深基坑支護結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的優(yōu)選和應(yīng)用探析

張 昊 （安徽建筑大學(xué)土木工程學(xué)院，安徽合肥230000）

1 引言

深基坑作業(yè)是一項臨時性工程，由于其所處地區(qū)的地質(zhì)條件的多樣性及復(fù)雜性，給施工作業(yè)帶來極大的安全隱患性。但是設(shè)計人員在設(shè)計施工方案的過程中如果過分考慮安全問題，刻意加大方案設(shè)計中安全系數(shù)的話，也會導(dǎo)致投資過多從而帶來經(jīng)濟上的不可行性。這兩難的抉擇給設(shè)計人員出了一個難題。深基坑工程支護技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展，幾種主要類型的支護方案都較為成熟，方案設(shè)計的路徑并不只有一種。在綜合考量經(jīng)濟性及安全性的情況下，從幾種初步擬定的方案中，結(jié)合工程實際的情況，從中優(yōu)化選擇一種最切實可行的方案具有重要的意義。

2 理論介紹

20世紀(jì)70年代，美國匹茲堡大學(xué)工程學(xué)教授T.L.Saaty提出層次決策分析法，后經(jīng)學(xué)者根據(jù)其理論基礎(chǔ)，在充分考慮到基坑支護方案的安全性、經(jīng)濟性和施工的便捷性的基礎(chǔ)上，借用模糊數(shù)學(xué)理論工具，建立了一種基坑支護方案的優(yōu)選模型。20世紀(jì)末期，華中科技大學(xué)鄧聚龍教授在長期的實踐工作中，根據(jù)評價指標(biāo)的不安全性及數(shù)據(jù)之間的相互關(guān)聯(lián)性，提出了灰色理論系統(tǒng)。進入新世紀(jì)之后，隨著城市化進程的不斷深入，群體建筑物的密集化、單個建筑物的負(fù)荷增大化及地下建筑物的多維化，造成了基坑工程的開挖與支護難度日趨加大，原有的深基坑支護方案的設(shè)計和評選理論漸漸顯得無法與時俱進。在此基礎(chǔ)上，由中南大學(xué)的幾位學(xué)者阮永芬、高健和程藏平提出了灰色關(guān)聯(lián)分析法理論。灰色關(guān)聯(lián)分析法的基本思路是將基坑支護方案中幾種主要影響因素（安全可行性、環(huán)境保護、經(jīng)濟合理性、施工便捷性）進行排序和權(quán)重分析，最后繪制出影響因子的幾何關(guān)聯(lián)圖形。根據(jù)幾何關(guān)聯(lián)圖形的差異程度來區(qū)分各影響因子之間的緊密度，即幾何關(guān)聯(lián)圖形之間的差異程度越大，則說明各影響因子之間的關(guān)聯(lián)度就越小，反之亦然。

本文以安徽合肥地區(qū)一在建高層建筑物為例，利用已有江淮地區(qū)水文地質(zhì)資料，確定江淮地區(qū)高層建筑深基坑施工方案的設(shè)計及優(yōu)化選擇。在此過程中，利用前文所提及的灰色關(guān)聯(lián)分析法，建立起一套行之有效的深基坑支護方案的評價體系，從而得到最佳的方案的選定辦法。

3 工程實例

合肥市位于江淮丘陵區(qū)，土質(zhì)以黃棕壤和黃褐土為主體，是典型的淋溶性質(zhì)的土壤類型，擁有透水性較差這一個地質(zhì)特性。因此，隨著大型建筑物的大規(guī)模涌現(xiàn)，低透水性土質(zhì)特征對深基坑工程的影響性越來越大。

