基于时空效应的基坑动态设计和动态支护技术

宋明健，汤连生

(1.中国十九治集团有限公司，四川 成都 610031;2.中山大学地球科学系，广东 广州 510275)

基坑工程受不确定因素影响极大，如岩土的个性和区域性［1］、土工试验的代表性和扰动性［2］、施工因素的扰动性和难以量化性［3］、温度气候因素的复杂性［2］，［4］、流场和孔隙水压的不稳定性等［5］，这些不确定因素的组合效应还会随着时空变化而变化，使得难以对支护结构的内力及变形进行准确度量和预测［1，4］。现有支护结构基本是在一定初始条件下一次性设计施加的，尽管考虑了一定的安全储备，但这种定值定态下所设计施加的“安全”多是暂时性的，对长期真实土压力的估计未必合理［4］。

目前国内外对支护结构能否很好地适应整个基坑生存期内力及变形变化的要求，尚缺少有效的解决理论和方法［1］，［7］。为确保基坑使用期间的安全和稳定，避免对工后建筑物与周边环境造成不良影响，进一步对支护技术的设计和施工开展探讨是很有必要的。

1 基坑的时空效应

基坑的时间效应，主要是由土体的流变特性和施工的阶段扰动性引起的。由于施工的扰动，引起流场和卸载效应的变化，导致土体微观结构和力学指标随着时间发生渐变［2～5］，即土体流变。进而引起土压力和变形随时间的变化。

基坑的空间效应，主要体现在基坑空间变形的不一致上。由于岩土的粘弹塑性、施工的区域性和阶段性，先施工区域比后施工区域变形发展得早，坑壁中部变形一般较之端部要大，坑壁上部位移要比底部多，坑底中央变形较坑角明显［2，8～10］。

基坑时空效应得到岩土界的高度重视，也取得大量的研究成果［2～3，8～17］。但，对本构关系、强度理论以及孔隙水压力消长规律认识的不足，加之土工试验的离散性、施工阶段性等因素的影响，目前仍难以准确把握基坑实际土压力和变形的时空演化规律，这对支护结构的可靠性是个巨大的考验，也常常引起各种基坑事故。

2 基坑的设计方法

基坑目前的设计方法中，规范推荐的为等值梁法，很多专业软件应用的是山肩邦男法和弹性抗力法。这些方法虽然使用简单，但都不能考虑开挖过程对支撑和支护结构的影响，不能有效地计入基坑开挖过程中挡土结构及支撑内力的变化。且均忽略了每一支撑在安置以前支撑处挡土结构已发生的初始变形，计算结果往往是很粗略的。大量的实测资料表明，不考虑开挖过程的计算结果使得结构的最大弯矩和位移偏小，是偏于不安全的［1～5］。

3 基坑的支护措施

经大量的工程实践和理论研究，基坑支护现已发展出适合于不同空间形式和岩土状况的多种形式，如表1所示［4］。

表1只是对我国近多年基坑支护措施的一个简要总结。由于施工作业条件加上从业人员标新立异的设计风格，支护形式的选择是多种多样的，很难统一界定其类属。如根据土压力空间分布的差异，采用的异型截面挡土结构的支护形式［18］;为了减少开挖深度，将锚杆作为围护桩长的延伸，发展出的桩底锚杆支护技术［19］等等。诸如此类的支护技术便不符合表1中的某一类属。

现有的支护，大都是在一定的岩土条件、环境要求、规范、经验的基础上进行设计的，确定支护形式并施工后，很少再对每一支护结构形式进行调整，是不符合基坑变形的时空效应这一工程实际的。基坑工程的不确定因素极多，施工每一阶段支护体系变形和土体性态都处于不断变化之中，绝非最初设计所能考虑周全的［1～4］。

4 动态设计

?

基坑开挖过程中，土体性态和支护结构的力学特性都在不断地变化，用确定不变的特征参数分析不断变化的系统，显然不能得到预想的效果。如何最大程度地把握施工过程中这些力学参数的变化，并用这些参数的变化获得最新的土压力和变形状态，是确保基坑安全可靠的根本。

4.1 动态设计的概念

动态设计的要旨就是设计过程中同时考虑开挖过程和其他不确定因素的影响，设计工作不是根据最初工况一次性完成的，而是把监测到的每一工况下受开挖过程和其他不确定因素影响的最新土压力和变形状况等作为条件，反演力学参数，并用这些反演的即时的最新的力学参数重新设计，调整下一工况的施工工艺和支护结构。

