緊鄰高層結(jié)構(gòu)深基坑支護方案優(yōu)化分析
——以濟南地鐵R3線龍洞莊車站基坑為例

王國富， 劉鳳洲， 王 丹，*， 孟憲云， 武永珍

(1.濟南軌道交通集團有限公司， 山東 濟南 250101；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院， 山東 濟南 250022；3.中鐵三局集團第五工程有限公司， 山西 晉中 030600)

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緊鄰高層結(jié)構(gòu)深基坑支護方案優(yōu)化分析
——以濟南地鐵R3線龍洞莊車站基坑為例

王國富1， 劉鳳洲1， 王 丹1，*， 孟憲云2， 武永珍3

(1.濟南軌道交通集團有限公司， 山東 濟南 250101；2.中鐵工程設(shè)計咨詢集團有限公司濟南設(shè)計院， 山東 濟南 250022；3.中鐵三局集團第五工程有限公司， 山西 晉中 030600)

以濟南地鐵R3線龍洞莊車站基坑工程為研究背景，利用FLAC3D對緊鄰高層建筑結(jié)構(gòu)下基坑多種支護方案進行仿真模擬，分析各方案下基坑穩(wěn)定性及支護樁變形規(guī)律，綜合考慮支護方案的安全性、經(jīng)濟性、工期及可行性等因素建立多屬性決策模型，并甄選出最優(yōu)支護方案。結(jié)果表明：針對基坑安全性來說，原支護方案下，超載側(cè)支護樁向基坑內(nèi)部整體位移過大，超出了安全允許值；采用雙排樁的改進方案，超載側(cè)支護樁水平位移值有所降低，但受制于場地條件，施工難度增加；采用樁錨支護的改進方案，兩側(cè)支護樁水平位移均在安全允許范圍之內(nèi)，超載側(cè)支護樁變形可控；采用樁撐支護的改進方案，偏壓荷載側(cè)支護樁水平位移值較小，但工程造價較高；利用多屬性決策模型將各方案目標(biāo)值的優(yōu)基數(shù)進行加權(quán)求和計算，判定樁錨支護形式為最優(yōu)方案。

偏壓荷載；深基坑；支護方案；數(shù)值仿真模擬；多屬性決策模型

0 引言

現(xiàn)階段我國進入了地鐵高速發(fā)展的時期，許多城市開始修建地鐵工程，以滿足人民對交通出行的需求[1-3]。城市地鐵建設(shè)會涉及到深大基坑的開挖，而且處于城市繁華地段的基坑工程環(huán)境較為復(fù)雜，例如周邊建筑物繁多、相鄰建筑物距離較近、地下管線交錯縱橫等一系列問題，這些問題對地鐵基坑施工提出了嚴(yán)格的變形控制要求[4-6]?；又苓叴嬖诮ㄖ飳儆诨悠珘撼d問題，該問題視建筑物與基坑的距離、建筑物的高度、地層條件及支護方式，將基坑風(fēng)險源劃分為多個等級，針對不同風(fēng)險源等級，提出安全、可行的應(yīng)對措施，對偏壓基坑變形控制具有重要意義[7-10]。

查閱相關(guān)資料，國內(nèi)學(xué)者對一些偏壓類型的基坑穩(wěn)定性進行過相關(guān)研究與分析。如呂小軍等[11]對非對稱超載條件下的深基坑支護結(jié)構(gòu)變形進行了分析，發(fā)現(xiàn)非對稱超載作用下的側(cè)支撐軸力大于對稱超載下支護結(jié)構(gòu)的內(nèi)力；姚愛軍等[12]針對不對稱荷載作用下的基坑支護樁水平位移及樁頂水平位移進行了分析，發(fā)現(xiàn)不對稱荷載下型鋼支撐容易發(fā)生偏心受壓而出現(xiàn)應(yīng)力集中，危險系數(shù)較大；熊健[13]分別利用2種硬化模型(HS模型和HSS模型)研究了基坑偏壓荷載下的適用性特征，發(fā)現(xiàn)HSS本構(gòu)模型模擬得出的數(shù)據(jù)與監(jiān)測數(shù)據(jù)更為吻合；陳晨[14]對不同偏壓高度下的基坑支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性進行了分析，發(fā)現(xiàn)偏壓高度越大，支撐軸力也相應(yīng)增大；徐燁等[15]對南京地鐵某車站偏壓荷載下的基坑支護結(jié)構(gòu)內(nèi)力進行了分析，發(fā)現(xiàn)荷載小的一側(cè)支撐軸力也較小，可由受壓狀態(tài)變?yōu)槭芾瓲顟B(tài)。

