随地铁深基坑施工的进行,为确保施工安全,都采取降水措施,深基坑侧面土体由于失水而导致其物理力学性状不可避免的发生变化,因此基坑侧面土体的m值也是不断变化的。利用现场监测的深基坑支护结构变形信息资料,结合参数优化反分析土体m值,根据现场地质资料和优化后的参数通过有限元计算对深基坑支护系统进行变形预测,及时调整开挖方案和支护参数,此方法可以有效地指导基坑施工,使得基坑围护结构的变形始终处于可控制状态,以确保施工安全。

1 引言

以变形大小作为控制手段的深基坑动态设计方法正受到人们的普遍重视,因为支护结构的变形是基坑开挖过程中支护结构与土相互作用的直观反映,又是支护设计应用于现场实际,与现场地质和施工情况的相互作用的具体反映,如果能根据支护周围土体参数和支护结构的相关参数事先预测支护结构的变形量,将最不利情况的预测值作为控制支护结构变形的警戒值,将对保证基坑安全施工具有重要的意义。

利用深基坑支护开挖过程中所获工况的监测信息,采用优化反分析来反演土体及支护结构力学参数,然后通过有限元计算预测下一工况的桩墙变形量、内力及支撑力,把计算值作为支护结构的控制值,通过根据现场实际调整施工方案和支护参数,随着施工的进行,继续采集下一施工阶段的相应信息,进行参数反演,计算预测下一工况的桩墙变形量等,如此反复循环,提高预测值精确度。

2 预测原理

预测原理实际上是先做反分析,然后再做正分析,即以每一工况位移监测信息为基础,选择适当的土体力学模型及相应的边界条件,然后建立目标函数,利用优化方法来搜索与实测值逼近的土体参数及支护结构力学参数,然后把这里参数用于下一步工况的计算参数,再对支护体系变形进行预测,结合监测对支护体系变形进行控制。

2.1 建立目标函数

以基坑开挖的每一工况监测信息为基础的反分析方法目标函数一般为:

式中uci(x)为支护结构上测点i的水平位移的计算值,uti为支护结构上测点i的水平位移的实测值;x表示土体的m值、支撑刚度系数、桩墙刚度等;n为测点总数。

2.2 桩体任意处位移计算

支护结构的位移计算采用弹性地基梁有限元法,计算的最终结果是单元节点处的内力及变形,而实测点的位置可能不在节点处,为了反映施工过程的动态响应,以及目标函数值的求解,需要给出监测点任意位置设置和任意施工阶段的监测信息增量,则任一单元上测点i的水平位移uci可用线性插值法求得,计算公式为:

式中,x1,x2分别为测点i所在单元两端点的坐标;uc1,uc2分别为i点所在单元两端点的水平位移计算值;uci为测点i的水平位移;xi为测点i的坐标(坐标原点为桩墙顶点)。

2.3 监测数据采集

现场测量桩体倾斜的测斜仪按0.5m点距由下往上逐点进行读数,即将测斜管分成了n个测段(见图1),每个测段的长度li=500mm,在某一深度位置上所测得的两对导轮(li)之间的倾角θi,通过计算可得到这一区段的变位△i。

计算公式为:Δi=liｓinθi(3)

某一深度的水平变位值δi可通过区段变位△i的累计得出,即:

计算时假定管底作为基准点,由下而上累计计算某一深度的变位值δi,直至管顶,然后再根据测得的该点桩顶位移对水平变位值进行修正。但是不论基准点设在管顶或管底,计算变位值δi总以向基坑侧变位为正,反之为负。将在围护结构中同一测斜管的不同深度处所测得的变位值δi,点在坐标纸上连接起来,便可绘制出桩体的水平变位(H～δi)曲线。

2.4 数据优化处理

(1)现场监测的数据常常由于测量仪器、操作人员、施工状态或测点受到干扰破坏等各种情况而引起监测点数不够理想、不够充足,常求助于拉格朗日插值或样条函数插值的方法进行数据处理。

(2)由于环境及人为读数引起的误差在实际监测过程中无法避免,为了消除这种误差对反分析结果的精度影响,必须对监测数据进行平滑处理,具体过程见参考文献[3]

3 工程应用

天津地铁营口道车站3号线基坑埋深14.753m,采用钢筋混凝土钻孔灌注桩外加水泥搅拌桩止水帷幕的围护型式,灌注桩规格为Φ1000@1200,桩长25.6m,基坑在压顶梁中心高度位置及往下3.75m、6.75m和11.15m处共设四道Φ600×14mm的钢管横支撑,土的物理性质如表1所示。

该工程地处繁华市区,周围分布有重要建筑及电缆、煤气管和水管等多根管线。挖土和施工步骤如图2所示:工况1为开挖-3.0m处,工况2为在-0.5m处架设第一道支撑,工况3开挖到-6.8m处,工况4为在-3.75m处架设第二道支撑,工况5为开挖到-10.7m处,工况6为在-6.75m处架设第三道支撑,工况7为开挖到坑底-14.75m处,工况8为在-11.15m处建设第四道支撑。本文限于篇幅,只介绍工况3、工况6与工况8预测曲线与实测曲线进行对比说明。

基坑开挖时对变形预测的方法为以工况3的监测信息为基础,反演土体参数m值。根据反演出的参数来预测工况6的墙体变形量。又以同样的方法,依据工况6的监测信息,反演土体参数m值,据此预测工况8的墙体变形量。反演确定的参数值如表2。

工况3与工况6的实测与预测曲线对比见图3。工况8的预测与实测曲线见图4。

说明1:图中3-1为按照设计规范和经验值预测变形曲线,3-2为现场监测实际测量变形曲线,3-3为反分析之后参数优化之后的变形曲线, 6-1为工况6预测变形曲线。

说明2:如图4,其中6-1为工况3时预测曲线,6-2为实测变形曲线,8-1为预测曲线,8-2为实测曲线。

由图3和图4可见,根据监测资料进行反演之后的预报误差由工况3利用经验值预测与实测的最大误差3.75mm,降低到工况6的预测最大误差为3.1mm,随着利用现场监测资料的进一步反演、优化参数,工况8的预测误差为2.2mm,预测变形曲线也越来越与实测变形曲线相拟和。土体的地基反力比例系数m值是随开挖过程而不断变化的,应用反演方法可以较准确的反演不同工况下的m值,同时能以上一工况的开挖信息,较准确的预测下一步工况的桩体变形,而且预测的曲线拟和程度很好,预测的精度大大增加。

4 结论

(1)基坑开挖维护结构变形预测方法在天津地铁深基坑的施工应用中是比较准确的,是成功的。

(2)经过维护结构参数反演和优化,能够准确预测维护结构的最大变形,预测值可以作为警戒值指导施工。

(3)参数优化反分析技术,根据现场监测信息资料,可以较准确的反演各工况下与实际相符的土体参数及支护结构力学参数,通过上一工况的优化反演参数值对下一工况不仅可以作出较准确的变形预测,而且变形预测曲线与实测曲线也拟和得很好。

(4)在基坑开挖过程中,土体参数随开挖过程而不断变化,通过实验及经验确定的土体参数及支护结构力学参数,具有较大的随机性,因此依据初始取值来预测墙体侧向位移是不够精确的。