基坑設計優(yōu)化

基坑工程支護設計優(yōu)化分析（呂鋒水利部長江勘測技術研究所430011）摘要本文總結了基坑工程的特點及當前基坑工程支護結構設計方法的不足，闡述了基坑工程信息化施工的基本原理，提出了一套基于現(xiàn)代數(shù)值分析工具、系統(tǒng)工程理論和信息化施工的基坑工程支護設計優(yōu)化分析的完整思路。關鍵詞基坑工程，信息化施工，系統(tǒng)工程，概念設計，數(shù)值模擬分析，支護設計優(yōu)化，動態(tài)設計AbstractThispapersummarizestheexcavations’characteristicsandthedefectsinthedesigningmethodsofthesupportstructureoftheexcavations,introducesthebasicprincipleofthedataconstructionoftheexcavations,andproposesapreferableanalysisanddesignmethodofsupportstructureofexcavations,whichisonbaseofthemodernnumericalanalysistools,thetheroryofsystematicengineering,andthedataconstruction.KeywordsExcavationengineering,dataconstruction,systematicengineering,conceptiondesign,numericalmodelinganalysis,optimizingdesignofsupportstructure,dynamicdesign一、引言基坑工程的特點正向大深度、大面積方向發(fā)展，并經(jīng)常在密集的建筑群施工，場地狹窄，鄰近常有必須保護的永久性建筑和市政公用設施，不能放坡，對基坑穩(wěn)定和位移控制的要求很嚴；基坑工程造價較高，但又是臨時性工程，業(yè)主一般不愿投入較多資金；基坑工程是與眾多因素相關的綜合技術，如場地勘察、基坑設計、基坑施工、基坑監(jiān)測、現(xiàn)場管理、相鄰場地施工的相互影響等等；基坑設計和施工涉及地質(zhì)條件、巖土性質(zhì)、場地環(huán)境、工程要求、氣候變化、地下水狀態(tài)、施工程序和方法等許多復雜問題，是理論上尚待發(fā)展的綜合技術學科⑴?；庸こ痰奶攸c決定了基坑工程支護設計方法和方案,必須采用科學的程序和科學的方法，這樣才能使基坑工程的穩(wěn)定和安全得到保障。唐業(yè)清曾對全國103項基坑工程事故進行了細致的調(diào)查分析⑴，統(tǒng)計出事故發(fā)生的原因，因設計不當引發(fā)的事故占45%；因施工不當引發(fā)的事故占33%；因地下水處理不當引起的事故占22%。因此，采用合理的基坑支護設計計算方法，優(yōu)化基坑支護設計方案是減少基坑工程事故的重要手段之一?，F(xiàn)行的基坑工程支護結構設計主要是基于極限狀態(tài)方法按照應力計算來進行的，即所謂的強度控制法；但我們所能看到的是位移、場地環(huán)境對基坑系統(tǒng)變形有嚴格要求，因而須采用所謂的“變形控制法”?，F(xiàn)行大多數(shù)基坑工程支護結構設計采用了數(shù)值方法，認為土體服從彈塑性或粘彈、粘彈塑力學本構模型，圍護結構服從彈性模型，并依此來進行圍護墻體或樁體及支撐的設計。事實上這只能說是一種基坑開挖前的初始設計；因為在基坑系統(tǒng)開挖或支撐施工、拆除及地下室施工中，整個基坑系統(tǒng)所處的力學性態(tài)模型在不斷變化，尤其是周圍土體。因此根據(jù)假設的模型所設計的圍護結構可能發(fā)生問題，要么是設計偏于保守，要么就是不能滿足基坑系統(tǒng)的穩(wěn)定。支護設計的關鍵⑵是正確分析支護結構在不同工況時的受力狀態(tài)與變形情況。首先必須正確地估計作用在支護結構上的側壓力才有可能作結構內(nèi)力分析，但側壓力的大小不是固定不變的，荷載引起結構變形，而支護結構又使側壓力的大小與分布發(fā)生變化，這種相互作用的機理在現(xiàn)行的設計方法中無法加以考慮。為確?；庸こ?，特別是深大基坑系統(tǒng)工程的施工及周圍建筑和地下管線的安全、可靠，保證基坑在開挖中及后期地下室結構施工階段的整體穩(wěn)定，需不斷地對基坑系統(tǒng)的外觀表征進行現(xiàn)場監(jiān)測，并以監(jiān)測的數(shù)據(jù)反饋設計和施工，對初始設計的模型和圖紙進行修改、更新和完善。