基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的某地鐵基坑滲漏風(fēng)險評估

李衛(wèi)華, 張生杰, 洪小星, 欒金龍, 譚 勇

(1.南通城市軌道交通有限公司,江蘇 南通 226000; 2.同濟(jì)大學(xué) 土木工程學(xué)院,上海 200092)

0 引 言

隨著我國城市建設(shè)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,越來越多的城市開始進(jìn)行大規(guī)模的地鐵建設(shè),城市地鐵車站基坑工程不僅面臨基坑深度越來越深的問題,而且基坑周邊往往建(構(gòu))筑物密集,地下管線復(fù)雜。如何準(zhǔn)確評估基坑安全狀態(tài)一直是地下工程領(lǐng)域重點關(guān)注的問題,國內(nèi)外許多研究者已經(jīng)對此進(jìn)行了大量的研究。

文獻(xiàn)[1]提出定量風(fēng)險評估原則,研究了其在巖土工程中的應(yīng)用;文獻(xiàn)[2]用故障樹分析(fault tree analysis,FTA)方法編制某基坑工程邊坡開挖的事故樹,并用布爾代數(shù)法計算了邊坡的失效概率;文獻(xiàn)[3]采用風(fēng)險矩陣法對深基坑工程進(jìn)行風(fēng)險評估,并對基坑風(fēng)險管理進(jìn)行了系統(tǒng)的論述;文獻(xiàn)[4]用FTA方法對基坑風(fēng)險進(jìn)行評估;文獻(xiàn)[5]使用貝葉斯網(wǎng)絡(luò)綜合評估了基坑風(fēng)險;文獻(xiàn)[6]用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法對基坑風(fēng)險進(jìn)行了預(yù)測。這些方法均在基坑風(fēng)險評估方面取得了很好的效果,然而,這些方法大多是基于各類基坑風(fēng)險因素對基坑風(fēng)險進(jìn)行的整體評估,且評估結(jié)果受專家主觀評分因素的影響較大,在諸如滲漏等突發(fā)事故方面難以進(jìn)行風(fēng)險的實時評估。而基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)則可以較好地實時反映基坑本體及周邊環(huán)境的狀態(tài),尤其是監(jiān)測數(shù)據(jù)的累計值和日變化速率對基坑風(fēng)險評估具有非常好的警示意義,相關(guān)工程規(guī)范中雖然規(guī)定了各項監(jiān)測數(shù)據(jù)的警示值,然而這些數(shù)據(jù)并沒有直接體現(xiàn)基坑風(fēng)險水平,工程所處的風(fēng)險水平無法得到直觀體現(xiàn)[7]。文獻(xiàn)[8-9]基于監(jiān)測數(shù)據(jù)對基坑風(fēng)險進(jìn)行了評估,但是大多數(shù)相關(guān)研究只是介紹如何在監(jiān)測數(shù)據(jù)和風(fēng)險水平之間建立聯(lián)系,較少討論基于實際已經(jīng)發(fā)生事故時的基坑風(fēng)險評估以及控制措施評估。

因此,本文基于基坑監(jiān)測數(shù)據(jù),利用模糊綜合評判方法,圍繞某典型在建地鐵車站施工過程中出現(xiàn)的滲漏事故進(jìn)行風(fēng)險評估,并在堵漏后再次進(jìn)行風(fēng)險評估以驗證堵漏措施對基坑風(fēng)險水平的影響。

1 工程案例概況

1.1 工程背景

某濱江城市在建地鐵車站為12 m島式站臺地下2層框架結(jié)構(gòu),位于市區(qū)主干道下，且臨近兩側(cè)建筑群分布密集。車站底板埋深16.75 m,凈長180 m,凈寬19.3 m?；訕?biāo)準(zhǔn)段采用明挖順作法施工,圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm地下連續(xù)墻,豎向設(shè)1道混凝土支撐(0.8 m×1.0 m)和3道鋼支撐(φ609,壁厚t=16 mm);標(biāo)準(zhǔn)段基坑開挖深度為16.95 m,端頭井基坑開挖深度為18.46 m,連續(xù)墻深均為39.20 m;基坑安全等級為一級,基坑環(huán)境保護(hù)等級為二級。

根據(jù)場地工程勘察資料可知,工程場地屬于長江下游沖擊平原,基坑標(biāo)準(zhǔn)段施工范圍內(nèi)地質(zhì)情況為典型的富水砂層,土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)見表1所列。

表1 土體物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)

