宋明健，湯連生

(1.中國十九治集團有限公司，四川 成都 610031;2.中山大學地球科學系，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，使得難以對支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及變形進行準確度量和預(yù)測［1，4］?，F(xiàn)有支護結(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?；邮褂闷陂g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，進一步對支護技術(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，導致土體微觀結(jié)構(gòu)和力學指標隨著時間發(fā)生漸變［2～5］，即土體流變。進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、強度理論以及孔隙水壓力消長規(guī)律認識的不足，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 基坑的支護措施

經(jīng)大量的工程實踐和理論研究，基坑支護現(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)人員標新立異的設(shè)計風格，支護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)的支護形式［18］;為了減少開挖深度，將錨桿作為圍護樁長的延伸，發(fā)展出的樁底錨桿支護技術(shù)［19］等等。諸如此類的支護技術(shù)便不符合表1中的某一類屬。

現(xiàn)有的支護，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)上進行設(shè)計的，確定支護形式并施工后，很少再對每一支護結(jié)構(gòu)形式進行調(diào)整，是不符合基坑變形的時空效應(yīng)這一工程實際的?；庸こ痰牟淮_定因素極多，施工每一階段支護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)和支護結(jié)構(gòu)的力學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?；影踩煽康母?。

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，反演力學參數(shù)，并用這些反演的即時的最新的力學參數(shù)重新設(shè)計，調(diào)整下一工況的施工工藝和支護結(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)，如果滿足強度控制標準和變形控制標準，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結(jié)構(gòu)的其他力學特征，進行前期設(shè)計的修正完善，補充施工勘察，并更正施工路線和支護技術(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)果進行迭加，即可求得每一施工環(huán)節(jié)后支護結(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，認為先施工區(qū)域和先支撐結(jié)構(gòu)先發(fā)揮力學作用，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

現(xiàn)有支護除了一次性設(shè)計施加的特點外，其支護能力還不具有可調(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)論多是要求對支護體系做補強處理，即通過加寬、加粗或加密支護結(jié)構(gòu)來增加支護能力，對減小支護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。

5.1 動態(tài)支護的概念［4］

本文特在基坑工程中引入動態(tài)支護這一支護理念，其基本思想就是在支護強度足夠的前提下，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，對已有基坑支護結(jié)構(gòu)的支護能力進行相應(yīng)地可大可小地動態(tài)調(diào)節(jié)、確?；硬话l(fā)生破壞并始終處于變形控制標準之內(nèi)的一種支護技術(shù)。

5.2 動態(tài)支護的流程

與動態(tài)設(shè)計的概念不同，動態(tài)支護不需進行大量的再設(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，對支護結(jié)構(gòu)的支護能力進行相應(yīng)地動態(tài)調(diào)節(jié)，以此來保證支護的可靠性和有效性，確?；拥陌踩€(wěn)定［20］。其流程如圖2所示。

圖2 動態(tài)支護流程

5.3 動態(tài)支護的分類

從支護能力可調(diào)節(jié)的角度來看，動態(tài)支護可以分為兩種形式。一種是分步支護的動態(tài)支護，該動態(tài)支護通過不斷地改變支護密度和支護結(jié)構(gòu)的截面大小，或者改變支護結(jié)構(gòu)的空間布局來達到增減支護能力的目的。另一種是動態(tài)調(diào)節(jié)理念的動態(tài)支護，該動態(tài)支護方法基本不改變一次性設(shè)計施工的支護結(jié)構(gòu)及其空間形式，也不增加支護密度和改變支護結(jié)構(gòu)的截面大小，只是對原有支護結(jié)構(gòu)的支護能力進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 分步支護的動態(tài)支護

分步支護的動態(tài)支護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，基本都是按照巖土的漸進變形和自穩(wěn)能力變化規(guī)律，向一個方向，即分步增強支護結(jié)構(gòu)的支護能力方向進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，對另一個方向，即支護結(jié)構(gòu)負載減小時需要降低支護強度的方向沒有給予充分地考慮?；庸こ淌懿淮_定因素影響極大，土壓力和變形的時空關(guān)聯(lián)性極強，有時要求增加支護結(jié)構(gòu)的支護能力來抵御基坑過大的變形，有時卻要減小支護結(jié)構(gòu)的支護能力來減小或協(xié)調(diào)基坑的空間變形。這就要求支護能力除了能及時向增大支護強度方向動態(tài)調(diào)節(jié)外，還能向減小支護強度的方向及時動態(tài)地改變。

