基坑對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險評估

韋 鋒

（榆林學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

0 引言

城區(qū)范圍內(nèi)人口密集，高樓林立，地下管網(wǎng)密集，城市道路、橋梁、鐵路、隧道縱橫交錯，在城區(qū)開展深基坑工程施工，將面臨極其復(fù)雜的周邊環(huán)境。面對如此復(fù)雜的周邊環(huán)境，稍有差錯，便有可能導(dǎo)致工程事故發(fā)生，輕者導(dǎo)致基坑圍護結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)超標(biāo)，重者造成基坑支護結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)破壞，引起周邊建（構(gòu)）筑物及地下管線開裂，誘發(fā)建（構(gòu)）筑物倒塌，甚至造成人員傷亡，給工程建設(shè)帶來巨大經(jīng)濟損失，給人民群眾生命和財產(chǎn)安全造成極大威脅，給社會輿論帶來極其不良的影響。

深基坑工程設(shè)計過程中，對支護結(jié)構(gòu)體系進行評價，預(yù)測基坑開挖變形對周邊環(huán)境的影響，不僅有利于優(yōu)化支護結(jié)構(gòu)方案，也可以用來指導(dǎo)施工，以便更好地保護周邊環(huán)境。目前國內(nèi)外已經(jīng)有較多的相關(guān)研究成果，為更好地指導(dǎo)工程實踐，本文對國內(nèi)外相關(guān)的研究成果加以總結(jié)歸納，明確現(xiàn)有研究的不足，并且提出了進一步的研究方向。

1 基坑對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險評估

在基坑對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險研究方面，國外成果相對較多，包括周邊地表沉降規(guī)律、地層沉降與建構(gòu)筑物破壞之間的關(guān)系、建構(gòu)筑物損壞評價方法及變形控制標(biāo)準(zhǔn)等方面，J.B.Bur1and 通過對受地鐵影響的建（構(gòu)）筑物及其監(jiān)測結(jié)果的研究，給出了建（構(gòu)）筑物破壞的分類方法，提出了3 階段風(fēng)險評估的理論，并對如何提高風(fēng)險評估和控制的定量程度給出了建議；Konstantinos（2013）將模糊數(shù)層次分析法應(yīng)用于雅典地鐵車站施工對環(huán)境影響的風(fēng)險評價中，認(rèn)為該方法比層次分析法更符合現(xiàn)實情況，能夠得到更加準(zhǔn)確的評價結(jié)果[1]；Peck（1969）教授為土力學(xué)及基礎(chǔ)工程的發(fā)展作出了重要的貢獻，他通過對海量基坑周邊地表實測沉降數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，提出了分析基坑圍護墻后地表沉降大小、影響范圍的經(jīng)驗關(guān)系曲線和估算方法，成為沿用至今的經(jīng)典變形預(yù)測方法；Skempton 等（1956）對開挖影響區(qū)房屋的沉降數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，分別給出了鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋-混凝土框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的建筑物所能承受的總沉降量和差異沉降量，為監(jiān)測分級預(yù)警提供了寶貴數(shù)據(jù)；同樣的，Macro D.Boscardin 等（1992）[2]也對基坑影響下砌體房屋墻體承受沉降差異容許值進行了研究；Sugimoto（1986）在對大量基坑周邊地表最大沉降及其離墻距離的研究之后，給出了一種計算基坑周邊地表最大沉降的經(jīng)驗方法，還給出了基于基坑地質(zhì)條件的預(yù)測值進行調(diào)整方法；P.B.Attewe11（1986）和A.Bracegird1e（1996）研究了基坑開挖引起的土體變形對鄰近（鑄鐵）管道的影響，給出了潛在損害的評估方法；S.J.Boone（1996）[3]研究了地表移動和房屋破壞之間的關(guān)系，提出了一種新的評估開挖影響下建筑物破壞程度的方法，該方法綜合考慮了地層位移、建筑物結(jié)構(gòu)形狀以及材料的極限應(yīng)變等，通過對多個工程實例的應(yīng)用驗證了方法的實用性；Moorak Son（2005）[4]提出了評價開挖影響區(qū)內(nèi)建構(gòu)（筑）物破壞的4 階段方法，在假設(shè)結(jié)構(gòu)與地表位移一致的前提下，綜合考慮建筑物開口、地層與結(jié)構(gòu)的相對剛度，通過角變位和水平應(yīng)變來確定結(jié)構(gòu)的危險性等級。同時，批評了直接釆用裂縫指標(biāo)評估建筑物損壞等級的方法。

