摘要：基坑工程是集地质工程、岩土工程、结构工程技术于一身的系统工程，主要内容包括工程勘察、支护结构设计与施工、土方开挖与回填、地下水控制等。由于基坑开挖会引起周边地层的变形，从而带来环境保护问题，因此如何控制由于基坑施工引起的周边地层变形，众多学者进行了大量的探索，其中 “时空效应”为基坑开挖提供了重要的理论指导。在“时空效应”理论的指导下，软土基坑的变形控制虽然获得了长足发展，但实际的基坑变形通常比理论要求大得多，基坑环境保护的问题仍然比较突出。在应用“时空效应”理论指导基坑施工的同时我们应该看到基坑工程是个实践性很强的项目，影响各项工序的因素众多，“时空效应”的应用往往受到实践的限制而难以实施，而系统工程方法论则为这一问题的解决提供了重要的指导。
关键词：基坑开挖、基坑变形、基坑开挖方法
1.基坑项目的系统工程方法论
系统工程方法论是指建立在系统工程观念的基础上，在更高的层次上指导人们正确地应用系统工程的思想、方法和各种准则去处理问题。应用系统工程方法论去解决基坑问题需要抓住以下几点：
（1）整体性，在处理基坑问题时，必须从全局或系统的角度出发，把基坑工程作为若干子系统有机结合成的整体来设计，要以整体协调原则来处理子系统之间、子系统与系统整体之间、系统与其所属更大系统之间的矛盾。要把整个过程按照逻辑关系分解成各个工作环节，并分析各个工作环节之间的影响关系。
（2）综合性与关联性，在处理基坑问题时，把各部分、各因素联系起来加以考查，从关联中找出事物规律性和共同性的研究方法，使系统达到整体协调和优化。比如地墙与基坑变形的关联性，地墙围护施工时，如果措施采取不当，则极易引起槽壁塌方，导致地墙鼓包，需要花费大量时间与费用来凿除，从而影响到支撑安装，带来基坑变形增大。因此基坑工程的综合性与关联性非常明显，必须要时刻把握。
（3）科学性，要准确、严密、有充足科学依据地去研究基坑的发展和变化规律，不仅要定性，而且要定量，使基坑开挖处于最优状态。
2.基于系统工程方法论的地铁基坑变形控制系统设计
如果把变形控制作为基坑系统的控制目标，那么就应以系统工程方法论去指导整个基坑系统的设计与施工，各个子系统间应当统筹协调，最大限度地减少基坑无支撑暴露时间和有支撑暴露时间，从而达到变形控制的目的。
2.1土方开挖子系统
流变性和触变性是软土的重要特征，而“分层、分段、分块、对称、平衡、限时”和“先撑后挖、限时支撑、严禁超挖”是“时空效应”理论针对这两点对软土基坑变形控制提出的基本要求。流变性要求尽快出土以缩短基坑的无支撑暴露时间、控制变形，而触变性要求尽可能减少挖土对下层土体的扰动以避免被动区土体强度降低带来变形的增大，这就需要根据挖土效率和土体扰动特性来选择合适的挖土机械和挖土方式，二者组成了土方开挖子系统，两个子系统间密切相关。
2.1.1挖土机械
常见的挖土机械有普通长臂反铲、超长臂反铲、伸缩臂抓斗、抓铲，土箱，抓铲又可以分为贝型抓斗和多瓣式抓斗。一般情况下10米以内的土采用普通反铲挖机即可挖除，10-15米深的可以选择超长臂反铲或者抓铲或者伸缩臂臂，15-20米深的可以选择伸缩臂或抓铲，超过20米一般只能选用抓铲。从出土效率来讲，普通反铲挖机配备1.2方的铲斗，挖土效率最高；超长臂铲斗只有0.6方，伸缩臂一般为0.9方，贝型抓斗在1.2方左右，而多瓣式抓斗可以多达3方，但是越深机械操作一次的时间就越多，因此一般深度越大效率越低。
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2.1.2挖土方式