以上研究對偏壓荷載下基坑穩(wěn)定性進行了一定深度的分析，但是針對超載距離近、支護方案種類多及地層條件復(fù)雜情況下的基坑穩(wěn)定性的分析報道較少。本文以濟南地鐵一期工程R3線龍洞莊站基坑為工程背景，在上軟下硬地層條件以及基坑周邊存在住宅樓的情況下，對基坑支護方案的穩(wěn)定性、經(jīng)濟性及可行性進行分析。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)概況

車站開挖范圍內(nèi)主要以素填土、粉質(zhì)黏土、碎石土和中風(fēng)化石灰?guī)r為主，屬于上軟下硬地層。根據(jù)水文地質(zhì)資料顯示，該水文地質(zhì)單元地下水主要為裂隙巖溶水，巖溶水位在地表以下100 m，年變幅4～10 m。車站鉆探深度范圍內(nèi)揭露地下水為上層滯水，無穩(wěn)定地下水位，主要為雨水下滲補給，且下部巖石層相對隔水。車站地層物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 巖土層物理力學(xué)參數(shù)Table 1 Physico-mechanical parameters of strata

1.2 車站概況及特點

該工程為濟南地鐵R3線龍洞莊車站基坑。龍洞莊車站位于龍鼎大道與西山東路、規(guī)劃五-2路交叉口，車站跨規(guī)劃五-2路設(shè)置，沿龍鼎大道南北向布置于東半幅道路和綠化帶下。龍鼎大道西側(cè)為大辛河，東南側(cè)為大辛河?xùn)|支溝，東側(cè)小里程端為在建鼎秀家園小區(qū)(沿車站縱向方向范圍約190 m)。龍鼎大道道路寬50 m，為雙向6車道，車流量一般。車站主體結(jié)構(gòu)為地下2層島式車站，車站主體總長度為381.1 m，標(biāo)準(zhǔn)段寬度為18.3 m，開挖深度為18.4～21.8 m。基坑安全等級為一級，變形控制等級為一級，灌注樁最大水平位移允許值為0.14%H(H為基坑深度)或是小于30 mm，二者取較小者。臨近建筑物高度Hg=36 m，地基不均勻沉降變形允許值按0.003l=9 mm控制。

該深基坑有3個特點：1)地質(zhì)條件復(fù)雜，為典型的上軟下硬地層，支護方式多變；2)基坑開挖深度較大，最深可達21.8 m，屬于深基坑，安全等級較高；3)周邊環(huán)境較為復(fù)雜，距離基坑邊墻1 m處就有高層住宅樓，對基坑變形控制提出了苛刻的條件。

1.3 支護方案變更

基坑深度方向穿越2種差異較大的地層。為充分利用中風(fēng)化石灰?guī)r的天然自穩(wěn)條件，基坑開挖原設(shè)計方案為上部采用混凝土等級為C30的φ800@1 200、長13 m的吊腳樁支護結(jié)構(gòu)+巖石錨噴支護方案，樁身錨索采用3φ15.2的鋼絞線，長13 m，水平間距1.5 m；下部錨桿支護墻面坡度1∶0.1，噴層為厚150 mm的C25早強混凝土，鋼筋網(wǎng)參數(shù)為φ8@200 mm×200 mm，錨桿與水平面夾角15°，長6 m，水平間距2 m；注漿材料為1∶1.5的水泥砂漿，強度不低于30 MPa。

