基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的基坑工程安全評(píng)判

趙 劍，李雙艷，徐劍敏，劉定邦，趙 磊

（1.深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司，廣東 深圳 518000；2.中南林業(yè)科技大學(xué)，湖南 長(zhǎng)沙 410000；3.深圳市地鐵集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

基坑工程是一個(gè)擁有悠久歷史、具有重大意義的研究方向，具有里程碑式的價(jià)值。它要求解決土力學(xué)中的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、變形控制、滲漏控制等技術(shù)難題，確?；雍椭車h(huán)境的安全。21世紀(jì)之后，隨著我國(guó)城市建設(shè)的高速發(fā)展，有限的地上空間已不能滿足人類的建設(shè)需求，需向地下尋求更大的建設(shè)空間，從而大量的深基坑工程隨之產(chǎn)生。然而，由于深基坑工程大多數(shù)都是臨時(shí)施工，安全保障措施的缺乏，使得這些工程的風(fēng)險(xiǎn)極高，事故頻發(fā)[1-2]。因此，對(duì)基坑工程進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估十分必要。然而，風(fēng)險(xiǎn)本身是具有一定的不確定性及模糊性，需要采用科學(xué)的方法對(duì)其進(jìn)行評(píng)價(jià)。

EINSTEIN[3]早在20世紀(jì)70年代便開始探索并運(yùn)用風(fēng)險(xiǎn)管理的概念，深入剖析了地鐵工程的風(fēng)險(xiǎn)控制，并提出了一系列具有實(shí)踐意義的建議。張飛燕等[4]采用CIM-AHP 模型和組合賦權(quán)技術(shù)，可以有效地評(píng)估地鐵施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)，這種技術(shù)既可以將定量分析與定性分析相結(jié)合，又可以將客觀因素與主觀因素有機(jī)結(jié)合，大大提升了安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的準(zhǔn)確性和可靠性。申建紅等[5]通過應(yīng)用D-S證據(jù)理論，建立了一個(gè)深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，以便更好地評(píng)估深基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)因素。李朝陽等[6]應(yīng)用三級(jí)模糊綜合評(píng)判計(jì)算模型對(duì)地鐵車站基坑施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

基坑工程處于復(fù)雜的地下水和應(yīng)力環(huán)境中，基坑工程的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在其結(jié)構(gòu)特征和影響因素上，而且還受到土體、受力狀況以及運(yùn)營(yíng)環(huán)境等多種因素的影響，從而使得它們的復(fù)雜性大大增加。很明顯，對(duì)于基坑工程的安全性進(jìn)行評(píng)估存在著巨大的不確定性，既可能存在隨機(jī)因素，也可能存在模糊因素。模糊綜合評(píng)判法是一種新的數(shù)學(xué)方法，它可以幫助我們更好地識(shí)別多目標(biāo)決策中的復(fù)雜因素，特別是在面對(duì)模糊性較強(qiáng)的情況下，更能發(fā)揮出它的優(yōu)勢(shì)[7]。安全性是基坑工程的關(guān)鍵，它體現(xiàn)在基坑圍護(hù)體系和周邊環(huán)境的安全。通過監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，可以清楚地看到基坑圍護(hù)體系和周邊環(huán)境的變化[8]，從而確保基坑工程的安全運(yùn)行。本文通過綜合運(yùn)用層次分析法與模糊綜合評(píng)判法，構(gòu)建了一個(gè)以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依托的基坑安全評(píng)估模型。

1 基坑安全評(píng)判流程

基于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的AHP（Analytic Hierarchy Process）-模糊綜合評(píng)判法的深基坑施工安全評(píng)估應(yīng)用時(shí)，歸納起來主要有以下幾個(gè)步驟。

首先，建立一個(gè)評(píng)估指標(biāo)體系，使用層次分析法（AHP）和工程經(jīng)驗(yàn)來比較不同層次的要素。然后，根據(jù)一定的標(biāo)度理論，得出它們的相對(duì)重要程度[9]。

其次，根據(jù)工程實(shí)際情況，劃分基坑工程安全等級(jí)，建立基坑工程安全評(píng)語集。

最后，建立合理的隸屬函數(shù)，根據(jù)隸屬函數(shù)建立模糊綜合評(píng)判矩陣。逐級(jí)進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，最后求得基坑工程整體所處的安全等級(jí)。

2 層次分析法指標(biāo)權(quán)重確定

2.1 評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)深度、地質(zhì)特征、外部環(huán)境條件、支撐結(jié)構(gòu)類型、施工技術(shù)要求等多方面因素，應(yīng)當(dāng)對(duì)基坑工程進(jìn)行全面的監(jiān)測(cè)，以確保安全可靠的施工。本文根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）[10]對(duì)監(jiān)測(cè)內(nèi)容的要求，選取其中的應(yīng)測(cè)項(xiàng)作為評(píng)價(jià)指標(biāo)的選取范圍。在實(shí)際工程中，應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)施工圖紙的要求，對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行取舍。

