基坑工程支护设计优化分析

基坑工程支护设计优化分析

摘要本文总结了基坑工程的特点及当前基坑工程支护结构设计方法的

不足，阐述了基坑工程信息化施工的基本原理，提出了一套基于现代数值分

析工具、系统工程理论和信息化施工的基坑工程支护设“优化分析的完整思

路。

关键词基坑工程，信息化施工，系统工程，概念设计，数值模拟分析，支

护设计优化，动态设计

AbstractThispapersummarizestheexcavations'characteristicsandthe

defectsinthedesigningmethodsofthesupportstructureoftheexcavations,

introducesthebasicprincipleofthedataconstructionoftheexcavations,and

proposesapreferableanalysisanddesignmethodofsupportstructureof

excavations,whichisonbaseofthemodernnumericalanalysistools,the

theroryofsystematicengineering,andthedataconstruction.

KeywordsExcavationengineering,dataconstruction,systematicengineering,

conceptiondesign,numericalmodelinganalysis,optimizingdesignofsupport

structure,dynamicdesign

一、引言

基坑工程的特点正向大深度、大面积方向发展，并经常在密集的建筑群

施工，场地狭窄，邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施，不能放

坡，对基坑稳定和位移控制的要求很严；基坑工程造价较高，但又是临时性

工程，业主一般不愿投入较多资金；基坑工程是与众多因素相关的综合技术，

如场地勘察、基坑设计、基坑施工、基坑监测、现场管理、相邻场地施工的

相互影响等等；基坑设计和施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程

要求、气候变化、地下水状态、施工程序和方法等许多复杂问题，是理论上

尚待发展的综合技术学科⑴。基坑工程的特点决定了基坑工程支护设计方法

和方案，必须采用科学的程序和科学的方法，这样才能使基坑工程的稳定和安

全得到保障。

唐业清曾对全国103项基坑工程事故进行了细致的调查分析⑴，统计出

事故发生的原因，因设计不当引发的事故占45%；因施工不当引发的事故占

33%；因地下水处理不当引起的事故占22%。因此，采用合理的基坑支护设

il11算方法，优化基坑支护设计方案是减少基坑工程事故的重要手段之一。

现行的基坑工程支护结构设计主要是基于极限状态方法按照应力计算

来进行的，即所谓的强度控制法；但我们所能看到的是位移、场地环境对基

坑系统变形有严格要求，因而须采用所谓的“变形控制法”。现行大多数基

坑工程支护结构设计采用了数值方法，认为土体服从弹塑性或粘弹、粘弹塑

力学本构模型，围护结构服从弹性模型，并依此来进行围护墙体或桩体及支

撑的设计。事实上这只能说是一种基坑开挖前的初始设计；因为在基坑系统

开挖或支撑施工、拆除及地下室施工中，整个基坑系统所处的力学性态模型

在不断变化，尤其是周围土体。因此根据假设的模型所设计的围护结构可能

发生问题，要么是设计偏于保守，要么就是不能满足基坑系统的稳定。支护

设计的关键⑵是正确分析支护结构在不同工况时的受力状态与变形情况。首

先必须正确地估计作用在支护结构上的侧压力才有可能作结构内力分析，但

侧压力的大小不是固定不变的，荷载引起结构变形，而支护结构又使侧压力

的大小与分布发生变化，这种相互作用的机理在现行的设计方法中无法加以

考虑。

为确保基坑工程，特别是深大基坑系统工程的施工及周围建筑和地下管

线的安全、可靠，保证基坑在开挖中及后期地下室结构施工阶段的整体稳定，

需不断地对基坑系统的外观表征进行现场监测，并以监测的数据反馈设计和

施工，对初始设计的模型和图纸进行修改、更新和完善。这也正是本文研究

和分析的核心内容。

二、基坑支护工程信息化施工⑸

1.信息化施工概念

60年代以来，一些发达国家在推行新奥法于隧道设计施工的基础上，通

过对施工开挖和支护过程中支撑系统及岩土体的位移、应力、孔隙压力等的

量测，并据此作反演分析，用来监控岩土体和支护的动态及其安全，并根据

及时获得的信息进一步修正和完善原设计，指导下阶段施工。这种融施工、

监测和设计于一体的施工方法即称为信息化施工，又称施工监控。

基坑工程信息化施工就是根据基坑工程施工过程中及时量测所得的信

息，由己编就的现成软件进行理论解析或数值分析（包括岩性和岩土参数的

非线性反演，然后作正演），再结合工程地质和岩土体结构作出综合判断，

确定修改后的基坑支护参数和施工对策。

2.基坑工程信息化施工的内容

信息化施工包括三个方面的内容：现场监测、数据分析和处理、信息反

馈。

现场监测是获得输入信息的基础和手段，内容包括：制定量测方案，确

定测试内容，选择测试手段及实施监测计划等C

数据分析和处理是对第一手量测所得到的初始数据进行数据处理，如剔

除一些量测误差，绘制量测曲线，对量测曲线进行数学拟合。以及拟合检验

