CN109826198A - 软土地铁基坑开挖施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种软土地铁基坑开挖施工方法，属于建筑施工技术领域。该方法先选择变形控制值，建立基坑模型，进行预测，确定各根支撑轴力限值及围护结构变形目标值，根据变形和支撑轴力耦合，确定和调整各道和各根支撑轴力设定值。然后分层开挖，关闭上层对应支撑轴力自动补偿功能。每挖一层，则判断各层变形是否满足要求，不满足的调整本道支撑轴力，直至满足变形要求，支撑轴力未达到限值则继续开挖，若达到限值，以目前轴力值作为本道轴力控制值，上层变化后的轴力作为上层轴力控制值。然后开启支撑轴力自动补偿功能，直至本层开挖成功，再开挖下一层，如此循环进行，直至完成。本发明是基于围护变形控制目标与支撑轴力限值的双控法。

Description

软土地铁基坑开挖施工方法

技术领域

本发明涉及建筑施工技术领域，尤其涉及一种软土地铁基坑开挖施工方法。

背景技术

为了解决基坑施工对周边环境的影响问题，在时空效应的基础上研制了轴力伺服系统，但其主要用于支撑轴力损失的补偿，未能实现对围护侧向变形的主动控制，主要因素如下：

一、软土地铁深基坑围护侧向变形控制存在的问题

在软土地层中，基坑施工往往会引起极强的环境效应，导致临近建(构)筑物产生不均匀沉降甚至开裂破坏，影响其正常运营和使用。为此以刘建航院士为代表的广大学者提出了基坑工程的“时空效应”理论，有效的控制了基坑变形对周边环境的影响，极大地推动了软土基坑的发展。

但随着社会的发展，传统的软土基坑施工技术越来越难以满足基坑周边更加严苛的环境保护要求。由于在软土地铁深基坑中钢支撑轴力能有效控制基坑围护的侧向变形，因此为减少轴力损失的影响发明了轴力补偿系统，可以实时监测轴力，并根据监测数据来补偿损失的轴力，从而实现轴力的主动控制，有效克服了传统钢支撑后续轴力变化不完全可知、不可控、不便于调整等缺点。由于轴力伺服系统解决了轴力损失可能带来的基坑变形影响，因而得以广泛应用。但是轴力伺服系统仅仅解决了轴力损失的问题，控制的目标是支撑轴力，当轴力与位移的对应关系比较一致时，位移的控制效果会比较好，当二者差异较大时，即使应用了伺服系统位移的控制效果也往往不尽人意。

目前伺服系统只实现了基坑轴力的主动控制，并没有实现基坑变形的主动控制，基坑变形的主动控制还处于初始发展阶段。

软土地铁深基坑的主动控制是通过理论计算来指导施工实践，除了需要解决理论计算中的土体参数、本构模型、外荷载、计算方法等问题外，还需要解决以下问题：

(一)二维计算理论与三维施工方法的差异性

对于长条形基坑，设计时一般基于平面应变的假定把三维基坑简化为二维基坑，在二维模型下进行设计。根据平面应变假定，二维模型中的一道支撑轴力对应于三维模型中该道支撑所有轴力同步施加到围护结构上，如图1，N为同步施加的钢支撑轴力值。但通常情况下软土地铁深基坑一般采用分层、分段、分块的施工方法，通过逐根施加的方法对一幅墙或几幅墙的若干根支撑施加轴力或复加轴力，如图2，N1～N10为依次随挖随撑的钢支撑轴力值，图1和图2中N为同步施加恒定轴力值，N1～N10为依次施加的可变轴力值。只有当土体满足线弹性、小应变的条件且轴力无损失时，分次施加与整体施加两种施加方式对应的结果才是一致的，否则分次施加工况下，已施加的钢支撑轴力会受多种因素影响而产生轴力损失，即对于基坑施工过程而言，平面分析模型与实践工艺不相符。

(二)轴力与变形的对应性

由于钢支撑轴力受各方面因素的影响，导致最终留存在钢支撑中的轴力难以准确计量，因此在传统的基坑设计中，基于围护结构强度控制获得的轴力值与围护结构变形之间没有必然关系，一般不考虑轴力对变形的约束作用，通常把钢支撑预加轴力作为一项控制措施使用。千斤顶所施加的支撑轴力一般取整个开挖过程中钢支撑轴力包络效应最大值的0.5～0.8倍。

(三)软土流变的不可控性

在软土地铁深基坑中，土体的流变特性对基坑变形有着重要影响，而且难以精确计算与控制。这是软土基坑施工控制的主要难题。软土流变与其应力水平有关，应力水平越高流变越大，同时流变具有方向性，流变变形与其受荷方向相一致。支撑轴力越大、坑内土体应力水平越低则流变变形越小；当支撑轴力大于坑外荷载时，就会产生向坑外的流变。

(四)轴力控制方法的单一性

目前钢支撑轴力伺服控制系统一般采用静态单一目标法来控制轴力，即施工前为每道钢支撑设定一个轴力控制目标与容许偏差范围，当监测到轴力变化超过容许偏差时实时调整支撑轴力，使得支撑轴力在整个基坑施工过程中维持不变。当理论计算模型与基坑的实际状态相一致时，根据理论计算得到的各道支撑轴力的目标值可以作为控制值，这时静态单一目标法是可行的。但是考虑到基坑的复杂性以及众多的影响因素，基坑的力学模型很难与实际状态相一致，甚至计算结果与实测结果有较大的差异，静态单一目标法难以满足基坑的主动控制需要。

