超大深基坑的支护设计及变形预测研究_覃震林.pdf

引 用 格 式：，（）：，覃震林超大深基坑的支护设计及变形预测研究甘肃科学学报，（）：，：超大深基坑的支护设计及变形预测研究覃震林（柳州市勘察测绘研究院有限公司，广西 柳州 ）摘要为切实积累基坑支护设计经验，并准确掌握基坑变形发展规律，以龙潭医院改造基坑为工程背景，先在阐述工程概况的基础上，开展了基坑支护设计研究，并详述了基坑支护设计内容；然后利用动态模态分解、极限学习机等构建基坑变形预测模型，通过变形预测来评价支护设计方案的合理性。实例分析表明：由于龙潭医院改造基坑属超大深基坑，加之近接建、构筑物对位移变化较为敏感，因此，基坑支护方案采用分段支护设计，包含采用放坡、挂网喷浆、管桩及支护桩等支护形式。同时，通过变形预测研究，得出预测结果的平均相对误差在 之间，训练时间在 之间，验证了 模型不仅具有较优的预测精度，还具有较快的收敛速度，且外推预测显示基坑变形趋于稳定方向发展，最大预测值均在预警值范围内，验证了基坑支护设计方案是合理有效的。关键词基坑；变形；支护设计；极限学习机；变形预测中图分类号：文献标志码：文章编号：（）近年来，在市政工程建设过程中，地下空间的开发利用愈发显著，使得基坑工程数量不断增加，但由于基坑近接建、构筑物的限制，使得基坑支护设计显得格外重要，因此，开展基坑支护设计研究可为类似工程提供借鉴，具有重要的实用价值。目前，已有一些学者开展了基坑支护研究，如姜林海等利用 技术进行了基坑支护设计分析，不仅增加了参建各方的沟通，还节约了资源成本；郑刚等通过数值模拟等手段开展了悬臂排桩的支护方法分析；蔡子勇等对深厚软土区的地连墙基坑支护进行了优化设计及评价。上述研究虽为基坑支护设计积累了经验，但均局限于基坑支护设计，未对设计的合理性进行探讨研究，因此，仍可进一步开展此方面的拓展研究。考虑到变形监测是基坑动态设计的必要手段，且通过变形预测能有效评价基坑稳定状态，使得通过变形预测来评价基坑支护设计的合理性是可行的。在基坑变形预测方面，也有不少学者开展了类似研究，如鲍燕妮等利用 模型实现了基坑变形预测；赵华菁等利用神经网络算法实现了基坑地连墙的动态预测；刘锦等通过 神经网络构建了基坑变形预测模型。上述研究在基坑变形预测研究方面取得了一定成果，但均未进行分项组合预测研究，即未考虑变形数据含有的不确定信息的影响，因此，基坑变形预测思路仍可进一步拓展研究。综合上述，以龙潭医院改造基坑项目为工程背景，结合工程概况，首先开展了基坑支护方案设计，并结合变形监测成果，通过 模型分解出基坑变形数据的不确定信息；再利用极限学习机、估计等构建出分项组合预测模型；最后，利用外推预测结果判断基坑支护设计的合理性，以期为类似工程提供一定的经验参考。基本原理在前述分析的基础上，进一步将分析思路总结为：在阐述基坑工程概况基础上，先开展其支护设计，然后结合基坑变形监测成果，开展其变形预测研究，以验证支护设计方案的合理性。第 卷第期 年月 甘 肃 科 学 学 报 收稿日期：；修回日期：作者简介：覃震林（），男，广西柳州人，高级工程师，研究方向为岩土工程勘察与设计。：根据上述思路，论文涉及的理论方法主要在变形预测模型的构建中，因此，该节重点介绍预测模型的基本原理，具体如下：结合工程实际，在基坑变形监测过程中，受若干不确定因素影响，基坑变形数据往往不是其实际变形值，会含有一定的不确定信息，即，（）其中：为基坑变形实测值；为趋势项，代表基坑实际变形值；为不确定项，代表基坑变形中的不确定信息。由于不确定项的存在，会一定程度上影响预测精度，因此，在预测过程中有必要考虑基坑变形数据的分解处理，且将预测过程详述为：先对基坑变形数据进行分解处理，即分解为趋势项和不确定项；然后，以 极 限 学 习 机（，）为基础，构建趋势项预测模型，并结合估计进行不确定项的误差弱化预测。变形数据的分解处理动态模态分解（，）是 年提出的一种新型数据分解方法，可有效将高维非线性规律转变为低维线性规律，具有良好的适用性，因此，提出以其进行基坑变形数据的分解处理。