車站在設(shè)計階段，周邊無大型建筑物，在基坑開挖時，距離東側(cè)邊界位置處規(guī)劃了鼎秀家園小區(qū)，并且預(yù)計在基坑開挖至底板位置時該小區(qū)主體結(jié)構(gòu)完成。在建鼎秀家園住宅樓為樁基礎(chǔ)、12層鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，地下2層，且地下室的底板高度與基坑地表齊平，地下室室外墻與基坑設(shè)計邊界距離僅為1 m。原設(shè)計方案中，鼎秀家園小區(qū)對基坑產(chǎn)生超載作用，經(jīng)計算(見下文)基坑穩(wěn)定性不能滿足要求。因此，綜合考慮基坑的安全性與可實施性，提出了3種改進方案。

1)改進方案1。如圖1(b)所示。位于基坑在建小區(qū)的一側(cè)，將單排吊腳樁改成雙排吊腳樁，雙排樁前后樁徑均為1 000 mm，排樁中心距為2.5 m，混凝土等級均為C30。前后排樁頂部設(shè)置冠梁，截面尺寸為1 000 mm×800 mm(寬×高)，排樁樁間土采用鋼絲網(wǎng)噴射混凝土面層?；幼髠?cè)樁身參數(shù)及錨索參數(shù)不變，按原方案設(shè)計；右側(cè)錨索參數(shù)也保持不變。該方案右側(cè)雙排樁施工時需要侵入住宅小區(qū)地下室結(jié)構(gòu)內(nèi)部，且雙排樁機械施工空間受到限制，對施工組織造成困難，可行性較低。

2)改進方案2。如圖1(c)所示。將改進方案1基坑右側(cè)的雙排樁改為拉錨式的一樁到底，該側(cè)鉆孔灌注樁參數(shù)為φ1 000 mm@1 500 mm，混凝土等級為C30。在土層范圍內(nèi)錨索水平間距為1.5 m，在巖層范圍內(nèi)錨索水平間距為3 m。冠梁截面參數(shù)為1 000 mm×800 mm(寬×高)?；幼髠?cè)保持原設(shè)計方案，采用吊腳樁、下端面放坡開挖。該方案基坑右側(cè)避免了放坡開挖對在建小區(qū)的用地侵占，為基坑施工空間創(chuàng)造了有利條件。

3)改進方案3。如圖1(d)所示。基坑兩側(cè)均采用一樁到底聯(lián)合內(nèi)支撐的支護形式。兩側(cè)灌注樁參數(shù)均為φ1 000 mm@1 500 mm，樁身插入底板以下巖層4 m，混凝土等級為C30。第1道鋼筋混凝土支撐截面尺寸為800 mm×1 000 mm(寬×高)，混凝土等級為C30；第2道和第3道型鋼支撐均采用φ609 mm的鋼管，Q235鋼，壁厚16 mm，水平間距4 m，型鋼支撐通過鋼圍檁支撐在支護樁上。該方案工程變更量較大，取消了底部放坡開挖，為基坑施工組織提供了較大便利，但兩側(cè)均采用一樁到底形式，支護結(jié)構(gòu)造價較高。

(a) 基坑原支護方案

(b) 改進方案1

(c) 改進方案2

(d) 改進方案3

2 仿真模擬分析

為全面真實地追蹤各方案下基坑開挖支護樁變形規(guī)律，預(yù)測并判斷基坑穩(wěn)定狀態(tài)，利用建模功能強大的Midas數(shù)值軟件建立三維仿真模型，通過接口程序?qū)⒛Ｐ蛯?dǎo)入有限差分軟件FLAC3D進行實際開挖流程的模擬與運算。