因此，亟需提供一种能够基于轴力和变形双控的软土地铁基坑开挖施工方法。

发明内容

本发明的目的在于提供一种软土地铁基坑开挖施工方法，在基坑开挖过程中既能够用于对支撑轴力损失的补偿，又能够实现对围护侧向变形的主动控制。

为实现上述目的，提供以下技术方案：

本发明提供了一种软土地铁基坑开挖施工方法，所述方法包括如下步骤：

S1、选择变形控制值；

S2、确定施工工况，建立基坑模型；

S3、根据基坑模型进行预测，通过分析确定围护结构变形目标值，并确定各根支撑轴力限值；

S4、变形和支撑轴力耦合，确定和调整各道和各根支撑轴力设定值；

S5、分层开挖，同时关闭上层对应支撑轴力自动补偿功能；

S6、判断各层变形是否满足要求，若不满足要求，则进入S7，若满足要求，则进入S9；

S7、调整本道支撑轴力；

S8、判断支撑轴力是否已达到支撑轴力限值，若未达到，则返回S5，若达到，则进入S9；

S9、以目前轴力值作为本道轴力控制值，以上层支撑变化后的轴力作为上层轴力控制值；

S10、开启支撑轴力自动补偿功能，直至本层开挖成功，进入下层开挖；

S11、判断基坑开挖是否开挖到底，若开挖到底，则进入S12，若未开挖到底，则返回S5；

S12、基坑开挖完成。

进一步地，S1中以影响范围内周边保护对象的最严要求作为变形控制值。

进一步地，所述基坑模型为二维平面模型，根据平面应变假定，

τ_xz＝τ_yz＝0；

σ_z＝μ(σ_x+σ_y)；

在Z轴方向没有应变，但其应力σ_z并不为零。

进一步地，S3中：围护结构变形目标值根据周边保护对象和基坑开挖深度确定，各根支撑轴力限值是根据压杆原理确定。

进一步地，通过影响矩阵法来实现基坑变形控制，影响矩阵通过对线弹性状态的迭代来计算得到的。

进一步地，影响矩阵法具体步骤如下：

受调向量为结构物中关心截面上m个独立元素所组成的列向量，这些元素一般由构件中的截面内力或位移组成，它们在调值过程中接受调整，以期达到期望状态，受调向量记为D，

D＝(d₁，d₂，…，d_m)^T；

施调向量为结构物中指定可实施调整以改变受调向量的l个(l≤m)独立元素所组成的列向量，施调向量记为X，

X＝(x₁，x₂，…，x_l)^T；

影响向量为施调向量中第j个元素x_j发生单位变化，引起受调向量D的变化向量，影响向量记为：

A_j＝(a_1j，a_2j，…，a_mj)^T；

影响矩阵为l个施调向量分别发生单位变化，引起的l个影响向量依次排列形成的矩阵，影响矩阵记为：

在影响矩阵中，元素是内力、位移等力学量中的一个，影响矩阵是这些力学量混合组成的；设结构中n个关心截面上期望的内力、位移组成的向量为{E}，关心截面中现有相应向量为{F}_d，调值计算就是通过改变n个施调元的力学量，使结构状态在关心截面处达到{E}，此时，结构受调向量为：{D}＝{E}-{F}_d，当结构满足线性叠加时，有：[A]{X}＝{D}。

进一步地，影响矩阵通过迭代来获得精确的计算结果的具体步骤如下：

①首先按线性结构进行第一次计算，根据A求得被调向量{X}₀；

②将{X}₀作用在结构上进行正装计算，求得{X}₀作用下的期望值{E}₀，从而计算出调整差值向量{ΔE}＝{E}-{E}₀；

③以②中形成的结构为基础，计算新的影响矩阵A，以{ΔE}作为调值向量，由[A]{ΔX}＝{ΔE}求得{ΔX}；

④令{X}＝{X}₀+{ΔX}，重复②～③的计算，当{ΔE}小于指定误差ε时{X}₀就是实际被调向量{X}的近似解；

在基坑工程中，施调向量为支撑轴力，受调向量为支撑轴力、围护结构关心截面处的内力或位移，也就是通过施调向量支撑轴力的调整来实现支撑轴力、围护结构变形和内力的调整；

令{F}_d为前一次预加轴力施加后各支撑的内力,第1次轴力施加时为0；A为影响矩阵；{X}为各支撑需施加的荷载，该荷载与各支撑已有的内力之和即为轴力施加控制值；{E}为设计要求的各支撑轴力，则有{F}_d+[A]{X}＝{E}；

对于基坑顺筑开挖而言，由于{F}_d＝0，通过影响矩阵迭代求得的{X}即为支撑轴力，由于在基坑开挖过程中支撑体系是逐步形成的，影响矩阵A为上三角阵，当基坑开挖结束轴力再调整而言，结构体系已基本形成，此时{F}_d≠0，影响矩阵A为满阵，其元素构成可按任意顺序形成，这种情况下{X}与支撑次序无关，但此时由影响矩阵A直接求得的{X}是轴力增量而不是轴力的施加值，而轴力施加值则需根据施工顺序重新求解。

进一步地，支撑结构指安装了轴力伺服系统的钢支撑。进一步地，调整支撑结构进行轴力调整是通过轴力伺服系统进行的。

与现有技术相比，本发明提供的软土地铁基坑开挖施工方法，其中是以多个保护对象中影响范围内周边保护对象的最严要求作为变形控制值，建立能够与实际施工相适应的基坑模型，根据建立的基坑模型进行预测，并确定各根支撑轴力限值及围护结构变形目标值，根据变形和支撑轴力耦合，确定和调整各道和各根支撑轴力设定值。然后分层开挖，这时需要关闭上层对应支撑轴力自动补偿功能，能够准确对相应层进行支撑轴力和围护变形的测量。然后每挖一层，则判断各层变形是否满足要求，变形不满足的需要调整相应层的支撑轴力，直至变形满足要求，若支撑轴力未达到限值的则继续分层开挖，若支撑轴力达到限值，则以目前轴力值作为本道轴力控制值，以上层支撑变化后的轴力作为上层轴力控制值。然后开启支撑轴力自动补偿功能，直至本层开挖完成，进入下层开挖，如此循环进行，直至基坑开挖到底，完成开挖施工。本发明的开挖施工方法应用了“双控法”主动控制技术，其是基于结构影响性原理所提出的，主要思路是通过轴力的主动改变来实现围护结构力学参数的调整，其中轴力-变形影响性、轴力相干性、轴力-流变影响性是结构影响性原理在基坑主动控制中的三大应用。对于地层结构模型中的有限单元法，基于围护变形控制目标与支撑轴力限值双控的试算法是一种有效计算方法。

