寧波地區軟土地區地鐵車站深基坑變形控制與監測指標體系研究

寧波市位于東海之岸，杭州灣南岸。寧波河、姚河和化洪河交匯處。地形平坦，屬于典型的軟土地區。系自第四紀中期開始,在多次海陸變遷歷史中,由陸相到海陸交互相的海積、沖海積、濱海沼澤相松散沉積物。寧波地區軟土厚度大于25m,顏色為灰色或深灰色,軟塑~流塑狀態,其天然含水量高(34%~58%),土體幾乎完全飽和(飽和度均大于94%)。與其他地區軟土相比,寧波軟土與國內外軟土具有異同性。相同點是軟土普遍具有天然含水量高、壓縮性大、強度低、滲透性差等特點,不同之處在于寧波軟土的抗剪強度指標變化范圍大,這一點與溫州軟土具有相似性,另外寧波軟土工程地質性質往往劣于北部的天津、上海軟土,而優于南部的溫州、湛江、廣州軟土。自2000年以來,隨著人口的迅猛膨脹,經濟和城市建設的迅速發展,寧波越來越重視對城市地下空間的開發和利用,如地下停車場、地下商場、地下民防工事等,由此產生了大量的軟土基坑。由于地質條件普遍較差,多為淤泥質軟粘土,寧波市在軟土基坑圍護設計、施工方面積累了較豐富的實踐經驗,現有的基坑工程實踐中排樁加支撐圍護結構形式約占基坑工程總量的82.6%。迄今為止,寧波地區的基坑工程經驗主要在民用基坑方面,其深度普遍小于16m,且圍護結構以排樁加支撐為主,鮮有地下連續墻、SMW等工法。自2008年寧波軌道交通開始建設以來,地鐵車站基坑深度均超過16m,甚至達到24m,且基坑支護以地下連續墻為主。雖然寧波地基坑工程技術已經比較完善,深基坑開挖的經驗也比較豐富,但是如何有效控制由于軌道交通車站深基坑開挖引起的基坑變形及周邊地表沉降,盡量減小基坑工程施工對周圍環境的影響仍是國內所有城市的軌道交通建設者共同面對的問題,寧波尚未有足夠的經驗,在控制變形、確保安全等方面更是小心翼翼。由于寧波地區地鐵車站深基坑工程的設計和施工方面的信息尚未形成體系,有關經驗數據的積累也還是空白,基坑開挖時圍護結構體的受力和變形特點、基坑開挖對周邊環境的影響等,更有待于深入開展研究。因此,在寧波地區進行軌道交通的深基坑工程施工不能照搬其他軟土地區的經驗,應該在借鑒的基礎上進行創造性的探索,總結一套屬于寧波的實際經驗,并加以發展。寧波軌道交通1號線一期已建和在建車站距離既有建筑10m遠已很普遍,最近距離甚至在6m左右,這就要求在保證基坑本體安全、穩定的同時還要控制其變形對既有建筑產生的影響。隨著工程經驗的不斷積累、設計計算理論的逐漸完善以及施工管理水平的日益提高,由于基坑圍護結構強度不足或插入深度不夠、支撐體系失穩以及基坑流砂等原因導致的基坑的失穩破壞、坍塌等事故相對來說比較少見,主要的事故類型是變形超過控制范圍造成基坑四周房屋開裂、馬路沉陷、城市地下公用管線斷裂及臨近軌道交通設施因變形、開裂以至影響正常使用等。因此,研究深基坑卸載變形及如何有效控制其變形相較于基坑圍護結構的強度和穩定性研究更有實際意義。為此,本文以寧波軌道交通已建和在建的14個地下連續墻圍護主體結構,以混凝土支撐和鋼支撐為支撐體系的基坑為研究對象,以現場實測數據、工程資料和施工工況為基礎信息,初步探索寧波軌道交通車站深基坑的連續墻變形控制實踐及有關成果,并提出發展方向,為寧波軌道后續基坑以其它深基坑的設計和施工提供技術支撐和借鑒。1國內關于深基坑支護的研究方法基坑工程是土力學基礎工程中一個古老的傳統課題,又是一個綜合性的巖土工程問題,早在20世紀30年代就受到各國學者的關注,之后的很長時間里得到了深度上和廣度上的研究。基坑工程在我國的廣泛出現始于20世紀80年代,特別是在全國掀起建設軌道交通的熱潮后,深基坑工程的建設規模史無前例。一般而言,我國對深基坑的定義是開挖深度超過5m(含5m)或深度雖未超過5m,但地質條件和周圍環境及地下管線特別復雜的工程。根據其施工、開挖方法等又可將深基坑分為無支護開挖基坑和有支護開挖基坑。軌道交通的深基坑工程多采用有支護開挖方式。目前,基坑工程的研究課題主要包括土壓力理論、基坑時空效應研究、支護體系內力和變形控制、基坑開挖與穩定性變形機理、周圍建(構)筑物的安全和變形控制、相關地下管線的安全和變形控制、地下水的治理措施等方面。