考虑到模型的基本原理已在文献 中详述，限于篇幅，不再赘述。同时，为合理评价分解效果，还需进一步构建分解效果的评价指标，且考虑到以往研究多是利用单项指标进行评价，存在一定不足，因此，提出基于若干基础指标，构建出变形数据分解效果评价的综合指标：，（）其中：、分别为均方根误差指标、平滑度指标及信噪比指标的归一化值。通过上述均方根误差、平滑度及信噪比指标的联合应用，保证了分解效果评价的综合性，且评价过程中，值越大，分解效果相对越好；反之，分解效果相对越差。因此，通过模型将基坑变形数据分解为趋势项和不确定项。趋势项的预测处理 模型相较传统神经网络模型具有显著的优越性，如其具有相对更快的收敛速度和更优的可操作性，因此，以其实现趋势项预测。结合 模型的基本原理，其训练过程为（），（）其中：为预测值；为隐层节点数；、为连接权值和阈值；（）为激励函数；为输入值。通过 模型的不断训练，可实现误差的零逼近，即。（）结合上述，模型虽具较好的预测效果，但是文献 中的研究表明其存在一定不足，如激励函数具有多种选择，每种激励函数的适用性存在一定差异，人为选择的合理性欠缺；连接权值和阈值是随机选择的，客观性欠缺。为切实保证趋势项的预测精度，需对前述两个问题进行优化处理，具体处理方法如下：（）激励函数的优化处理。据文献 中的研究成果，模型的常用激励函数有 型、型和 型，提出对类激励函数均进行预测效果统计，选取预测效果最优者作为 模型的激励函数。（）连接权值和阈值的优化处理。由于连接权值和阈值的取值范围具有连续性，难以通过逐一试算进行优化处理；同时，考虑到粒子群优化（，）算法具有较强的全局寻优能力，因此，提出以其进行连接权值和阈值的优化处理。结合 算法的基本原理，可将其寻优过程详述为：初始化基础参数。将粒子群规模设置为 ，每个粒子的维数设置为，分别代表连接权值和阈值，最 大迭 代次 数 设 置 为 次，其 余 参 数 随 机设置。更新迭代寻优。以每个粒子的预测值与实测值为基础，将二者差值的绝对值作为对应粒子的适应度值，并通过对比，初步确定出最优的全局适宜度值；同时，再进一步更改每个粒子的速度和位置参数，以实现粒子的更新迭代，并适时更新全局适宜度值。参数输出。当达到期望误差或最大迭代次数后，将最后的全局适应度值所对应的参数输出，即可完成连接权值和阈值的优化处理。通过上述优化处理，有效保证了 模型参数的最优性，也奠定了趋势项高精度预测的基础；同时，为便于后续分析，将激励函数优化后的模型命名为初步优化 模型，将经过 算法再次优化甘 肃 科 学 学 报 年第期后的模型命名为 模型。不确定项的弱化处理通过优化处理虽然保证了趋势项预测模型的预测精度，但是值得指出的是，趋势项具有较强的非线性特征，模型也难以完全刻画其变形规律，即其预测结果仍会存在一定的预测误差；为保证基坑变形最后预测结果的精度，将趋势项的预测误差叠加至不确定项中，组成新的不确定项序列。由于不确定项序列具有相对更强的非线性特征，结合文献 中的成果，再利用估计实现其弱化处理，即 。（）在式（）原则基础上，通过最小二乘估计构建出权值矩阵：（），（）其中：为权函数矩阵；为因变量矩阵；为自变量矩阵。将估计的弱化预测结果叠加至趋势项的预测结果中，所得叠加值即为最终预测结果，为便于后续分析，将估计处理后的模型命名为 模型。实例分析工程概况在广西壮族自治区龙潭医院改造基坑中，主要涉及栋楼，其中栋属于高层，栋属于多层，且基坑西侧为医院进出道路，南侧为羊角山路，东、西两侧均有局部近接既有建、构筑物；结合上部结构设计成果，本次修建房屋高度在 之间，设一层连通式地下室，基坑支护周长合计约 ，支护面积约 ，坑底面积约 ，属超大基坑。同时，基坑开挖深度，绝大部分范围内的开挖深度大于，则其亦属深基坑。根据勘察成果，整个场地南面地势稍低，北面稍高，实测场地地面标高在 之间。场区地貌属柳南山前岩溶准平原。