4.2 动态设计的流程

按动态设计的思想，以详细勘察为基础资料的工程设计只是设计的最初阶段。通过监测，开挖引起的最新岩土状态，如果满足强度控制标准和变形控制标准，则继续施工，如果不能满足相关要求，则根据最新的岩土信息反演基坑和围护结构的其他力学特征，进行前期设计的修正完善，补充施工勘察，并更正施工路线和支护技术，如此循环，直至工程竣工，其流程如图1所示。

图1 动态设计流程

动态设计考虑了开挖过程和其他不确定因素的影响，较好地把握了基坑土压力和变形的发展趋势，对基坑工程的安全稳定具有重要的意义［8～9，12，16～17］。

4.3 动态设计的应用现状

动态设计的设计施工理念，目前已有颇为成功的理论体系和工程实践［2－3，15－17］。其中，较为有代表性的是时空效应施工法和增量法。

4.3.1 时空效应施工法

时空效应施工法是刘建航院士在上海地铁工程实践的基础上，结合理论分析提出的［2，11］。时空效应施工法将施工过程纳入设计分析的范畴，设计指导施工，施工反馈设计，及时调整设计和施工要素。

时空效应施工方法和隧洞的单侧(双侧)导坑法具有异曲同工之处。都是在充分利用岩土的自稳自承能力的基础上，通过改变开挖区域的大小和调整各区域施工的先后顺序，以此来减小变形量和抑制不均匀变形的产生。

4.3.2 增量法

增量法是杨光华教授在弹性地基梁简化计算的基础上提出来的［3］。增量法的基本思想是把每一施工环节所改变的荷载，作为一种增量荷载作用于支护结构，按新的计算体系求得该增量荷载产成的增量效应，通过对前面增量计算结果进行迭加，即可求得每一施工环节后支护结构的内力和变形。

增量法考虑到了开挖过程和支撑施加的不同步性，认为先施工区域和先支撑结构先发挥力学作用，后施工区域和后支撑结构逐步参与共同作用，分析结果接近工程实际。目前增量法在广州已经有较为广泛的应用［3］。

5 动态支护

现有支护除了一次性设计施加的特点外，其支护能力还不具有可调节性，这对土压力受施工和其他不确定因素影响颇为明显的基坑工程来说是很不合适的。尽管动态设计可以较好地把握施工过程中基坑变形破坏的变化规律，但动态设计是分阶段地对非线性增量效应进行反复分析计算，计算和施工工作量大，对阶段内的真实岩土状态和力学特征也只能近似把握和无限趋近，设计结论多是要求对支护体系做补强处理，即通过加宽、加粗或加密支护结构来增加支护能力，对减小支护能力方面控制的灵活性较差，在土压力减小时显得保守和不经济。

5.1 动态支护的概念［4］

本文特在基坑工程中引入动态支护这一支护理念，其基本思想就是在支护强度足够的前提下，结合监测信息，根据土压力和变形的增大或减小变化，对已有基坑支护结构的支护能力进行相应地可大可小地动态调节、确保基坑不发生破坏并始终处于变形控制标准之内的一种支护技术。

5.2 动态支护的流程

与动态设计的概念不同，动态支护不需进行大量的再设计工作，而是依靠监测、经验、和规范，结合基坑土压力和变形的发展变化，对支护结构的支护能力进行相应地动态调节，以此来保证支护的可靠性和有效性，确保基坑的安全稳定［20］。其流程如图2所示。

图2 动态支护流程

5.3 动态支护的分类

从支护能力可调节的角度来看，动态支护可以分为两种形式。一种是分步支护的动态支护，该动态支护通过不断地改变支护密度和支护结构的截面大小，或者改变支护结构的空间布局来达到增减支护能力的目的。另一种是动态调节理念的动态支护，该动态支护方法基本不改变一次性设计施工的支护结构及其空间形式，也不增加支护密度和改变支护结构的截面大小，只是对原有支护结构的支护能力进行可大可小地实时动态调节，以此来抵抗基坑土压力和变形的增减变化［4］。

