基于复杂环境的深基坑设计与变形监测分析

黄世政

（甘肃省水利水电勘测设计研究院有限责任公司，甘肃 兰州 730000）

受周边环境条件限制，市政基坑建设的工程重要性越来越高，因此，开展基坑支护设计及变形监测分析就显得格外重要[1-2]。目前，江焕钊等[3]开展了超大环形基坑的支护设计；梁志荣等[4]研究了承压水条件下的基坑支护结构优化方法；曹程明等[5]分析了基坑支护后的沉降变形规律；李煜峰等[6]探讨了支护措施对软土结构的稳定影响。上述研究的成果为工程实际积累了经验，但限于基坑所处环境条件的差异性，仍可结合具体工程实际开展相应研究，因此，该文以复杂环境条件下的基坑为实例背景，先开展其支护方案设计，并在此基础上，结合变形监测成果，通过变形预测来评价其支护效果，以期为现场施工积累经验。

1 工程概况

1.1 工程基本信息

拟建基坑为商业建筑基坑，其平面近似呈“正方形”特征，但其东北侧缺失，如图1所示。基坑横、纵长度相当，长度近似约210m，因此，该基坑用地面积约36000m2。

图1 基坑平面形态特征

在该建筑设计过程中，拟建上部建筑层数为26层，其下地下室设计3层，基坑开挖深度约12.6m，开挖方量约45.36×104m3，具超大深基坑特征。

在基坑周边近接环境中，近接剖面特征如图2所示，基坑北侧局部近接既有道路，其宽度为26.5m，已运行2～3年。东北侧近接既有道路及既有建筑，其中，道路特征与北侧道路一致；建筑已建设8年，为居民住宅楼，上部层数为7层，未设地下室，基础采用桩基础，桩长14.7m～17.5m。南侧近接既有建筑和既有道路，其中，既有建筑与基坑更为相近，其上部层数为3层，未设地下室，采用天然独立基础；既有道路特征也与北侧道路特征一致。西侧近接既有建筑，其性质也是居民楼，上部层数为12层，下部未设地下室，基础也为桩基础，桩长15.2m～18.4m。

图2 基坑近接剖面特征

总体来说，该基坑周边既有建筑较为复杂，开展其支护设计及变形监测分析就显得格外重要，侧面验证了该文研究思路的必要性。

1.2 工程地质条件

结合基坑勘察成果，基坑区为冲积平原地貌，地面高程范围为127.62～130.03m，高差约2.41m，整体较为平坦，为后续基坑开挖施工提供了良好作业条件。

工程区附近未见大型地质构造，但地质条件相对较差，地层类型由上至下主要为填土层、粉质黏土层、砂层、卵石层。根据区内水文地质条件，未见明显地表水体，主要是在雨季于洼地形成。地下水多为上层滞水、潜水，其中，上层滞水未见统一水面，主要接受大气降雨补给；潜水具统一水面，且水面相较稳定。

基坑区地质条件相对也较为不利，尤其粉质黏土层是基坑开挖范围内的主要地层，充分说明开展基坑支护设计的重要性。

2 基坑支护设计

2.1 基坑安全等级

结合基坑设计特征及近接环境，其施工过程一旦失稳，将会造成很严重的后果，所以基坑安全等级为一级。

2.2 支护方案设计

考虑到基坑周边近接建筑物较为复杂，其对变形敏感性较高，因此，基坑支护形式设计采用“双排桩+两道锚索”。①双排支护桩：前排桩直径为1.2m，横向间距为2m；后排桩直径为0.8m，横向间距设计为2.5m。两排桩中心距设计为2.8m，其设计嵌岩深度大于1.5m，桩长22.5～26.5m，且为保证桩身完整性，在桩顶施做1.0m×0.8m的钢筋混凝土冠梁，梁身混凝土等级为C30。②两道锚索：第一道锚索位于桩顶冠梁处，第二道锚索是在其下3.0m处，且锚索设计长度为25m，直径为140mm，入射角度为13.5°。

2.3 支护计算分析

为保证基坑支护设计的合理性，对基坑支护结构进行分析和计算，且结合工程经验，计算内容包括内力计算、稳定性计算和抗隆起计算。

2.3.1 内力计算结果

在支护结构内力计算过程中，重点是计算桩弯矩M及剪力Q，其与配筋间的关系如公式（1）、公式（2）所示。

式中：a、at为面积比特征参数；A为桩面积（mm2）；As为钢筋面积（mm2）；fy为钢筋设计值（N/mm2）；fc桩身混凝土强度（N/mm2）；rs钢筋半径（mm）；r桩半径（mm）。

其后，再采用弹性支点法计算桩身内力，计算结果如下：坑内最大弯矩为374.92kN·m，坑外最大弯矩为358.66kN·m，最大剪力为214.05kN。

通过前述内力及配筋计算，单桩设计纵向钢筋为28根钢筋，直径为25mm，钢筋等级为HRB400级，并以此配筋计算坑内、外的弯矩设计值为457.92kN·m，满足要求；桩采用螺旋箍，直径设计为14mm，钢筋等级为HRB300级，并以其配筋计算得到剪力设计值为264.75kN，满足要求。

