某工程深基坑支護(hù)方案優(yōu)化

黃 偉

(杭州市蕭山區(qū)建設(shè)工程安全監(jiān)督站，浙江杭州310052)

深基坑支護(hù)設(shè)計(jì)與施工是一項(xiàng)系統(tǒng)工程，它的實(shí)施涉及到結(jié)構(gòu)力學(xué)、土力學(xué)、地基基礎(chǔ)、地基處理、原位測(cè)試等多種學(xué)科知識(shí)，同時(shí)要有豐富的施工經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合擬建現(xiàn)場(chǎng)的地質(zhì)和周圍環(huán)境情況，才能因地制宜地制定出合理的支護(hù)設(shè)計(jì)方案和施工方案［1、2］。深基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是個(gè)復(fù)雜的問(wèn)題，涉及到的設(shè)計(jì)參數(shù)比較多，目標(biāo)函數(shù)與設(shè)計(jì)參數(shù)之間的關(guān)系是復(fù)雜的非線性關(guān)系，并且是一個(gè)多極值問(wèn)題，采用傳統(tǒng)的優(yōu)化技術(shù)(如梯度法)很難解決，為此很多學(xué)者改變思維方式，將神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、微粒群算法等智能計(jì)算技術(shù)應(yīng)用到基坑支護(hù)優(yōu)化設(shè)計(jì)中，取得了一定效果，但此類優(yōu)化僅限于對(duì)同一支護(hù)方案的優(yōu)化。本文以杭州銀泰購(gòu)物廣場(chǎng)的深基坑工程的支護(hù)為例，通過(guò)對(duì)兩種不同的支護(hù)方案的優(yōu)化和比較，在保證基坑支護(hù)安全系數(shù)的同時(shí)，可選擇支護(hù)費(fèi)用最低的支護(hù)方案，從而取得更高的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

1 工程概況

本工程位于杭州城西地區(qū)，基坑北側(cè)為萍水路，南側(cè)為待建之富強(qiáng)路及阮家橋港河道支流，東側(cè)為塘中路，西側(cè)為豐潭路。該綜合商業(yè)中心項(xiàng)目位于城西核心地帶，項(xiàng)目發(fā)展將形成城西乃至杭州的一個(gè)新地標(biāo)，對(duì)區(qū)域服務(wù)和完善城市規(guī)劃有著極其重要的作用。該工程占地面積6.5×104m2，總建筑面積為 39.6 ×104m2，其中，地上 24.5 ×104m2，地下15.1×104m2，人防面積3.52×104m2，地下室共三層，底板面標(biāo)高分別為－15.5 m、－11.6 m、－7 m，功能包括地下一層商業(yè)步行街、自行車庫(kù)、卸貨區(qū)、機(jī)動(dòng)車停車庫(kù)及人防工程。該工程是集大型購(gòu)物中心、休閑運(yùn)動(dòng)設(shè)施、延伸教育服務(wù)、辦公、星級(jí)商務(wù)精品酒店一體之大型城市建筑綜合體。

2 基坑支護(hù)方案

2.1 支護(hù)方案一施工流程

支護(hù)方案一具體施工工序如下:先拆除富強(qiáng)商業(yè)廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)至地下一層樓板，保留地下室外墻，同時(shí)施工坑外主動(dòng)區(qū)加固體(圖1)。在原富強(qiáng)商業(yè)廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)地下一層底板上開槽，施工雙排樁(灌注樁)，采用咬合樁機(jī)全套管輔助處理清除土釘障礙物后施工圍護(hù)樁。底板上開槽應(yīng)分段間隔交替進(jìn)行，每段長(zhǎng)度約18 m。每段圍護(hù)樁施工完畢后馬上進(jìn)行該段壓頂梁施工，并以混凝土填實(shí)壓頂梁與周邊底板間縫隙，然后施工雙排樁間旋噴樁。圍護(hù)樁及壓頂梁達(dá)到80%強(qiáng)度后，拆除中間地下一層樓板，施工工程樁。原富強(qiáng)商業(yè)廣場(chǎng)范圍內(nèi)工程樁、圍護(hù)樁及壓頂梁均施工完畢并達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除基坑范圍內(nèi)原富強(qiáng)商業(yè)廣場(chǎng)地下一層底板及墻板，開挖至第一道支撐底標(biāo)高，施工第一道支撐及圍檁。同時(shí)回填保留的地下室外墻外土方，施工排水溝，形成施工場(chǎng)地。待第一道支撐及圍檁施工完畢并達(dá)到一定強(qiáng)度后，開挖至第二道支撐底標(biāo)高，施工第二道支撐及圍檁。待第二道支撐及圍檁施工完畢并達(dá)到一定強(qiáng)度后，開挖至坑底，施工基礎(chǔ)底板及傳力帶，以及地下二層樓板及傳力帶。待基礎(chǔ)底板及傳力帶達(dá)到一定強(qiáng)度，拆除第二道支撐，施工地下二層、地下一層樓板及傳力帶。待地下一層樓板及傳力帶達(dá)到一定強(qiáng)度，拆除第一道支撐。