5.3.1 分步支护的动态支护

分步支护的动态支护方法在基坑工程中的应用不多，但在交通、矿业等专业有过较为悠久而成熟的实践［14，21－22］。著名的新奥法就是其中的一个代表。但是，相关专业的这些动态支护，基本都是按照岩土的渐进变形和自稳能力变化规律，向一个方向，即分步增强支护结构的支护能力方向进行相应调节，对另一个方向，即支护结构负载减小时需要降低支护强度的方向没有给予充分地考虑。基坑工程受不确定因素影响极大，土压力和变形的时空关联性极强，有时要求增加支护结构的支护能力来抵御基坑过大的变形，有时却要减小支护结构的支护能力来减小或协调基坑的空间变形。这就要求支护能力除了能及时向增大支护强度方向动态调节外，还能向减小支护强度的方向及时动态地改变。

5.3.2 动态调节的动态支护

实时动态调节的动态支护较好地考虑了支护能力随土压力增减变化的双向调节要求，能紧随土压力和变形的或大或小变化及时做出相应调节，既不需进行大量的再设计，也省却了增减支护的施工工作量。但这方面的研究，无论是基坑工程领域，还是其他相关行业，可参考的文献都很有限。

6 结束语

基坑工程是一个由岩土体、支护结构、周边环境共同作用的复杂系统，受时空效应影响显著，仅依靠常规的理论分析和经验估计，难以完全准确地把握基坑支护结构和土体的变形特征。因此，结合先进的监测技术，采用动态设计和动态支护技术，了解工程期间基坑及其支护结构受不确定因素作用的变化趋势，并及时调整支护结构参数，或改变支护结构的支护能力，才能最大可能地确保基坑及其周围构筑物的安全稳定。

［1］龚晓南.关于基坑工程的几点思考［J］.土木工程学报，2005，38(9):99－104

［2］刘建航，侯学渊.基坑工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，1997

［3］杨光华.深基坑支护结构的实用计算方法及其应用［J］.岩土力学，2004，25(12):1185 －1196，1902

［4］宋明健.基于开挖卸荷效应的基坑共同变形及动态支护技术［D］.中山大学，2008

［5］汤连生，杜赢中，王洋.深基坑支护结构上土压力研究及新进展［C］//中国土木工程学会第九届土力学及岩土工程学术会议论文集，2003:25－28

［6］刘广胜，赵维炳.基坑施工中渗流对土抗剪强度的影响［J］.水利水运科学研究，2001(1):54－57

［7］汪中卫，刘国彬.基于卸荷及变形的主动土压力计算［J］.地下空间，2003，23(1):22 －28

［8］董年才，沈国章，陆建忠.软土深基坑的动态设计与过程控制［J］.施工技术，2007，36(2):104 －107

［9］徐日庆，龚晓南，杨林德.深基坑开挖的安全性预报与工程决策［J］.土木工程学报，1998，31(5):33 －38

［10］俞建霖，龚晓南.基坑工程变形性状研究［J］.土木工程学报，2002，35(4):86 －90

［11］范益群，钟万勰，刘建航.时空效应理论与软土基坑工程现代设计概念［J］.清华大学学报(自然科学版)，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］蒋洪胜，刘国彬，刘建航.地铁车站软土基坑开挖过程中的时空效应分析［J］.建筑技术，1999，30(2):80 －82

［14］张延新，蔡美峰，乔兰，等.高速公路隧道开挖与支护力学行为研究［J］.岩石力学与工程学报，2006，25(6):1284－1289

［15］汪中卫，刘国彬，王旭东，等.复杂环境下地铁深基坑变形行为的实测研究［J］.岩土工程学报，2006，28(10):1263 －1266

［16］杨林德，钟才根，曾进伦.基坑支护位移和安全性监测的动态预报［J］.土木工程学报，1999，32(2):9 －13

［17］冯俊福，俞建霖，杨学林，等.考虑动态因素的深基坑开挖反演分析及预测［J］.岩土力学，2005，26(3):455 －460

［18］唐传政，李受祉，申俊甫，等.异型截面水泥土桩墙在基坑支护中的应用［J］.岩土工程学报，2006，28(S1):1760 －1763

［19］朱彦鹏，郑善义，张鸿，等.黄土边坡框架预应力锚杆支挡结构的设计研究［J］.岩土工程学报，2006，28(S1):1582 －1585

［20］宋明健，汤连生，胡辉，等.基坑支护方法［P］.中国:200710027900.5.2007 －11 －20

［21］胡毅夫，董燕军.地下硐室锚注围岩的变形分析［J］.岩土力学，2004，25(11):1814 －1819

［22］杨米加，贺永年，张农.巷道围岩强度弱化规律及其动态加固技术［J］.工程力学，1999，16(5):53－57