某工程深基坑支护方案优化

黄 伟

(杭州市萧山区建设工程安全监督站，浙江杭州310052)

深基坑支护设计与施工是一项系统工程，它的实施涉及到结构力学、土力学、地基基础、地基处理、原位测试等多种学科知识，同时要有丰富的施工经验，并结合拟建现场的地质和周围环境情况，才能因地制宜地制定出合理的支护设计方案和施工方案［1、2］。深基坑支护优化设计是个复杂的问题，涉及到的设计参数比较多，目标函数与设计参数之间的关系是复杂的非线性关系，并且是一个多极值问题，采用传统的优化技术(如梯度法)很难解决，为此很多学者改变思维方式，将神经网络、遗传算法、微粒群算法等智能计算技术应用到基坑支护优化设计中，取得了一定效果，但此类优化仅限于对同一支护方案的优化。本文以杭州银泰购物广场的深基坑工程的支护为例，通过对两种不同的支护方案的优化和比较，在保证基坑支护安全系数的同时，可选择支护费用最低的支护方案，从而取得更高的经济和社会效益。

1 工程概况

本工程位于杭州城西地区，基坑北侧为萍水路，南侧为待建之富强路及阮家桥港河道支流，东侧为塘中路，西侧为丰潭路。该综合商业中心项目位于城西核心地带，项目发展将形成城西乃至杭州的一个新地标，对区域服务和完善城市规划有着极其重要的作用。该工程占地面积6.5×104m2，总建筑面积为 39.6 ×104m2，其中，地上 24.5 ×104m2，地下15.1×104m2，人防面积3.52×104m2，地下室共三层，底板面标高分别为－15.5 m、－11.6 m、－7 m，功能包括地下一层商业步行街、自行车库、卸货区、机动车停车库及人防工程。该工程是集大型购物中心、休闲运动设施、延伸教育服务、办公、星级商务精品酒店一体之大型城市建筑综合体。

2 基坑支护方案

2.1 支护方案一施工流程

支护方案一具体施工工序如下:先拆除富强商业广场结构至地下一层楼板，保留地下室外墙，同时施工坑外主动区加固体(图1)。在原富强商业广场结构地下一层底板上开槽，施工双排桩(灌注桩)，采用咬合桩机全套管辅助处理清除土钉障碍物后施工围护桩。底板上开槽应分段间隔交替进行，每段长度约18 m。每段围护桩施工完毕后马上进行该段压顶梁施工，并以混凝土填实压顶梁与周边底板间缝隙，然后施工双排桩间旋喷桩。围护桩及压顶梁达到80%强度后，拆除中间地下一层楼板，施工工程桩。原富强商业广场范围内工程桩、围护桩及压顶梁均施工完毕并达到一定强度后，拆除基坑范围内原富强商业广场地下一层底板及墙板，开挖至第一道支撑底标高，施工第一道支撑及围檩。同时回填保留的地下室外墙外土方，施工排水沟，形成施工场地。待第一道支撑及围檩施工完毕并达到一定强度后，开挖至第二道支撑底标高，施工第二道支撑及围檩。待第二道支撑及围檩施工完毕并达到一定强度后，开挖至坑底，施工基础底板及传力带，以及地下二层楼板及传力带。待基础底板及传力带达到一定强度，拆除第二道支撑，施工地下二层、地下一层楼板及传力带。待地下一层楼板及传力带达到一定强度，拆除第一道支撑。

图1 支护方案一示意

2.2 支护方案二施工流程

支护方案二具体施工工序如下:先拆除富强商业广场结构至地下一层楼板，保留地下室外墙，同时施工坑外主动区加固体(图2)。在原富强商业广场结构地下一层底板上开槽，施工双排桩(灌注桩)，采用咬合桩机全套管辅助处理清除土钉障碍物后施工围护桩。底板上开槽应分段间隔交替进行，每段长度约18 m。每段围护桩施工完毕后马上进行该段压顶梁施工，并以混凝土填实压顶梁与周边底板间缝隙，然后施工双排桩间旋喷桩。围护桩及压顶梁达到80%强度后，拆除中间地下一层楼板，施工工程桩。原富强商业广场范围内工程桩、围护桩及压顶梁均施工完毕并达到一定强度后，拆除基坑范围内原富强商业广场地下一层底板及墙板，逐级放坡至基础承台底标高，并在坡面喷射60厚C15混凝土护面，内配Φ6.5@300×300 mm钢筋网片，同时回填保留的地下室外墙外土方，施工排水沟，形成施工场地。待边坡护面达到一定强度后，开始施工坡底以外部分主体结构地下三层及地下二层，并留置好后浇带。待主体结构达到一定强度后，施工基坑内周边放坡部位地下一层处支撑及围檩。待地下一层处支撑及围檩达到一定强度后，开挖基坑内周边放坡部位至地下二层支撑底标高，施工地下二层处支撑及围檩。待地下二层处支撑及围檩达到一定强度后，开挖至坑底，施工基础底板及传力带，以及地下二层楼板及传力带。待基础底板、地下二层楼板及传力带达到一定强度，拆除地下二层处支撑，施工地下一层处楼板及传力带。待地下一层楼板及传力带达到一定强度，拆除地下一层处支撑。

