一种骑跨式基坑围护结构及其参数确定方法与流程

本发明涉及基坑围护，尤其是一种骑跨式基坑围护结构及其参数确定方法。

背景技术：

1、伴随着城市基础建设的不断完善以及新的城市规划的不断提出，城市地下空间的环境越发复杂，部分管线的建设路线与既有基坑可能存在一定交互，特别是对于一些正在建设的地下结构，需要提前为之后的城市规划做出预留空间。

2、以箱涵基坑和地下管线交互为例，箱涵基坑采用钻孔灌注桩作为围护结构，桩底需要埋入基坑底部一定深度。当存在规划中地下管道需要从箱涵基坑底部小净距穿越时，为预留足够空间，穿越部分处钻孔灌注桩的埋深减小后成为吊脚桩，无法起到很好的支护作用，箱涵基坑的围护结构存在薄弱环节，难以完成预期支护功能，从而导致施工过程中存在一定的安全事故风险，成为现有技术亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了一种骑跨式基坑围护结构及其参数确定方法，实现对既有基坑围护结构中的薄弱位置进行加固，防止结构失稳，同时提供确定围护结构参数的方法，适用于多种工程要求。

2、本发明目的实现由以下技术方案完成：

3、一种骑跨式基坑围护结构，其特征在于，所述地下管道从工作井始发后顶进穿越箱涵基坑底部，所述箱涵基坑在顶管下穿位置处采用短桩进行围护，其余位置采用长桩进行围护，所述短桩和长桩通过冠梁和围檩连接形成整体结构传递荷载，并与拉锚桩连接达到二次受力稳定，所述箱涵基坑内部设置混凝土支撑和伺服钢支撑进行开挖支护。

4、所述短桩布置在箱涵基坑被地下管线穿越位置处，短桩的数量和长度依照地下管线顶进施工所需空间确定。

5、所述长桩和短桩均为钻孔灌注桩，顶部通过冠梁连接，沿基坑两侧以单排桩对撑布置来阻挡墙后土压力，箱涵基坑外侧及排桩桩间设置水泥搅拌桩进行防水。

6、所述围檩沿箱涵基坑开挖方向等间隔平行布置，其数量和竖向间距根据短桩桩长确定。围檩将顶管下穿位置的短桩和两侧长桩刚性连接形成整体结构进行荷载传递。

7、所述拉锚桩设置在地下管线下穿箱涵基坑位置处，位于箱涵基坑外侧，并沿地下管线两侧平行布置，通过冠梁和拉杆将拉锚桩与短桩两边的排桩连接，进一步分担短桩承受的荷载，防止箱涵基坑围护薄弱位置失效，发生土体倾覆。

8、所述箱涵基坑根据短桩和长桩布置范围划分为伺服区和非伺服区。其中箱涵基坑短桩及两侧一定范围内的长桩布置区为伺服区，自上而下设置顶部混凝土支撑和数道伺服钢支撑进行开挖支护；伺服区以外的基坑范围为非伺服区，自上而下设置顶部混凝土支撑和数道钢支撑进行开挖支护。所述混凝土支撑与冠梁连接。所述伺服钢支撑包括钢支撑和补偿装置，所述补偿装置设置在钢支撑两端并与围檩固定连接，可通过外部的液压控制系统实时控制箱涵基坑的受力与变形。

9、采用上述骑跨式基坑围护结构的基坑围护结构参数的确定方法主要包括以下步骤：

10、s1)建立骑跨式基坑围护结构的有限元数值计算模型，所述有限元数值计算模型用于计算不同围护结构参数情况下的基坑受力变形。

11、s2)调用寻优算法，建立适应度评价指标，实现对不同围护结构参数下基坑变形结果的评价，根据算法迭代原理实现对围护结构参数的更新。

12、s3)设置优化约束条件，舍弃部分不符合标准的围护结构参数组合，提高寻优效率。

13、s4)联立有限元模型、寻优算法与优化约束条件，迭代计算实现对围护结构参数最优解的确定。

14、进一步地，所述步骤s1中的模型建立主要包括以下几个部分：

15、根据工程数据建立土体结构模型；

16、建立骑跨式基坑围护结构模型；

17、建立地下管线模型；

18、划分模型网格；

19、建立分析步，模拟施工过程；

20、输出箱涵基坑及围护结构变形结果。

21、所述步骤s2中的寻优算法采用模拟退火算法，所述模拟退火算法的应用需要确定初始参数如初始温度、终止温度、内循环迭代次数以及降温系数等。

22、所述步骤s3中的优化约束条件的表达式为：

23、其中，为待优化函数，所述优化函数以围护结构变形的最小值为优化目标；

24、为待优化函数，所述优化函数以围护结构承受荷载的最小值为优化目标；

25、自变量为围护结构参数；

26、为施工过程中围护结构变形的最大值；

27、为施工过程中围护结构承受荷载的最大值；

28、为根据围护结构接口限制及现实条件等约束下围护结构部件尺寸的最大值；

29、为根据基坑环境保护要求以及施工安全要求条件下围护结构变形的最大值；

30、根据基坑环境保护要求以及施工安全要求条件下围护结构变形的最大值。

31、所述步骤s4中的具体联立方式为，在约束条件范围内，随机生成一组围护结构参数，将参数代入到骑跨式基坑数值模型中进行计算，得到基坑变形结果，对结果进行适应度评价，根据评价结果对围护结构参数进行更新，将更新后参数代入模型计算，重复过程直至达到模拟退火算法的终止条件，输出结果表现最好工况下的围护结构参数作为围护结构最优参数。