地铁车站一般为狭长型基坑，根据“时空效应”土方开挖一般采用斜面分层、分段、分块施工，而每一块挖土时从留土护壁、减少扰动的角度，盆式开挖是最合适的开挖方式，该方式要求先挖中间再挖两边，这样基坑的无支撑暴露时间最短、土体扰动最少。但盆式挖土的前提是挖机抓斗位置能够离开围护结构一定的护壁土距离才能实现，如果挖机抓斗只能位于墙边，单侧挖土时先挖一边、再挖中间和另一边，或者两侧开挖时先挖两边再挖中间，同样工效下围护体无支撑暴露时间最长，同时抓斗频繁抓取墙边土体，必可避免的形成超挖或扰动，都会造成土体强度降低、围护变形加大。
因此挖土方式又对开挖机械提出了要求，如果不设置栈桥板时，可采用抓铲较大的作业半径来实现盆式挖土工艺达到最优控制效果；如果采用超长臂或者伸缩臂，则需设置一定宽度的栈桥板才能实现盆式挖土工艺。而留土护壁厚度的大小不仅要尽可能减少土体变形，同时还要考虑可操作性，即挖机的站位是否具备足够的空间。
3.现代生产条件下条形基坑“时空效应”理论的应用方法
根据系统工程方法论，基坑系统的实施应当具有科学性，而时空效应理论是一套研究软土深基坑参数优化及变形控制的理论，它包括了设计理论、施工控制方法及相应的环境监控方法，是基坑系统实施的理论指导，但是我们应该看到基坑工程实践性非常强，理论还需与实践相匹配。特别是随着现代生产技术的发展，施工技术与工艺较之于上世纪90年代有了巨大的发展，原有的部分做法或工艺已经为新技术新工艺所取代，那就有必要探索新技术下“时空效应”理论在实践中的应用问题。
3.1基于无支撑暴露时间控制的挖土工艺——小尺度块内盆式挖土法
对于狭长型基坑，“时空效应”理论提出了斜面分层分段分块的施工工艺，但是随着挖土机械的改变，如何应用“时空效应”规律去指导分块内的土方挖除以减少围护结构无支撑暴露时间、控制围护变形，使理论与实践相匹配是个值得探索的问题。
（1）端头井——半圆形盆式开挖法
常规的挖土方法有全面开挖法、顺序依次开挖法等。
但是这些挖土方式都会带来一个问题：基坑的无支撑暴露时间过长，基坑边形较大。这是因为端头井区域土方量较大、挖土时间长，同时支撑安装难度大时间也相应加长。
该方式能够保证在角部空间效应最弱的两点（最外侧斜撑处空间效应最弱、变形最大）处留有有效的留土护壁宽度的同时，事先挖除最大量的土方，保证角度的土方开挖时间最短，围护的无支撑暴露时间最短，变形控制最佳。
（2）标准段——“凸”形盆式开挖法
一般的地铁车站为狭长型基坑，采用斜面分层分段分块施工方法。
一根系梁上通常放三根钢支撑，但是一块土一般是两根撑，由此导致一对矛盾，同时还需考虑小挖机停放位置，因此通常采用多挖下一块土用于架系梁和停挖机的方法解决上述问题，但是却使得下块土的无支撑暴露时间过长，变形不易控制。
为了控制每块土施工期间的围护变形，就应当考虑每块土开挖时的时空效应，即在同一块挖土时应当使围护的暴露时间最短，而盆式挖土能够利用护壁土有效减少无支撑暴露时间，同时考虑到小挖机站位，每次的挖土方式相当于“凸”字，因此该工艺又称之为“凸”形盆式开挖法，该方法对挖土机械的作业半径提出了一定的要求。
参考文献：
[1]杭州市土木建筑学会编．《深基坑支护工程实例》．北京：中国建筑工业出版社，1996
［2］冶金工业部建筑研究总院主编.《建筑基坑工程技术规范》（YB 9258-97）.北京：冶金工业出版社，1998
［3］余志成 施文华编著.深边坡支护设计与施工 [M].中国建筑工业出版社.1997.
论文作者:郑志伟
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：基坑论文; 方法论论文; 抓斗论文; 效应论文; 系统工程论文; 时间论文; 理论论文; 《基层建设》2018年第26期论文;