由于基坑工程具有鮮明的地域性和個性,因此在應用上述研究成果時仍需進行一定的驗證,有關理論尚待完善。通過研究現有的大量文獻資料和科研成果,發現基坑支護體系內力和變形控制的研究方法主要歸納為理論分析、實驗仿真和經驗總結三種。理論分析包括各種數值模擬和解析方法;實驗仿真包括室內模型實驗和現場原位測試;經驗總結即根據已有的工程數據庫中的監測數據進行總結、提煉。1.1基于基本工程理論的分析和對數值模擬的研究1.1.1基坑地表沉降在正行礦軟土支護墻后的垂直變形早期,Terzaghi、Milligan、Peck等通過試驗研究,并將有支護圍護墻和重力式擋土墻墻后土體移動作了對比,研究了基坑周邊土體的移動機理,提出對不同土層分析墻后地表沉降和沉降范圍的經驗關系曲線以及相應的經驗估算方法。Lambe定性地分析了影響坑外土層變形的各種因素,并歸納為8個方面:(1)基坑長度、寬度和深度;(2)土的工程性質;(3)地下水條件;(4)基坑暴露時間;(5)支撐系統;(6)開挖和支撐順序;(7)鄰近結構和設施;(8)活荷載。國內,侯學淵等根據墻體水平位移和地表沉降相關的原理并借用三角形沉降公式的思路提出了基坑地層損失法的概念,采用桿系有限元法或彈性地基梁法,然后依據墻體位移和地面沉降二者的地層移動面積相關的原理,求出地面垂直位移即地面沉降。李佳川利用三維有限元對采用地下連續墻與鋼支撐作為圍護結構的基坑工程的坑周位移場進行了計算,研究了坑底位移場的分布規律。韓云喬通過對南京地區一百多個基坑(深度6m以上)支護結構設計的審查,和根據基坑開挖后對周圍環境的調查和監測資料,討論與分析了基坑開挖后的地層移動機理及其影響因素。李亞對地層補償法進行了修正,對于軟粘土引入了收縮系數,并給出了位移場曲線部分的土體位移表達式。楊國偉運用非線性邊界單元模擬考慮時空效應的基坑被動區等效水平抗力,用三維子結構有限元方法進行了考慮時空效應的基坑有限元分析,取得了較好的效果。同時,他還對超載作用下的坑周地表沉降進行了研究。分析了超載的大小、超載埋置深度、抗隆起安全系數、擋墻變形性態等因素對地表沉降的影響。對地層補償法進行了修正,得出了超載作用下地表沉降由簡單位移場、修正的補償位移場和超載位移場組成。簡艷春應用有限元分析了一系列軟土基坑工程典型實例,根據計算結果和實測值,提出了軟土基坑墻后地表沉降的概化分布曲線。按照地層損失法思路,推導了由支護墻側向變形值求解墻后地表沉降的適用公式。高文華通過對軟土基坑現場位移監測資料的比較分析及數值分析,詳細探討了不同的分步開挖工況條件下坑底和坑周的地層移動規律。1.1.2時間效應的應用在處于具有流變地層的基坑中,土的流變特性對于基坑的變形控制至關重要,特別是對變形控制要求高的基坑工程中更為突出。由于土的流變特性,即使在同一工況下,基坑的圍護結構變形也會隨著開挖暴露時間的延長而增大,直到穩定或引起基坑因變形過大而破壞。夏冰等通過室內流變試驗,對上海地區飽和灰色粘土和淤泥質粉質粘土的流變特性進行研究,并建立其本構模型。然后應用其試驗結果對基坑工程進行流變時效分析。姜朋明等分析了深基坑開挖過程中基坑變形的時間效應,認為在飽和軟土地區,時間效應對基坑變形影響較大,在設計施工過程中應充分考慮時間效應,加強對現場監測,進行信息化施工組織。吳興龍等指出在基坑設計工作中,應充分考慮時空效應,做到“隨挖隨支”,約束其變形的產生,減小土體強度衰減,增加圍護結構的穩定性和安全性。陳洋運用線性粘彈-粘塑流變模型編制有限元程序對上海永銀大廈深基坑工程進行了嚴格的模擬,認為在軟土地基條件下深基坑開挖工程的自身安全及對相鄰環境的影響程度與開挖時間密切相關。應宏偉等將Biot固結有限元法應用于飽和軟粘土地基深基坑性狀的研究中,分析了土體超靜負孔壓的分布和分步開挖工程中的固結效應,闡述了開挖速率的影響。覃海嬰等考慮應力路徑對軟粘土應力與應變關系的影響,在粘彈塑性本構模型的基礎上編制二維有限元程序。