2.3.2 稳定性计算结果

在基坑支护结构稳定性计算结果中，为充分评价随施工阶段的稳定性变化特征，因此，结合支护结构施工流程，将施工工况划分为3个工况：工况1，当施做完第一道锚索后；工况2，当施做完第二道锚索后；工况3，当施工至坑定后。

一般来说，基坑稳定性计算方法为圆弧滑动条分法，计算如公式（3）所示。

式中：Ks为稳定系数；Ma为滑动力矩；Mp为抗滑力矩通过计算，得到3个工况的计算结果如下。

工况1：Ks1=17283.28/1276.91=13.54≥1.35，满足规范要求。

工况2：Ks2=16829.11/1276.91=13.18≥1.35，满足规范要求。

工况3：Ks3=13290.72/1276.91=10.41≥1.35，满足规范要求。

根据计算结果，3个工况条件下的稳定系数均大于规范规定的1.35，因此，在此支护结构设计基础上，不论何种工况条件，其对应稳定系数均满足规范要求。

2.3.3 抗隆起计算结果

为保证基坑支护稳定性评价结果的全面性，再进一步对其抗隆起稳定性进行计算，如公式（4）所示。

式中：KL为抗隆起的稳定系数；D为桩嵌入深度；r1、r2为坑外、内土重度；Nq、Nc为地基系数；q为超载。

据抗隆起计算结果，其抗隆起的稳定系数值为16.05，大于1.8（规范规定的），所以，在此支护结构设计基础上，抗隆起满足规范要求。

据内力计算、稳定性计算和抗隆起计算，不论何方面计算结果均满足规范要求，充分验证了基坑支护措施的合理性。

3 基坑变形监测分析

3.1 构建分析方法

受基坑施工影响，基坑变形具有显著的非线性特征，且据广义神经网络（General Regression Neural Network，GRNN）具有极强的非线性预测能力，因此，可以其构建基坑变形预测模型。

根据GRNN原理，其网络拓扑结构比以往神经网络多了一层，主要包括输入层、隐层、求和层和输出层，并结合各文献原理，将各层的基本性质进行阐述。

3.1.1 输入层

此层是将基坑变形数据进行转换，将转换后的信息输入至GRNN中。

3.1.2 隐层

此层与输入层信息间具有对应关系，并通过激励函数进行信息转换，且结合工程经验，将激励函数类型确定为高斯函数，其计算如公式（5）所示。

式中：hi为此层输出值；wi为训练向量；m为输入信息；S为光滑参数。

3.1.3 求和层

此层维度比其后的输出层多一个，且其训练过程主要靠求和变化参量Gj和求和参数A：如公式（6）、公式（7）所示。

式中：q为隐层数；kij为训练向量。

3.1.4 输出层

此层主要功能是将最后的训练结果输出，如公式（8）所示。

式中：zj为基坑变形预测结果。

综上所述，利用GRNN实现基坑变形预测，且若其预测结果得出基坑后续变形趋于稳定，那么就认为基坑支护措施是合理有效的；反之，说明支护措施相对欠缺。

3.2 结果分析

为了保证基坑周边既有建筑的稳定性，其水平位移控制显得格外重要，因此，在基坑支护结构周边共计布设了12个水平位移监测点。按照一天一次的原则，得到31期后12个监测点的水平位移累计值如下。

S1监测点：17.64mm S2监测点：21.66mm

S3监测点：16.82mm S4监测点：18.18mm

S5监测点：15.22mm S6监测点：14.82mm

S7监测点：13.27mm S8监测点：14.03mm

S9监测点：15.38mm S10监测点：16.36mm

S11监测点：19.44mm S12监测点：14.98mm

根据12个监测点的水平位移累计值，得出个监测点的累计变形值均在可控范围内，初步验证了基坑支护结构对其水平位移具有较好的控制作用。

为便于后续分析，提出以S2监测点、S4监测点和S11监测点为例，进行详细变形预测分析。先统计得到此3个监测点的变形数据见表1。

表1 3个监测点的变形数据

根据表1，3个监测点的变形虽随时间具增加趋势，但其增加速率相对较小。在后续变形预测过程中，以后5期数据作为验证集，且预测值以Y符号代替，并以相对误差R为预测精度评价指标。经统计，得到3个监测点的预测结果见表2。根据表2，在3个监测点预测结果中，S2监测点R值的均值为2.07%，S4监测点R值的均值为2.01%和S11监测点R值的均值为2.12%，3者的预测精度相当，均具较优的预测效果，充分验证了GRNN在基坑变形预测中的适用性。

表2 3个监测点的预测结果

由32—35期的预测结果可知，3个监测点的水平位移后续还会具小速率增加特征，充分验证了第2节基坑支护设计措施能有效限制基坑水平位移，说明其措施是合理有效的。

4 结论

通过基于复杂环境的深基坑设计与变形监测分析，主要得出如下2点结论：1）结合基坑设计特征及近接环境，其施工过程一旦失稳，将会造成很严重的后果，因此，基坑支护形式设计采用“双排桩+两道锚索”，并经内力计算、稳定性计算和抗隆起计算，计算结果均满足规范要求。2）通过变形预测，得出GRNN在基坑变形预测中具有较优的适用性，并由预测结果可知，3个监测点的水平位移后续还会具小速率增加特征，充分验证了坑支护设计措施能有效限制基坑水平位移，说明其措施是合理有效的。