歐長紅，姜早龍，陳大川，高 昕

(1.湖南東方紅建設(shè)集團(tuán)有限公司，湖南 長沙 410000；2.湖南大學(xué)土木工程學(xué)院，湖南 長沙 410082；3.湖南湖大建設(shè)監(jiān)理有限公司，湖南 長沙 410082)

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)布局的優(yōu)化調(diào)整與區(qū)域協(xié)調(diào)發(fā)展戰(zhàn)略的深入實(shí)施，城市土地資源日漸緊張，越來越多的基坑工程修建在環(huán)境敏感、建筑密集、地質(zhì)多變的城區(qū)繁華地段[1-2]。同時，復(fù)雜環(huán)境的基坑工程面臨土層軟弱、地下水位高及周邊管線復(fù)雜等不利情況[3]。因此，如何在上述復(fù)雜條件下科學(xué)合理地開展基坑支護(hù)方案優(yōu)化，直接關(guān)系到基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)及其周邊建筑物安全[4]。

基坑的工程性狀會隨著環(huán)境復(fù)雜程度呈現(xiàn)出較大隨機(jī)性與不確定性，對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計、優(yōu)化及位移預(yù)測等工作提出較大挑戰(zhàn)。目前，已有許多學(xué)者對此進(jìn)行了較為深入的理論分析與實(shí)踐探索。丁烈云等以武漢地鐵2號線循禮門車站深基坑項(xiàng)目為例，運(yùn)用有限元軟件FLAC3D模擬分析了該項(xiàng)目施工對周圍輕軌橋梁安全性的影響，并基于仿真結(jié)果，提出了復(fù)雜環(huán)境下基坑安全控制標(biāo)準(zhǔn)[5]。Jan等通過建立人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，綜合考慮多種因素影響后，對地下連續(xù)墻的撓度變化和地表沉降進(jìn)行了精確預(yù)測[6]。張志強(qiáng)等以某老城區(qū)改造過程中遇到的復(fù)雜基坑工程為例，綜合分析了復(fù)合支護(hù)結(jié)構(gòu)使用要求和經(jīng)濟(jì)效益[7]。宮鶴等以某緊鄰高邊坡的深基坑為例，綜合運(yùn)用微型樁加固、樁錨組合支護(hù)及混凝土回填等措施，有效降低了邊坡變形速率，并通過收集監(jiān)測數(shù)據(jù)較好地預(yù)測了基坑位移的變化趨勢[8]。張萌萌利用深基坑計算軟件對上海某環(huán)境復(fù)雜的深基坑工程進(jìn)行計算分析，得到了基坑變形隨支護(hù)樁嵌入比、嵌入直徑等因素變化的規(guī)律[9]。崔凱等以電子科技大廈深基坑為例，針對周邊環(huán)境較復(fù)雜的工程現(xiàn)狀，聯(lián)合運(yùn)用多種支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，不僅解決了施工難題，也有效控制了地下水位[10]。

結(jié)合上述研究成果可知，目前關(guān)于復(fù)雜環(huán)境下基坑支護(hù)的優(yōu)化研究更多地聚焦于施工前設(shè)計方案的計算、優(yōu)化及分析，而較少關(guān)注施工中出現(xiàn)偏差后所采取的改進(jìn)方案及其應(yīng)用效果。因此，本文以中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院科教大樓基坑支護(hù)為研究對象，通過建立BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型預(yù)測優(yōu)化后的施工方案能否有效控制水平偏移，為類似工程提供參考。

1 工程概況

1.1 工程簡介

中南大學(xué)湘雅三醫(yī)院科教大樓地下2層，地上13層，建設(shè)總面積為16 755.4m2，其中地上面積12 279.4m2， 地下面積4 476m2。本工程基坑開挖長度為83.5m，寬度為23m，開挖深度在3.5～7.2m。其東西兩側(cè)分別鄰近杏林小區(qū)和恒萬西溪里，南北兩側(cè)分別緊鄰宿舍樓和桐梓坡路，具體位置如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目位置

1.2 工程地質(zhì)情況

地質(zhì)勘察結(jié)果顯示，場地范圍內(nèi)主要巖土層有：人工填土、中風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖、全風(fēng)化板巖、殘積粉質(zhì)黏土及粉質(zhì)黏土，典型地質(zhì)剖面如圖2所示。其中，人工填土、粉質(zhì)黏土屬軟弱土層，工程性狀差；殘積粉質(zhì)黏土壓縮性較弱，工程性狀較好；全風(fēng)化板巖、強(qiáng)風(fēng)化板巖以及中風(fēng)化板巖屬軟巖，工程性狀較好，可作為樁基持力層。

