地铁深基坑支护结构变形的预测、分析及应用？
1简介
以变形为控制手段的深基坑动态设计方法越来越受到重视，因为支护结构的变形是基坑开挖过程中支护结构与土体相互作用的直观反映，也是支护设计与现场地质和施工相互作用的具体反映。如果能够根据支护周围土体的参数和支护结构的相关参数提前预测支护结构的变形，将最不利情况的预测值作为控制支护结构变形的预警值，对保证基坑安全施工具有重要意义。
利用深基坑支护开挖过程中获得的工况监测信息，通过优化反分析反演土体和支护结构的力学参数，然后通过有限元计算预测下一工况下桩壁的变形、内力和支护力，并将计算值作为支护结构的控制值。通过根据现场实际情况调整施工方案和支护参数，随着施工的进展，不断收集下一施工阶段的相应信息，反演参数计算预测下一工况下的桩壁变形，等等。
2预测原则
其实预测的原理是先做反分析，再做正分析，即根据各工况的位移监测信息，选择合适的土力学模型和相应的边界条件，然后建立目标函数，用最优化方法搜索与实测值接近的土性参数和支护结构的力学参数， 然后将这些参数用于下一工况的计算参数，进而预测支护系统的变形，结合监测控制支护系统的变形。
2.1建立目标函数
根据基坑开挖各工况的监测信息，反分析法的目标函数一般为:
式中，uci(x)为支护结构上测点I的水平位移计算值，uti为支护结构上测点I的水平位移测量值；x代表土的m值、支撑刚度系数、桩壁刚度等。n是测量点的总数。
2.2桩身任意位置的位移计算
采用弹性地基梁有限元法计算支护结构的位移。计算的最终结果是单元节点处的内力和变形，但测点的位置可能不在节点处。为了反映施工过程的动态响应，求解目标函数值，需要给出监测点任意位置、任意施工阶段的监测信息增量，因此可以用线性插值法求得任意单元上测点I的水平位移uci。计算公式如下:
其中x1，x2为测点I所在单元两端的坐标；Uc1，uc2为I点所在单元两端水平位移的计算值；Uci为测点I的水平位移；Xi为测点I的坐标(坐标原点为桩壁顶点)。
2.3监测数据收集
现场测量桩身倾斜度的测斜仪在0.5m的点距处自下而上读数，即测斜管分为n个测量段(见图1)，每个测量段的长度为li=500mm，通过计算可以得到在某一深度位置测得的两对导向轮(li)之间的倾角θi。
计算公式为:δ I = Lisinθ I (3)
某一深度的水平位移值δI可以通过截面位移δI的累加得到，即:
计算时假设以管底为基准点，自下而上计算某一深度的位移值δI，然后根据该点实测桩顶位移修正水平位移值。但无论基准点位于管道顶部还是底部，计算出的位移值δi向基坑一侧始终为正，反之为负。将挡土结构中同一测斜仪在不同深度测得的位移值δi在坐标纸上连接起来，即可绘制出桩的水平位移(H ~ δi)曲线。
2.4数据优化处理
(1)由于测量仪器、操作人员、施工状态或测点的干扰和破坏，监测点的数量往往不够理想和充分，因此数据处理常采用拉格朗日插值或样条函数插值。
(2)在实际监测过程中，环境和人为读数引起的误差是不可避免的。为了消除这种误差对反分析结果精度的影响，必须对监测数据进行平滑处理。具体过程见参考文献[3]。
3工程应用
天津地铁3号线营口路站基坑埋深为14.753m，采用钢筋混凝土钻孔灌注桩加水泥搅拌桩止水帷幕的围护形式。钻孔桩规格为φ 1000 @ 1200，桩长25.6m，基坑位于盖梁中心高度3.75m、6.75m、1650。
该项目位于繁华的市区，周围有重要的建筑物和许多管线，如电缆，煤气管和水管。开挖施工步骤如图2所示:工况1时开挖至-3.0m，工况2时第一道支架架设至-0.5m，工况3时第二道支架架设至-6.8m，工况4时第二道支架架设至-3.75m，工况5时开挖至-10.7m，工况6时第三道支架架设至-6.75m。限于篇幅，本文仅介绍工况3、6、8的预测曲线与实测曲线的对比。
基坑开挖过程中变形预测的方法是根据工况3的监测信息反演土体参数m值。根据反演的参数，预测了工况6下的壁面变形。同理，根据工况6的监测信息，反演土性参数m值，据此预测工况8下的墙体变形。通过反演确定的参数值如表2所示。
工况3和工况6的实测曲线和预测曲线对比见图3。工况8的预测和实测曲线见图4。
描述1:图中3-1为根据设计规范和经验值预测的变形曲线，3-2为现场监测的实测变形曲线，3-3为反分析和参数优化后的变形曲线，6-1为工况6的预测变形曲线。
注2:如图4，其中6-1为工况3下的预测曲线，6-2为实测变形曲线，8-1为预测曲线，8-2为实测曲线。
从图3和图4中可以看出，基于监测数据反演后的预测误差由情况3的经验预测与实测最大误差3.75mm减小到情况6的最大误差3.1mm。随着利用现场监测数据对参数的进一步反演和优化，工况8的预测误差为2.2毫米，预测的变形曲线与实际变形曲线越来越吻合。地基反力比例系数M的值是随着开挖过程不断变化的。利用反演方法可以准确反演不同工况下的M值，准确预测前一工况的开挖信息，准确预测下一工况的桩体变形。而且预测曲线拟合良好，预测精度大大提高。
4结论
(1)在天津地铁深基坑施工中，基坑开挖和维护结构的变形预测方法是准确和成功的。
(2)通过对维护结构参数的反演和优化，可以准确预测维护结构的最大变形，并将预测值作为预警值指导施工。
(3)参数优化反分析技术，根据现场监测信息，能够准确反演各工况下符合实际的土体参数和支护结构力学参数。通过前一工况的优化反演参数值，不仅可以准确预测下一工况，而且变形预测曲线与实测曲线吻合良好。
(4)基坑开挖过程中，土体参数随着开挖过程不断变化。由试验和经验确定的土体参数和支护结构的力学参数是随机的，根据初始值预测墙体的侧向位移不够准确。
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