2.2 評(píng)價(jià)指標(biāo)權(quán)重確定

層次分析法的基本步驟如圖1所示。在本文中，省略了對(duì)層次總排序的一致性檢驗(yàn)過程。

圖1 層次分析法的基本步驟Fig.1 Steps of AHP

采用層次分析法，可以將決策判斷轉(zhuǎn)換成可衡量的數(shù)據(jù)，并以1～9的比例來衡量每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的重要性，以此來實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的可視化表達(dá)。本文通過行業(yè)內(nèi)專家調(diào)查結(jié)合多年工作經(jīng)驗(yàn)給各評(píng)價(jià)指標(biāo)予以賦值。

（1）構(gòu)造層次分析結(jié)構(gòu)

以基坑監(jiān)測(cè)中9個(gè)最常見的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目（圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂水平位移和豎向位移、測(cè)斜、立柱沉降、支撐軸力、地下水位、周邊建筑物沉降、管線沉降、周邊道路沉降）為例，介紹評(píng)價(jià)體系的建立過程，深基坑施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 深基坑施工安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.2 Safety evaluation index system for deep foundation pit construction

（2）構(gòu)造判斷矩陣

a）第一層評(píng)價(jià)指標(biāo)

在第一層評(píng)價(jià)指標(biāo)中，基坑支護(hù)體系本身的變形大小是基坑工程是否安全的最直接體現(xiàn)，而周邊環(huán)境的變形除了受基坑施工的影響，還可能受外界條件的影響，諸如周邊建（構(gòu)）筑物的結(jié)構(gòu)形式、行走車輛等。因此，基坑支護(hù)體系本身的重要性相比周邊環(huán)境更為重要，因此建立如表1所示的深基坑工程施工安全判斷矩陣。

表1 深基坑工程施工安全判斷矩陣Table 1 Safety judgment matrix of deep foundation pit construction

b）第二層評(píng)價(jià)指標(biāo)

對(duì)于基坑支護(hù)體系本身而言，基坑變形的最直觀表現(xiàn)為圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移，其次為深層水平位移。在支護(hù)體系發(fā)生水平位移的同時(shí)，支撐軸力也會(huì)隨之變化，因此兩者具有相同的重要性。隨著支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的發(fā)生，周邊土體應(yīng)力隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致圍護(hù)墻頂部豎向位移、立柱沉降、地下水位等監(jiān)測(cè)項(xiàng)目隨之產(chǎn)生變形。

對(duì)于基坑周邊環(huán)境而言，周邊建筑物由于其自身基礎(chǔ)的存在，因此周邊建筑物沉降的重要性程度不如周邊道路豎向位移。而周邊管線的監(jiān)測(cè)受環(huán)境及現(xiàn)實(shí)因素的影響，幾乎所有的管線監(jiān)測(cè)只能采取間接法，因此周邊管線豎向位移重要性在周邊環(huán)境的指標(biāo)中最低。根據(jù)以上分析結(jié)果，構(gòu)造第二層指標(biāo)的判斷矩陣，結(jié)果如表2～3所示。

表2 基坑周邊環(huán)境判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of surrounding environment of foundation pit

表3 基坑支護(hù)體系本身判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of foundation pit support system

c）第三層評(píng)價(jià)指標(biāo)

除了支撐軸力外，第三層評(píng)價(jià)指標(biāo)均含有累計(jì)變化量和變化速率兩個(gè)指標(biāo)。在實(shí)際工作中，當(dāng)累計(jì)變化量達(dá)到設(shè)計(jì)控制指標(biāo)時(shí)，須立即予以報(bào)警，停止現(xiàn)場(chǎng)施工，對(duì)報(bào)警位置進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查分析；而對(duì)變化速率，一般取連續(xù)三天的變化速率判別基坑是否需要報(bào)警。因此，累計(jì)變化量較變化速率相對(duì)更加重要，因此建立如表4所示的判斷矩陣。

表4 判斷矩陣Table 4 Judgment matrix

（3）通過建立多個(gè)指標(biāo)的判斷矩陣，可以更準(zhǔn)確地評(píng)估每個(gè)指標(biāo)的重要性，但是，為了避免這些判斷之間出現(xiàn)矛盾，還需要進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，以確保它們的準(zhǔn)確性。引入判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根負(fù)平均值作為評(píng)定一致性指標(biāo)，即：

當(dāng)CI值較大時(shí)，表明矩陣與預(yù)期的一致性存在較大差異；而當(dāng)CI值較小時(shí)，則表明矩陣的一致性較高。為了確定矩陣的一致性，還須考慮它的平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI。1～9階判斷矩陣的RI值見表5。