附图说明

图1为本发明实施例中的支撑同步施加示意图；

图2为本发明实施例中的随挖随撑示意图；

图3a为本发明实施例中的第二道支撑控制前后变形变化示意图；

图3b为本发明实施例中的第三道支撑控制前后变形变化示意图；

图4a为本发明实施例中的力学模型图的平面示意图；

图4b为本发明实施例中的力学模型图的剖面示意图；

图5a为本发明实施例中的基坑空间受力状态的平面图；

图5b为本发明实施例中的基坑空间受力状态的剖面图；

图5c为本发明实施例中的基坑平面应变状态的平面图；

图5d为本发明实施例中的基坑平面应变状态的剖面图；

图6a为本发明实施例中空间受力时围护结构间的剪应力示意图；

图6b为本发明实施例中空间受力时土体间的剪应力示意图；

图7a为本发明实施例中平面应变下围护结构间的剪切应力示意图；

图7b为本发明实施例中平面应变下土体间的剪切应力示意图；

图8为本发明实施例中基于变形的整层支撑轴力调整示意图；

图9为本发明实施例中竖向钢支撑轴力施加示意图；

图10为本发明实施例中钢支撑轴力的竖向相干性示意图；

图11为本发明实施例中钢支撑轴力的水平相干性示意图；

图12为本发明实施例中竖向钢支撑开启轴力补偿引起的轴力变化示意图；

图13为本发明实施例中水平向钢支撑开启轴力补偿引起的轴力变化示意图；

图14为本发明实施例中支撑轴力变化前后基坑围护的影响矩阵法计算模型示意图；

图15为本发明实施例中双控法示意图；

图16为本发明实施例中深基坑主动控制流程图；

图17a为本发明实施例中浦东南路站地铁基坑平面示意图；

图17b为本发明实施例中浦东南路站地铁基坑横断面示意图；

图18为本发明实施例中浦东南路站地铁基坑的各断面围护最终位移曲线图。

附图标记：1-上船大楼；2-船舶大厦；3-世纪大厦；4-大壶春小区；5-东方医院；6-A-1区基坑；7-B区基坑；8-A-2区基坑；9-浦东南路；10-即墨路；11-第一道支撑；12-第二道支撑；13-第三道支撑；14-第四道支撑；15-第五道支撑；16-第六道支撑。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本实施例中的软土地铁深基坑围护侧向变形的主动控制理论如下：

尽管钢支撑伺服控制系统可根据保护对象的变形控制要求进行变形调控，但是我们应该看到影响基坑变形的因素很多，轴力仅仅是其中一个方面，单纯的轴力控制并不能完全解决基坑变形的控制，应当结合伺服系统的优势，综合考虑各方面的因素建立全面的深基坑控制理念。

(一)伺服系统下深基坑围护侧向变形的主动控制理念

由于围护结构的侧向变形控制目标往往取决于周边环境对地层变形的适应能力，过于严苛的变形控制指标会提高对支撑轴力的控制要求，而钢支撑作为压杆稳定结构，其轴力大小是有限值的，过大的轴力会带来支撑失稳的风险，不利于基坑的安全。因此应当科学审慎的确定基坑周边的环境保护要求，确定合理的基坑侧向变形控制指标和支撑轴力控制指标。

采用伺服系统的钢支撑其侧向变形控制效果好，但系统安全性比砼支撑低；而砼支撑虽然安全性好，但其施工期间的无支撑暴露时间长，同时作为刚性约束点，不能进行轴力调整，不能与相邻支撑形成协同加载，控制变形效果差。因此钢支撑与砼支撑的设置对于基坑安全与变形控制而言是一对矛盾，需要统筹系统安全与变形控制来确定二者的设置方式。另外，软土的流变特性会导致围护结构产生显著的侧向变形，因此“时空效应”仍然是软土基坑变形控制的核心，是其主要控制手段，伺服系统是在“时空效应”的基础上进一步提升变形控制的效果，是辅助手段，二者主次不可颠倒。

因此综合各方面的因素，深基坑的主动控制理念是围护变形与支撑轴力双控、钢混支撑设计协调、环境保护与基坑安全并重、“时空效应”与伺服应用主辅分明。

(二)基于结构影响性原理的围护侧向变形主动控制思路

(1)结构的影响性原理

对于连续的结构体系，根据变形协调原理，某些构件力学参数的调整必然会影响其他构件的力学参数，称之为结构的影响性。这种影响性为奠定了基坑主动控制的基础。对于基坑的强度与刚度控制，力学参数主要是支撑轴力、围护结构的弯矩与剪力、围护结构变形、坑内外土体荷载等，这些力学参数任意一个的改变都会对其他产生影响。但在基坑的主动控制中，能够主动改变的力学参数主要是支撑轴力，因此其结构的影响性主要体现在三个方面：一是支撑轴力对围护结构力学参数的影响，即支撑轴力的调整会改变围护结构的弯矩、剪力以及变形，而通常情况下围护结构变形是基坑主动控制的目标，即支撑轴力对围护变形的影响性；二是轴力相干性，即支撑轴力的改变不仅影响围护结构变形，同时还影响其他支撑的轴力，这种影响称之为轴力相干性。由于软土地铁基坑围护结构具有竖向和纵向刚度，因此这种相干性是空间相关的。三是支撑轴力对坑内土体流变的影响，由于坑内土体与支撑共同平衡坑外土压力与荷载，支撑轴力的改变必然会影响坑内土体的应力水平，而坑内土体的应力水平又与坑内土体的流变大小有关。