5.3.2 動態(tài)調(diào)節(jié)的動態(tài)支護

實時動態(tài)調(diào)節(jié)的動態(tài)支護較好地考慮了支護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)，既不需進行大量的再設(shè)計，也省卻了增減支護的施工工作量。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)，可參考的文獻都很有限。

6 結(jié)束語

基坑工程是一個由巖土體、支護結(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，難以完全準確地把握基坑支護結(jié)構(gòu)和土體的變形特征。因此，結(jié)合先進的監(jiān)測技術(shù)，采用動態(tài)設(shè)計和動態(tài)支護技術(shù)，了解工程期間基坑及其支護結(jié)構(gòu)受不確定因素作用的變化趨勢，并及時調(diào)整支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，或改變支護結(jié)構(gòu)的支護能力，才能最大可能地確?；蛹捌渲車鷺?gòu)筑物的安全穩(wěn)定。

［1］龔曉南.關(guān)于基坑工程的幾點思考［J］.土木工程學報，2005，38(9):99－104

［2］劉建航，侯學淵.基坑工程手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1997

［3］楊光華.深基坑支護結(jié)構(gòu)的實用計算方法及其應(yīng)用［J］.巖土力學，2004，25(12):1185 －1196，1902

［4］宋明健.基于開挖卸荷效應(yīng)的基坑共同變形及動態(tài)支護技術(shù)［D］.中山大學，2008

［5］湯連生，杜贏中，王洋.深基坑支護結(jié)構(gòu)上土壓力研究及新進展［C］//中國土木工程學會第九屆土力學及巖土工程學術(shù)會議論文集，2003:25－28

［6］劉廣勝，趙維炳.基坑施工中滲流對土抗剪強度的影響［J］.水利水運科學研究，2001(1):54－57

［7］汪中衛(wèi)，劉國彬.基于卸荷及變形的主動土壓力計算［J］.地下空間，2003，23(1):22 －28

［8］董年才，沈國章，陸建忠.軟土深基坑的動態(tài)設(shè)計與過程控制［J］.施工技術(shù)，2007，36(2):104 －107

［9］徐日慶，龔曉南，楊林德.深基坑開挖的安全性預(yù)報與工程決策［J］.土木工程學報，1998，31(5):33 －38

［10］俞建霖，龔曉南.基坑工程變形性狀研究［J］.土木工程學報，2002，35(4):86 －90

［11］范益群，鐘萬勰，劉建航.時空效應(yīng)理論與軟土基坑工程現(xiàn)代設(shè)計概念［J］.清華大學學報(自然科學版)，2000，40(S1):49－53

［12］Gioda.G.Some remarks on back analysis and characterization problem［C］.Proc.of the 5thInt.Conf.on Numerical Methods in Geomechanics，Nagoya，1985:47－61

［13］蔣洪勝，劉國彬，劉建航.地鐵車站軟土基坑開挖過程中的時空效應(yīng)分析［J］.建筑技術(shù)，1999，30(2):80 －82

［14］張延新，蔡美峰，喬蘭，等.高速公路隧道開挖與支護力學行為研究［J］.巖石力學與工程學報，2006，25(6):1284－1289

［15］汪中衛(wèi)，劉國彬，王旭東，等.復(fù)雜環(huán)境下地鐵深基坑變形行為的實測研究［J］.巖土工程學報，2006，28(10):1263 －1266

［16］楊林德，鐘才根，曾進倫.基坑支護位移和安全性監(jiān)測的動態(tài)預(yù)報［J］.土木工程學報，1999，32(2):9 －13

［17］馮俊福，俞建霖，楊學林，等.考慮動態(tài)因素的深基坑開挖反演分析及預(yù)測［J］.巖土力學，2005，26(3):455 －460

［18］唐傳政，李受祉，申俊甫，等.異型截面水泥土樁墻在基坑支護中的應(yīng)用［J］.巖土工程學報，2006，28(S1):1760 －1763

［19］朱彥鵬，鄭善義，張鴻，等.黃土邊坡框架預(yù)應(yīng)力錨桿支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計研究［J］.巖土工程學報，2006，28(S1):1582 －1585

［20］宋明健，湯連生，胡輝，等.基坑支護方法［P］.中國:200710027900.5.2007 －11 －20

［21］胡毅夫，董燕軍.地下硐室錨注圍巖的變形分析［J］.巖土力學，2004，25(11):1814 －1819

［22］楊米加，賀永年，張農(nóng).巷道圍巖強度弱化規(guī)律及其動態(tài)加固技術(shù)［J］.工程力學，1999，16(5):53－57