基坑變形仍在控制范圍內。經變形預測可知基坑變形雖然會增加，但增加速率較小，基坑變形趨于穩定，驗證了基坑支護方案設計的有效性，為類似工程積累了經驗。

關鍵詞：基坑；既有建筑；基坑支護；效果評價

中圖分類號：P642""""""""" 文獻標志碼：A

目前，基坑工程數量越來越多，其周邊近接條件也越來越復雜，為確保基坑安全施工，其施工過程中的變形控制格外重要。要想實現基坑變形控制，進行基坑支護設計是必要的[1-2]。目前，已有學者進行了基坑支護的相關研究，如王園等[3]分析了填土條件下的基坑支護設計；唐成偉[4]研究了復雜環境條件下的基坑支護措施；陳少琴[5]探究了基坑支護過程中的技術要點。上述研究成果值得肯定，但限于基坑所處環境條件的差異性，仍可結合基坑具體條件進行相應研究。

因此，此文以項目區地質條件為基礎，先進行基坑支護方案設計和支護措施計算，再結合基坑變形監測成果，通過變形預測評價基坑支護效果，以保障基坑安全施工，并為類似工程積累一定經驗。

1工程概況

擬建基坑隸屬某房屋高層建筑，地下設計2層，擬建面積約10042m2，地面建設為城市公園，地上設計18層。根據設計成果，擬建基坑平面形態近似多邊形特征（如圖1所示），開挖深度為12.5m，屬深基坑。

根據鉆探資料，基坑開挖范圍和影響范圍內地層主要為雜填土、粗砂和強、中風化砂巖，其中，雜填土主要是由碎石、黏性土構成，雜色，厚度為1.9m～3.4m；粗砂具褐黃色，中密、飽和狀態，級配相對較差，主要成分為石英，厚度為1.3m～4.3m；基巖巖性為砂巖，強～中風化，棕灰色，稍濕，層狀構造，泥質結構，強風化厚度為5.5m～7. 1m，其下均為中風化，最大揭露厚度為13.5m。通過室內試驗成果統計，得到各類地層基本特征參數，見表1。

經現場調查，基坑周邊主要有5棟既有建筑，具體分布如圖1所示，其中既有建筑1為酒店，地下1層，地上10層，基礎形式為淺基礎，埋深約5m，最小凈距約8.4m；既有建筑2為營業樓，無地下室，地上6層，基礎形式為淺基礎，埋深約2m，最小凈距約9.5m；既有建筑3為圖片社，無地下室，地上3層，基礎形式為淺基礎，埋深約2m，最小凈距約9.8m；既有建筑4為鞋城，無地下室，地上6層，基礎形式為淺基礎，埋深約2m，最小凈距約10.4m；既有建筑5為商鋪，無地下室，地上5層，基礎形式為淺基礎，埋深約2m，最小凈距約10.0m。因此，基坑周邊近接既有建筑較復雜，為確保既有建筑安全，對其進行支護設計是十分必要的。

2基坑支護設計

2.1支護方案設計

根據《建筑基坑支護技術規程》（JGJ120—2012），基坑設計等級為乙級，安全等級為一級，變形控制等級為一級，因此基坑結構重要性系數設計為1. 1，使用年限設計為2年，混凝土采用C30等級。

鑒于基坑周邊建、構筑物較復雜，其施工過程中的變形控制要求較高，因此將基坑支護措施設計為“支護樁+錨索”（示意圖如圖2所示）。其中支護樁直徑為1.0m，樁長21.5m（懸臂段12.5m，嵌固段9.0m）。材質采用鋼筋混凝土，并于基坑頂部設置冠梁，尺寸為0.6m×1.0m，材質也為鋼筋混凝土。錨桿設計3道，長度為20m（錨固段14m，自由段6m），入射傾角為13°，孔徑為150mm。頂部第一道位于冠梁中部，按3m間距豎向布設其余2道錨索。錨索采用鋼絞線，直徑設計為17.8mm，鎖定荷載值為340kN。

2.2支護措施計算

通過內力計算，得到基坑區范圍內支護所需承擔的彎矩為402.52kN·m～471.94kN·m，最大剪力值為204.79kN，并通過公式（1）和公式（2）進行支護配筋計算。

式中：N為軸力設計值（kN）；M為彎矩設計值（kN）；at、a為面積比的特征參數；A、As為支護樁、鋼筋的截面積（mm2）；fc為混凝土抗壓強度（N/mm2）；fy為鋼筋抗拉強度設計值（N/mm2）；r、rs為支護樁、鋼筋的半徑（mm）。