對一組開挖時間與間歇時間不同的基坑工程進行分析,得到支護體系變形的時間效應及一些規律。張燕凱等運用曲線擬合方法并考慮土體蠕變等特點,初步建立考慮開挖深度和時間效應的土壓力計算公式,為土壓力的計算分析提出了一種新思路。張偉等介紹了利用土體的流變曲線確定其流變本構模型和模型參數的過程,對土體的粘彈塑性流變問題進行了有限元分析,編制了考慮土的流變特性的深基坑支護樁有限元計算程序,進行了實例計算。吳波等使用基于彈-粘塑性模型的三維有限元程序對某城市淺埋隧道工程在開挖過程中地表和圍巖的變形進行了分析,認為進行時空效應分析是非常有必要的。1.2根據每一個基坑工程實際監測的數據分析基坑工程的復雜土層性狀決定了不可能僅通過實驗研究完全確定基坑參數,指導基坑變形等各方面的設計和施工;同樣的,理論分析得到的模型也只能適用于某一特定地域和某一特定性質的基坑工程,而根據一個基坑制定一個模型再分析判斷其變形等是不切實際的。因此,根據每個基坑工程實際監測的數據總結和提煉出有關規律成為現階段最為常用的方式。這就對基坑工程的監測技術及數據準確性以及數據挖掘的技術提出了非常高的要求。1.2.1規則發現方法數據挖掘(DataMining),又稱數據庫中的知識發現,就是從存放在數據庫、數據倉庫或其他信息庫中的大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機的數據中,提取隱含在其中的、人們事先不知道的、但又是潛在有用的信息和知識的過程。近年來,隨著計算機技術的快速發展,數據挖掘技術(如人工神經網絡、遺傳算法和非線性回歸分析等方法)也被巖土力學與工程界的專家學者所重視和采用,在探索工程變形、保證工程安全方面發揮了一定的作用。數據挖掘技術的應用領域一般具有如下2個特點:有大量、充足的相關數據;需要基于知識進行判斷決策,在一些事實或觀察數據的集合中尋找隱含的規律和決策支持的過程。因此,數據挖掘技術完全可以應用于巖土工程領域,因為在進行巖土工程或地下工程建設中,要遇到大量的關于地質、結構等方面的數據,但由于客觀或主觀的原因,這些數據信息大都具有很大的模糊性和隨機性;要對這些數據運用常規的數學手段進行處理,難度相當大,處理結果也可能不大符合實際情況;且可供分析選擇的變量個數也很多,各變量間的關系又錯綜復雜,往往難以確定它們間的相互關系。數據挖掘方法可分為機器學習方法、統計方法、神經網絡方法、數據庫方法和可視化等幾種。1)關聯規則挖掘。挖掘關聯規則就是發現存在于大數據集中的關聯性或相關性。用于產生關聯規則的方法有Apriori算法、AprioriTid算法和Fp-growth算法等。關聯規則一般應用在事物數據庫中,其中每個事物都由一個記錄集合組成。這種事物數據庫通常都包括極為龐大的數據,因此當前的關聯規則發現技巧正努力根據基于一定考慮的記錄支持度來削減搜索空間。其中的支持度是一種基于用戶事物在事物日志中出現的數目的度量。肖利等提出了挖掘轉移規則,用以彌補了關聯規則的不足,使得在特定的情況下,具有一定的普遍性和實用價值,可以為決策者提供一個新的預測模型。2)人工神經網絡方法。人工神經網絡技術的研究始于20世紀40年代,迄今為止,經歷了由興起、蕭條到繁榮這3個階段。人工神經網絡由大量并行分布式處理單元(人工神經元、處理元件、電子元件、光電元件)經廣泛互連而組成,用來模擬生物神經系統的結構和功能,它以MP模型和HEBB學習規則為基礎,建立了三大類神經網絡模型:前饋式、反饋式、自組織網絡,可以完成分類、聚類、特征挖掘等多種數據挖掘任務。3)決策樹方法。決策樹起源于概念學習系統CLS(ConceptLearningsystem),其思路是找出最有分辨能力的屬性,把數據庫劃分為許多子集(對應樹的一個分枝),構成一個分枝過程,然后對每一子集遞歸調用分枝過程,直到所有子集包含同一類型的數據。最后得到的決策樹能對新的例子進行分類。決策樹方法用樹枝狀展現數據受各變量的影響情況的分析預測模型,根據對目標變量產生效應的不同而制定分類規則。