32、本发明的优点是：

33、1）通过设置短桩围护方便地下管线顶进施工，同时设置刚围檩将短桩和长桩连接成为整体结构，分担了短桩承受的外部荷载，保证了短桩布置区基坑围护结构具有足够的抗倾覆能力和稳定性；

34、2）通过在基坑外侧设置拉锚桩，可进一步分担箱涵基坑围护结构薄弱位置处所承受的外部荷载；拉锚桩布置形式灵活，对基坑内部的开挖施工或既有结构影响较小，可适用于多种现场施工条件；

35、3）在箱涵基坑中采用伺服钢支撑进行分区开挖支护，应用位移和轴力双指标控制，可切换全自动或手动补偿模式，具有安全稳定、实时响应、操作便捷的特点，可以精确控制基坑变形；

36、4）提出了骑跨式基坑围护结构的参数确定方法，可根据工程项目中不同的需求，确保基坑围护结构变形结果的安全性或经济性，同时根据模型分析结果，可确定围护结构中的薄弱环节以及荷载的传递方式，实现精准加固。

技术特征：

1.一种骑跨式基坑围护结构，其特征在于：包括长桩、短桩、冠梁、围檩、拉锚桩、内支撑、伺服钢支撑；其中，所述短桩布置在基坑对应于其下方下穿的既有建构筑物处，所述基坑的其余位置采用所述长桩围护，所述短桩和所述长桩通过所述冠梁和所述围檩连接构成整体结构，所述拉锚桩设置在所述冠梁的外侧并通过拉杆与所述短桩两边的所述长桩连接，所述内支撑设置在两侧的冠梁之间以及两侧的围檩之间。

2.根据权利要求1所述的一种骑跨式基坑围护结构，其特征在于：所述基坑内的内支撑根据所述短桩和所述长桩的布置范围划分为伺服支撑区和非伺服支撑区，其中所述短桩及其两侧一定范围内的所述长桩布置区为所述伺服支撑区，所述伺服支撑区之外的基坑范围为所述非伺服支撑区。

3.根据权利要求2所述的一种骑跨式基坑围护结构，其特征在于：位于所述伺服支撑区内的内支撑包括顶部的混凝土支撑和数道伺服钢支撑，其中所述混凝土支撑与冠梁连接，所述伺服钢支撑与围檩连接。

4.根据权利要求2所述的一种骑跨式基坑围护结构，其特征在于：位于所述非伺服支撑区内的内支撑包括顶部的混凝土支撑和数道钢支撑，其中所述混凝土支撑与冠梁连接，所述钢支撑与围檩连接。

5.根据权利要求1所述的一种骑跨式基坑围护结构，其特征在于：在所述基坑的外侧设置有用于防水的水泥搅拌桩，所述水泥搅拌桩沿所述长桩及所述短桩的布置方向布置于外侧。

6.一种涉及权利要求1-5中任一项所述骑跨式基坑围护结构的参数确定方法，其特征在于：该参数确定方法包括如下步骤：

7.根据权利要求6所述的一种骑跨式基坑围护结构的参数确定方法，其特征在于：在步骤s1中，所述有限元数值计算模型的建立包括：

8.根据权利要求6所述的一种骑跨式基坑围护结构的参数确定方法，其特征在于：在步骤s2中的所述寻优算法采用模拟退火算法。

9.根据权利要求6所述的一种骑跨式基坑围护结构的参数确定方法，其特征在于：在步骤s3中，所述优化约束条件的表达式为：

10.根据权利要求6所述的一种骑跨式基坑围护结构的参数确定方法，其特征在于：在步骤s4中，联立方式为：在约束条件范围内，随机生成一组围护结构参数，将参数代入到骑跨式基坑数值模型中进行计算，得到基坑变形结果，对结果进行适应度评价，根据评价结果对围护结构参数进行更新，将更新后参数代入模型计算，重复过程直至达到模拟退火算法的终止要求，选取不同工况下输出结果表现最好的围护结构参数作为围护结构最优参数。

技术总结
本发明涉及基坑围护技术领域，尤其是一种骑跨式基坑围护结构及其参数确定方法，包括长桩、短桩、冠梁、围檩、拉锚桩、内支撑、伺服钢支撑；其中，所述短桩布置在基坑对应于其下方下穿的既有建构筑物处，所述基坑的其余位置采用所述长桩围护，所述短桩和所述长桩通过所述冠梁和所述围檩连接构成整体结构，所述拉锚桩设置在所述冠梁的外侧并通过拉杆与所述短桩两边的所述长桩连接，所述内支撑设置在两侧的冠梁之间以及两侧的围檩之间。本发明的优点是：同时设置刚围檩将短桩和长桩连接成为整体结构，分担了短桩承受的外部荷载，保证了短桩布置区基坑围护结构具有足够的抗倾覆能力和稳定性。

技术研发人员：蔡翔,吴怿华,刘光辉,刘满意,倪蕾,陈伟,周吟,尹章江,邓成龙
受保护的技术使用者：南京上铁地方铁路开发有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/10/21