沿海鹽堿化地區(qū)軟土地基處理安全分層風險評估體系研究

羅 柱

（東莞市源勝建設工程質(zhì)量檢測有限公司 廣東東莞523710）

0 引言

安全問題始終是工程建設過程中的難題，影響安全生產(chǎn)的問題因素復雜，需要科學的安全理論與體系去降低安全生產(chǎn)的風險。早在1919年，英國M.Greenwood［1］就提出了安全理論體系。

我國的安全管理活動是在20 世紀70 年代末、80 年代初，為適應改革開放形勢下企業(yè)管理工作的需要而開展起來的。隨著改革開放進程逐步的加快，沿海地區(qū)的工程建設安全問題也逐漸凸顯出來。沿海鹽堿化地區(qū)軟土地基大多都是淤泥和淤泥質(zhì)土，其中夾雜著粉砂交錯層，造成了軟土地基分層不均勻，組成成分復雜的特性［2］，地基的承載力和穩(wěn)定性很差，軟土地基處理過程中的安全風險監(jiān)測體系研究就尤為重要。

針對軟土地基處理的安全風險監(jiān)測問題，Xu 等人［3］提出了軟土路基健康狀況評價系統(tǒng)，實時監(jiān)控軟土路基服役狀態(tài)的安全風險，進行風險評估。徐敬業(yè)等人［4］用模糊綜合評價法分析了運營期路基危險性及養(yǎng)護維修期路基服役狀態(tài)風險程度，并驗證了評估方法的可行性。陳薈竹等人［5］提出的生態(tài)風險評價體系，得到軟路基服役狀態(tài)風險評估關系，可以對軟路基服役狀態(tài)進行更加準確的評估。沿海鹽堿化地區(qū)軟土地基含鹽成份過高，地基基礎環(huán)境極不穩(wěn)定。在地基處理的過程中，這些土質(zhì)不確定因素會造成安全評價的難度加大。

圍繞沿海鹽堿化地區(qū)軟土地基處理安全風險評估體系，基于物聯(lián)網(wǎng)大面積軟基處理監(jiān)測、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的構建，對特殊地基環(huán)境進行分片分區(qū)、分層分級監(jiān)控，結合某一個設備、分片分區(qū)以及整個項目的安全評分，去實時監(jiān)控地基處理施工過程中的安全隱患，在這個三級評分的過程中，安全分層風險評估系統(tǒng)能很好地監(jiān)控地基處理項目過程中的風險。

1 安全分層評估體系

1.1 單個監(jiān)測設備的安全評分

對于單個傳感器或單組傳感器的監(jiān)測項與監(jiān)測標準進行比較或分析，計算評分，確定其反映的工程安全性。例如，對某個沉降傳感器的測量數(shù)據(jù)，計算儀器埋設處的地基沉降量和沉降速率，進行計算評分，以客觀判斷該位置的沉降情況是否正常；又如一個測斜孔中從上到下布置有一組若干個傳感器，可綜合計算位移速率并進行安全評分，以判斷其位移情況是否正常。

1.1.1 地表沉降傳感器評分

傳統(tǒng)的地表沉降監(jiān)測主要有全站儀［6］檢測方法、水準儀［7］檢測方法、GPS 站點［8］檢測方法等。李勇發(fā)等人［9］基于PS-InSAR 雷達干涉測量技術對地表沉降進行了監(jiān)測，實現(xiàn)了地表沉降的實時監(jiān)測?；谝陨涎芯?，為了較好的實現(xiàn)超軟弱地基處理沉降監(jiān)測自動化，選取管道壓力傳感式方案［10］。地表沉降傳感器計算評分如下：讀取當天沉降量和前一天沉降量→計算日平均沉降速率→根據(jù)平均沉降速率所在區(qū)間確定評分公式→計算完成。

計算日沉降速率變化值如式⑴所示。

當Sdi＜0時，儀器故障。

式中：Sz為默認初始沉降速率30 mm/d（可根據(jù)實際情況在系統(tǒng)中修改）；Mij為第j個傳感器第i天的地表沉降傳感器單項評分。

1.1.2 孔隙水壓力傳感器評分

孔隙水壓力的監(jiān)測方法主要采用振弦式水壓力計，孔隙水壓力的檢測就相當于地下水位的監(jiān)測，沿海鹽堿化地區(qū)軟土地基的地下水位變化較大。在施工過程中，振弦式水壓力計可以很好的監(jiān)控沿海鹽堿化地區(qū)軟土地基孔隙水壓力的變化，同時還能測量埋設點的溫度，能長期埋設在水工建筑物的地基內(nèi)?？紫端畨毫鞲衅髟u分如下：讀取初始壓力值→計算超靜孔壓比→根據(jù)超靜孔壓比所在區(qū)間確定評分公式→計算完成。

計算超靜孔壓比如式⑹所示。

式中：R為超靜孔壓比，∑△U即第i天與最開始的總壓力差；∑△P即第i天與最開始的堆載荷載差：Ui是第i天的壓力值；U0是初始壓力值；Pi是第i天的堆載值；下同。

然后根據(jù)以下評分區(qū)間計算：

式中：Ri為第i天的超靜孔壓比；Rep為初始超靜孔壓比；Mik為第k個傳感器第i天的孔隙水壓力傳感器單項評分。

1.1.3 深層水平位移監(jiān)測傳感器評分

深層水平位移監(jiān)測（測斜）的目的，主要是為了監(jiān)測軟基加固期圍堤不同深處的側向變形情況，為加載過程和加載速率控制提供指導，也為安全預警提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。深層水平位移的觀測采用固定式測斜儀［11］進行監(jiān)測。深層水平位移監(jiān)測傳感器評分如下：讀取累計相對位移S→計算水平位移速率→根據(jù)水平位移速率所在區(qū)間確定評分公式→計算完成。

