实施工程技术 天津大学副校长郑刚：基于囊体扩张的变形主动控制技术研究

  当前，城市地下空间密集开发，基坑变形控制理论和实践发展迅速。6月9日，天津大学郑刚副校长受邀出席由《实施工程技术（中英文）》杂志社承办的“ 首届工程建设行业产学研用协同创新论坛 ”，并做《岩土与地下工程项目施工对环境变形影响主动控制技术》的主题演讲。为便于粉丝进一步了解该技术探讨研究进展，

  目前，城市地下空间的密集开发使城市岩土与地下工程近接施工越来越常态化，对传统基坑工程基于厘米级的变形预测理论与变形控制技术提出了挑战。针对传统变形被动操控方法的局限性，您的团队主要取得了哪些突破和创新？

  随着地下空间呈现大型化、施工近接化，基坑旁边的环境变形毫米级控制成为重大需求，传统基坑工程的理论、方法、技术面临挑战。针对上述工程问题，我们主要开展了以下三个层次的工作：

  1）理念上的转变。针对传统基坑工程变形控制理论和技术的挑战，我们意识到其控制变形的理念是被动的，即依赖于基坑施工前的计算，以增大支护体系整体刚度主要手段，包括加强支护体系、坑底加固、设置隔离桩、分仓分区施工等技术。要解决传统变形被动操控方法的局限性，首先要从根本的理念上转变，变被动为主动——只有主动的引入可控的外力，才能做到变形可逆转，控制高效率，解决被动控制技术的瓶颈。

  2）理论上的突破。找准了主动控制的方向，我们进一步寻求的是解决其背后的科学问题——如何主动地控制基坑外变形场和应力场？以靶向控制基坑外邻近隧道变形为例，目前的基坑变形控制理论的特征是“整体控制局部”，即通过降低整个基坑外的影响区变形，达到减小隧道变形的目的，效率很低，不适宜作为主动控制理论基础。经过深入的理论研究，我们得知对于基坑外被保护对象，其实存在“变形控制关键区”。仍以隧道为例，仅仅控制隧道和基坑之间很小范围的土体应力，即可有效控制住隧道变形。以“变形控制关键区”为突破点，建立基于变形控制关键区土体应力主动调控的变形主动控制理论与方法，实现了“局部控制整体”的理论突破。

  3）技术上的创新。为实现局部控制，就需要精确、靶向技术作为支撑。为此，我们研发了可主动调控土体应力的囊体扩张技术，在此基础上研发了应力-变形测控一体化智能控制管理系统，形成工程结构变形主动调控技术与装备，解决了大型基坑施工对邻近工程结构的变形控制的突出难题。

  针对基坑工程变形及环境影响控制中存在的“算不准”“控不住”“难逆转”“成本高”“材耗大”等问题，您提出了变形主动控制理论与囊体扩张技术，请您粗略地介绍一下技术原理及概况。

  囊体扩张技术，最主要的特征是将浆液注入形状、体积、位置可控的囊体中，从而在地层中形成可控膨胀体。其控制变形的原理，是经过控制膨胀体的膨胀量，可产生所需外加控制应力，并对“变形控制关键区”内土体的应力和变形实现调控，进而就能对被保护对象的变形进行相对有效控制。

  主动变形操控方法的费用、工期、材耗仅相当于被动操控方法的10%~30%，实现了变形的绿色、高效、mm级控制。

  举一个典型工程实例。天津地铁3号线盾构隧道，邻近天津妇产科医院8.9m深基坑。该隧道变形控制值6mm，传统被动操控方法要增加造价500万元、增加工期30天，但变形仍超过9mm。为此，采用基坑工程过程中地铁隧道的变形全过程实时主动控制，采取四次变形主动控制措施，隧道变形全过程控制在6mm内，造价仅为被动操控方法的30%，节省工期30天。

  目前，结合基坑主动控制理论，正在开展基坑数字孪生的相关研究，一方面基坑数字孪生本身要求对工程的信息进行动态、主动地交互，是主动控制发展的必然要求；另一方面基坑数字孪生系统的建立，反过来会促进推动基坑主动控制的控制效果。