轴力对围护变形的影响、轴力的相干性、轴力对坑内土体流变的影响是结构影响性原理在基坑主动控制中的三大应用。

(2)基于结构影响性原理的围护侧向变形主动控制思路

在基坑施工过程中，围护结构上的荷载是逐步施加的，其间有围护变形、土体流变、边界约束增减、体系转换等过程，前期结构的内力和变形，直接影响后期结构乃至竣工后结构的力学性能，这就需要对整个过程进行主动控制。坑内土体开挖后产生的坑内外荷载差是围护结构产生变形的原因，而荷载差又是由坑外荷载——坑外水土压力和其他荷载、坑内土体抗力以及支撑轴力的不均衡所产生，其中除了坑内土体所提供的抗力是被动承受外，传统工艺下支撑轴力也是被动地承受坑外荷载，支撑轴力可称之为被动轴力。在应用伺服系统后，支撑不再是单纯的被动受力，而是具有了主动、实时调整轴力的功能，这种轴力称之为主动轴力，主动轴力成为实现变形控制的主要手段。

因此基坑主动控制的过程就是运用现代控制理论和数值仿真技术，根据结构理想状态、现场实测状态和误差信息进行误差分析，依据结构的影响性原理，通过支撑轴力的主动调整来实现围护结构侧向变形的精细化控制，使结构的实际状态趋于理想状态。由于支撑轴力是有限值的，在控制变形的过程中轴力值不能超过支撑轴力的限值，因此主动控制是变形与轴力的双控。

(3)以基坑的某层土方开挖为例说明

以基坑的某层土方开挖为例，比如根据计算值与实测值进行对比，发现实际值偏大，这时根据结构的影响性原理，如果要控制某个点的变形，可以对一道或几道的支撑轴力进行调整，从而影响该点的变形，达到控制要求。如图3a-图3b所示，其中，图3a为第二道支撑控制前后变形变化对比图，图3b为第三道支撑控制前后变形变化对比图。具体地，基坑第二道钢支撑架设后，若第二道钢支撑深度处围护变形f超过了分层控制值，则将第二道钢支撑轴力F₂增加至F₂’，随之第二道钢支撑深度处围护变形减小至f’，达到分层控制目标；随着基坑的继续往下开挖，架设第三道钢支撑，若第三道钢支撑深度处围护变形f超过了分层控制值，则将第三道钢支撑轴力F₃增加至F₃’，则第三道钢支撑深度处围护变形减小至f’，达到分层控制目标。

地层-结构模型下的主动控制计算方法如下：

地层结构法一般采用连续介质有限元法，连续介质有限元方法考虑了土和结构的相互作用，可同时得到整个施工过程挡土结构的位移和内力以及对应的地表沉降和坑底回弹等。地层结构法是把土与结构相互作用的问题转化为弹塑性力学，精确化的分析实现起来较为困难，可结合通用有限元程序，基于控制目标采用试算法来获得近似的计算结果，在工程误差的范围内满足基坑主动控制的需要。

本实施例是采用基于围护变形控制目标与支撑轴力限值双控的试算法，其具体过程如下：

由于基坑工程零位移控制的代价过大，因此实践中均允许围护结构发生一定的变形，工程中往往根据环境保护需要，事先设定好变形控制指标。同时目前常用的钢支撑规格一般为直径609mm和直径800mm，它们的极限承载能力可以根据压杆稳定理论计算得到，也即支撑的轴力是有限值的，在二者都有限值的情况下，可利用地层结构法在通用有限元中采用试算法求得满足上述要求的轴力，并得到围护结构的内力，从而实现强度与刚度的双控，这种方法称之为“双控法”(如图15所示)。图中自左向右依次为第一层土方开挖、第二层土方开挖、第三层土方开挖……以此类推，其中，f<[f]，F<[N]，第一道支撑11深度处位移小于变形控制值；f₁<[f]，F₁<[N]，f₂<[f]，F₂<[N]，第一、二道支撑深度处位移小于变形控制值，第一、二道支撑轴力小于轴力限值；f₁<[f]，F₁<[N]，f₂<[f]，F₂<[N]，f₃<[f]，F₃<[N]，第一～三道支撑深度处位移小于变形控制值，第一～三道支撑轴力小于轴力限值。

本实施例基于地层结构法的主动控制流程如下：

1)由于地层结构法充分考虑了地下结构与周围地层的相互作用，结合具体的施工过程可以充分模拟地下结构以及周围地层在每一个施工工况的结构内力以及周围地层的变形更能符合工程实际，因此可以用于基坑的主动控制。

2)基坑主动控制包含以下内容：确定分析软件与本构模型、建立模型—参数识别—修正模型、确定基坑的目标状态、基于施工过程的动态模拟分析、控制实施、分析预测。

3)根据上述支撑轴力、围护结构内力与变形的控制方法，本实施例提供了一种软土地铁基坑开挖施工方法，其中，基坑工程的主动控制流程如图16所示：

S1：明确保护对象的变形控制要求，对于多个保护对象，以影响范围内周边保护对象的最严要求作为变形控制值；

S2：确定施工工况，建立基坑模型，根据实际情况，明确施工过程中的各个工况，建立相应的基坑模型，确保基坑模型与施工工况相对应，并能够和实际施工相适应；

S3：预测分析基坑变形，确定围护结构变形目标值及各根支撑轴力限值，根据基坑模型进行预测，可以先对支撑体系是否能够满足要求进行预测，若不能满足要求，可以调整支撑结构，直至满足要求；通过分析确定围护结构变形目标值，并确定各根支撑轴力限值，围护结构变形目标值根据周边保护对象和基坑开挖深度确定，支撑轴力限值根据压杆原理来确定；

S4：变形和支撑轴力耦合，确定和调整各道和各根支撑轴力设定值；

S5：分层开挖，同时关闭上层对应钢支撑(如有)轴力自动补偿功能；

S6：判断各层变形是否满足要求，各层变形如果不满足要求，则进入步骤S7，各层变形如果满足要求，进入步骤S9；

S7：调整本道支撑轴力；

S8：判断支撑轴力是否已达到支撑轴力限值，如果未达到支撑轴力限值，则返回步骤S5，如果达到支撑轴力限值，则进入步骤S9；

S9：以目前轴力值作为本道轴力控制值，以上层支撑变化后的轴力作为上层轴力控制值；

S10：开启支撑轴力自动补偿功能，直至本层开挖完成，进入下层开挖；

S11：判断基坑开挖是否开挖到底，若开挖到底，则进入步骤S12，若未开挖到底，则返回步骤S5；

S12：基坑开挖全部完成。

本实施例中，支撑结构指安装有轴力伺服系统的钢支撑，砼支撑或未安装轴力伺服系统钢支撑作为支撑体系的组成部分，但不可以调整轴力。调整支撑结构进行轴力调整是通过轴力伺服系统进行的。