這也正是本文研究和分析的核心內(nèi)容。二、基坑支護工程信息化施工⑶1．信息化施工概念60年代以來，一些發(fā)達國家在推行新奧法于隧道設計施工的基礎上，通過對施工開挖和支護過程中支撐系統(tǒng)及巖土體的位移、應力、孔隙壓力等的量測，并據(jù)此作反演分析，用來監(jiān)控巖土體和支護的動態(tài)及其安全，并根據(jù)及時獲得的信息進一步修正和完善原設計，指導下階段施工。這種融施工、監(jiān)測和設計于一體的施工方法即稱為信息化施工，又稱施工監(jiān)控?；庸こ绦畔⒒┕ぞ褪歉鶕?jù)基坑工程施工過程中及時量測所得的信息，由已編就的現(xiàn)成軟件進行理論解析或數(shù)值分析（包括巖性和巖土參數(shù)的非線性反演，然后作正演），再結合工程地質(zhì)和巖土體結構作出綜合判斷，確定修改后的基坑支護參數(shù)和施工對策。2．基坑工程信息化施工的內(nèi)容信息化施工包括三個方面的內(nèi)容：現(xiàn)場監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析和處理、信息反饋?，F(xiàn)場監(jiān)測是獲得輸入信息的基礎和手段，內(nèi)容包括：制定量測方案，確定測試內(nèi)容，選擇測試手段及實施監(jiān)測計劃等。數(shù)據(jù)分析和處理是對第一手量測所得到的初始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)處理，如剔除一些量測誤差，繪制量測曲線，對量測曲線進行數(shù)學擬合。以及擬合檢驗后對分析結果的評價。信息反饋是指對原設計通過計算分析加以驗證，在了解該支護參數(shù)情況下，由力學分析得到的位移和應力是否和實測數(shù)據(jù)相符合，兩者的差距有多大，是否滿足結構及工程巖土體安全穩(wěn)定的判據(jù)標準。從而決定是否制定新的支護參數(shù)，或者是否要調(diào)整施工方案等等，以指導下一階段的施工。信息化施工十分強調(diào)信息反饋，所以不僅要注意計算過程反演和正演程序的編制，對于計算數(shù)據(jù)的采集和處理以及計算網(wǎng)格的自動劃分等前處理工作，還有對計算結果的后處理（基坑位移、巖土體屈服區(qū)、開挖后巖土體應力場以圖形方式和屏幕方式給出）的程序編制工作也要加強。三、基坑支護設計優(yōu)化分析1．基坑工程是一個系統(tǒng)工程近年來各地在基坑開挖和支護技術方面積累了豐富的經(jīng)驗，也有不少教訓。當前迫切需要解決的問題是，如何以比較低的經(jīng)濟代價，在比較短的時間內(nèi)實現(xiàn)安全的基坑開挖?；庸こ淌且粋€系統(tǒng)工程，涉及工程地質(zhì)與水文地質(zhì)、工程力學與工程結構、土力學與基礎工程，還涉及工程施工與工程管理，是融多種學科知識于一體的綜合性科學?；娱_挖與支護是由若干具有獨立功能的體系和部分組成的整體。無論是設計還是施工，均應從這個整體的系統(tǒng)出發(fā)，只有系統(tǒng)各部分的協(xié)調(diào)，才能構成良好的整體。就某一具體的基坑工程而言，既要注意土的性質(zhì)和土層結構，又要考慮場地的地下水條件；既要合理估算作用在支護結構上的土壓力，又要分析土中滲流的影響?；油谕恋姆绞胶晚樞蚺c基坑安全開挖直接有關；基坑開挖深度在基坑工程中起到了主要作用，而基坑四周的環(huán)境對支護方案的確立具有制約作用。因此，在確定基坑支護方案時，要求整個系統(tǒng)的整體最優(yōu)；但系統(tǒng)的最優(yōu)化并不要求所有部分均達到最佳的特征，卻要求各部分的狀態(tài)在系統(tǒng)協(xié)調(diào)下達到總體的效益最優(yōu)。2．基坑支護優(yōu)化設計模型⑴基坑工程的概念設計基坑工程涉及到組織、策略、管理等因素，所研究的一些基本關系往往難以用單一的構件或單元體來代表，也不是用單純的數(shù)學公式來表達的。這就要求巖土工程師以一種新的設計思想來適應基坑工程這一特殊巖土工程的設計；這一新的設計思想只能著重于概念的表達，而不是著重于各個具體的公式，這就是所謂概念設計。對基坑工程各部分進行調(diào)查、分析，統(tǒng)籌兼顧，合理處理各組成部分的關系，綜合求得問題的總體最優(yōu)狀態(tài)。