工作区土层主要为碳酸盐岩系经红土化作用而形成的红黏土，岩性可分为杂填土、表层红黏土、可塑硬塑红黏土；下覆基岩为白云质灰岩，岩芯可见溶孔，说明其溶蚀作用明显，且孔内由黏性土充填。结合区域地质资料，工作区地质构造不发育。在水文地质条件方面，地表水以工作区东面约 处的柳江为主，与场区地下水具有一定的水力联系。地下水可分为两类，即上层滞水和岩溶水，其中上层滞水主要赋存于杂填土、红黏土的微裂隙中，水位埋深，年变幅，对基坑施工具有直接影响，建议进行明排疏干；岩溶水主要赋存于基岩溶蚀空洞和管道中，水量丰富，具有一定的承压特征，主要接受降水补给。结合勘察结果，场地遇洞隙率为，线岩溶率为，结合 广西壮族自治区岩土工程勘察规范，该场地岩溶发育等级为强烈，主要表现为岩面起伏不平，浅层溶洞（沟、槽）较发育，规模纵深不一。基坑支护设计研究基坑开挖深度，绝大部分范围内的开挖深度大于，属深基坑，加之基坑所处地区岩溶发育，工程重要性高，使得开展基坑支护设计研究具有较强的必要性。（）支护方案的对比及确定结合基坑实际及相关工作经验，该基坑的拟用支护方案可设定为悬臂排桩支护、桩锚支护、锚喷支护及放坡，并将各方案的技术及造价对比分析如下：悬臂排桩支护。该支护方案虽能进行垂直开挖，以达到充分利用场地空间的目的，但若基坑所处地质条件差、开挖较深时，该方案存在位移变形大的缺点，且单纯的悬臂支护方案会存在工期长、造价高等缺点。桩锚支护。该方案可通过各个支护结构的共同作用，形成刚度大、安全牢固的支挡体系，可有效预防及控制位移变形，且该支护方案亦可垂直开挖，不仅可减少土方开挖量，而且能充分利用场地空间，但该方案也存工期相对较长、造价较高的缺点。锚喷支护。该方案所需施工设备简单、支护灵活、技术成熟，可边支护边施工，并具有节约工期、造价较低等优点，但是此支护方案的位移变形相对偏大，不适用于变形控制严格的基坑。双排桩支护。该方案的支护体系具有较大的刚性，能有效控制基坑位移，但其也具有工期相对较长、造价高等缺点。放坡开挖。该方案在造价、工期及安全性方面均具有明显的优点，但对场地条件要求较高，即需要较宽的可利用空地。由于基坑北侧有保留建筑栋，建筑基础距基坑开挖边界线；东侧有保留建筑栋，建筑基础距地下室结构边线，这些建筑物均修建于上世纪、年代，采用条形浅基础，基础埋深第 卷覃震林：超大深基坑的支护设计及变形预测研究在 左右，由于建筑物修建年限较为久远，基础埋深较小，建筑抗变形能力及稳定性均较差，对基坑位移变形较为敏感。综上所述，为充分保证基坑开挖安全，也为充分节约造价成本，工程采用分段支护设计，且设计方案主要包括放坡、挂网喷浆、管桩及支护桩等支护形式。（）支护设计内容进一步开展基坑支护设计内容详述，基坑支护设计平面图如图所示。图基坑支护设计分段示意图 结合图，该基坑的支护可划分为段，并以支护分段为基础，从控制点开始，顺时针阐述各段支护设计内容，具体如下：段：此段采用“挂网喷浆锚杆”的支护手段，其中基坑边坡按的坡率进行开挖，全面积挂网喷浆，锚杆长度，采用根直径为 的钢筋，倾角 ，横向间距，纵向间距，坡顶采用 混凝土进行硬化，厚度 。段：此段采用“钢管桩挂网喷浆”的支护手段，其中管桩为双排 钢管桩，同样进 行 全 面 积 挂 网 喷 浆，桩 顶 采 用 压梁，其材料为 钢筋混凝土。段：此段采用“挂网喷浆钢管桩锚杆”的支护手段，其中挂网喷浆为全面积进行，管桩为单排 钢管桩，锚杆长度，采用根 直 径 为 的 钢 筋，倾 角 ，横 向 间 距，纵向间距。段：此段采用“支护桩锚索”的支护手段，其中支护桩采用直径 的钢筋混凝土桩，间距，桩长以入岩控制，桩顶施做 的 冠梁，锚索长度 ，共拟布设两排，横向间距，纵向间距。段：此段采用“支护桩”的支护手段，其桩径为，横 向 间 距 ，桩 顶 施 做 的 冠梁，且其地表采用 混凝土硬化，厚度 。段：此段采用“挂网喷浆锚杆”的支护手段，其中基坑边坡开挖坡比按 进行，全面积挂网喷浆，锚杆长度 ，采用根直径为 的钢筋，倾角 ，横向间距，纵向间距。段：此段采用“支护桩”的支护手段，其