首先計算當天水平位移速率，即前一天的累計相對位移減去今天的累計相對位移，然后根據(jù)以下評分區(qū)間計算：

式中：Sh即為預警標準值，默認設置Sh=5 mm/d；Si為第i天的水平位移速率；Mil為第l個傳感器第i天的深層水平位移監(jiān)測傳感器單項評分。

1.2 監(jiān)測類型的評分

監(jiān)測類型評分如圖1 所示，監(jiān)測設備類型的評分主要給項目管理人員一個輔助的數(shù)據(jù)，判斷整個項目運行是否正常，系統(tǒng)會給出兩個數(shù)據(jù)：監(jiān)測類型設備評分中的最小值，監(jiān)測類型設備評分的平均分。

圖1 監(jiān)測類型評分示意圖Fig.1 Schematic Diagram of Monitoring Type Scoring

1.3 分區(qū)的安全評分

分區(qū)總體的評分示意圖如圖2 所示，各個設備類型取最小評分值，如某一個分區(qū)參與評分計算的傳感器個數(shù)分別是：沉降監(jiān)測傳感器為j，孔壓傳感器為k，深層水平位移監(jiān)測傳感器為l（j、k和l均為不小于0的整數(shù)）。

分區(qū)中所有參與評分的沉降監(jiān)測傳感器評分最小值A：

所有參與評分的孔壓傳感器評分最小值B：

所有參與評分的深層水平位移監(jiān)測傳感器評分最小值C：

1.3.1 判斷深層水平位移傳感器是否存在

⑴分區(qū)周邊未布置深層水平位移監(jiān)測（或分區(qū)周邊的測斜傳感器全部損壞，不參與評分），令

式中M為分區(qū)的安全評分，下同。

⑵分區(qū)周邊布置有深層水平位移監(jiān)測時，令

圖2 分區(qū)總體評分示意圖Fig.2 Schematic Diagram of Overall Grade of Each District

式中：Mij是地表沉降安全評分平均值；Mik是孔隙水壓力安全評分平均值；Mil是深層水平位移安全評分平均值。

2 監(jiān)測預警技術

2.1 預警分類

在沿海鹽堿化地區(qū)軟土地基施工的過程中，單個設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)不能直觀的表達整個工程的安全風險系數(shù)，通過安全風險分層分級評估體系去實時監(jiān)控整個工程項目地基的安全風險是非常有效的。安全風險分層評估體系把施工現(xiàn)場的基礎施工安全風險劃分為4個等級。

⑴四級：安全風險評估得分≥85 分，施工現(xiàn)場安全監(jiān)控狀態(tài)處于正常狀態(tài)，單個設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)值都處于正常范圍，沿海鹽堿化地區(qū)軟基處理施工正常，地基安全風險低。

⑵三級：安全風險評估得分為60～84 分，施工現(xiàn)場安全監(jiān)控狀態(tài)處于基本正常狀態(tài)，某個設備、或者某一些設備的監(jiān)測點數(shù)據(jù)數(shù)值偏大，但是這些監(jiān)測點附近的其他設備監(jiān)測均處于正常范圍內(nèi)，這種通?？赡苁乾F(xiàn)場局部的施工干擾造成的，安全風險分層評估體系對此類異常判定是微小風險，地基安全風險較低。

⑶二級：安全風險評估得分為50～59 分，施工現(xiàn)場安全監(jiān)控狀態(tài)處于有風險狀態(tài)，某個設備、或者某一些設備的監(jiān)測點數(shù)據(jù)數(shù)值較大，數(shù)值接近甚至可能達到了預警值，這些監(jiān)測點附近的其他設備監(jiān)測得監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值也接近了甚至達到了預警值，反映該地基區(qū)域安全風險較大。

⑷一級：安全風險評估得分在50分以下，施工現(xiàn)場安全監(jiān)控狀態(tài)處于高度風險狀態(tài)；某個設備、或者某一些設備的監(jiān)測點數(shù)據(jù)數(shù)值很大，數(shù)值超過了預警值，這些監(jiān)測點附近的其他設備監(jiān)測得監(jiān)測數(shù)據(jù)數(shù)值也超過了預警值，反映該地基區(qū)域安全風險很大。

2.2 計算流程

風險預警生成流程如圖3 所示，安全分層風險評估系統(tǒng)中采用自動定時更新預警信息的方法。每一次自動更新過程中，系統(tǒng)會獲取上一次預警日期后設備的評分，根據(jù)這個評分與前一次預警的評分所在預警等級是否相同，相同則直接更新上一條預警信息，不同則創(chuàng)建新的預警信息，然后繼續(xù)遍歷下一個數(shù)據(jù)，直到整個預警完成。

圖3 預警生成流程Fig.3 Flow Chart of Early Warning Generation

3 結論

⑴安全分層風險評估體系穩(wěn)定有效，系統(tǒng)全面的監(jiān)測了風險。由單個設備的監(jiān)測數(shù)據(jù)預警，到分片分區(qū)監(jiān)測數(shù)據(jù)預警，再到整體工程監(jiān)測數(shù)據(jù)預警，把整個工程項目的風險分級分層次，由細部到整體的規(guī)則，同時由低層次的評分按特定邏輯計算獲得高層次的評分，高層次評分反映的風險情況就是整個工程項目基礎施工的安全風險。

⑵建立了大面積軟基處理自動化監(jiān)測安全分層風險預警系統(tǒng)理論。基于地基處理過程中的地基安全風險等級劃分為4 等級，其中一級表示安全風險很大；二級表示安全風險較大，存在安全風險；三級表示安全風險較低；四級表示安全風險低。