國內(nèi)在基坑周邊環(huán)境風(fēng)險評估方面也有較多研究成果，主要集中在基坑變形及其與周邊建構(gòu)筑物變形的關(guān)系，周邊建構(gòu)筑物變形允許值、破壞判斷及保護等方面的研究，定量化程度有待于進一步加強，相關(guān)研究成果如下：

唐孟雄等（1996）等通過對深基坑擋墻水平位移和周邊地表沉降間關(guān)系的研究分析，推導(dǎo)出了周邊地表任意點沉降值的計算公式，同時開展了基坑周邊管線的受力分析研究，得出了管道的允許曲率半徑，并以此評判管道是否破壞；楊國偉（2000）通過對基坑開挖影響下承重墻和框架結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力的研究，分析得出了在己知地表沉降形態(tài)時評判建筑物破壞與否的方法，并給出了各類建筑物的容許差異沉降預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)；陳龍（2004）在其博士論文中，建立了軟土地區(qū)盾構(gòu)施工期環(huán)境影響損失的概率分布曲線，并建立了地面沉降和周邊建筑物、路面和管線的損失分布曲線，為風(fēng)險評估中損失評價的研究提供了良好思路；徐中華，利用三維有限元建模、基坑實測數(shù)據(jù)分析等手段對上海地區(qū)支護結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型基坑支護型式的變形性狀進行了系統(tǒng)研究，探討了在支護參數(shù)影響下基坑變形的一般變化規(guī)律，并給出了多種基坑變形預(yù)測的實用圖表和上限值，研究結(jié)果成功應(yīng)用于上海地區(qū)深基坑變形預(yù)測；另外，李大勇（2000）對軟土深基坑施工開挖影響范圍內(nèi)的地下管線的特性進行了深入研究；高文華（2001）對開挖過程中的基坑變形預(yù)測和影響范圍內(nèi)建筑物的保護進行了研究；吳朝陽（2012）、寇潤勝（2014）、何蓓（2016）分別利用三參數(shù)區(qū)間數(shù)（建筑的最大沉降值、最大傾斜度、損傷系數(shù)）、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和綜合風(fēng)險指數(shù)矩陣法對基坑開挖影響下周邊建筑物安全風(fēng)險進行了研究，并得到了較好的評價結(jié)果。

2 現(xiàn)有研究的不足與改進建議

雖然前人基坑施工期風(fēng)險評估開展了一定的研究工作，但是在施工期坍塌風(fēng)險評估的定量化水平和動態(tài)化程度方面、基坑變形預(yù)測的輸入變量選擇、關(guān)鍵參數(shù)確定、模型預(yù)測精度方面以及地鐵基坑監(jiān)測的自動化水平方面仍存在較多問題。建議可以開展進一步的研究。

（1）變形預(yù)測模型輸入變量選取的隨意性過大。目前，變形預(yù)測大體有兩種形式：一種是利用變形的時間序列滾動預(yù)測變形，具有代表性的是GM（1，1）模型，其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也有應(yīng)用，這種方法是基于變形具有連續(xù)性的特點進行預(yù)測的，但是對于有變形突變的情況預(yù)測精度較低，例如在對“階躍式”滑坡位移預(yù)測時，通常將總位移分為“趨勢項”和“波動項”，其中“趨勢項”不具有突變性，一般采用GM（1，1）模型進行預(yù)測，而“波動項”則采用其他的預(yù)測模型進行預(yù)測。另一種是利用與位移相關(guān)的若干影響因素（其中前期位移亦可作為相關(guān)因素）作為輸入變量去預(yù)測位移，這種方法相較利用位移時間序列滾動預(yù)測位移的方法精度相對較高，而且對位移突變情況也能有較好的預(yù)測能力，但是應(yīng)該選取哪些影響因素作為輸入變量選擇的依據(jù)，是需要解決的關(guān)鍵問題，這對于模型預(yù)測的復(fù)雜程度和預(yù)測精度均有較大影響。