決策樹的建立過程是數據規則的生成過程,因此這種方法實現了數據規則的可視化,其輸出結果容易理解、精確度較好、效率較高,因而較常用。常用的方法有分類及回歸樹法(ClassificationandRegressionTrees,簡稱CART)、卡方自動交互探測法(Chi-SquareAutomaticInteractionDetector,簡稱CHAID)等。4)遺傳算法。遺傳算法是一種仿生全局優化方法。它模擬生命進化機制,將較劣的初始解通過一組遺傳算子,在求解空間按一定的隨機規則迭代搜索,直到求得問題的最優解。在遺傳算法的實施中,首先要對求解的問題進行編碼(稱為染色體),產生初始群體,然后計算個體的適應度;再進行染色體的復制、交換、突變等操作,產生新個體。重復這個操作,直到求得最佳或較佳個體。在數據挖掘中,往往把數據挖掘任務表達為一種搜索問題,使用遺傳算法強大的搜索能力,找到最優解。遺傳算法具有許多不同于傳統方法的優點,以至它在復雜的問題優化、模式識別、工程設計、控制系統優化及社會科學等許多領域得到廣泛的應用,并取得了較好的效果。遺傳算法具有的隱含并行性、易于和其它模型結合等性質,使得它涉足于數據挖掘領域。近年來,它在數據挖掘中的應用也引起了人們的關注。5)統計學方法。統計學方法通過回歸分析、時間序列、判別分析、因子分析和聚類分析等統計分析方法,可以從抽樣分析中提取未知的數學模型。在數據挖掘中常常會涉及一定的統計過程,如數據抽樣和建模、判斷假設以及誤差控制等,它主要是對高級多元統計方法應用的拓展和深化。統計學方法是數據挖掘研究的重要途徑之一。6)粗集方法。在數據挖掘中,從實際系統采集到的數據可能包含各種噪聲,存在許多不確定因素和不完全信息有待處理。傳統的不確定信息處理方法,如模糊集理論、證據理論和概率統計理論等因需要數據的附加信息或先驗知識(難以得到),有時在處理大數據量的數據庫方面無能為力。粗集作為一種處理含糊和不確定問題的新型數學工具,可以克服傳統不確定處理方法的不足,并且和它們能有機結合,可望進一步增強對不確定、不完全信息的處理能力。粗集作為一種數據分析的方法首先由Pawlak提出,具有較強的數學基礎、方法簡單、較強的針對性和計算量小等優點,在知識獲取和數據挖掘中得到了廣泛的應用,為數據挖掘提供了理論基礎。利用粗集理論可以處理的問題包括數據簡化、數據相關性發現、數據意義的評估、數據的近似分析等。1.2.2基坑支護側向變形的特性Mana通過對幾個粘性土中開挖工程現場觀測資料的分析發現,在普通的施工條件下,墻體最大側向位移與基坑的抗隆起安全系數存在著某種確定的關系。據此結合有限元計算對工程經驗進行了簡化,提出了穩定安全系數法,用于估算圍護結構和墻后地面的最大位移值。具體性狀如圖1所示。Thomas通過對大量實測數據和模型試驗結果的比較,得出墻體位移與地表沉降的變化規律,即墻體位移與地面沉降之比的極限值對于支撐式基坑約為0.6,而對于懸臂式基坑則為1.6。Clough等對在軟至中軟粘土中的基坑進行研究,給出了最大側向變形與系統剛度及基坑抗隆起安全系數三者之間的關系圖,如圖2所示。圖2中的2個區域分別是對采用板樁支護和采用地下墻支護的2種基坑的說明。在相同的抗隆起安全系數的條件下,使用板樁支護的側向變形要比采用地下墻支護的要大。當基坑抗隆起安全系數低于1.5時,最大側向變形增加得非常快。Hashash通過采用MIT-E3模型對在Boston的隧道工程和臺灣的快速交通線中軟粘土深基坑工程開挖性狀的預測,達到了對基坑周圍的建筑設施的保護。圖3給出了其側向最大變形數值分析結果的總結,認為最大側向變形可以被總結成開挖深度和支撐間距的函數。OU等通過臺北的10個基坑工程變形的實測數據,統計了地表沉降與墻體變形的關系,指出開挖引起的地表沉降形態有凹槽型及三角槽型兩種,最大墻體變形與最大地表沉降的比值處于0.5~1.0之間。將地表沉降范圍分為主要沉降區和次要沉降區,并給出了基坑中部(可簡化為平面應變狀態)截面處的地表沉降槽公式。