圖2 典型地質(zhì)剖面

1.3 施工難點(diǎn)分析

1)施工環(huán)境復(fù)雜 本工程周圍臨近多棟住宅，施工作業(yè)場地嚴(yán)重受限。在基坑開挖過程中，若保護(hù)措施不當(dāng)或不及時，基坑邊坡會發(fā)生較大偏移，擾動鄰近建筑基礎(chǔ)，進(jìn)而引發(fā)不均勻沉降或基坑坍塌。

2)地質(zhì)較為軟弱 基坑開發(fā)范圍存在較大厚度的人工填土，最大處可達(dá)13.8m。因其具有土質(zhì)軟、孔隙比大、抗剪強(qiáng)度低、壓縮性大等特點(diǎn)，在施工過程中易造成地基沉降、邊坡偏移及基坑坍塌等工程事故?；谏鲜鍪┕るy點(diǎn)，需科學(xué)合理地設(shè)計基坑支護(hù)方案，保障施工安全。

1.4 基坑支護(hù)方案初步擬定

目前，常見的基坑支護(hù)方法有鋼板樁支護(hù)、灌注樁支護(hù)、錨桿支護(hù)、擋墻+內(nèi)支撐支護(hù)、SMW工法樁支護(hù)及放坡開挖等。在選擇與施工環(huán)境相適應(yīng)的施工方法前，對各種施工方法進(jìn)行詳細(xì)對比如表1所示。

本項(xiàng)目施工場地以回填土、粉質(zhì)黏土為主，最大開挖深度在7.2m左右，屬于軟弱土層，變形控制難度較大。同時，考慮到項(xiàng)目周圍臨近既有建筑，在施工過程需嚴(yán)格控制基坑位移，以降低施工擾動對周邊建筑的影響。由表1可知，樁頂設(shè)置冠梁的灌注樁具有強(qiáng)度高、剛度大、穩(wěn)定性好、變形小的特點(diǎn)，適用于軟弱土層，符合本項(xiàng)目的施工特點(diǎn)。另外，為防止出現(xiàn)隨著基坑開挖深度增大樁間土體坍塌流失的現(xiàn)象，設(shè)置2道預(yù)應(yīng)力錨桿和掛網(wǎng)噴漿，增加灌注樁的整體性。綜上所述，基坑支護(hù)方案初步擬定為灌注樁+預(yù)應(yīng)力錨桿+掛網(wǎng)噴漿。

表1 基坑支護(hù)方法對比

2 基坑支護(hù)位移監(jiān)測及方案優(yōu)化

2.1 監(jiān)測流程及監(jiān)測點(diǎn)布置

為全面了解基坑支護(hù)方案實(shí)施效果，驗(yàn)證方案設(shè)計的科學(xué)性和確?；又ёo(hù)的安全性，本項(xiàng)目對基坑開挖進(jìn)行了全過程監(jiān)測。首先，通過現(xiàn)場監(jiān)測和數(shù)據(jù)處理分析后，匯總監(jiān)測成果并進(jìn)行內(nèi)部審核；其次，將審核合格的監(jiān)測結(jié)果形成書面報告，并在24h內(nèi)提交；最后對監(jiān)測異常數(shù)據(jù)進(jìn)行判斷處理，及時提出對策，執(zhí)行超預(yù)警值方案。詳細(xì)流程如圖3所示。

圖3 基坑監(jiān)測流程

項(xiàng)目監(jiān)測方案應(yīng)與基坑工程的設(shè)計施工相匹配，并重點(diǎn)監(jiān)測易發(fā)生偏移的關(guān)鍵部位，具體監(jiān)測點(diǎn)布置如圖4所示。

圖4 監(jiān)測點(diǎn)平面布置

2.2 基坑偏移預(yù)警

在基坑土方開挖過程中，監(jiān)測人員發(fā)現(xiàn)基坑西南角臨近宿舍樓的部分水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)增長異常，最大值迅速達(dá)到39.5mm，遠(yuǎn)超GB 50497—2019《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中水平位移預(yù)警值(25mm)?；悠祁A(yù)警監(jiān)測點(diǎn)C2，C10，C11，C12的水平位移詳細(xì)變化如圖5所示。

圖5 監(jiān)測數(shù)據(jù)曲線

2.3 基坑偏移原因分析

根據(jù)地質(zhì)勘查資料、基坑支護(hù)施工方案及現(xiàn)場實(shí)際情況，組織工程技術(shù)人員及行業(yè)專家對西南角水平位移異常變化進(jìn)行詳細(xì)分析后，得出的可能原因如下。

1)灌注樁無法滿足本工程基坑支護(hù)要求 灌注樁適用于5m以內(nèi)的淺基礎(chǔ)，在等待樁身強(qiáng)度達(dá)標(biāo)的過程中易發(fā)生樁身偏移和樁間土流失的現(xiàn)象，最終引起偏移。