合肥市某在建高層建筑為一大型公用建筑，對主體安全及結(jié)構(gòu)抗震要求較高。該建構(gòu)物整體占地總面積約21250㎡，基坑開挖深度為9.3m～10.2m，該建筑物擁有2層地下結(jié)構(gòu)地下室。既有的施工場地原先為一個常年廢棄的老舊廠房，拆遷后的場地西北側(cè)有一個4層12m高的既有建筑，該建筑物距離開挖基坑約為7.2 m，正南側(cè)為1條護城河，東側(cè)為合肥市瑤海區(qū)圖書館，該館為6層高度建筑物，距基坑約10.5 m，西側(cè)是1條既有城市道路。在基坑開挖的過程中，由設(shè)計單位提供的工程地質(zhì)報告及施工單位現(xiàn)場土樣留存可知，開挖土層分別為建筑回填土、淤泥（泥炭）、粉質(zhì)黏土、粉砂層、強風(fēng)化巖，土層的厚度及主要物理力學(xué)性質(zhì)可見表1。由于前幾層開挖的土體為建筑回填土、淤泥（泥炭）、粉質(zhì)黏土，這3層土質(zhì)的整體結(jié)構(gòu)較為松散，穩(wěn)定性較差，在支護方案的制定中必須考慮對應(yīng)措施，且由于土壤自身含水量較高和透水性不足，要考慮到設(shè)置基坑排水裝置。

土體的開挖深度及力學(xué)性質(zhì) 表1

支護方案的評選指標(biāo)系 表2

結(jié)合該基坑的工程特點、既有的地質(zhì)報告、第一手開挖數(shù)據(jù)和已有的相關(guān)施工經(jīng)驗，初步暫定了3種基坑支護方案，方案A：鋼筋混凝土排樁+型鋼支撐+單排鉆孔灌注樁防滲幕墻；方案B：排樁+錨桿+水泥擋土墻；方案C：地下連續(xù)墻+型鋼支撐。由于這3種深基坑的支護方案都是常見的施工方案，均可以滿足該高層建筑物下挖基坑的支護需求，但由于考慮到城市市政工程的施工特點，還要充分考慮每種施工方案的經(jīng)濟效益、工作程序安排的合理性以及城市市政工程的環(huán)保評估等要素，需要在幾種方案中擇優(yōu)選取一個相對來說是最適合本工程的支護方案。

4 支護方案確定及優(yōu)選步驟

4.1 整體思路

采用灰色關(guān)聯(lián)分析法，綜合考量該基坑支護方案中影響因素：技術(shù)方案安全質(zhì)量可行性、經(jīng)濟效益性、施工便捷性和環(huán)保評價機制，再從這個4個方面進行二級指標(biāo)評定。在此，將方案評定影響因素進行4個一級指標(biāo)和12個二級指標(biāo)分類，并編號加以區(qū)分，見表2。

由前文所述，導(dǎo)出灰色關(guān)聯(lián)法計算模型，設(shè)計算模型中由有n個影響因素，即n個灰色因子數(shù)列，即:

用該公式列出各影響因子之間的關(guān)聯(lián)矩陣，從而求出各影響因子之間的關(guān)聯(lián)度及關(guān)聯(lián)序數(shù)，即以任意一組數(shù)列Xj為母序列來分別計算序列 Xi，（i≠j）的灰色關(guān)聯(lián)度以及關(guān)聯(lián)序數(shù)。

4.2 灰色關(guān)聯(lián)法的計算過程

①原始數(shù)據(jù)的處理

為了便于各影響因子之間的數(shù)據(jù)比較，需要對不同數(shù)據(jù)進行量綱統(tǒng)一。原始數(shù)據(jù)的處理方式主要包括:

②以為母線，計算對應(yīng)時刻與各數(shù)列的差值Δij(k)