通過計算，配置24根直徑25mm的鋼筋，等級為HRB400，保護層厚度設計為50mm，箍筋采用螺旋箍，直徑為12mm，等級為HPB300，間距為20cm。

利用公式（3）進行錨固力Pt計算。

（3）

式中：F為錨索所需設計值（kN）；β為入射角（°）;a為錨索與滑面夾角（°）;φ為摩擦角（°）。

經計算，第一道至第三道錨索的Pt為256.89kN～304.71kN，因此，錨索的鎖定荷載值為340kN是合理的。

3基坑支護效果評價

3.1評價思路的構建

在基坑施工過程中，變形監測是必要的，如果變形監測成果在控制值（35mm）內，說明支護結構的變形控制效果較優。進而通過變形預測來評價基坑變形發展趨勢，進一步驗證基坑變形控制效果。因此應重點進行基坑變形預測模型構建，根據以往經驗[6]，支持向量機（Support Vector Machine，SVM）具有良好的變形預測能力，本文提出以支持向量機進行基坑變形預測。

在SVM預測過程中，訓練函數如公式（4）所示。

f（x）=WTφ（x）+b（4）

式中：f（x）為訓練函數；WT為權值量；b為偏置量；x為輸入信息；φ（x）為激勵函數。

在訓練過程中，進一步通過約束設置來控制預測精度，如公式（5）所示。

式中：L為約束指標；ai、ai*分別為乘子變量；l為訓練集個數；ε為損失變量；Q為核變量。

在公式（5）的約束條件下，SVM的預測值Yi如公式（6）所示。

（6）

值得指出的是，SVM的參數WT和b會在較大程度上影響預測精度，為確保預測效果，采用生物地理學優化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）對這2個參數進行優化處理，具體流程如圖3所示。

將BBO-SVM作為基坑變形預測模型，如果基坑后續變形速率趨于減弱，就說明其變形趨于穩定，基坑變形控制效果較優。為評價預測效果，將相對誤差Et作為預測精度評價指標，其值越小越好，如公式（7）所示。

Et=（Yt-Kt）/Yt（7）

式中：Yt為變形監測值；Kt為變形預測值。

3.2支護效果的評價結果

在基坑變形成果統計中選擇13個代表性變形監測點進行分析（布置如圖1所示），按照3d一次的監測頻率統計出28期的變形監測成果，具體見表2。表2中，13個監測點的變形值范圍為12.52mm～20.16mm，均值為15.42mm，總體均＜35mm，說明13個監測點目前均在基坑設計變形控制范圍內。

由于篇幅限制，本文僅對變形值最大的4個監測點進行示例性預測分析，即以h1、h3、h7和h12作為后續分析數據來源。

經統計，可得BBO-SVM監測數據，見表3。表3中，4個監測點的變形值具有持續增加特征，只是增加速率存在波動，側面驗證了通過變形預測來評價基坑變形趨勢是必要的。

由于BBO-SVM具有優化組合流程，因此以h1為例，比較SVM優化前、后的預測效果，結果見表4。表4中，在25～28期相應驗證節點處，BBO-SVM的Et值均在不同程度上小于SVM的Et值，說明通過BBO的優化處理，能有效提高h1監測點的預測效果，驗證了BBO的優化能力。值為2.07%；h3的Et值為2.02%～2.16%，均值為2.08%；

h1監測點的示例性分析驗證了BBO-SVM適用于基坑變形預測。經統計，可得h1、h3、h7和h12監測點的預測結果，見表5。表5中，h1的Et值為2.04%～2. 12%，均h7的Et值為2.06%～2.28%，均值為2.15%；h12的Et值為2.13%～2.29%，均值為2.20%。因此，4個監測點的變形預測效果較優，其后29～31期的預測結果較可信。

由29～31期的預測結果進一步計算這3期的變形速率均值，依次為0.34mm/3d、0.27mm/3d、0.16mm/3d和0.37mm/3d，四者變形速率值均較小，說明基坑變形雖然會進一步增加，但其累計變形值趨于穩定，并且4個監測點在31期時的變形預測值為16.84mm～20.78mm，也＜35mm，說明基坑在預測期間的變形控制效果也較優，充分驗證了基坑支護方案設計是合理有效的。

4結論

通過既有建筑復雜條件下的基坑支護設計和效果評價，所得結論如下所示。1）由于基坑周邊近接既有建筑較復雜，基坑支護設計格外重要，本文結合工程實際，將支護方案設計為“支護樁+錨索”。2）通過基坑變形成果分析可知基坑變形趨于穩定且變形值始終＜35mm，因此基坑支護方案設計是合理有效的，取得了基坑變形控制效果。

參考文獻

[1]黃世政. 基于復雜環境的深基坑設計與變形監測分析[J]. 中國新技術新產品，2023（16）：118-120.

[2]孫海浩，王園. 復雜環境條件下深基坑設計與變形監測分析[J]. 中國新技術新產品，2023（15）：121-123.

[3]王園，孫海浩，門月鵬. 填土基坑支護設計及其效果評價[J]. 中國新技術新產品，2023（12）：77-79.

[4]唐成偉. 復雜環境條件下的深基坑支護設計研究[J]. 中國新技術新產品，2023（11）：102-104.

[5]陳少琴. 某建筑工程地下室基坑開挖及支護技術要點分析[J]. 四川水泥，2023（11）：195-197.

[6]曹凈，唐斌懿，李豪. 基于SA-PSO算法優化LS-SVM的基坑土層等效參數反演[J]. 工業安全與環保，2023，49（2）：15-20.