2)錨索錨固段預(yù)應(yīng)力不達(dá)標(biāo) 錨固段主要位于人工回填的黏土層，施工過程中未達(dá)到設(shè)計方案中錨索總長度31m、錨固預(yù)應(yīng)力200kN的規(guī)定值。

3)大型機(jī)械運(yùn)作時改變周邊土體壓力 由于機(jī)械運(yùn)作造成護(hù)壁樁嵌固端一側(cè)的被動土壓力降低，對灌注樁約束力減小，從而引起基坑位置發(fā)生偏移。

4)承臺施工過程把控不嚴(yán) 承臺臨近護(hù)壁樁時發(fā)生超挖現(xiàn)象，土體不能有效約束護(hù)壁樁的變形。

2.4 基坑支護(hù)方案優(yōu)化

為控制和降低水平位移超限段FG偏移的進(jìn)一步增加，經(jīng)現(xiàn)場工程技術(shù)人員反復(fù)論證后，提出采用具有更高強(qiáng)度、更大剛度、更好水密性的鋼板樁，快速對該段進(jìn)行加固處理。同時，為了增加邊坡抗滑力，在對基坑側(cè)壁進(jìn)行填土反壓的基礎(chǔ)上，對基坑底部土體進(jìn)行注漿加固，使樁前填土層擁有更大的黏聚力，這樣不僅能穩(wěn)定邊坡，還能提高支護(hù)樁抵抗被動土壓力的能力，避免機(jī)械運(yùn)作對護(hù)壁樁的擾動影響。最后，考慮到取土過程基坑可能變形過大的情況，在基坑之間增設(shè)鋼管對撐，其加固優(yōu)化方案如圖6所示。

圖6 基坑支護(hù)優(yōu)化措施的剖面

后續(xù)承臺施工不當(dāng)也會對護(hù)壁樁產(chǎn)生較大影響。因此，需調(diào)整承臺基坑的施工方案來保障基坑支護(hù)的穩(wěn)定性。基坑自西向東開挖，依次逐個完成承臺施工。將承臺的墊層混凝土強(qiáng)度等級由C15變更為C20，厚度由100mm增加至300mm，以增加鋼板管樁和鋼板樁的樁前被動土抗力。為確保側(cè)壁安全，墊層跳開間隔施工，并且保證端部與鋼板樁緊密接觸。此外，坑內(nèi)主體結(jié)構(gòu)樁基施工時注意避免擾動基坑護(hù)壁樁被動區(qū)土體，且現(xiàn)場時刻準(zhǔn)備袋裝砂礫，若位移繼續(xù)加大，隨時準(zhǔn)備返填。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建及位移預(yù)測

3.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理概述

在未知數(shù)據(jù)映射關(guān)系的情況下，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)可通過自身學(xué)習(xí)訓(xùn)練來構(gòu)建預(yù)測模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對未來數(shù)據(jù)的預(yù)測，適用于復(fù)雜環(huán)境的基坑位移預(yù)測。BP(back propagation，反向傳播)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是利用誤差反向傳播，通過逐步減小預(yù)測輸出與期望輸出誤差的方式逼近期望目標(biāo)。

從結(jié)構(gòu)上看，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分為輸入層、隱含層和輸出層，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖7所示。圖中，xi和yj分別表示輸入值和輸出值，wij和wjk分別表示輸入層和隱含層、隱含層和輸出層之間的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值。

圖7 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是從m個自變量經(jīng)過l個隱含層到n個因變量的映射，計算訓(xùn)練步驟如下[11-12]：

1)確定閾值a和b。

2)計算隱含層 輸入變量Xi，輸出隱含層變量Aj，如式(1)所示：

(1)

式中：i=1,2,…，m;j=1,2,…，l分別表示自變量和隱含層的層數(shù)；f為隱含層神經(jīng)元激活函數(shù)，一般常用Sigmoid函數(shù)表達(dá)，如式(2)所示：

f(x)=(ex-e-x)/(ex+e-x)

(2)

3)計算輸出層 輸入Aj，激活函數(shù)選擇f(x)=x來計算輸出層的預(yù)測變量Yk，如式(3)所示：

(3)

式中：k=1,2,…,n，表示輸出層的層數(shù)。

4)計算預(yù)測誤差 預(yù)測輸出變量Yk與期望輸出變量Bk的誤差為δ，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)代價函數(shù)Fk如式(4)，(5)所示：

δk=Yk-Bk

(4)

(5)