图2 支护方案二示意图

3 方案优化和比较

基坑支护优化就是在保证基坑和周围环境的安全和正常使用的前提下，通过合理选择支护参数，达到最经济的目的。基坑稳定性与支护参数之间存在密切的关系，在满足稳定性的前提下，必定存在一组支护参数，使工程造价最低，优化设计的目的就是寻找这一组支护参数。针对基坑稳定性与支护参数之间存在复杂的非线性映射关系，由于支持向量机算对于处理高维、非线性问题具有很好的适应性，通过用支持向量表示支护参数与安全系数之间的映射关系，还可以避免优化过程中反复调用安全系数计算程序，提高了计算效率。所以我们采用支持向量来表示基坑的安全系数与支护参数之间的复杂非线性映射关系，即基坑安全系数与支护参数之间的非线性关系可以用支持向量 S(x1，x2，…，xn)来描述:

式中，X=(x1，x2，…，xn)是基坑支护参数，它们因支护方式而对应不同的参数，如排桩支护就是桩的长度、直径、间距等;y是基坑安全系数。首先，通过试验设计构造一定数量的支护参数组合，然后计算每一种支护参数组合下对应的基坑安全系数，从而构造出一定规模的学习样本;然后，根据支持向量机算法，通过一定的优化技术求解支持向量机算法中的二次优化问题，获得向量支持，实现基坑安全系数与支护参数之间复杂非线性关系的表示;对于支持向量机算法的具体描述和实现，限于篇幅请参考其他文献。

基坑支护优化的目标函数就涉及到基坑的安全系数和支护费用两个目标函数，其中，安全系数越大越安全，当然对应的支护费用就会相应增大看，优化的目的就是寻找两者之间的平衡。通常对于安全系数，基坑支护规范中有明确规定，所以我们以支护费用作为目标函数，以安全系数作为一个约束条件，这样比较合理;因为费用涉及到材料的价格，而价格随市场情况变化，因此我们以材料量作为目标函数。这样基坑支护参数问题变为优化问题，即

基坑支护优化问题就是求解上面的约束优化问题，其中:X为一组支护参数;W(X)为该支护参数下对应的支护材料量;F(X)为该支护参数下对应的基坑安全系数;Fs为保证基坑安全需要的基坑安全系数，通常与具体工程有关，可参照规范给出。对于上面的约束优化问题，可以采用惩罚函数法转化为无约束优化问题，即

其中，M是一个大于1的数，可以根据实际情况进行调整。

假定各桩的长度、直径相等，排桩之间的间距是均匀的，这样待优化的支护参数就是桩长、桩径以及排桩间距。采用上述方法，构造学习样本，通过支持向量机学习建立待优化参数(桩长、桩径以及排桩间距)与基坑安全系数之间的非线性关系，在此关系的基础上，采用微粒群算法进行基坑支护参数优化，从而比较方案一和方案二的支护材料量，如图3所示。由图3可知，在相同的安全系数下，方案二的支护材料量要远少于方案一。

图3 二种方案的比较

4 结语

本基坑支护工程在方案论证和初步设计阶段，参考类似工程基坑支护设计的经验，在方案优化过程中，根据本基坑工程的实际情况，采用排桩结合基坑内原状土放坡的支护结构类型，充分利用了排桩及原状 土放坡两种支护方案的优点，并利用结构主体作临时支撑的支撑点，大大降低了基坑支护的费用，可供类似基坑支护工程设计及施工参考。

［1］陈忠汉，程丽萍.深基坑工程［M］.北京:机械工业出版社，1999

［2］龚晓南.基坑工程实例［M］.北京:中国建筑工业出版社，2008

［3］徐扬青.深基坑工程设计的优化原理与途径［J］.岩石力学与工程学报，2001，22(2):248 －251

［4］徐扬青.深基坑工程设方案优化决策与评价模型研究［J］.岩土工程学报，2005，27(7):844 －848

［5］莫海鸿，周汉香，赖爱平.基坑支护桩结构优化设计［J］.岩土工程学报，2001，23(2):144 －148

［6］王成华，王卓雄，陈海明.基坑挡土结构的粒子群优化设计方法［J］.天津大学学报，2005，38(6):547 －551

［7］杨雪强，何世秀，余天庆.加筋砂土作用在挡土墙上的土压力研究［J］.岩土力学，1997，18(1):25 －34