2.1 模型建立及參數(shù)選取

根據(jù)基坑開挖尺寸，并考慮消除由邊界引起的空間效應(yīng)，建立100 m×80 m×100 m(長×寬×高)的3D數(shù)值模型，如圖2所示。整個模型劃分為7 550個單元網(wǎng)格，22 500個節(jié)點，劃分程度等級為較密。模型橫向方向為x軸，縱向方向為y軸，豎向方向為z軸。模型左右兩側(cè)邊界條件為水平連桿約束，前后兩側(cè)僅約束水平位移，底部為固定鉸支約束。

巖土層均采用摩爾-庫侖模型，鉆孔灌注樁、混凝土支撐采用各向同性彈塑性模型的實體單元，冠梁采用Beam單元，錨索及錨桿采用Cable單元，網(wǎng)噴混凝土采用Shell單元，型鋼支撐采用Liner單元。住宅結(jié)構(gòu)采用框架實體單元進行模擬，在結(jié)構(gòu)底部4 m深度范圍內(nèi)的土層按照提供的地勘資料為基準(zhǔn)，將參數(shù)改為三七灰土進行基礎(chǔ)硬化，并按設(shè)計文件在結(jié)構(gòu)底部打設(shè)基礎(chǔ)樁(Pile單元)，實現(xiàn)高層結(jié)構(gòu)的仿真模擬。在模擬過程中，根據(jù)當(dāng)?shù)厥┕そ?jīng)驗[16]及文獻[17]，選取支護參數(shù)如表2所示。

圖2 三維數(shù)值模型(單位：m)Fig.2 3D numerical simulation model (m)

表2 支護模擬參數(shù)Table 2 Parameters of supporting simulation

2.2 方案穩(wěn)定性分析

2.2.1 原方案穩(wěn)定性分析

圖3(a)為原方案基坑開挖后的水平位移云圖，偏壓荷載一側(cè)基坑側(cè)壁發(fā)生失穩(wěn)破壞，土體向基坑內(nèi)部移動數(shù)值過大，最大水平位移值達90 mm，且該側(cè)支護樁最大水平位移達到了77.5 mm，超過了一級基坑灌注樁頂部水平位移監(jiān)測報警值[18](0.25%H，H為基坑深度)。此時，住宅樓樁基礎(chǔ)最大水平位移達65 mm，最大豎向位移為82 mm。高層大部分基礎(chǔ)發(fā)生向基坑內(nèi)部移動破壞，塑性區(qū)擴展程度較為嚴(yán)重，基礎(chǔ)已失去承載力。綜合判斷，該支護方案不能滿足基坑及住宅樓的安全需求。

2.2.2 改進方案1穩(wěn)定性分析

圖3(b)為改進方案1(偏壓荷載處為雙排樁方案)模型水平位移云圖。根據(jù)水平位移云圖可以看出，臨近住宅樓一側(cè)的基坑壁水平位移較無建筑物一側(cè)水平位移大，臨近住宅樓基坑支護樁最大水平位移為45 mm，但相比原方案基坑右側(cè)支護樁水平位移值小，數(shù)值在一級基坑灌注樁頂部水平位移監(jiān)測報警值[18](0.25%H，H為基坑深度)范圍之內(nèi)。住宅樓基礎(chǔ)向基坑內(nèi)部移動的水平位移值小于20 mm，且發(fā)生水平移動的范圍較小，只在臨近基坑側(cè)壁位置處出現(xiàn)微小位移，對建筑物受力變化影響較小，方案可行。但該方案雙排樁打設(shè)位置與建筑物紅線相沖突，限制了支護樁機械施工空間，在實際操作中難度較大。