潛水主要分布于②～③-3層中;含水層總厚度大,含水量豐富;承壓水一般分布在④-2層以下的砂土、粉土層中,承壓水的上部隔水層為④-2層砂質(zhì)黏土夾粉土,其厚度較薄,局部缺失,且該層夾粉土,依據(jù)經(jīng)驗場地承壓水與潛水存在一定的水力聯(lián)系。

1.2 事故概況

2019年3月31日,基坑某段開挖深度為11.00 m,第2道鋼支撐架設(shè)完畢,當(dāng)日基坑未進(jìn)行開挖,CX12測斜處附近坑底上方1.00 m左右處出現(xiàn)嚴(yán)重的漏水、涌砂險情?；邮鹿拾l(fā)生處位置如圖1所示。

圖1 基坑事故發(fā)生處位置

根據(jù)3月31日的施工監(jiān)測報表,基坑CX12測斜點變形速率達(dá)到10 mm/d,CX12側(cè)附近地表沉降觀測點D16-2發(fā)生突沉20 mm。

滲漏事故發(fā)生后,施工單位立即采取大面積砂袋反壓堵漏的措施,由于水土流失嚴(yán)重,險情未得到持續(xù)有效的控制,4月2日滲漏處再次發(fā)生嚴(yán)重的漏水、涌砂情況,4月3日,施工單位采用坑外注漿堵住漏水源頭與砂袋反壓結(jié)合的方式,有效控制了基坑滲水涌砂的險情,確保了基坑的安全。

險情發(fā)生期間基坑CX12測斜處累計變形如圖2所示,地表沉降如圖3所示(觀測時間從3月29日至4月5日共8 d)。

圖2 CX12測斜處累計變形 圖3 滲漏發(fā)生處D16-2地表沉降觀測結(jié)果

2 基坑風(fēng)險模糊綜合評判

2.1 風(fēng)險評估因素劃分及構(gòu)造矩陣

根據(jù)該基坑工程實際監(jiān)測的指標(biāo)和有效數(shù)據(jù),將基坑風(fēng)險評估因素分為4層,如圖4所示。第1層為基坑整體;第2層包括基坑本體和周邊環(huán)境;第3層中,基坑本體包括地下連續(xù)墻測斜處變形(簡稱“地墻測斜”)、支撐軸力、立柱隆沉和地下水位,周邊環(huán)境包括地表沉降、建筑沉降和管線沉降;第4層為第3層各項的累計值和速率值,其中支撐軸力只有累計值,簡稱“軸力大小”,水位變化速率簡稱“水位速率”。

圖4 基坑風(fēng)險評估因素分層

針對基坑風(fēng)險評估中風(fēng)險因素多、不確定性強的特點,本文采用模糊綜合評判方法。該方法基于層次模型,將評估指標(biāo)帶入隸屬函數(shù)中進(jìn)行模糊運算,得到底層隸屬度,并結(jié)合權(quán)重進(jìn)行逐層加權(quán)運算,可得到較全面有效的計算結(jié)果,不僅能反映各方面的復(fù)雜因素,而且具有定量與定性相結(jié)合的特點[10]。

層次模型主要依據(jù)九標(biāo)度法對同級各個風(fēng)險因子的重要程度進(jìn)行比較,九標(biāo)度法中1表示2個評估因素的相對重要程度相同,9表示2個評估因素的相對重要程度差別最大,上述假定即為建立風(fēng)險評估因素構(gòu)造矩陣時兩兩因素判定的依據(jù)。本文基于上述理論構(gòu)造各層風(fēng)險評估因素的構(gòu)造矩陣,然后求得各構(gòu)造矩陣最大特征值,并將其對應(yīng)的特征向量歸一化,即為各風(fēng)險評估因素的權(quán)重[11-12],權(quán)重即為各風(fēng)險評估因素對于基坑安全性的重要程度?；语L(fēng)險評估因素第2層為基坑本體和周邊環(huán)境,其構(gòu)造矩陣和權(quán)重見表2所列,記權(quán)重集v2={0.83,0.17}。

表2 第2層構(gòu)造矩陣和權(quán)重

第3層中涉及因素最多,基坑本體因素集構(gòu)造矩陣和權(quán)重見表3所列,周邊環(huán)境因素集構(gòu)造矩陣和權(quán)重見表4所列,記權(quán)重集v3-1={0.60,0.08,0.20,0.12},v3-2={0.09,0.55,0.36}。