在國內,以非線性的Biot固結理論為基礎的有限元和無限元耦合計算方法,結合若干工程實測資料,在Peck估算隧道上方地表沉降經驗公式的基礎上假定地表沉降曲線與支護側移線形狀相似,將墻體變形分為三角形和拋物線形這2種模式,并分別給出了估算地表沉降的經驗公式,在上海及其它軟土地區得到廣泛的應用,例如曾國熙、Tsui、Yong、劉國彬。呂少偉通過對基坑實測位移場的研究發現,地下墻后土體水平位移分布模式主要可以分為2個區:一個是塊體滑動區,該區水平邊界距離地下墻大約為1/3倍挖深,垂直邊界約為地表下1倍挖深,該區內土體水平位移沿水平方向基本不變,呈現整體滑動的特性;另一個是線性遞減區,該區水平邊界距離地下墻大約是1倍挖深,垂直邊界約為2倍挖深,該區內土體水平位移沿水平方向線性遞減到0。另外,地下墻后土體垂直位移分布模式大致也可以分為2個區:一個是整體沉降區,開挖面以上至地表范圍內的土體沉降值沿深度近似相等,各深度處沉降曲線近似等于地表沉降曲線;另一個是線性遞減區,開挖面以下至2倍開挖深度處,土體沉降值隨深度增加,逐漸線性減小為0。1.2.3基坑開挖對相鄰建筑物的影響楊國偉結合上海地鐵2號線河南中路以及157地塊施工時,東海商都的保護采用了考慮時空效應的三維有限元模型進行深基坑分析,采用等效水平基床系數,計算結果與實測值吻合較好。研究發現超載會顯著改變基坑周圍的地表位移場。王利民等依據上海外灘金融中心的深基坑工程施工監測結果,分析了基坑開挖引起周圍建筑物的沉降變形影響范圍、沉降量與距基坑的距離以及圍護結構和土體的水平位移之間的關系、地表沉降與圍護結構水平位移之間關系等。趙永勝等針對某工程施工,介紹了具體的監測手段和監測方法,并就獲得的監測資料,分析了基坑開挖施工的各個階段對相鄰建筑物的影響。BrysonLindseySebastian通過對芝加哥國家地鐵工程在FrancesXavierWardeSchool段引起的校舍開裂及支護結構的變形進行研究,指出在軟土地基中應用剛性支護進行深基坑開挖對近鄰建筑物的影響,并說明建筑物自重預沉降是支護結構開裂的函數。陳觀勝等結合工程實例探討了深基坑開挖對周圍建筑物的影響問題及其保護措施。朱奎等聯系工程實例,定性分析了深基坑開挖對鄰近建筑物的影響問題,探討了建筑物剛度變化對抵抗基坑施工影響程度的變化。在各種結構形式的建筑物中,框架結構的建筑物受影響程度相對較小,磚混結構的建筑物次之,框架加磚混結構的建筑物受影響程度最大。2軟土深基坑變形特性數據庫在對國內外深基坑工程理論、試驗和數據分析的基礎上,本文對寧波地區軟土深基坑的變形規律進行研究。通過收集寧波地區已完成的14個地鐵車站基坑工程的實測數據,進行數據挖掘,并采用統計的方法對寧波地區軟土深基坑變形特性進行研究,以獲得地下連續墻支護深基坑的變形規律。數據庫包含兩部分:第一部分是基坑的基本信息,包括工程名稱、圍護結構方式、水平支撐類型及道數、基坑開挖深度(H)、軟土厚度(hs)、圍護結構的深度(Hw)和圍護結構單位長度上的抗彎剛度(EI);第二部分是基坑的變形信息,包括首道支撐的深度位置(h1)、平均支撐間距(h)、墻體最大位移(δhm)、最大側移的深度位置(Hδhm)、最大地表沉降(δvm)、墻后最大地表沉降的位置(dδvm)、墻后沉降的影響范圍(dv)、坑底抗隆起穩定系數(FS)、墻頂回彈、立柱回彈和墻頂側移。3基坑變形控制基坑工程圍護結構設計采用的理論、施工方案、土方開挖的正確與否以及施工質量的好壞等都是深基坑變形的影響因素,由此可見深基坑工程是一門理論和實踐緊密聯系的學科。上一節對寧波軌道交通車站深基坑的連續墻變形規律進行研究。事實上,基坑連續墻的變形情況可通過監測數據的變化得到體現。當監測數據顯示的變化情況呈現出符合現有一般規律的狀態時,可以認為工程是正常的;反之則是異常或者危險的。通過將實際的監測數據與既定的基坑工程變形控制指標進行比較,能夠快速、簡便的判斷基坑的安全狀況:當監測數據在定量化警戒指標容許的范圍之內時,可以認為工程是正常和安全的,并對周圍環境不產生有害影響;當超過預警值的基坑工程,不一定就必然破壞,但必定是需要引起警覺。