2.2.3 改進方案2穩(wěn)定性分析

圖3(c)為改進方案2(基坑左側(cè)采用吊腳樁，右側(cè)采用一樁到底，樁身打設(shè)錨索)模型水平位移云圖。根據(jù)水平位移云圖可以發(fā)現(xiàn)，該方案下，基坑右側(cè)支護樁水平位移最大值為24 mm，與一級基坑灌注樁頂部水平位移監(jiān)測報警值比較接近，就該側(cè)來說，支護效果與改進方案1相差不大。該地層為上軟下硬地層，對于樁身上部錨索應(yīng)力來說，土層對錨索的黏結(jié)力有限，相對于型鋼支撐來說，對樁身支撐效果欠佳；并且考慮到基坑地層蠕變特性，錨索軸力在基坑施工期間會發(fā)生應(yīng)力松弛，造成錨索軸力損失。在樁身下半部位錨索，持力層為巖層，相對土側(cè)錨固力較高，不易發(fā)生應(yīng)力損失。在上部支護樁位移較大的情況下，樁身整體向基坑內(nèi)部移動，從而帶動下部錨索出現(xiàn)二次張拉，造成錨索軸力驟升，導(dǎo)致基坑底部圍巖水平位移較大。

2.2.4 改進方案3穩(wěn)定性分析

圖3(d)為改進方案3(基坑兩側(cè)均采用一樁到底+內(nèi)支撐形式)模型水平位移云圖。根據(jù)云圖數(shù)據(jù)可知，基坑右側(cè)坑壁圍巖水平位移較左側(cè)臨近建筑物坑壁圍巖水平位移大，右側(cè)圍巖水平位移值為16 mm，左側(cè)坑壁水平位移最大值為14 mm。右側(cè)坑壁相對于左側(cè)來說水平位移變化不大，圍巖發(fā)生滑移的范圍并未向建筑物基礎(chǔ)底部擴展。在混凝土支撐與坑壁接觸的部位，土體出現(xiàn)了小范圍的塑性擴展，同時受壓于支撐巨大軸力，左側(cè)坑壁對應(yīng)部位也出現(xiàn)了小范圍的塑性區(qū)。在第2道及第3道型鋼支撐位置處，基坑側(cè)壁圍壓水平位移均比周邊圍巖位移小，說明支護樁聯(lián)合內(nèi)支撐的支護形式加固效果較好，且建筑物下部基礎(chǔ)未發(fā)生明顯水平位移，建筑物整體穩(wěn)定性處于安全狀態(tài)。

2.3 各方案支護樁位移分析

2.3.1 原方案及改進方案1下支護樁變形規(guī)律

圖4(a)為原方案及改進方案1下支護樁的水平位移曲線。原方案偏壓荷載處(基坑右側(cè))，支護樁平均水平位移值為71.5 mm，最大水平位移值為77.5 mm，最大位移值發(fā)生在距離樁頂4 m位置處，樁頂水平位移由于冠梁及混凝土支撐的存在，水平位移值為75 mm。根據(jù)偏壓荷載位置處支護樁整個曲線來說，支護樁向基坑內(nèi)部發(fā)生了數(shù)值較大的整體移動，位移值超過了安全允許值。基坑左側(cè)支護樁樁頂受到由右側(cè)支護樁施加至混凝土頂撐的軸力影響，樁身彎矩增加，樁頂向背離基坑方向移動，位移值為-6 mm，但下部樁身由于采用錨索支護，受右側(cè)偏壓荷載影響較小，樁身中間水平位移值僅為15 mm。樁頂受橫撐軸力影響較大，造成樁身底部出現(xiàn)踢腳現(xiàn)象，樁底水平位移最大，為18 mm。

改進方案1采用雙排樁加錨索支護，在該方案中，基坑右側(cè)支護樁水平位移值較原方案減少，樁頂水平位移值為31 mm，樁身中間位置水平位移為45 mm，整個樁身變形呈“側(cè)凸”型?；幼髠?cè)支護樁水平位移整體較小，樁身最大水平位移僅為15 mm，且樁頂受到混凝土頂撐較大軸力的影響，樁身底端未出現(xiàn)踢腳現(xiàn)象，樁身處于安全狀態(tài)。