圖1 支護(hù)方案一示意

2.2 支護(hù)方案二施工流程

支護(hù)方案二具體施工工序如下:先拆除富強(qiáng)商業(yè)廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)至地下一層樓板，保留地下室外墻，同時(shí)施工坑外主動(dòng)區(qū)加固體(圖2)。在原富強(qiáng)商業(yè)廣場(chǎng)結(jié)構(gòu)地下一層底板上開槽，施工雙排樁(灌注樁)，采用咬合樁機(jī)全套管輔助處理清除土釘障礙物后施工圍護(hù)樁。底板上開槽應(yīng)分段間隔交替進(jìn)行，每段長(zhǎng)度約18 m。每段圍護(hù)樁施工完畢后馬上進(jìn)行該段壓頂梁施工，并以混凝土填實(shí)壓頂梁與周邊底板間縫隙，然后施工雙排樁間旋噴樁。圍護(hù)樁及壓頂梁達(dá)到80%強(qiáng)度后，拆除中間地下一層樓板，施工工程樁。原富強(qiáng)商業(yè)廣場(chǎng)范圍內(nèi)工程樁、圍護(hù)樁及壓頂梁均施工完畢并達(dá)到一定強(qiáng)度后，拆除基坑范圍內(nèi)原富強(qiáng)商業(yè)廣場(chǎng)地下一層底板及墻板，逐級(jí)放坡至基礎(chǔ)承臺(tái)底標(biāo)高，并在坡面噴射60厚C15混凝土護(hù)面，內(nèi)配Φ6.5@300×300 mm鋼筋網(wǎng)片，同時(shí)回填保留的地下室外墻外土方，施工排水溝，形成施工場(chǎng)地。待邊坡護(hù)面達(dá)到一定強(qiáng)度后，開始施工坡底以外部分主體結(jié)構(gòu)地下三層及地下二層，并留置好后澆帶。待主體結(jié)構(gòu)達(dá)到一定強(qiáng)度后，施工基坑內(nèi)周邊放坡部位地下一層處支撐及圍檁。待地下一層處支撐及圍檁達(dá)到一定強(qiáng)度后，開挖基坑內(nèi)周邊放坡部位至地下二層支撐底標(biāo)高，施工地下二層處支撐及圍檁。待地下二層處支撐及圍檁達(dá)到一定強(qiáng)度后，開挖至坑底，施工基礎(chǔ)底板及傳力帶，以及地下二層樓板及傳力帶。待基礎(chǔ)底板、地下二層樓板及傳力帶達(dá)到一定強(qiáng)度，拆除地下二層處支撐，施工地下一層處樓板及傳力帶。待地下一層樓板及傳力帶達(dá)到一定強(qiáng)度，拆除地下一層處支撐。

圖2 支護(hù)方案二示意圖

3 方案優(yōu)化和比較

基坑支護(hù)優(yōu)化就是在保證基坑和周圍環(huán)境的安全和正常使用的前提下，通過(guò)合理選擇支護(hù)參數(shù)，達(dá)到最經(jīng)濟(jì)的目的?；臃€(wěn)定性與支護(hù)參數(shù)之間存在密切的關(guān)系，在滿足穩(wěn)定性的前提下，必定存在一組支護(hù)參數(shù)，使工程造價(jià)最低，優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的就是尋找這一組支護(hù)參數(shù)。針對(duì)基坑穩(wěn)定性與支護(hù)參數(shù)之間存在復(fù)雜的非線性映射關(guān)系，由于支持向量機(jī)算對(duì)于處理高維、非線性問(wèn)題具有很好的適應(yīng)性，通過(guò)用支持向量表示支護(hù)參數(shù)與安全系數(shù)之間的映射關(guān)系，還可以避免優(yōu)化過(guò)程中反復(fù)調(diào)用安全系數(shù)計(jì)算程序，提高了計(jì)算效率。所以我們采用支持向量來(lái)表示基坑的安全系數(shù)與支護(hù)參數(shù)之間的復(fù)雜非線性映射關(guān)系，即基坑安全系數(shù)與支護(hù)參數(shù)之間的非線性關(guān)系可以用支持向量 S(x1，x2，…，xn)來(lái)描述:

式中，X=(x1，x2，…，xn)是基坑支護(hù)參數(shù)，它們因支護(hù)方式而對(duì)應(yīng)不同的參數(shù)，如排樁支護(hù)就是樁的長(zhǎng)度、直徑、間距等;y是基坑安全系數(shù)。首先，通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)構(gòu)造一定數(shù)量的支護(hù)參數(shù)組合，然后計(jì)算每一種支護(hù)參數(shù)組合下對(duì)應(yīng)的基坑安全系數(shù)，從而構(gòu)造出一定規(guī)模的學(xué)習(xí)樣本;然后，根據(jù)支持向量機(jī)算法，通過(guò)一定的優(yōu)化技術(shù)求解支持向量機(jī)算法中的二次優(yōu)化問(wèn)題，獲得向量支持，實(shí)現(xiàn)基坑安全系數(shù)與支護(hù)參數(shù)之間復(fù)雜非線性關(guān)系的表示;對(duì)于支持向量機(jī)算法的具體描述和實(shí)現(xiàn)，限于篇幅請(qǐng)參考其他文獻(xiàn)。

基坑支護(hù)優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)就涉及到基坑的安全系數(shù)和支護(hù)費(fèi)用兩個(gè)目標(biāo)函數(shù)，其中，安全系數(shù)越大越安全，當(dāng)然對(duì)應(yīng)的支護(hù)費(fèi)用就會(huì)相應(yīng)增大看，優(yōu)化的目的就是尋找兩者之間的平衡。通常對(duì)于安全系數(shù)，基坑支護(hù)規(guī)范中有明確規(guī)定，所以我們以支護(hù)費(fèi)用作為目標(biāo)函數(shù)，以安全系數(shù)作為一個(gè)約束條件，這樣比較合理;因?yàn)橘M(fèi)用涉及到材料的價(jià)格，而價(jià)格隨市場(chǎng)情況變化，因此我們以材料量作為目標(biāo)函數(shù)。這樣基坑支護(hù)參數(shù)問(wèn)題變?yōu)閮?yōu)化問(wèn)題，即

基坑支護(hù)優(yōu)化問(wèn)題就是求解上面的約束優(yōu)化問(wèn)題，其中:X為一組支護(hù)參數(shù);W(X)為該支護(hù)參數(shù)下對(duì)應(yīng)的支護(hù)材料量;F(X)為該支護(hù)參數(shù)下對(duì)應(yīng)的基坑安全系數(shù);Fs為保證基坑安全需要的基坑安全系數(shù)，通常與具體工程有關(guān)，可參照規(guī)范給出。對(duì)于上面的約束優(yōu)化問(wèn)題，可以采用懲罰函數(shù)法轉(zhuǎn)化為無(wú)約束優(yōu)化問(wèn)題，即

其中，M是一個(gè)大于1的數(shù)，可以根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行調(diào)整。

假定各樁的長(zhǎng)度、直徑相等，排樁之間的間距是均勻的，這樣待優(yōu)化的支護(hù)參數(shù)就是樁長(zhǎng)、樁徑以及排樁間距。采用上述方法，構(gòu)造學(xué)習(xí)樣本，通過(guò)支持向量機(jī)學(xué)習(xí)建立待優(yōu)化參數(shù)(樁長(zhǎng)、樁徑以及排樁間距)與基坑安全系數(shù)之間的非線性關(guān)系，在此關(guān)系的基礎(chǔ)上，采用微粒群算法進(jìn)行基坑支護(hù)參數(shù)優(yōu)化，從而比較方案一和方案二的支護(hù)材料量，如圖3所示。由圖3可知，在相同的安全系數(shù)下，方案二的支護(hù)材料量要遠(yuǎn)少于方案一。

圖3 二種方案的比較

4 結(jié)語(yǔ)

本基坑支護(hù)工程在方案論證和初步設(shè)計(jì)階段，參考類似工程基坑支護(hù)設(shè)計(jì)的經(jīng)驗(yàn)，在方案優(yōu)化過(guò)程中，根據(jù)本基坑工程的實(shí)際情況，采用排樁結(jié)合基坑內(nèi)原狀土放坡的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型，充分利用了排樁及原狀 土放坡兩種支護(hù)方案的優(yōu)點(diǎn)，并利用結(jié)構(gòu)主體作臨時(shí)支撐的支撐點(diǎn)，大大降低了基坑支護(hù)的費(fèi)用，可供類似基坑支護(hù)工程設(shè)計(jì)及施工參考。

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