5)通過算法更新權(quán)值wij和wjk，循環(huán)步驟2，直至結(jié)束。誤差反向傳播實(shí)施思路如圖8所示。

圖8 誤差反向傳播

3.2 BP訓(xùn)練算法確定

1)GD算法 訓(xùn)練算法中最簡單易表達(dá)的是GD(gradient descent，梯度下降)法。更新權(quán)值如式(6)所示：

wij+1=wij-μgk

(6)

式中：μ為學(xué)習(xí)速率；gk為代價函數(shù)關(guān)于權(quán)值的梯度，是一階泰勒的展開式。此方法雖然簡單易行，但GD法并非計算最快的方法，并且一般情況下，無法保證解為全局最優(yōu)解。

2)BFG算法 BFG(Broyden Fletcher Goldfarb，牛頓)法是基于泰勒公式的二次展開，具有更快的計算收斂速度。更新權(quán)值公式如式(7)所示：

(7)

式中：HK為黑塞矩陣，是代價函數(shù)關(guān)于權(quán)值的二階偏導(dǎo)矩陣。此方法雖然計算迅速，但黑塞矩陣的得出非常復(fù)雜，實(shí)操很難。

3)LM算法 LM(Levenberg Marquardt)法結(jié)合了GD法和BFG法。通過用雅可比矩陣擬合黑塞矩陣可以簡化計算的復(fù)雜性，引入單位矩陣I實(shí)現(xiàn)計算結(jié)果的可逆性。因此，LM算法具有省略計算黑塞矩陣和擁有二階收斂計算速度的優(yōu)點(diǎn)。更新權(quán)值計算公式如下式所示：

(8)

(9)

式中：Jk為雅可比矩陣。通過比選，本文采用LM算法來訓(xùn)練BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

3.3 模型擬定

本項(xiàng)目在基坑水平位移超出報警值后，對原基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)化，加強(qiáng)對12個水平位移監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)時監(jiān)測，每隔3d匯總1次監(jiān)測點(diǎn)水平位移累計變化值，得到的12個數(shù)據(jù)即為1組。在連續(xù)監(jiān)測174d后，得到了58組696個數(shù)據(jù)。組號和水平位移累計變化量分別作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本集的輸入數(shù)據(jù)和目標(biāo)數(shù)據(jù)。其中40組480個數(shù)據(jù)用于訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，剩余16組192個數(shù)據(jù)均分用于確認(rèn)和測試訓(xùn)練后的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。訓(xùn)練次數(shù)設(shè)置為1 000次，訓(xùn)練算法選擇LM算法。運(yùn)算結(jié)束后，查看回歸曲線來判斷數(shù)據(jù)的擬合程度。

由回歸曲線可知，R值越接近1，數(shù)據(jù)擬合程度越好，在此模型中Training，Validation，Testing的擬合效果均較好。因此，可以用此模型進(jìn)行基坑水平位移預(yù)測。

3.4 預(yù)測值與監(jiān)測值對比

本項(xiàng)目利用該模型預(yù)測了未來60d共20組240個數(shù)據(jù)。模型預(yù)測發(fā)現(xiàn)，30d后的預(yù)測數(shù)據(jù)基本保持不變，故選擇前30d的10組數(shù)據(jù)與監(jiān)測值比較。為保持原有數(shù)據(jù)的分布狀態(tài)，采取等距取樣的方式，挑選第5，10組的預(yù)測數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比，對比結(jié)果如表2所示。

從表2可以得出，訓(xùn)練后形成模型的預(yù)測值與監(jiān)測值相近，相差均10%的變化范圍內(nèi)，故此模型可以實(shí)現(xiàn)對基坑水平位移的預(yù)測。預(yù)測多組數(shù)據(jù)后得出，通過基坑支護(hù)方案優(yōu)化，基坑的水平偏移數(shù)據(jù)得到收斂，基坑暫時處于穩(wěn)定狀態(tài)。

表2 第5，10組水平位移數(shù)據(jù)對比

4 結(jié)語

結(jié)合工程地質(zhì)情況及施工難點(diǎn)，對常見基坑支護(hù)方法的適用性進(jìn)行系統(tǒng)比選后，確定了本項(xiàng)目初步的施工方案；然后基于水平位移實(shí)時監(jiān)測對基坑位移進(jìn)行偏差預(yù)警及原因剖析，提出聯(lián)合運(yùn)用鋼板樁支護(hù)、填土反壓及鋼管對稱支撐3種加固方式對偏移段進(jìn)行處理；最后綜合比較神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測位移與實(shí)際監(jiān)測數(shù)據(jù)間的差距，借以驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性與模型的適用性。結(jié)果表明，所采取的優(yōu)化方案能有效限制基坑偏移，降低對周邊復(fù)雜環(huán)境的影響。