其中，(1)地铁深基坑设计的力学模型如下：

对于地铁等长条形基坑，基坑设计时通常基于平面应变的假定把其简化为二维平面模型(如图4a-4b所示)。根据平面应变假定，

τ_xz＝τ_yz＝0；

σ_z＝μ(σ_x+σ_y)；

在Z轴方向没有应变，但其应力σ_z并不为零。

(2)软土地铁深基坑施工过程的力学状态变化

由于土方是分块开挖、支撑是逐根架设，因此基坑的力学状态由最初的空间特性逐渐向平面应变的力学状态转变(如图5a-5d所示)，图中i表示基坑边缘的坡度。即基坑施工过程中的力学模型应当是三维空间问题，而不是平面应变问题。

即在基坑施工的三维空间问题中，围护与土体的γ_xz不为零，从而使得围护结构与土体间能够传递τ_xz(如图6a-6b所示)，图中，q为地面超载。

当满足平面应变假定时，围护结构与土体的剪切应力τ_xz＝τ_yz＝0，即土体与围护结构之间不传递剪切荷载(如图7a-7b所示)。

(3)基于基坑施工力学模型的变形控制策略

在三维空间力学模型中，围护与土体横向剪切变形的存在，增大了支撑轴力对土体变形的影响范围，降低了轴力对变形的控制效果。作用于围护结构上的支撑轴力越多，越接近平面应变状态，基坑力学响应受围护与土体横向剪切变形的影响越小，反之越大。即基坑施工的空间力学状态使得少量支撑轴力的调整效果小于整层支撑轴力的调整效果，支撑轴力越多，理论结果与实践监测数据越接近。因此当开挖过程中变形结果与控制目标不一致时，可在该层土方开挖完成、支撑架设后通过整层支撑轴力的调整来实现围护变形的控制(如图8所示)，其中，整层支撑轴力的调整满足：N₁＝N+△N，围护变形的调整满足：δ₁→δ₁＇，δ₁＇＝δ₁-△δ。

基于相干性的轴力控制策略

(1)轴力的相干性影响

由于围护结构具有两个方向的刚度，因此其轴力相干性也必然是空间的。根据地铁基坑竖向分层、水平分段的施工特点，可把轴力空间相干性简化为竖向与水平相干性。竖向相干性主要体现在某根支撑轴力施加或调整时对上下各道支撑轴力的影响(如图9和图10所示)，其中，N1～N3为依次施加的可变轴力值，图10中，由于轴力相干性，N₁→N₁＇，N₂→N₂＇。

而水平相干性主要体现在某根支撑轴力施加或调整时对同层其它支撑轴力的影响。水平向钢支撑轴力施加见图2，轴力相干性见图11。

(2)轴力控制策略

轴力相干性作为软土地铁深基坑的重要力学特点，对于主动控制有着重要意义。

1)对于竖向相干性，应当把由于轴力相干性引起的轴力变化与由其他因素引起的轴力损失区分开来，轴力变化因素的不同决定了伺服系统的使用方式也不同。轴力相干性引起的轴力变化，是围护、支撑系统的力学响应，伺服系统应自动适应，允许轴力进行调整。即每道支撑轴力的目标不是固定不变的，而应随着工况的调整而变化；如果允许轴力补偿，则会引起轴力的反复调整，使得轴力失去控制，如图12所示。

2)对于水平相干性，轴力变化会导致其他支撑轴力的损失，使支撑轴力不满足平面应变假定。在同层土方开挖支撑过程中，应确保该层土方全部挖出后的支撑轴力与计算轴力一致，使基坑最终的力学状态与平面应变状态一致，因此应当及时进行轴力补偿(如图13所示)。

上述分析对于伺服系统的使用有着重要指导意义，即伺服系统的轴力补偿功能的开启应与当前工况下的目标轴力相匹配，不能随意启用。

(3)钢支撑伺服系统的轴力主动控制方法

考虑到基坑的复杂性，根据轴力的相干性和软土地铁基坑的施工力学模型可知，轴力的控制目标应该能根据实测结果进行动态调整，根据工况的不同设定相应的控制目标，此即轴力的动态多目标控制法。

即在每层土方的开挖支撑过程中，如果变形能够满足分级控制指标，那么就以初始轴力值作为该道支撑伺服系统的轴力控制目标值；否则不断调整轴力控制的目标值，直到变形满足要求为止。轴力目标值确定后在该层土方开挖过程中伺服系统启动补偿功能，克服由于水平相干性、支撑的非弹性变形与降温等引起的轴力损失。上层土方挖完、下层土方开挖前关闭上层对应的钢支撑轴力补偿功能，根据该层的变形控制目标实时调整该道支撑轴力的目标控制值直至满足要求，考虑到竖向相干性上层支撑以变化后的轴力值作为控制目标，重新启动补偿功能。

在动态多目标控制法中，每道支撑的轴力控制目标根据变形控制结果后确定，并根据下道支撑的相干性结果而予以动态调整，这样既可以提高变形控制效果又可以避免支撑轴力设置过大造成的基坑负向变形偏大。

S3中确定围护结构变形目标值和各根支撑轴力限值是通过影响矩阵法来实现基坑变形控制，影响矩阵通过对线弹性状态的迭代来计算得到的。

具体地，主动控制计算方法如下：

(一)荷载-结构模型下的主动控制计算方法

目前常用的荷载结构法主要是平面弹性地基梁法，平面弹性地基梁法是把结构与土相互作用的问题转化为结构力学问题，其中围护结构、支撑结构都是弹性的，土弹簧为仅受压弹性约束，正常情况下为弹性状态，特殊情况下土弹簧不受力，体系属于状态非线性。

