既有建筑复杂条件下基坑支护设计及效果评价

摘要：为保障基坑在既有建筑复杂条件下安全施工，结合项目区地质条件，先进行基坑支护方案设计和支护措施计算，再结合基坑变形监测成果，通过变形预测评价基坑支护效果。分析结果表明，由于基坑周边近接既有建筑较复杂，基坑支护设计格外重要，并将支护方案设计为“支护桩+锚索”。在基坑变形监测成果中，基坑变形值范围为12.52mm～20.16mm，总体均＜35mm，说明现状条件下的基坑变形仍在控制范围内。经变形预测可知基坑变形虽然会增加，但增加速率较小，基坑变形趋于稳定，验证了基坑支护方案设计的有效性，为类似工程积累了经验。

关键词：基坑；既有建筑；基坑支护；效果评价

中图分类号：P642""""""""" 文献标志码：A

目前，基坑工程数量越来越多，其周边近接条件也越来越复杂，为确保基坑安全施工，其施工过程中的变形控制格外重要。要想实现基坑变形控制，进行基坑支护设计是必要的[1-2]。目前，已有学者进行了基坑支护的相关研究，如王园等[3]分析了填土条件下的基坑支护设计；唐成伟[4]研究了复杂环境条件下的基坑支护措施；陈少琴[5]探究了基坑支护过程中的技术要点。上述研究成果值得肯定，但限于基坑所处环境条件的差异性，仍可结合基坑具体条件进行相应研究。

因此，此文以项目区地质条件为基础，先进行基坑支护方案设计和支护措施计算，再结合基坑变形监测成果，通过变形预测评价基坑支护效果，以保障基坑安全施工，并为类似工程积累一定经验。

1工程概况

拟建基坑隶属某房屋高层建筑，地下设计2层，拟建面积约10042m2，地面建设为城市公园，地上设计18层。根据设计成果，拟建基坑平面形态近似多边形特征（如图1所示），开挖深度为12.5m，属深基坑。

根据钻探资料，基坑开挖范围和影响范围内地层主要为杂填土、粗砂和强、中风化砂岩，其中，杂填土主要是由碎石、黏性土构成，杂色，厚度为1.9m～3.4m；粗砂具褐黄色，中密、饱和状态，级配相对较差，主要成分为石英，厚度为1.3m～4.3m；基岩岩性为砂岩，强～中风化，棕灰色，稍湿，层状构造，泥质结构，强风化厚度为5.5m～7. 1m，其下均为中风化，最大揭露厚度为13.5m。通过室内试验成果统计，得到各类地层基本特征参数，见表1。

经现场调查，基坑周边主要有5栋既有建筑，具体分布如图1所示，其中既有建筑1为酒店，地下1层，地上10层，基础形式为浅基础，埋深约5m，最小净距约8.4m；既有建筑2为营业楼，无地下室，地上6层，基础形式为浅基础，埋深约2m，最小净距约9.5m；既有建筑3为图片社，无地下室，地上3层，基础形式为浅基础，埋深约2m，最小净距约9.8m；既有建筑4为鞋城，无地下室，地上6层，基础形式为浅基础，埋深约2m，最小净距约10.4m；既有建筑5为商铺，无地下室，地上5层，基础形式为浅基础，埋深约2m，最小净距约10.0m。因此，基坑周边近接既有建筑较复杂，为确保既有建筑安全，对其进行支护设计是十分必要的。

2基坑支护设计

2.1支护方案设计

根据《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120—2012），基坑设计等级为乙级，安全等级为一级，变形控制等级为一级，因此基坑结构重要性系数设计为1. 1，使用年限设计为2年，混凝土采用C30等级。

鉴于基坑周边建、构筑物较复杂，其施工过程中的变形控制要求较高，因此将基坑支护措施设计为“支护桩+锚索”（示意图如图2所示）。其中支护桩直径为1.0m，桩长21.5m（悬臂段12.5m，嵌固段9.0m）。材质采用钢筋混凝土，并于基坑顶部设置冠梁，尺寸为0.6m×1.0m，材质也为钢筋混凝土。锚杆设计3道，长度为20m（锚固段14m，自由段6m），入射倾角为13°，孔径为150mm。顶部第一道位于冠梁中部，按3m间距竖向布设其余2道锚索。锚索采用钢绞线，直径设计为17.8mm，锁定荷载值为340kN。

2.2支护措施计算

通过内力计算，得到基坑区范围内支护所需承担的弯矩为402.52kN·m～471.94kN·m，最大剪力值为204.79kN，并通过公式（1）和公式（2）进行支护配筋计算。

式中：N为轴力设计值（kN）；M为弯矩设计值（kN）；at、a为面积比的特征参数；A、As为支护桩、钢筋的截面积（mm2）；fc为混凝土抗压强度（N/mm2）；fy为钢筋抗拉强度设计值（N/mm2）；r、rs为支护桩、钢筋的半径（mm）。