因此建立一個定量化的變形控制指標對于軌道交通車站深基坑工程的連續墻變形監控意義重大。由于設計理論的不盡完善,軌道交通車站深基坑工程明顯的區域性和個性,即使在同一城市其不同區域的工程地質和水文地質條件也不同,每個基坑相鄰構筑物及地下管線的位置、抵御變形的能力、重要性以及周圍場地條件更是各不一樣,以及個人的認知能力和經驗還不是十分充分等原因,要建立一套合理、科學的變形控制指標是一項十分復雜的研究課題。如果控制指標制定的過大,可能導致思想麻痹;過小則可能造成不必要的浪費。近年來,國內對復雜地質條件下基坑工程設計已由強度控制轉變為變形控制,其中變形控制的關鍵就是合理地確定基坑變形控制指標。建筑基坑工程監測技術規范、建筑地基基礎工程施工質量驗收規范、基坑工程技術規范以及地區性的規范,例上海地區的地基基礎設計規范和上海地鐵基坑工程施工規程分別就其定義的安全等級和基坑等級提出了不同的變形控制指標,此外還有廣東地區、深圳地區的規范等。對于基坑施工產生的變形及其環境影響效應的控制,我國目前國家及地方有關標準較多是以控制基坑支護結構中的支護樁(墻)的最大變形。1)《建筑基坑工程監測技術規范》GB50497-2009。以圍護樁(墻)為例,將基坑分為一級~三級,當無經驗時,分別控制樁(頂)的最大水平位移報警值分別為25mm~30mm、40mm~50mm、60mm~70mm,深層水平位移報警值(灌注樁)分別為45mm~50mm、70mm~75mm、70mm~80mm。并規定了鄰近建筑物的位移報警值10mm~60mm,建筑物裂縫寬度報警值1.5mm~3.0mm。可以看出,關于建筑物的位移報警值的范圍較大,技術人員難以把握,而建筑物的裂縫寬度報警值似乎也較大。然而,對于圍護結構的最大變形來說,某些情況下,一級基坑45mm~50mm的規定顯得過大。2)《建筑地基基礎工程施工質量驗收規范》GB50202-2002。將基坑分為一級~三級,當設計有指標時,以設計要求為依據,如無設計指標時,應按表2的規定執行。對于一級基坑,圍護結構墻體最大位移監控值可達5cm,似乎過于寬松,且與基坑開挖深度似乎沒有建立關系。3)《基坑工程技術規范》DG/TJ08-61-2010,J11577-2010。當基坑周圍環境沒有明確的變形控制指標時,可根據基坑的環境保護等級參考表3基坑變形的設計控制指標。根據基坑監測規范及國內典型軟土地區的監測變形控制標準(表4~表6),并結合寧波地區深基坑工程實踐,第一方監測方案給出了本次監測的報警值,規定如下。基坑變形控制指標在基坑施工監測過程中就體現為預警、報警值等形式。所謂預警值就是對監測項目的物理量預先確定一個量值,當達到這個量值時,認為基坑工程處于警戒狀態,需要引起密切注意,以判斷相關值是否會超過允許的范圍,從而借此判斷基坑工程是否處于安全的狀態,是否需要采取必要防范措施。由此可見,基坑變形控制指標的確定是一個極其嚴肅的技術問題,控制指標取得過大,可能導致思想麻痹,過小則可能造成不必要的浪費,恰如其分地確定控制指標,是一個非常值得探討的課題。對于每一個具體工程面而言,其值不盡相同,只能在相關技術規范基礎上,根據具體工程確定。本節在現有規范基礎上,結合寧波軌道交通工程實踐,擬對變形控制指標的制定進行探索。3.1監測數據安全評判軌道交通建設施工過程中,變形監測貫穿于始終,不論是安全狀態還是風險狀態,都會在監測數據上有所反映。現有工程的危險判別與安全標準也多由直接比較監測數據與控制指標給出,這是由于根據各變形之間的關系與變化規律,通過一系列計算來綜合分析多方面的變形影響因素進而評判工程安全與否這一過程對于施工現場而言太過復雜和消耗時間,不便于實際應用。通過合理限定監測數據的控制值,我們可以判斷連續墻變形位移或受力狀況是否會超過允許的范圍,判斷工程施工是否安全可靠,是否需要調整施工工序或優化原設計方案的依據。軌道交通車站深基坑連續墻變形控制指標的研究可分如下3個階段開展:第1階段,以寧波軌道交通設計規定警戒值及設計計算最大變形和內力為基礎,綜合比較選取與寧波地質條件、施工工法相似的有軌道交通建設經驗的城市的相關監控指標為參考,進行施工中監測數據的分析與安全評判。