深基坑的交互式设计 The interactive design of deep foundation pit

刘瑶

（上海长凯岩土工程有限公司）

摘要

本文介绍了交互式设计在岩体施工中应用的优点。根据岩体分类可以确定岩体的变形及强度特性，通过锚杆拉拔试验可以确定深基坑支护系统的特性。为了提高岩体深基坑的安全性，采用交互式设计是非常有利的，即对岩体位移进行原位测量，并与设计值进行比较。如果这些位移出现差异，可以采取应急措施来保证开挖稳定性。开挖初期的反演分析对确定设计几何形状和支撑体系的安全性也很有帮助。

关键字：交互式设计; 深基坑; 锚杆

1. 引言

在城区修建道路和建筑物时，在岩体中开挖时，唯一可以控制的参数就是开挖边坡。一般情况下，开挖边坡的开挖稳定性取决于围岩条件和隧道支护系统。在城市中，有时需要采用安支护系统进行垂直开挖，对支护系统的技术施工提出了严格的要求。

通过岩土工程勘察和岩体分类系统的应用，确定了岩体的变形能力和强度特征。然后就可以为岩体制作岩土工程模型，并进行稳定性分析和应力应变分析。支护系统的设计基于稳定性分析，它在开挖的各个阶段都提供了令人满意的安全系数。由于所述设计过程中所包含的岩体和支护系统特性的不确定性，特别是对于要求苛刻的岩土结构，有必要采用附加方法来保证结构的稳定性。

Hoek，Bray（1977）和Hoek，Brown（1980）提出了岩体切割的交互式设计方法。深基坑交互式设计应用于整个挖掘和支护系统的建设，并包括广泛的监测。交互设计中支护系统的选择由Windsor和Thompson（1992）提出，相应的锚杆选择由Stillborg（1994）提出。在施工过程中发现基坑失稳或稳定性不足时，需要重新设计基坑和（或）采用额外的支护措施。额外的支持措施包括修改或优化设计支持系统。

2. 交互式设计

2.1 工程地质填图

在交互式设计过程中，开挖位置的工程地质填图是第一步。岩体地质结构，包括岩体类型和所含结构面，是影响采掘稳定性的关键因素之一。

地面填图与露天开挖填图和勘察钻孔岩心样品分析应互相结合。因此，也有可能确定岩体中更深处的硬性较弱地带。在裂隙很大的岩体中进行深基坑开挖时，块体相对较小，因此必须考虑开挖深度对开挖稳定性的影响（Sjoberg，1996）。

2.2 测量监测

由于缺乏对岩体真实性态的了解，岩体在施工期间的变形通常比基于岩石分类系统相关性的应力-应变分析预测的变形要大得多（kovačević等，2005）。为了充分了解深基坑开挖和支护系统施工过程中岩体的性态，有必要采用额外的方法。

交互式设计的实现须在开挖和支护系统施工期间进行监测，包括基准网的测量，及用倾斜仪和引伸-变形计测量岩体位移。这些测量使得通过应力-应变反演分析确定岩体变形模量值成为可能。

2.3 反演分析和应急措施

监测结果可以对各开挖阶段的支护岩体性状进行反演分析。应力应变分析与锚杆安装激励力的实测结果相比，岩体变形模量值更为准确。这种新的稳定性分析方法通常采用极限平衡法，利用已安装锚杆的实测承载力进行分析，得到的安全系数比设计前的安全系数要可靠得多。

如果反演分析表明原来的设计不够安全，可以采取应急措施。这些措施包括对锚杆施加预应力，在开挖岩体中安装额外的锚杆和/或改变下一个开挖阶段的开挖几何形状。

3. 案例分析

2001年在克罗地亚里耶卡进行了一次深基坑挖掘，历时9个月，用于建造地下车库和高层建筑。施工地点位于南面一条铁路与北面波美里奥街之间，面积90米×60米，挖掘最深、最复杂的部分在工地北侧，靠近波美里奥街及周围建筑物。这部分挖掘几乎是垂直的，深21米，并建造了7米高的石墙来支撑挖掘（见图3-1和图3-2）。

图3-1 里耶卡北侧的深基坑

图3-2 里耶卡东侧的深基坑

经地质填图和岩土工程勘察，确定了岩体的变形性和强度特征。稳定性分析表明，开挖必须采用梁交叉处加自钻锚杆的钢筋混凝土梁来支撑。对所选开挖体型和所选支护体系进行了应力应变分析，给出了预期的岩体位移。

北侧开挖进度监测采用16m长的水平变形计和25m长的垂直测斜仪（图3-3）。开挖根据大梁的垂直间距分阶段进行，每个阶段高2米。在每个开挖阶段完成后和开挖完成后15天进行位移测量。

图3-3 里耶卡的深挖、支护系统和测量设备

应力应变反演分析从基于RMR分类的岩体设计变形特性出发，通过现场控制拉拔试验确定锚杆刚度。由此产生的位移高达0.50mm，接近设计值，但远小于原位测量的高达7mm（图3-4）。为了使计算位移与实测位移相匹配，在后续的反演分析中需要将岩体弹性模量降低20倍。

最终的应力应变分析给出了岩体中的应力状态和锚杆中的激励力。通过对这些力应用适当的安全系数，可以确定稳定性分析所需的锚杆参数。稳定性分析表明，所设计的开挖体型是安全的。

图3-4 垂直倾斜仪位置的水平位移结论

由于根据岩石分类系统确定的设计岩体强度和变形特性，在要求苛刻的岩土结构施工过程中，不能提供足够可靠的岩体性状信息，因此有必要提供额外的安全措施。在岩体中进行深基坑开挖，还需要对支护系统的特性有更多的了解，特别是对锚杆的实际受力有更多的了解。

最终的反演分析给出了合适的岩体变形特性，这些特性通常与最初设计时通过岩石分类系统确定的岩体变形特性有很大的不同。它还给出了锚杆的实际受力，这些力在应用所需的安全系数后，用于新的稳定性分析。这种分析是非常有用的，因为它可以比原来的计算更可靠地确定开挖安全系数。当新安全系数低于要求时，可按原设计变更开挖进度。

交互式设计的优势是显而易见的，但它仍然没有得到很好的应用。反演分析特别少使用。本文旨在推进交互式设计的使用，确保将监测纳入要求较高的岩体岩土结构工程中，并强调在原设计中加入可能的应急措施的必要性。

参考文献

[1] C. Amstad, K. Kovari, J. Koeppel, TRIVEC – Measurement in Geotechnical Engineering, 2nd Int. Symp. On Field Measurements in Geotechnics, Sakurai (ed.), Rotterdam, Balkema, 17-32, 1988.

[2] Ž. Arbanas, The influence of rockbolts on the rock mass behavior during excavation of deep cuts, MS Thesis, Faculty of Civil Engineering, University of Zagreb (in Croatian), 2002.

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[4] Ž. Arbanas, Prediction of supported rock mass behavior by analyzing results of monitoring of constructed structures, Ph.D. Thesis, Faculty of Civil Engineering, University of Zagreb (in Croatian), 2004.