后对分析结果的评价。

信息反馈是指对原设计通过计算分析加以验证，在了解该支护参数情况

下，由力学分析得到的位移和应力是否和实测数据相符合，两者的差距有多

大，是否满足结构及工程岩土体安全稳定的判据标准。从而决定是否制定新

的支护参数，或者是否要调整施工方案等等，以指导下一阶段的施工。

信息化施工十分强调信息反馈，所以不仅要注意计算过程反演和正演程

序的编制，对于计算数据的采集和处理以及计算网格的自动划分等前处理工

作，还有对计算结果的后处理（基坑位移、岩土体屈服区、开挖后岩土体应

力场以图形方式和屏幕方式给出）的程序编制工作也要加强。

三、基坑支护设计优化分析

1.基坑工程是一个系统工程

近年来各地在基坑开挖和支护技术方面积累了丰富的经验，也有不少教

训。当前迫切需要解次的问题是，如何以比较低的经济代价，在比较短的时

间内实现安全的基坑开挖。

基坑工程是一个系统工程，涉及工程地质与水文地质、工程力学与工程

结构、土力学与基础工程，还涉及工程施工与工程管理.，是融多种学科知识

于一体的综合性科学。基坑开挖与支护是由若干具有独立功能的体系和部分

组成的整体。无论是设计还是施工，均应从这个整体的系统出发，只有系统

各部分的协调，才能构或良好的整体。就某一具体的基坑工程而言，既要注

意土的性质和土层结构，又要考虑场地的地下水条件；既要合理估算作用在

支护结构上的土压力，又要分析土中渗流的影向。基坑挖土的方式和顺序与

基坑安全开挖直接有关；基坑开挖深度在基坑工程中起到了主要作用，而基

坑四周的环境对支护方案的确立具有制约作用C因此，在确定基坑支护方案

时，要求整个系统的整体最优；但系统的最优化并不要求所有部分均达到最

佳的特征，却要求各部分的状态在系统协调下达到总体的效益最优。

2.基坑支护优化设计模型

⑴基坑工程的概念设计

基坑工程涉及到组织、策略、管理等因素，所研究的一些基本关系往往

难以用单一的构件或单元体来代表，也不是用单纯的数学公式来表达的。这

就要求岩土工程师以•种新的设计思想来适应基坑工程这•特殊岩土工程

的设计；这一新的设计思想只能着重于概念的表达，而不是着重于各个具体

的公式，这就是所谓概念设计。对基坑工程各部分进行调查、分析，统筹兼

顾，合理处理各组成部分的关系，综合求得问题的总体最优状态。当然，对

于组成整体的各个部分的分析计算是必不可少的。

⑵基坑支护优化设计思路

作为一个系统工程，基坑工程设计与施工过程中，必须运用系统工程思

想，全面考察和分析各种可能因素的影响，主要有：

①开挖前，基坑支护墙体施工前后、基坑坑内外降水前后以及基坑工

程地基处理前后，基坑内及周围土体应力状态及力学性状的变化；

②开挖过程中，可能有的基坑周边大面积或局部建筑材料堆以及施工

机械等荷载对基坑系统应力场、位移场的影响；

③开挖过程中，偶然的天气骤变（主要是突然连续大量降雨使基坑长

时间暴露以及地面水与地下水对基坑土体与支护系统的共同作用）

对基坑土体应力状态及力学性状的影响；

④开挖过程中，支撑刚度、支撑预应力大小及其安装时间对基坑位移

的影响；

⑤不同施工工艺及施工进度对基坑应力场、位移场的影响；

©时空效应对基坑工程支护结构内力及位移的影响；

⑦开挖结束后，底板及基础施工进度对基坑位移的影响；

只有充分考虑上述诸多影响因素才不致在基坑工程设计与施工过程中，

犯盲目照搬规范和别人异地的成功经验，甚至主观上不顾后果的蛮干，从而

导致由于设计上的不当而造成的基坑工程事故C

很显然，任何一个岩土工程师如果有丰富的实践经验，肯定是一笔宝贵

的财富。在基坑工程设计理论和方法都不十分成熟的当前情况下，丰富的实

践经验将帮助岩土工程师解决工程设计与施工中许多问题。但是，强调经验

重要性的同时，也不能忽视非线性有限元专家几十年来取得的研究成果。我

们可以借助非线性有限元仿真模拟理论来解决上述问题。有限元数值模拟最

大的特点就是能够“虚拟现实”。通过功能强大的有限元仿真分析软件，可

以比较准确的模拟上述诸多影响因素对基坑支护系统的独立作用及藕合作

用，为设计人员提供各种有益的设计计算参考数据。因此，非线性数值模拟

方法是基坑工程设计优化的强有力手段。同时，引入隧道工程中已十分成熟

的信息化施工方法，跟琮监测基坑工程施工各阶段系统位移、应力、支撑轴

力等；根据这些反馈信息运用工程经验并结合有限元反演技术，提出修正设

计参数，预测下一阶段系统位移应力的变化，并提出相应的对策。

因此，基坑支护设计优化过程贯穿于基坑工程设计与施工的全部过程，

建立在综合运用工程经验、有限元数值模拟以及信息化施工等工具的基础

上；优化设计实质是一种动态设计。

⑶基坑支护优化设计模型

基于数值模拟、信息化施工的优化设计模型并不局限于工程造价的详细

论证分析，同样注重工程安全及环境影响的详细论证分析，在安全和环境影

响都得到保证的基础上寻求最低工程造价。因此这里所讨论的“优化”是广

义的工程优化，是综合效益指标的优化，并非单一的工程造价，抑或只注重

安全和环境影响指标的铜墙铁壁式的“无价”工程。

下面给出基坑支护设计优化模型分析流程图。

开始

多种设计方案优选

初

始

设

计初始安全、环境、埼价分析论证

阶

段

初始设计模型

进入施工阶段

优

化

设

下

计

一

阶

阶

段

段

施

工

否

施工完毕？

结束

图1基坑支护设计优化模型分析流程图

四、结语

1.基坑工程复杂的场地