(a) 基坑原支護方案

(b) 改進方案1

(c) 改進方案2

(d) 改進方案3

2.3.2 改進方案2和改進方案3下支護樁變形規(guī)律

圖4(b)為改進方案2及改進方案3下支護樁的水平位移曲線。改進方案2支護樁采用斜拉錨索支護，錨索持力效果相對型鋼支撐較弱，且在施工上難以保證達到理想程度。根據(jù)支護樁曲線可知，基坑右側(cè)支護樁最大水平位移值出現(xiàn)在距離樁頂10 m位置處，最大值為24 mm；左側(cè)支護樁最大水平位移值出現(xiàn)在距離樁頂8 m位置處，最大值為10 mm。右側(cè)支護樁由于超載的存在，造成右側(cè)樁頂水平位移值(8 mm)比左側(cè)樁頂水平位移值(1 mm)大，使右側(cè)支護樁發(fā)生了向基坑內(nèi)部的整體移動，且左側(cè)支護樁樁頂由于混凝土支撐的約束作用，水平位移值較小。左右兩側(cè)支護樁水平位移變化規(guī)律相似，均呈“側(cè)凸”型。

(a) 原方案及改進方案1

(b) 改進方案2及改進方案3

改進方案3采用型鋼支撐，左右兩側(cè)支護樁水平位移曲線大體呈“側(cè)凸”型，但在型鋼支撐位置處，樁身水平位移出現(xiàn)微小突變。改進方案3下，右側(cè)支護樁最大水平位移值為10 mm，相比改進方案2降低了14 mm，最大位移值出現(xiàn)的位置未發(fā)生改變；左側(cè)支護樁最大水平位移值為15 mm，樁頂最大水平位移值為2 mm。相比改進方案2，改進方案3左側(cè)支護樁樁身較長，樁身整體剛度較低，造成改進方案3下左側(cè)支護樁最大水平位移較改進方案2大。

2.4 各方案高層結(jié)構(gòu)變形分析

模擬過程中，在建筑物基礎(chǔ)相鄰基礎(chǔ)樁(沿基坑橫向方向)同一高度位置處埋設(shè)豎向位移監(jiān)測點，監(jiān)測開始時間為基坑開挖時間，監(jiān)測結(jié)束時間為基坑開挖完成時間。提取4種方案下基礎(chǔ)樁全過程最終沉降差值，如表3所示。

表3 高層結(jié)構(gòu)不均勻沉降值Table 3 Uneven settlements of high-rise building structure mm

由表3可知，原方案下高層結(jié)構(gòu)最大沉降差值超過了允許沉降差值9 mm，改進方案1下高層結(jié)構(gòu)最大沉降差接近9 mm，改進方案2和改進方案3下高層結(jié)構(gòu)最大沉降差小于5 mm，結(jié)構(gòu)較為安全。

3 方案甄選與優(yōu)化

據(jù)分析可知，原方案已經(jīng)不能滿足工程安全穩(wěn)定性的需要，而3種改進方案各有優(yōu)缺點，且分別在安全、經(jīng)濟、可行性及工期上有不同的要求。通過建立一個多屬性決策模型，在各方案同時滿足安全、經(jīng)濟等目標(biāo)要求的前提下，利用某種方法計算出每種方案多種目標(biāo)的相對重要性權(quán)值后，甄選出整體較優(yōu)的方案[19]。

3.1 支護方案造價分析

對于地鐵工程來說，基坑是臨時結(jié)構(gòu)，其施工費用及支護等費用占據(jù)了車站總工程造價的26%左右，因此，基坑支護方案的經(jīng)濟性是評價其可行性的重要指標(biāo)。表4為各支護方案下基坑工程造價。