根据结构影响性原理，当主动改变某道支撑轴力时，如N3变为N3’后，结构体系其它部分的力学状态也将发生变化(如图14所示)。

图14中，q为地面超载，E为坑外土压力，E_w为坑外水压力，N_i为钢支撑轴力，点p为围护上任一点，M、Q、f分别为p点处的弯矩、剪力与变形，为坑内土压力。

对于线弹性体而言，轴力调整对变形的影响可以利用结构力学的分析方法进行精确的分析，如影响矩阵法是实现基坑变形控制的有效方法。当结构处于状态非线性时，可通过对线弹性状态的不断迭代来实现非线性问题的求解。

影响矩阵法的计算过程中，需要确定的矩阵分别为受调向量、施调向量和影响向量。

其中，受调向量为结构物中关心截面上m个独立元素所组成的列向量，这些元素一般由构件中的截面内力或位移组成，它们在调值过程中接受调整，以期达到某种期望状态，受调向量记为D，

D＝(d₁，d₂，…，d_m)^T；

施调向量为结构物中指定可实施调整以改变受调向量的l个(l≤m)独立元素所组成的列向量，施调向量记为X，

X＝(x₁，x₂，…，x_l)^T；

影响向量为施调向量中第j个元素x_j发生单位变化，引起受调向量D的变化向量，影响向量记为：

A_j＝(a_1j，a_2j，…，a_mj)^T；

影响矩阵为l个施调向量分别发生单位变化，引起的l个影响向量依次排列形成的矩阵，影响矩阵记为：

在影响矩阵中，元素可能是内力、位移等力学量中的一个，影响矩阵是这些力学量混合组成的；设结构中n个关心截面上期望的内力、位移组成的向量为{E}，关心截面中现有相应向量为{F}_d，调值计算就是通过改变n个施调元的力学量，使结构状态在关心截面处达到{E}，此时，结构受调向量为：{D}＝{E}-{F}_d，当结构满足线性叠加时，有：[A]{X}＝{D}。对于线性结构，影响矩阵法计算精度较高。

而土弹簧的存在使得上述模型属于状态非线性，为了求解非线性结构，影响矩阵可通过迭代技术来获得精确的计算结果，迭代具体计算步骤如下：

①首先按线性结构进行第一次计算，根据A求得被调向量{X}₀；

②将{X}₀作用在结构上进行正装计算，求得{X}₀作用下的期望值{E}₀，从而计算出调整差值向量{ΔE}＝{E}-{E}₀；

③以②中形成的结构为基础，计算新的影响矩阵A，以{ΔE}作为调值向量，由[A]{ΔX}＝{ΔE}求得{ΔX}；

④令{X}＝{X}₀+{ΔX}，重复②～③的计算，当{ΔE}小于指定误差ε时{X}₀就是实际被调向量{X}的近似解。

影响矩阵法在基坑轴力调整与变形控制中的应用如下：

在基坑工程中，施调向量为支撑轴力，受调向量可以为支撑轴力、围护结构关心截面处的内力或位移，也就是通过施调向量支撑轴力的调整来实现支撑轴力、围护结构变形和内力的调整；

令{F}_d为前一次预加轴力施加后各支撑的内力,第1次轴力施加时为0；A为影响矩阵；{X}为各支撑需施加的荷载，该荷载与各支撑已有的内力之和即为轴力施加控制值；{E}为设计要求的各支撑轴力，则有{F}_d+[A]{X}＝{E}；

对于基坑顺筑开挖而言，由于{F}_d＝0，通过影响矩阵迭代求得的{X}即为支撑轴力，由于在基坑开挖过程中支撑体系是逐步形成的，影响矩阵A为上三角阵，当基坑开挖结束轴力再调整而言，结构体系已基本形成，此时{F}_d≠0，影响矩阵A为满阵，其元素构成可按任意顺序形成，这种情况下{X}与支撑次序无关，但此时由影响矩阵A直接求得的{X}是轴力增量而不是轴力的施加值，而轴力施加值则需根据施工顺序重新求解。

只要外荷载一定，指定位置处的位移目标、内力目标确定，通过影响矩阵法就可实现对围护结构位移、内力以及支撑轴力的优化计算，从而实现基坑设计的强度、刚度双控制。在围护结构自身强度满足要求的情况下，可把影响矩阵法中的受调向量进一步简化，即受调向量只考虑支撑处的围护结构位移和钢支撑的轴力，施调量为钢支撑轴力。影响矩阵法需要通过编程来实现，结合荷载结构法，可用于专业岩土计算程序。

具体应用实例：

(一)应用工程背景

浦东南路站地处陆家嘴核心区域，基坑沿浦东大道东西向敷设，骑跨即墨路10。拟建车站地层分布如下：①1杂填土，②1粉质粘土，③淤泥质粉质粘土，③夹砂质粉土，④淤泥质黏土，⑤1粉质粘土，⑥粉质粘土，⑦1-2砂质粉土，⑦2粉砂。车站主体基坑坑底位于⑤1层粉质粘土中，围护墙墙趾底位于第⑦2层粉砂中。

基坑围护形式为1.0m厚46m深的地下连续墙，标准段6道支撑，分别为第一道支撑11、第二道支撑12、第三道支撑13、第四道支撑14、第五道支撑15、第六道支撑16，其中，第一道支撑11为1000*800的砼支撑，第四道支撑14为1500*1200的砼支撑，第五道支撑15为800*20钢管撑，其余的几道支撑均为609*16钢管撑(如图17b所示)。

基坑所处的环境复杂，北侧有平行于基坑布置的上船大楼1、船舶大厦2、世纪大厦3等建筑物，南侧有平行于基坑布置的大壶春小区4、东方医院5等建筑物(图17a)；且在车站南北两侧有众多大直径管线近距离靠近基坑。

车站主体基坑自西向东依次为A-1区基坑6、B区基坑7、A-2区基坑8。先施工B区基坑7、然后施工A-1区基坑6，最后施工A-2区基坑8。考虑到基坑周边环境的差异，根据不同的控制要求引入不同的控制措施以尽量减小对临近建筑物及管线的影响。其中A-1区基坑6、B区基坑7、A-2区基坑8均引入了被动控制、半主动控制与管理控制，考虑到A-2区基坑8环境极其复杂，又引入了主动控制。