表3 第3層基坑本體構(gòu)造矩陣和權(quán)重

表4 第3層周邊環(huán)境構(gòu)造矩陣和權(quán)重

除支撐軸力只考慮累計指標(biāo)外,第4層其他風(fēng)險因素均考慮了累計變形指標(biāo)和變形速率指標(biāo),雖然2種指標(biāo)對基坑風(fēng)險狀態(tài)的評估均有重要作用,但目前相關(guān)研究中大多認(rèn)為后者比前者更加準(zhǔn)確[13],因此在第4層風(fēng)險因素中累計變形權(quán)重取0.30,變形速率權(quán)重取0.70,軸力大小權(quán)重為1.00,記權(quán)重集v4={0.30,0.70}。

為了避免構(gòu)造矩陣中出現(xiàn)邏輯錯誤,確保計算結(jié)果的整體準(zhǔn)確性,需要進(jìn)行一致性檢驗。一致性指標(biāo)(consistency index,CI)取值為(λmax-n)/(n-1),λmax為構(gòu)造矩陣最大特征值，n為構(gòu)造矩陣的階數(shù);平均隨機一致性指標(biāo)(random consistency index,RI)的值見表5所列。

表5 n階構(gòu)造矩陣的RI值

一致性比例(consistency ratio,CR)取值為CI與RI的比,以CR值判斷構(gòu)造矩陣的一致性是否可以接受,一般當(dāng)CR小于等于0.1時,認(rèn)為構(gòu)造矩陣的一致性是可以接受的。對于該基坑的計算過程如下:

(1) 第2層構(gòu)造矩陣。CI為(2-2)/(2-1)=0,CR為0。

(2) 第3層構(gòu)造矩陣。基坑本體λmax=4,周邊環(huán)境λmax=3。對于基坑本體,CI為(4-4)/(4-1)=0,CR為0。對于周邊環(huán)境,CI為(3-3)/(3-1)=0,CR為0。

因此,該基坑的構(gòu)造矩陣一致性均是可以接受的。

2.2 風(fēng)險評估分級及隸屬函數(shù)

在實際施工中,大部分工程很難達(dá)到設(shè)計監(jiān)測規(guī)程中規(guī)定的警戒值要求,在正常安全施工條件下仍然會經(jīng)常出現(xiàn)報警的情況[14],因此基于基坑工程手冊及該基坑工程所在地區(qū)的地方監(jiān)測規(guī)程[15-16],結(jié)合該基坑工程的設(shè)計資料,將基坑風(fēng)險因素評估指標(biāo)控制值分為5級:Ⅰ級安全,基坑變形在1.0倍設(shè)計允許值內(nèi);Ⅱ級關(guān)注,基坑變形達(dá)到1.0倍左右設(shè)計允許值;Ⅲ級預(yù)警,基坑變形達(dá)到1.5倍左右設(shè)計允許值;Ⅳ級報警,基坑變形達(dá)到2.0倍設(shè)計允許值;Ⅴ級緊急,基坑變形達(dá)到2.5倍左右設(shè)計允許值。另外,為了便于進(jìn)行隸屬度計算,將地墻測斜、地表沉降等累計變形指標(biāo)轉(zhuǎn)化相對于開挖深度的無量綱數(shù);支撐軸力指標(biāo)轉(zhuǎn)化為軸力大小除以設(shè)計軸力值的無量綱數(shù);建筑沉降累計變形指標(biāo)轉(zhuǎn)化為建筑傾斜累計值除以設(shè)計允許傾斜值的無量綱數(shù);管線沉降累計變形指標(biāo)轉(zhuǎn)化為管線沉降大小除以設(shè)計允許累計沉降值的無量綱數(shù)[17]。基坑各風(fēng)險因素評估指標(biāo)見表6所列。

對應(yīng)5段基坑風(fēng)險因素指標(biāo)控制值,將基坑風(fēng)險等級劃分為5個等級:Ⅰ級安全(基坑體系非常安全)、Ⅱ級關(guān)注(基坑體系較為安全,但需引起關(guān)注)、Ⅲ級預(yù)警(基坑體系存在一定隱患,需要召開監(jiān)測數(shù)據(jù)分析會議)、Ⅳ級報警(基坑體系存在嚴(yán)重安全隱患,需要召開會議采取一定控制措施)、Ⅴ級緊急(基坑體系極度危險,需要立即進(jìn)行搶險)。隸屬函數(shù)為將風(fēng)險因素評估指標(biāo)轉(zhuǎn)化為對應(yīng)各風(fēng)險等級隸屬度的函數(shù),為了便于隸屬度的計算,假設(shè)表6中各風(fēng)險因素評估指標(biāo)的隸屬函數(shù)相同且均服從線性分布,各風(fēng)險等級的隸屬函數(shù)[17]如下:

表6 基坑風(fēng)險因素評估指標(biāo)控制值

(1) Ⅰ級安全。

(2) Ⅱ級關(guān)注。

(3) Ⅲ級預(yù)警。

y3=

(4) Ⅳ級報警。

y4=

(5) Ⅴ級緊急。

y1～y5為各風(fēng)險等級的隸屬度;x為各風(fēng)險因素對應(yīng)的最大變化量指標(biāo),即評估指標(biāo);x2、x3、x4、x5分別對應(yīng)表6中Ⅱ級關(guān)注、Ⅲ級預(yù)警、Ⅳ級報警、Ⅴ級緊急風(fēng)險因素的指標(biāo)控制值。

2.3 基坑風(fēng)險評估結(jié)果

將該工程發(fā)生滲漏風(fēng)險時(2019年3月31日)和采取有效堵漏措施后(2019年4月3日)的監(jiān)測數(shù)據(jù),按照表6的風(fēng)險因素評估指標(biāo)進(jìn)行整理,得到3月31日、4月3日的風(fēng)險因素評估指標(biāo),見表7所列。

將表7數(shù)據(jù)代入隸屬函數(shù)中,結(jié)合風(fēng)險因素各層權(quán)重集,分別計算該基坑3月31日、4月3日的各層評估矩陣。

(1) 3月31日。第4層評估矩陣如下:

表7 基坑風(fēng)險因素指標(biāo)值

第3層評估矩陣如下:

第2層評估矩陣為:

根據(jù)最大隸屬度原則,3月31日基坑本體以0.67的最大隸屬度處于Ⅴ級緊急狀態(tài),周邊環(huán)境以0.55的最大隸屬度處于Ⅰ級安全狀態(tài)。

第1層評估矩陣為:

將第1層評估矩陣的隸屬度歸一化,得到基坑整體的風(fēng)險概率,見表8所列,基坑工程整體以0.43的最大概率處于Ⅴ級緊急狀態(tài),應(yīng)立即停止施工,召開緊急會議,制定搶險應(yīng)急方案。

表8 3月31日基坑風(fēng)險等級概率

(2) 4月3日。第4層評估矩陣如下:

第3層評估矩陣如下:

第2層評估矩陣為:

根據(jù)最大隸屬度原則,4月3日基坑本體以0.58的最大隸屬度處于Ⅰ級安全狀態(tài),周邊環(huán)境以0.80的最大隸屬度處于Ⅰ級安全狀態(tài)。

第1層評估矩陣為:

將第1層評估矩陣的隸屬度歸一化,得到基坑整體的風(fēng)險概率,見表9所列,基坑工程整體以0.36的最大概率處于Ⅰ級安全狀態(tài),搶險措施取得有效成果,基坑滲水漏砂風(fēng)險得到有效控制,基坑安全穩(wěn)定。

表9 4月3日基坑風(fēng)險等級概率

3 結(jié) 論

(1) 本文以某地鐵基坑工程為實例,基于現(xiàn)場實際監(jiān)測數(shù)據(jù),利用模糊綜合評判方法,分別對該基坑工程發(fā)生嚴(yán)重滲漏險情時和采取有效搶險措施后的基坑風(fēng)險狀態(tài)進(jìn)行評估,直觀反映了基坑的風(fēng)險狀態(tài)。

(2) 將基坑工程的風(fēng)險評估因素劃分為4層,基坑風(fēng)險因素指標(biāo)計算時充分利用現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù),對部分變化累計值進(jìn)行轉(zhuǎn)化以利于計算,風(fēng)險因素指標(biāo)控制值分級時考慮實際工程現(xiàn)狀,區(qū)別對待部分苛刻的警戒值要求,基坑風(fēng)險等級按照5個等級隸屬函數(shù)進(jìn)行模糊綜合評估。

(3) 3月31日發(fā)生地下連續(xù)墻滲漏險情時,基坑工程處于Ⅴ級緊急狀態(tài),需馬上召開緊急會議制定相應(yīng)的應(yīng)急搶險方案。在采取砂帶反壓、坑外注漿等搶險措施后,4月3日基坑工程處于Ⅰ級安全狀態(tài),基坑工程滲漏險情得到有效控制,有效保障了基坑的安全。

(4) 工程實例應(yīng)用結(jié)果表明,利用基于監(jiān)測數(shù)據(jù)的模糊綜合評判法評估基坑風(fēng)險,具有直觀、動態(tài)、可靠的特點。