表4 方案工程造價(190 m范圍內(nèi))Table 4 Engineering costs of every supporting scheme 萬元

3.2 支護方案甄選模型建立

按照多目標(biāo)決策理論中的多屬性決策模型、多目標(biāo)規(guī)劃模型、多目標(biāo)分層規(guī)劃模型和多指標(biāo)規(guī)劃模型，明確決策變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件，剔除不符合安全條件的原方案1，決策變量僅有改進方案1(x1)、改進方案2(x2)和改進方案3(x3)。因此，基坑支護方案的約束集={x1，x2，x3}。

評價支護方案優(yōu)劣的目標(biāo)函數(shù)主要有工程造價、施工工期、施工難度、安全系數(shù)和環(huán)保效果5項指標(biāo)。令A(yù)1(x)定量類屬性函數(shù)：工程造價；A2(x)定量類屬性函數(shù)：工期；A3(x)定性類屬性函數(shù)：施工難度；A4(x)定性類屬性函數(shù)：安全系數(shù)；A5(x)定性類屬性函數(shù)：環(huán)保效果。根據(jù)各指標(biāo)的屬性可知，定量類目標(biāo)函數(shù)A1(x)、A2(x)均求最小值，定性類目標(biāo)函數(shù)A3(x)、A4(x)、A5(x)均求最優(yōu)值。根據(jù)工程實踐經(jīng)驗和工程造價，各支護方案甄選問題的屬性狀況取值如表5所示。

表5 方案屬性取值Table 5 Property values of every supporting scheme

3.3 基數(shù)求和優(yōu)選支護方案

對于工程造價和施工工期2個求極小值的定量類屬性A1、A2，令:

(1)

可得：

(2)

對于可量化的定性類屬性：施工難度A3、安全系數(shù)A4、環(huán)保效果A5，可按照圖5轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的量值[17]。

圖5 屬性狀況量化值轉(zhuǎn)換圖Fig.5 Translation between value of property and indicator

根據(jù)圖5的量值轉(zhuǎn)換關(guān)系，可得到：

(3)

綜上所述，基坑支護方案指標(biāo)涉及到的屬性值可用式(4)進行量化：

(4)

式(4)中，不同屬性類別對應(yīng)的定量數(shù)值具有不同的量綱單位，在確定最優(yōu)支護方案決策時，應(yīng)將各目標(biāo)屬性數(shù)值進行無量綱處理。處理時，對于求最優(yōu)值的屬性類別，令：

(5)

對于求極小值的屬性類別，令：

(6)

根據(jù)式(5)和式(6)，可將式(4)轉(zhuǎn)化為無量綱式的最優(yōu)基數(shù)矩陣：

(7)

根據(jù)式(7)，可知基坑各支護方案的優(yōu)基點為：

(8)

根據(jù)工程經(jīng)驗和社會經(jīng)濟條件，并查閱相關(guān)資料[17]，確定屬性A1—A5的重要性權(quán)值系數(shù)依次為0.45、0.25、0.05、0.05、0.05。將式(8)進行優(yōu)基數(shù)的加權(quán)求和，得到：

u1=0.45×0.525+0.25×0.329+0.05×0.115+0.05×0.248+0.05×0.348=0.354；

(9)

u2=0.45×0.408+0.25×0.573+0.05×0.577+0.05×0.620+0.05×0.348=0.404；

(10)

u3=0.45×0.348+0.25×0.390+0.05×0.808+0.05×0.744+0.05×0.870=0.375。

(11)

根據(jù)計算結(jié)果，確定基坑3種支護方案的優(yōu)劣偏好排序為：

x2>x3>x1。

(12)