第2階段,隨著工程的實施,監測數據的不斷增多,可統計工程不同階段工況下各監測項目所出現的累計最大值和速率最大值,在確認工程安全的前提下,若該最大值超出原先警戒指標則可對同等條件下的類似工程更新警戒值。在工程進行一定階段,條件成熟時,做適量數據統計與挖掘工作,尋找數據變化規律,以此得到更為可靠與實用的警戒指標體系。第3階段,工程結束后的數據總結階段,對監控所有工點的監測數據進行全面整理,按照工程特征參數對工程進行分類,按照類別對監測數據進行數據挖掘分析,從中提取規律,并確立一套經工程實踐檢驗有效的安全評判指標體系,為后續寧波的地下工程建設安全風險監控與管理提供依據。3.2變形控制指標研究變形控制指標根據監測對象的不同,可分為周邊環境控制指標和支護結構控制指標。本文只討論寧波軌道交通車站深基坑連續墻的變形控制指標研究,因此相應的研究內容包括地下連續墻墻頂水平位移和墻體變形等。軌道交通車站深基坑變形控制指標的制定主要受施工工法、工程自身特點、結構類型、結構受力情況等因素的影響。變形控制指標的形成可分為前期準備和數據挖掘兩個階段。下面分別加以說明。3.2.1史最大變形速率1)數據挖掘目標的確定。數據挖掘目標的確定需要建立在對基坑工程施工過程與工程風險發生情況充分認識的基礎上。一般深基坑工程的基坑保護等級、施工規范程度、測斜監測數據以及基坑狀態等信息間是相互聯系和相互影響的,他們綜合影響了基坑工程的安全狀態,如圖11所示。數據挖掘的目標全部圍繞圖11內容展開,包括研究測斜累積變形與變形速率的概率分布特征;探尋基坑狀態與測斜監測數據間的關系;軌道交通基坑連續墻變形控制值的確定。(1)研究測斜累積變形與變形速率的概率分布特征。測斜監測數據的數據量非常龐大,因此將其歸類為日最大累積變形、歷史最大累積變形、日最大變形速率和歷史最大變形速率四類,作為本次數據挖掘的主要指標。其中日最大累積變形與日最大變形速率能夠反映基坑狀態的發展變化,揭示基坑施工過程中的變形規律;歷史最大累積變形和歷史最大變形速率反映了基坑風險發生的狀況,可用于連續墻變形控制值的確定。深基坑連續墻的變形發展受很多因素影響,累積變形和變形速率均可看成一個概率事件。上述4個挖掘指標在概率分布上即會呈現一定的數字特征,研究這些數字特征對加深對基坑工程的理解、指導施工實踐將會有積極作用。(2)探尋基坑狀態與測斜監測數據間的關系。借鑒前人的研究將基坑狀態分為3種情況:i)基坑放置期間的基本穩定平衡狀態;ii)正常施工過程中的可控失穩狀態;iii)工程危險時的不可控失穩狀態。其中第1種狀態最為常見,而第2種狀態發生的概率較小,第3種狀態發生的概率極小,一旦發生,即有可能引起工程事故。通過測斜數據的挖掘工作,找出不同基坑狀態下,累積變形和變形速率的不同變化情況,從而在監測數據和基坑安全狀態間建立明確的關系,對于風險的判別和安全警戒值的確定將會有很大幫助。(3)軌道交通基坑連續墻變形控制值的確定。根據上述數據挖掘,結合工程實際出現的風險次數,二者對照,即能夠給出考慮實際風險的連續墻變形控制值,包括最大累積變形和最大變形速率兩個指標。2)數據的篩選與采樣。數據的篩選與采樣是數據挖掘最重要的工作之一。采樣的好壞會對結果的正確性產生決定性的影響。根據基坑工程施工過程中變形發展的一般規律,可以采取如下限定措施對監測數據進行采樣:(1)剔除累積變形大于180mm的測斜數據點。(2)計算變形速率時,僅對同工程、同孔、同測點相鄰時間間隔為1d的數據進行計算。(3)本次挖掘以施工過程中的變形規律和安全警戒值的探討為主,因此施工工期以從開始開挖到底板澆注的時間段來計,一般3個~6個月;數據挖掘程序設計時,以連續兩次量測間隔小于3d為施工結束時間。(4)剔除施工工期小于25d的測孔數據。(5)剔除明顯輸入錯誤的測孔監測數據。3.2.2測斜與變形速率的相關性分析1)挖掘指標的確定。