（2）預(yù)測模型關(guān)鍵參數(shù)選取缺乏依據(jù)。變形預(yù)測模型一般都有若干需要人為確定的關(guān)鍵參數(shù)，例如廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Genera1ized Regression Neura1 Network，GRNN）的平滑因子，極限學(xué)習(xí)機（Extreme Learning Mechine，ELM）的隱含層神經(jīng)元數(shù)量等等，這些關(guān)鍵參數(shù)對模型預(yù)測精度均有較大影響，無經(jīng)驗人員在使用時總感覺參數(shù)選擇無據(jù)可依。

（3）基坑變形預(yù)測模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)選取問題。在基坑變形預(yù)測模型訓(xùn)練時，一般選擇同一測點已有監(jiān)測數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)對模型進行訓(xùn)練，這種方式合理有效，無可厚非，但是會存在預(yù)測前期訓(xùn)練數(shù)據(jù)相對較少，預(yù)測精度偏低的問題。而同一基坑中的相鄰測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)或者已完工的相似基坑的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)對于基坑變形預(yù)測均有參考意義，可以利用這些數(shù)據(jù)來訓(xùn)練預(yù)測模型，這就為提高測點前期預(yù)測精度以及位移突變處的預(yù)測精度提供了思路。

（4）基坑監(jiān)測的自動化水平嚴(yán)重偏低。相較自動化監(jiān)測，人工監(jiān)測具有效率低，影響因素多，無法達到全天候?qū)崟r監(jiān)測的不足，相比之下自動化監(jiān)測更能確?；庸こ痰陌踩?，目前在運營期區(qū)間隧道工程中已有相關(guān)應(yīng)用，在施工期基坑監(jiān)測方面應(yīng)用極少。隨著自動化監(jiān)測設(shè)備價格的逐漸走低，大數(shù)據(jù)、云計算等先進數(shù)據(jù)存儲、處理技術(shù)飛速發(fā)展，以及深、大、近、難基坑工程的不斷涌現(xiàn)，想必基坑工程的自動化監(jiān)測將是大勢所趨。

建議后續(xù)圍繞帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌風(fēng)險動態(tài)評估問題，綜合利用風(fēng)險評價、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、粗糙集屬性約簡、相關(guān)性分析、數(shù)值模擬和自動化監(jiān)測等技術(shù)方法，開展帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌風(fēng)險動態(tài)評估基本理論、評估方法以及基坑變形多元智能預(yù)測的研究，同時，還可以嘗試開展地鐵基坑施工期變形的自動化監(jiān)測，為帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌風(fēng)險評估、預(yù)測提供理論和方法參考。

建議可以將基于T-S 模糊故障樹的帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌可能性動態(tài)評價方法、基于專家調(diào)查法的坍塌損失評價和基于等風(fēng)險圖法的坍塌風(fēng)險評價研究三者結(jié)合構(gòu)成帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌風(fēng)險動態(tài)評估方法。其中，基于T-S 模糊故障樹的帶撐樁（墻）支護地鐵基坑坍塌可能性動態(tài)評價方法利用模糊數(shù)描述各底事件的發(fā)生概率，可克服傳統(tǒng)故障樹過度依賴精確概率的問題，并利用[0，1]之間的數(shù)值表示事件的不同故障狀態(tài)，從而解決FTA 方法的“二態(tài)假設(shè)”問題。同時，以T-S 模型替換傳統(tǒng)的邏輯與或關(guān)系，解決引入中間故障狀態(tài)解決傳統(tǒng)與或關(guān)系不適用問題，并體現(xiàn)故障機理和事件聯(lián)系的模糊性，降低故障樹的建立難度。基于此，可以繪制帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌T-S 模糊故障樹，并調(diào)查獲取各T-S 模糊門規(guī)則，最后利用底事件模糊概率和故障程度分別對實例基坑坍塌可能性進行計算。

3 結(jié)束語

對國內(nèi)外就基坑對周邊環(huán)境影響風(fēng)險評估相關(guān)的研究成果加以總結(jié)概括，主要得出如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有研究在施工期坍塌風(fēng)險評估的定量化水平和動態(tài)化程度方面、基坑變形預(yù)測的輸入變量選擇、關(guān)鍵參數(shù)確定、模型預(yù)測精度方面以及地鐵基坑監(jiān)測的自動化水平方面仍存在較多問題。

（2）建議后續(xù)可以開展相關(guān)的研究工作，尤其是預(yù)測模型關(guān)鍵參數(shù)選取、基坑變形預(yù)測模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)選取和基坑監(jiān)測自動化等方面進行重點研究。