劉 編

（安徽理工大學土木建筑學院，安徽 淮南 232000）

1 引言

隨著城市化進程的加快，房建、交通、市政等工程越來越重視對地下空間的開發(fā)利用，因而基坑施工占據了工程建設中的重要地位。縱觀全國各地的基坑工程，其具有開挖體量大，開挖形狀不規(guī)則，開挖深度深等特點，且當其位于城市核心區(qū)域時，復雜的地下管線分布，密集的周圍環(huán)境環(huán)繞等都給基坑工程的開展增加很多難度[1]。面對這些挑戰(zhàn)，在基坑工程的設計階段，需要進一步提高基坑支護結構的設計水平，將土體和結構的受力和變形嚴格控制在規(guī)范標準值內。

超深基坑指開挖深度大于15m的基坑[2]?，F(xiàn)階段，我國超深基坑工程施工的事故率高達30%，主要原因有：1）理論落后于實踐，2）數值軟件適應性差，3）監(jiān)測手段不足，4）防控技術不成熟，等。因此，針對復雜性和不確定性的超深基坑工程，亟需在設計理論、數值分析、現(xiàn)場實測和控制技術上實現(xiàn)突破，形成集強度、剛度、穩(wěn)定性、防水性于一體的時空設計、施工和維護體系。

2 基坑工程理論分析研究進展

傳統(tǒng)基坑工程的設計分別將圍護結構、開挖方案和內支撐結構等割裂開來單獨設計，并未將其作為一個整體進行設計。20世紀40年代，Terzaghi和Pick[3]等提出了基坑支護結構土壓力的計算公式。

式中，K為土的側壓力系數。

20世紀50年代，Bjerrum和Eide[4]提出了基坑坑底隆起的計算公式。

式中，D為圍護結構入土深度；H為基坑開挖深度；γ1、γ2分別為圍護結構外側及坑底土體的重度；q為地面超載；Nq、Nc分別為地基承載力系數。由此建立了基于強度和穩(wěn)定性的基坑工程設計理論，并沿用至今。

候學淵[5]等提出了基坑周邊土層沉降隨圍護結構入土深度變化的計算公式。圍護結構入土深度越大，基坑中墻體側移值越小。相同入土深度條件下，由于圍護結構自身剛度和周圍土壓力的不同，墻后地表沉降與墻體側移的比值為0.1%H～1%H。由此基坑工程的設計核心逐步轉化為以控制變形為目的的設計理論。

3 基坑工程數值模擬研究進展

孫鈞等[6]采用“有限元+邊界元”的方法模擬了基坑開挖過程中不同圍巖介質的變形規(guī)律?？紤]到圍巖介質在變形過程中會經歷彈性、塑性和粘彈性等不同的變形階段，因此將圍巖介質的本構模型程序化應用到有限元模擬中，由此得到了基坑開挖過程中，周圍土層從線性到非線性的變化規(guī)律。

Yang等[7]將三維Boit固結理論開發(fā)到有限元軟件中，模擬了基坑開挖和支護的施工過程，通過提取基坑周圍土體的孔隙壓力歷時結果發(fā)現(xiàn)，隨著基坑開挖深度的增加，孔隙壓力值不斷減小，但隨著基坑內支撐結構的施加，孔隙壓力又逐漸恢復。由于土層隨著孔隙壓力的變化發(fā)生了不同程度的排水固結沉降，因而其周圍土體的變形值介于不排水基坑施工變形值和完全排水基坑施工變形值之間，與實際情況相符。

綜上所述，采用有限元數值軟件對基坑施工的全過程進行模擬，可以提前預知實際施工中基坑變形的最危險區(qū)域，進而在設計過程中對該區(qū)域進行加固設計。此外，通過理論設計方法得到的基坑開挖方案、基坑圍護方案以及基坑支護方案往往都偏安全，在材料用量和尺寸設計上都處于滿溢狀態(tài)，因而通過有限元軟件可以很好地對結構的設計參數進行優(yōu)化，以達到“安全、經濟、可持續(xù)”的施工目的。

4 基坑施工變形控制技術研究進展

基坑施工過程會發(fā)生涌水、土層坍塌、周圍建筑物偏斜等事故，因而在圍護結構施工、基坑開挖、內支撐架設等施工階段特別需要嚴格把控土層及構筑物的變形。

在基坑工程的設計階段，應當從強度、剛度、穩(wěn)定性的角度對支護結構和開挖參數進行精密驗算，留足安全系數。此外，還需通過成熟的有限元軟件對基坑施工全過程進行模擬，最大程度地預測可能發(fā)生的事故，達到事先預測的目的。

在基坑工程的施工階段，應當備足安全防護措施，按照設計要求高質量完成降水、分層分段放坡開挖和支護結構澆筑的工序，安裝足量的監(jiān)測元件，實時動態(tài)進行變形監(jiān)測。其次，施工現(xiàn)場要做好預警設置，一旦超出預警值，立即采取措施進行必要的加固，達到事中控制的目的。

在基坑工程的維護階段，應當整理好現(xiàn)場實測數據，做好基坑施工方案的備案，豐富基坑工程的案例庫，推動理論設計和數值模擬的發(fā)展，達到事后提升的目的。

5 結語

現(xiàn)階段，基坑工程的設計原則逐漸從設計一個“安全”的基坑工程轉向一個“最優(yōu)”的基坑工程。針對基坑施工過程中的變形問題，形成一套集“理論設計，數值模擬優(yōu)化和現(xiàn)場實測驗證”于一體的施工體系將是未來基坑施工過程中控制變形的重要手段。不斷汲取已有案例的成功經驗，從中升華出特有基坑工程的施工方案，將有利于大型基坑工程的創(chuàng)新發(fā)展。