根據上述數據挖掘目標的內容,確定將測孔的日最大累積變形、歷史最大累積變形、測孔日最大變形速率、歷史最大變形速率四項指標作為本次數據挖掘的指標。考慮到這4個指標數據量略小,也為了更準確的探索基坑變形發展的規律,另加一個測點日變形速率作為指標,可與測孔日最大變形速率和歷史最大變形速率作對照。2)測孔最大累積變形的數據挖掘。將測孔的最大累積變形分成兩種情況:一是測孔施工工期內每天的累積變形的最大值;二是測孔量測歷史上出現的最大累積變形。測孔日最大累積變形,與測孔日最大變形速率相對應,它們的發展趨勢能反映基坑狀態的改變。歷史最大累積變形的水平能夠反映基坑設計和施工過程中不合理因素影響的多少和工程危險發生的次數具有較大相關性。(1)測孔日最大累積變形的數據挖掘。將測斜數據樣本中的各工程的測孔按照施工工期的順序,統計每個測孔施工期內的日最大累積變形。考慮到各個工程基坑開挖深度的不同,不能直接用測斜的最大值進行比較,因此可將日最大累積變形除以基坑開挖深度換算為日變形比。統計日變形比的出現次數和概率分布情況,求得測孔日變形比的平均值、方差、標準差。如果要更清晰地描述不同保護等級和不同施工質量的測孔其測斜日變形比的規律,可將測孔日變形比按照施工規范程度和基坑保護等級進行分類統計。(2)歷史最大累積變形的數據挖掘。為了給連續墻變形控制值的確定提供依據,選取所有測孔的歷史最大累積變形,依據基坑開挖深度換算成變形比,進行討論。與測孔日最大累積變形的數據挖掘中的分析相似,可分別按照設計等級和施工規范程度進行統計。按照施工規范程度和保護等級分類,求得歷史最大累積變形的平均值、方差和標準差等數字特征。平均值是最大累積變形的集中趨勢指標,方差是最大累積變形的離散趨勢指標。3)測斜變形速率的數據挖掘。(1)測點日變形速率的數據挖掘。將收集到的采樣數據整理,求出每天各測點的測斜變形速率值,在0.0mm/d~20.0mm/d區間內分區段進行次數統計,并繪制成柱狀圖。并求得測點日變形速率的平均值、方差、標準差。(2)測孔日最大變形速率的數據挖掘。求出所有樣本測孔按施工工期內每天的變形速率。變形速率的計算僅對同孔同測點時間間隔相差1d的數據進行。統計出工期內各孔的日最大變形速率的分布情況,并繪成柱狀圖。并求得日最大變形速率的數字特征。(3)測孔歷史最大變形速率的數據挖掘。將所有測斜孔的歷史最大變形速率統計出來,根據施工規范程度和基坑保護等級分別統計,求得不同標準下的測孔歷史最大變形速率的分布情況。并求得歷史最大變形速率的數字特征。4)對連續墻變形控制值的確定。將前述討論的日最大累積變形、日最大變形速率、歷史最大累積變形和歷史最大變形速率等指標不同標準下分布概率為95%的數值進行統計和分析,據此對不同等級的基坑保護標準設定不同的最大變形速率控制值。3.3寧波軟土深基坑連續墻變形控制指數及樣本3.3.1基坑支護結構出現嚴重偏差和不穩定經過調研和總結,形成了寧波軌道交通建設安全監控指標體系初值方案,見表7。根據以上研究成果建立了黃橙紅三色預警指標體系初值方案:1)三級預警級別與指標的對應。(1)黃色預警。嚴格執行表格(表8)中指標值,當監測數據達到表8中的指標值時發出黃色預警,并加密監測頻率,加強現場巡視。啟動相應應急預案或應急措施。(2)橙色預警。當出現下列情況時及時升級預警級別到橙色預警(表9),相應預警及消警實施流程:i)執行表格中指標值,當監測數據達到表9中的指標值時啟動橙色預警,并加密監測頻率,加強現場巡視。啟動相應應急預案或應急措施;ii)工程處于黃色預警狀態,當監測數據顯示變形或內力變化不收斂(連續兩天變化率仍然超出速率指標,說明工程沒有穩定,安全狀態在繼續惡化),及時升級預警級別到橙色預警;iii)現場巡查發現有事故征兆或不規范施工。(3)紅色預警。當出現下列情況時及時發出紅色預警(表10),并啟動相應預警及消警實施流程:i)執行表格中指標值,當監測數據達到表10中的指標值時啟動紅色預警,并加密監測頻率,加強現場巡視;ii)工程處于橙色預警狀態,監測數據仍然不收斂(連續兩天變化率仍然超出速率指標,說明工程沒有穩定,安全狀態在繼續惡化),或現