通过计算，配置24根直径25mm的钢筋，等级为HRB400，保护层厚度设计为50mm，箍筋采用螺旋箍，直径为12mm，等级为HPB300，间距为20cm。

利用公式（3）进行锚固力Pt计算。

（3）

式中：F为锚索所需设计值（kN）；β为入射角（°）;a为锚索与滑面夹角（°）;φ为摩擦角（°）。

经计算，第一道至第三道锚索的Pt为256.89kN～304.71kN，因此，锚索的锁定荷载值为340kN是合理的。

3基坑支护效果评价

3.1评价思路的构建

在基坑施工过程中，变形监测是必要的，如果变形监测成果在控制值（35mm）内，说明支护结构的变形控制效果较优。进而通过变形预测来评价基坑变形发展趋势，进一步验证基坑变形控制效果。因此应重点进行基坑变形预测模型构建，根据以往经验[6]，支持向量机（Support Vector Machine，SVM）具有良好的变形预测能力，本文提出以支持向量机进行基坑变形预测。

在SVM预测过程中，训练函数如公式（4）所示。

f（x）=WTφ（x）+b（4）

式中：f（x）为训练函数；WT为权值量；b为偏置量；x为输入信息；φ（x）为激励函数。

在训练过程中，进一步通过约束设置来控制预测精度，如公式（5）所示。

式中：L为约束指标；ai、ai*分别为乘子变量；l为训练集个数；ε为损失变量；Q为核变量。

在公式（5）的约束条件下，SVM的预测值Yi如公式（6）所示。

（6）

值得指出的是，SVM的参数WT和b会在较大程度上影响预测精度，为确保预测效果，采用生物地理学优化算法（Biogeography Based Optimization，BBO）对这2个参数进行优化处理，具体流程如图3所示。

将BBO-SVM作为基坑变形预测模型，如果基坑后续变形速率趋于减弱，就说明其变形趋于稳定，基坑变形控制效果较优。为评价预测效果，将相对误差Et作为预测精度评价指标，其值越小越好，如公式（7）所示。

Et=（Yt-Kt）/Yt（7）

式中：Yt为变形监测值；Kt为变形预测值。

3.2支护效果的评价结果

在基坑变形成果统计中选择13个代表性变形监测点进行分析（布置如图1所示），按照3d一次的监测频率统计出28期的变形监测成果，具体见表2。表2中，13个监测点的变形值范围为12.52mm～20.16mm，均值为15.42mm，总体均＜35mm，说明13个监测点目前均在基坑设计变形控制范围内。

由于篇幅限制，本文仅对变形值最大的4个监测点进行示例性预测分析，即以h1、h3、h7和h12作为后续分析数据来源。

经统计，可得BBO-SVM监测数据，见表3。表3中，4个监测点的变形值具有持续增加特征，只是增加速率存在波动，侧面验证了通过变形预测来评价基坑变形趋势是必要的。

由于BBO-SVM具有优化组合流程，因此以h1为例，比较SVM优化前、后的预测效果，结果见表4。表4中，在25～28期相应验证节点处，BBO-SVM的Et值均在不同程度上小于SVM的Et值，说明通过BBO的优化处理，能有效提高h1监测点的预测效果，验证了BBO的优化能力。值为2.07%；h3的Et值为2.02%～2.16%，均值为2.08%；

h1监测点的示例性分析验证了BBO-SVM适用于基坑变形预测。经统计，可得h1、h3、h7和h12监测点的预测结果，见表5。表5中，h1的Et值为2.04%～2. 12%，均h7的Et值为2.06%～2.28%，均值为2.15%；h12的Et值为2.13%～2.29%，均值为2.20%。因此，4个监测点的变形预测效果较优，其后29～31期的预测结果较可信。

由29～31期的预测结果进一步计算这3期的变形速率均值，依次为0.34mm/3d、0.27mm/3d、0.16mm/3d和0.37mm/3d，四者变形速率值均较小，说明基坑变形虽然会进一步增加，但其累计变形值趋于稳定，并且4个监测点在31期时的变形预测值为16.84mm～20.78mm，也＜35mm，说明基坑在预测期间的变形控制效果也较优，充分验证了基坑支护方案设计是合理有效的。

4结论

通过既有建筑复杂条件下的基坑支护设计和效果评价，所得结论如下所示。1）由于基坑周边近接既有建筑较复杂，基坑支护设计格外重要，本文结合工程实际，将支护方案设计为“支护桩+锚索”。2）通过基坑变形成果分析可知基坑变形趋于稳定且变形值始终＜35mm，因此基坑支护方案设计是合理有效的，取得了基坑变形控制效果。

参考文献

[1]黄世政. 基于复杂环境的深基坑设计与变形监测分析[J]. 中国新技术新产品，2023（16）：118-120.

[2]孙海浩，王园. 复杂环境条件下深基坑设计与变形监测分析[J]. 中国新技术新产品，2023（15）：121-123.

[3]王园，孙海浩，门月鹏. 填土基坑支护设计及其效果评价[J]. 中国新技术新产品，2023（12）：77-79.

[4]唐成伟. 复杂环境条件下的深基坑支护设计研究[J]. 中国新技术新产品，2023（11）：102-104.

[5]陈少琴. 某建筑工程地下室基坑开挖及支护技术要点分析[J]. 四川水泥，2023（11）：195-197.

[6]曹净，唐斌懿，李豪. 基于SA-PSO算法优化LS-SVM的基坑土层等效参数反演[J]. 工业安全与环保，2023，49（2）：15-20.