(二)基于地层结构法的主动控制实施内容

根据前文所述深基坑主动控制的流程与内容，本基坑在主动控制方面包括以下内容：

(1)计算模型与参数

基坑开挖是典型的卸载问题，且开挖会引起应力状态和应力路径的改变，分析中所选择的本构模型最好应能同时反映土体在小应变时的非线性行为和土的塑性性质。为此选择hs模型进行计算分析，建立基本计算模型。

在参数确定上，对于已经开挖完成的浦东南路站A-1区基坑6和B区基坑7，用有限元模型计算其基坑变形情况，得出的结果与基坑实际变形状态基本吻合，从而可认为采用的相关结构参数与土层参数是有效可行的。

(2)确定基坑的目标状态

基于浦东南路站基坑周边的实际环境保护要求提出更高的标准，将其侧向变形控制指标定为0.08％H。根据相关规范，计算各道支撑的极限受压、受拉如表1所示：

表1各道支撑轴力限值(ton)

(3)基于施工过程的动态模拟分析

根据拟定的施工方案对基坑的施工过程进行分析，获得支撑计算轴力与围护计算位移，并将其与目标值相比，如果计算值与目标值之间的误差在容许范围内，则支撑计算轴力作为实施轴力，否则调整模型中的支撑计算轴力(始终不超过轴力限值)，进一步分析，直到围护计算位移满足要求为止(表2)。

表2各道支撑轴力(ton)

根据模拟计算结果，第六道支撑轴力为315t大于250t，第六道支撑设计原为Ф609规格(最大承载力为250t)，不满足需要，因此，改用Ф800规格钢支撑(最大承载力为400t)，可满足需要。

由计算结果(表3)可知，“双控法”所得支撑轴力作用下，两侧地墙的侧移均能控制在0.8‰H左右。

表3考虑周边建筑影响的地墙最大侧移情况

(4)控制实施

取基坑均匀分布的三个横断面为代表，即测斜点P23(临近东端头井)、P25(基坑长边中间)、P28(西侧盖挖区域)所在的断面(如图17a)，阐述基坑开挖过程中的施工控制过程。各道支撑架设初始轴力如表4所示。

表4 A-2区基坑8各断面支撑架设初始轴力表(ton)

1)支撑轴力与围护侧向变形的主动控制过程

在A-2区基坑8开挖和支撑架设过程中，如发现基坑变形速率或变形累计量超过预期时，通过采用轴力伺服系统对钢支撑进行轴力的动态调整，并加大测斜点的监测频率获取轴力调整后的基坑变形反应，直至在钢支撑的承载范围内调整到对基坑变形控制最有利的轴力值。

2)控制结果(如图18和表5所示)

表5浦东南路站A-2区基坑8钢支撑最终轴力表(ton)

①支撑主动增加轴力，可使该处围护位移得到抑制甚至反向变化，这表明轴力与变形间存在着对应关系，轴力-变形影响性是可行的。

②支撑架设后围护变形呈现大致平稳发展趋势，表明支撑自身的变形对围护结构的变形影响较小。

③在软土基坑中当无支撑暴露时间较长时由于流变引起的变形较明显，如p28测点所示，第五道支撑的暴露时间过长导致了显著的变形。后期通过及时施加主动轴力，土体流变得到了有效控制，流变增量趋于收敛，这说明流变影响性是可行的。

④浅层围护在轴力施加后产生了明显的负向变形，深层围护轴力施加后的变形较小，说明土体越深控制效果越差，进一步验证了变形-影响性的“尽早原则”。

⑤不同位置处测点的变形曲线说明基坑的空间效应明显，相同轴力作用下基坑中部区域的围护向坑内移动，角部区域的围护向坑外移动。

⑥基坑中部区域下部支撑轴力对上部的围护变形影响较小，但在基坑角部区域下部相同的支撑轴力对上部的围护变形影响较大，进一步说明主动控制仍具有空间效应。

⑦最后一道支撑设计原为Ф609规格，改用Ф800规格钢支撑后，支撑轴力增加至350吨(Ф609钢支撑只能加载至250吨)，有效的控制了坑底下方的围护变形，验证了变形-影响性的“就近原则”。

可见，钢支撑轴力伺服系统作为基坑围护侧向变形主动控制的硬件已经比较成熟，但其使用方法还比较简单，主要用于支撑轴力损失后的轴力补偿，没有真正发挥出其作用。伺服系统能够实现支撑轴力的实时、主动调整，为建立全新的主动控制方法奠定了硬件基础，而基于结构影响性原理所提出的主动控制方法则奠定了主动控制的理论基础。通过对主动控制方法的理论研究和实践应用，得到以下结论：

(1)自动伺服控制系统可以实现条形基坑的多点同步加载，且能保持轴力不变，实现了二维设计理论与三维施工实践的统一。

(2)基坑设计侧重于结构安全，而施工控制则力求理论分析与实践结果的一致性，基坑施工控制的计算分析应当采用位移与轴力具有对应关系的计算方法。

(3)自动伺服系统既为基坑的变形控制提供了可靠的手段，同时又对传统的基坑变形控制理念带来了挑战。所提出的围护变形与支撑轴力双控、钢混支撑设计协调、环境保护与基坑安全并重、“时空效应”与伺服应用主辅分明的深基坑主动控制理念，综合考虑了软土基坑传统技术与伺服系统的特点。

(4)基于结构影响性原理所提出的基坑主动控制思路是通过轴力的主动改变来实现围护结构力学参数的调整，其中轴力-变形影响性、轴力相干性、轴力-流变影响性是结构影响性原理在基坑主动控制中的三大应用。

(5)对于地铁等长条形基坑，施工过程中的力学模型与设计模型不同，由于土方的分块开挖、围护结构纵向抗弯刚度与土体横向抗剪强度的存在，基坑的力学状态从最初的空间力学特性逐渐向平面应变状态转变。