③計算出 |Δij(k)|的最值（即：Δmin與 Δmax）

④對影響因子Xi各數(shù)列進行關(guān)聯(lián)系數(shù) ξ(ij)(k)求解

其中，δ為分辨系數(shù)，δ∈［0，1］，若 δ的數(shù)值越小，則表示影響因子之間的差異越大，工科驗證中，通常情況下δ值為0.5。

⑤計算各數(shù)序列對Xj的關(guān)聯(lián)度

4.3 備選方案的指標(biāo)值的確定

對照表2所列出深基坑支護方案的4個一級指標(biāo)和12個二級指標(biāo)，邀請8名相關(guān)專家對備選方案各項指標(biāo)進行主觀經(jīng)驗分配賦值和客觀圖文資料查閱計算賦值相結(jié)合的方法，確定備選方案中各指標(biāo)值。其后對每一項子級指標(biāo)作單項比較，得出一個最優(yōu)項，將16個一、二級指標(biāo)最優(yōu)項組合，得出一個理想方案（記為方案T）。相關(guān)數(shù)據(jù)見表3。

4.4 最優(yōu)方案的評選

在表3中得出了一個理想方案，但是由于理想方案是由16個一、二級分項指標(biāo)單項最優(yōu)項集合組成，這16個分項指標(biāo)是隨機分布在既有的3種支護方案中，很難出現(xiàn)在一個方案中就集齊的現(xiàn)象。因此，理想方案的得出更多地體現(xiàn)了參考作用和最終確定方案的比對作用。在此，必須要對最終要得到的最優(yōu)支護方案進行探索。

運用DPS數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，組建灰色關(guān)聯(lián)法模型，計算備選方案與理論最優(yōu)方案（方案T）之間的關(guān)聯(lián)度。從3個備選方案中分別進行一級指標(biāo)和二級指標(biāo)的參數(shù)計算，考慮到采集的數(shù)據(jù)之間量綱的不統(tǒng)一，先對原始數(shù)據(jù)進行等效代換，分辨系數(shù)ρ統(tǒng)一采用0.5，再對計算機結(jié)果進行比較分析。

專家對備選方案方案指標(biāo)的評價表( 一、二級指標(biāo)) 表3

一級指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣 表4

一級指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度 表5

①對一級指標(biāo)進行參數(shù)計算，將其計算結(jié)果 (關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣和綜合關(guān)聯(lián)度)展示見表4～5。

根據(jù)表 5，可知 γa＞γb＞γc，可見在一級指標(biāo)評價系中，基坑支護方案A為最優(yōu)支護方案。

②對二級指標(biāo)進行參數(shù)計算，并將其計算結(jié)果 (關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣和綜合關(guān)聯(lián)度)展示見表 6～7。

根據(jù)表7，可知 γ1＞ γ2＞ γ3，則由二級指標(biāo)綜合關(guān)聯(lián)度可確定A方案為最優(yōu)支護方案。

綜上所述，分別比較上下兩級評價指標(biāo)系，均得出方案一為最佳備選方案，即鋼筋混凝土排樁+型鋼支撐+單排鉆孔灌注樁防滲幕墻是最合適的基坑支護方案。選定該方案A為最終實施方案可取的最佳支護效果。

二級指標(biāo)關(guān)聯(lián)系數(shù)矩陣 表6

二級指標(biāo)方案的綜合關(guān)聯(lián)度 表7

5 結(jié)論

本文以合肥地區(qū)某一在建高層建筑深基坑工程為例，充分考慮到安徽省中部江淮地區(qū)地質(zhì)特點，利用灰色關(guān)聯(lián)理論，從工程的安全質(zhì)量、經(jīng)濟效益、施工過程便捷性及工程環(huán)保評估等多個方面綜合考慮深基坑支護方案的制定及優(yōu)選，可得以下結(jié)論：

①灰色關(guān)聯(lián)法所建模型層次分明，上下兩級評定指標(biāo)能很好地體現(xiàn)江淮地區(qū)的高層建筑基坑支護方案的實際工程特點，有效的反映出各影響因子之間的綜合關(guān)聯(lián)度；

②灰色關(guān)聯(lián)法本身的理論體系是科學(xué)合理的，在實際的運用過程中有著較高的可操作性，從最終的工程實例效果來看，該方法效果較佳，具有很大的推廣和應(yīng)用空間。