即x2是基坑支護問題的最優(yōu)偏好解，因此改進方案2(基坑右側(cè)采用一樁到底，左側(cè)采用樁錨支護)為最佳支護方案。

4 結(jié)論與建議

通過建立三維數(shù)值仿真模型及多屬性決策模型，研究了緊鄰高層結(jié)構(gòu)深基坑支護方案的安全性與可行性，結(jié)論與建議如下。

1)基坑原支護方案下，支護樁及基坑側(cè)壁水平位移超過了基坑安全允許值，高層基礎(chǔ)塑性區(qū)擴展范圍過大，支護方案不能滿足基坑安全使用條件。

2)通過數(shù)值模擬分析，基坑兩側(cè)均采用灌注樁聯(lián)合內(nèi)支撐形式時基坑安全系數(shù)最高，采用樁錨支護及雙排樁支護形式，支護樁及基坑圍巖變形規(guī)律相似，且均在可控范圍之內(nèi)，并通過建立多屬性決策模型，綜合考慮工期、施工難度及環(huán)保效果等因素，確定樁錨支護方案為最優(yōu)方案。

3)該工程現(xiàn)階段正處于施工期間，支護樁監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息還未獲取，因此，在施工時應(yīng)密切觀察支護樁及高層基礎(chǔ)位移規(guī)律，加強監(jiān)測，動態(tài)施工，在獲取實測數(shù)據(jù)后進一步與模擬數(shù)據(jù)進行對比，以驗證分析結(jié)果的可靠度。

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Optimization Analysis of Supporting Scheme of Deep Foundation Pit of Longdongzhuang Station on Line R3 of Jinan Metro Closely Adjacent to a High-rise Building

WANG Guofu1,LIU Fengzhou1,WANG Dan1，*,MENG Xianyun2,WU Yongzhen3

(1.JinanRailTransitGroupCo.,Ltd.,Jinan250101,Shandong,China; 2.JinanDesignInstituteofChinaRailwayEngineeringConsultingGroupCo.,Ltd.,Jinan250022,Shandong,China; 3.TheFifthEngineeringCo.,Ltd.ofChinaRailwayNo.3EngineeringGroupCo.,Ltd.,Jinzhong030600,Shanxi,China)

The supporting schemes of deep foundation pit of Longdongzhuang Station on Line R3 of Jinan Metro closely adjacent to a high-rise building are numerically simulated; and then the foundation pit stability and supporting piles deformation under different supporting schemes are analyzed.Finally,a multiple attribute decision-making model is established and the optimum supporting scheme is selected considering safety,economy,construction schedule and feasibility of every supporting scheme.The results indicate that:1) In view of safety,the lateral displacement of supporting pile towards internal foundation pit is too large to keep safe under original supporting scheme.2) The horizontal displacement of supporting pile decreases; but the construction difficulty increases under double-row piles supporting scheme.3) The horizontal displacement of pile closed to high-rise structure is allowable and the deformation of supporting pile close to high-rise building can be controlled under pile+anchor bolt supporting scheme.4) The horizontal displacement of supporting pile close to high-rise building is very small; but the construction cost is much higher under improved pile+shaped steel supporting scheme.5) By establishing and using the multiple attribute decision-making model,the optimum supporting scheme of pile + anchor bolt is decided.

asymmetric load; deep foundation pit; supporting scheme; numerical simulation; multiple attribute decision-making model

2016-08-26;

2016-09-22

山東省自然科學(xué)基金(ZR2014EEM029,ZR2014EEQ028)；住房城鄉(xiāng)建設(shè)部2015年科學(xué)技術(shù)項目計劃(2015-K5-004)；山東省住房和城鄉(xiāng)建設(shè)廳科學(xué)技術(shù)項目計劃(KY053)；山東省住建廳科學(xué)技術(shù)項目(2017-K4-009， 2017-K2-012， FW-20161001：A7)

王國富(1964—)，男，山東威海人，2012年畢業(yè)于山東科技大學(xué)，巖土工程專業(yè)，博士，研究員，主要從事巖土工程、結(jié)構(gòu)工程相關(guān)理論與技術(shù)的研究工作。E-mail：metro_jinan@126.com。*通訊作者：王丹， E-mail：492020719@qq.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.06.009

U 452.1+1

B

1672-741X(2017)06-0708-09