(6)考虑到基坑工程的复杂性，静态单一目标法难以满足基坑的主动控制需要，所提出的动态多目标控制法较好的克服了上述困难，既可以提高变形控制效果又可以避免支撑轴力设置过大造成的基坑负向变形偏大。

(7)对于荷载结构模型中的平面弹性地基梁法，影响矩阵法可以精确的求解基于变形控制的支撑轴力；而对于地层结构模型中的有限单元法，基于围护变形控制目标与支撑轴力限值双控的试算法是一种有效计算方法。

(8)地层结构法与荷载结构法相比，地层结构法充分考虑了地下结构与周围地层的相互作用，能够较好的实现支撑轴力与围护变形的对应关系，因此可以用于基坑的主动控制。基坑主动控制包含以下内容：确定分析软件与本构模型、建立模型-参数识别-修正模型、确定基坑的目标状态、基于施工过程的动态模拟分析、控制实施、分析预测。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

S1、选择变形控制值；

S2、确定施工工况，建立基坑模型；

S3、根据基坑模型进行预测，通过分析确定围护结构变形目标值，并确定各根支撑轴力限值；

S4、变形和支撑轴力耦合，确定和调整各道和各根支撑轴力设定值；

S5、分层开挖，同时关闭上层对应支撑轴力自动补偿功能；

S6、判断各层变形是否满足要求，若不满足要求，则进入S7，若满足要求，则进入S9；

S7、调整本道支撑轴力；

S8、判断支撑轴力是否已达到支撑轴力限值，若未达到，则返回S5，若达到，则进入S9；

S9、以目前轴力值作为本道轴力控制值，以上层支撑变化后的轴力作为上层轴力控制值；

S10、开启支撑轴力自动补偿功能，直至本层开挖成功，进入下层开挖；

S11、判断基坑开挖是否开挖到底，若开挖到底，则进入S12，若未开挖到底，则返回S5；

S12、基坑开挖完成。

2.根据权利要求1所述的软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，S1中以影响范围内周边保护对象的最严要求作为变形控制值。

3.根据权利要求2所述的软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，所述基坑模型为二维平面模型，根据平面应变假定，

τ_xz＝τ_yz＝0；

σ_z＝μ(σ_x+σ_y)；

在Z轴方向没有应变，但其应力σ_z并不为零。

4.根据权利要求3所述的软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，S3中：围护结构变形目标值根据周边保护对象和基坑开挖深度确定，各根支撑轴力限值是根据压杆原理确定。

5.根据权利要求4所述的软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，通过影响矩阵法来实现基坑变形控制，影响矩阵通过对线弹性状态的迭代来计算得到的。

6.根据权利要求5所述的软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，影响矩阵法具体步骤如下：

受调向量为结构物中关心截面上m个独立元素所组成的列向量，这些元素一般由构件中的截面内力或位移组成，它们在调值过程中接受调整，以期达到期望状态，受调向量记为D，

D＝(d₁，d₂，…，d_m)^T；

施调向量为结构物中指定可实施调整以改变受调向量的l个(l≤m)独立元素所组成的列向量，施调向量记为X，

X＝(x₁，x₂，…，x_l)^T；

影响向量为施调向量中第j个元素x_j发生单位变化，引起受调向量D的变化向量，影响向量记为：

A_j＝(a_1j，a_2j，…，a_mj)^T；

影响矩阵为l个施调向量分别发生单位变化，引起的l个影响向量依次排列形成的矩阵，影响矩阵记为：

在影响矩阵中，元素是内力、位移等力学量中的一个，影响矩阵是这些力学量混合组成的；设结构中n个关心截面上期望的内力、位移组成的向量为{E}，关心截面中现有相应向量为{F}_d，调值计算就是通过改变n个施调元的力学量，使结构状态在关心截面处达到{E}，此时，结构受调向量为：{D}＝{E}-{F}_d，当结构满足线性叠加时，有：[A]{X}＝{D}。

7.根据权利要求6所述的软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，影响矩阵通过迭代来获得精确的计算结果的具体步骤如下：

①首先按线性结构进行第一次计算，根据A求得被调向量{X}₀；

②将{X}₀作用在结构上进行正装计算，求得{X}₀作用下的期望值{E}₀，从而计算出调整差值向量{ΔE}＝{E}-{E}₀；

③以②中形成的结构为基础，计算新的影响矩阵A，以{ΔE}作为调值向量，由[A]{ΔX}＝{ΔE}求得{ΔX}；

④令{X}＝{X}₀+{ΔX}，重复②～③的计算，当{ΔE}小于指定误差ε时{X}₀就是实际被调向量{X}的近似解；

在基坑工程中，施调向量为支撑轴力，受调向量为支撑轴力、围护结构关心截面处的内力或位移，也就是通过施调向量支撑轴力的调整来实现支撑轴力、围护结构变形和内力的调整；

令{F}_d为前一次预加轴力施加后各支撑的内力,第1次轴力施加时为0；A为影响矩阵；{X}为各支撑需施加的荷载，该荷载与各支撑已有的内力之和即为轴力施加控制值；{E}为设计要求的各支撑轴力，则有{F}_d+[A]{X}＝{E}；

对于基坑顺筑开挖而言，由于{F}_d＝0，通过影响矩阵迭代求得的{X}即为支撑轴力，由于在基坑开挖过程中支撑体系是逐步形成的，影响矩阵A为上三角阵，当基坑开挖结束轴力再调整而言，结构体系已基本形成，此时{F}_d≠0，影响矩阵A为满阵，其元素构成可按任意顺序形成，这种情况下{X}与支撑次序无关，但此时由影响矩阵A直接求得的{X}是轴力增量而不是轴力的施加值，而轴力施加值则需根据施工顺序重新求解。

8.根据权利要求1-7任一项所述的软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，支撑结构指安装了轴力伺服系统的钢支撑。

9.根据权利要求1-7任一项所述的软土地铁基坑开挖施工方法，其特征在于，调整支撑结构进行轴力调整是通过轴力伺服系统进行的。