當然，對于組成整體的各個部分的分析計算是必不可少的。⑵基坑支護優(yōu)化設計思路作為一個系統(tǒng)工程，基坑工程設計與施工過程中，必須運用系統(tǒng)工程思想，全面考察和分析各種可能因素的影響，主要有：①開挖前，基坑支護墻體施工前后、基坑坑內(nèi)外降水前后以及基坑工程地基處理前后，基坑內(nèi)及周圍土體應力狀態(tài)及力學性狀的變化；②開挖過程中，可能有的基坑周邊大面積或局部建筑材料堆以及施工機械等荷載對基坑系統(tǒng)應力場、位移場的影響；③開挖過程中，偶然的天氣驟變（主要是突然連續(xù)大量降雨使基坑長時間暴露以及地面水與地下水對基坑土體與支護系統(tǒng)的共同作用）對基坑土體應力狀態(tài)及力學性狀的影響；④開挖過程中，支撐剛度、支撐預應力大小及其安裝時間對基坑位移的影響；⑤不同施工工藝及施工進度對基坑應力場、位移場的影響；⑥時空效應對基坑工程支護結構內(nèi)力及位移的影響；⑦開挖結束后，底板及基礎施工進度對基坑位移的影響；只有充分考慮上述諸多影響因素才不致在基坑工程設計與施工過程中，犯盲目照搬規(guī)范和別人異地的成功經(jīng)驗，甚至主觀上不顧后果的蠻干，從而導致由于設計上的不當而造成的基坑工程事故。很顯然，任何一個巖土工程師如果有豐富的實踐經(jīng)驗，肯定是一筆寶貴的財富。在基坑工程設計理論和方法都不十分成熟的當前情況下，豐富的實踐經(jīng)驗將幫助巖土工程師解決工程設計與施工中許多問題。但是，強調(diào)經(jīng)驗重要性的同時，也不能忽視非線性有限元專家?guī)资陙砣〉玫难芯砍晒?。我們可以借助非線性有限元仿真模擬理論來解決上述問題。有限元數(shù)值模擬最大的特點就是能夠“虛擬現(xiàn)實”。通過功能強大的有限元仿真分析軟件，可以比較準確的模擬上述諸多影響因素對基坑支護系統(tǒng)的獨立作用及藕合作用，為設計人員提供各種有益的設計計算參考數(shù)據(jù)。因此，非線性數(shù)值模擬方法是基坑工程設計優(yōu)化的強有力手段。同時，引入隧道工程中已十分成熟的信息化施工方法，跟蹤監(jiān)測基坑工程施工各階段系統(tǒng)位移、應力、支撐軸力等；根據(jù)這些反饋信息運用工程經(jīng)驗并結合有限元反演技術，提出修正設計參數(shù)，預測下一階段系統(tǒng)位移應力的變化，并提出相應的對策。因此，基坑支護設計優(yōu)化過程貫穿于基坑工程設計與施工的全部過程，建立在綜合運用工程經(jīng)驗、有限元數(shù)值模擬以及信息化施工等工具的基礎上；優(yōu)化設計實質(zhì)是一種動態(tài)設計。⑶基坑支護優(yōu)化設計模型基于數(shù)值模擬、信息化施工的優(yōu)化設計模型并不局限于工程造價的詳細論證分析，同樣注重工程安全及環(huán)境影響的詳細論證分析，在安全和環(huán)境影響都得到保證的基礎上尋求最低工程造價。因此這里所討論的“優(yōu)化”是廣義的工程優(yōu)化，是綜合效益指標的優(yōu)化，并非單一的工程造價，抑或只注重安全和環(huán)境影響指標的銅墻鐵壁式的“無價”工程。下面給出基坑支護設計優(yōu)化模型分析流程圖。開始多種設計方案優(yōu)選開始多種設計方案優(yōu)選初始安全、環(huán)境、造價分析論證初始設計模型進入施工階段信息化施工反饋修正設計參數(shù)再次安全、環(huán)境、造價分析論證優(yōu)化設計模型施工完畢？結束否下一階段施工優(yōu)化設計階段初始設計階段是圖1基坑支護設計優(yōu)化模型分析流程圖四、結語1．基坑工程復雜的場地環(huán)境條件和地質(zhì)環(huán)境條件，決定了基坑工程方案選取和支護結構設計方法必須采用科學的程序和方法；2．隧道工程中已成功應用的信息施工方法完全可以應用于基坑工程；3．基坑工程是一個系統(tǒng)工程；須應用系統(tǒng)工程的原理來分析評價基坑工程的相關影響因子；4．基于現(xiàn)代數(shù)值分析工具、系統(tǒng)工程理論以及信息化施工的基坑工程支護結構設計優(yōu)化分析方法，是一種適應基坑工程特點的、有利于基坑工程穩(wěn)定和安全的比較科學的基坑支護工程設計方法。參考文獻1．顧飽和，基坑工程的若干總是的總結，工程勘察，1996年第5期2．高大釗，巖土工程中的若干土力學問題，巖土工程學報，1995年第3期3．孫均，地下工程設計理論與實踐，上?？茖W技術出版社，19964．崔政權，系統(tǒng)工程導論，19965