表5 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Table 5 Average random consistency index

當(dāng)矩陣的階數(shù)超過2時(shí)，我們可以通過計(jì)算CI和RI的比值來評(píng)估它們的一致性，這個(gè)比值被稱為CR，CR=CI/RI，也就是所謂的隨機(jī)一致性比率。如果CR小于0.10，則可以確定該矩陣具備良好的一致性。

3 基于模糊綜合評(píng)判的深基坑施工安全評(píng)判

模糊綜合評(píng)判是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ)，通過將待研究的模糊實(shí)體和它們所代表的模糊概念組合成一個(gè)模糊集合，并利用相應(yīng)的隸屬函數(shù)，結(jié)合模糊集合的相關(guān)運(yùn)算和變換，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)模糊實(shí)體的定量分析。

3.1 確定評(píng)價(jià)集

為了確?；拥陌踩┕て陂g必須建立有效的監(jiān)測(cè)機(jī)制，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)、報(bào)告并進(jìn)行有效的管理。這些機(jī)制的設(shè)定需要考慮到監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的累積變化量及其變化的速度。監(jiān)測(cè)警戒值是指根據(jù)設(shè)計(jì)單位提出的指標(biāo)控制值，對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過一定閾值的預(yù)警。根據(jù)土質(zhì)特性、設(shè)計(jì)要求和當(dāng)?shù)貙?shí)踐經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)當(dāng)精確地確定監(jiān)測(cè)控制值。

本文根據(jù)各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目實(shí)際量測(cè)值與監(jiān)測(cè)指標(biāo)控制值的比值，將基坑安全等級(jí)分為五級(jí)：Ⅰ級(jí)安全狀態(tài)、Ⅱ級(jí)預(yù)警狀態(tài)、Ⅲ級(jí)報(bào)警狀態(tài)、Ⅳ級(jí)控制狀態(tài)、Ⅴ級(jí)危險(xiǎn)狀態(tài)，從而建立基坑安全評(píng)語集：

V={v1，v2，v3，v4，v5}={Ⅰ級(jí)安全，Ⅱ級(jí)預(yù)警，Ⅲ級(jí)報(bào)警，Ⅳ級(jí)控制，Ⅴ級(jí)危險(xiǎn)}

基坑安全等級(jí)劃分如表6所示。

表6 基坑安全等級(jí)劃分表Table 6 Safety classification of foundation pit

3.2 隸屬函數(shù)的確定

根據(jù)數(shù)據(jù)判斷特性，本文采用梯形分布函數(shù)。假設(shè)所有單因素的隸屬函數(shù)都是相同的，并且都遵循線性分布，從而計(jì)算出基坑不同安全狀態(tài)的隸屬函數(shù)[8]。

（1）基坑處于安全狀態(tài)的隸屬函數(shù)

（2）基坑處于預(yù)警狀態(tài)的隸屬函數(shù)

（3）基坑處于報(bào)警狀態(tài)的隸屬函數(shù)

（4）基坑處于控制狀態(tài)的隸屬函數(shù)

（5）基坑處于危險(xiǎn)狀態(tài)的隸屬函數(shù)

式中：x為各單因素的實(shí)測(cè)最大值；μ1、μ2、μ3、μ4、μ5分別對(duì)應(yīng)基坑處于安全狀態(tài)、預(yù)警狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、控制狀態(tài)、危險(xiǎn)狀態(tài)的隸屬函數(shù)；x1、x2、x3、x4分別對(duì)應(yīng)基坑處于預(yù)警狀態(tài)、報(bào)警狀態(tài)、控制狀態(tài)、危險(xiǎn)狀態(tài)的指標(biāo)預(yù)警值。

4 案例分析

4.1 工程概況

擬建桂灣四單元九年一貫制學(xué)校項(xiàng)目位于前海合作區(qū)桂灣片區(qū)，用地面積約3.71萬m2，總建筑面積約9.5萬m2，地上7層，地下2層（含半地下室）。場(chǎng)地北側(cè)鄰近創(chuàng)新九街，南側(cè)鄰近桂灣二路，西側(cè)鄰近創(chuàng)新六街，東側(cè)為創(chuàng)新八街及高架橋。基坑開挖底標(biāo)高為0.4～5.2 m，開挖深度5.3～11.4 m，開挖周長(zhǎng)約900 m，開挖面積約為3.4萬m2。

4.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容及控制指標(biāo)

根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙，本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)內(nèi)容及控制指標(biāo)分別如表7～8所示。

表7 監(jiān)測(cè)內(nèi)容Table 7 Monitoring contents

表8 監(jiān)測(cè)控制指標(biāo)Table 8 Monitoring and control indicators

4.3 監(jiān)測(cè)預(yù)警事件

2022年12月28日，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn) ZDW15、ZDW16累計(jì)變量分別達(dá)到?34.10 mm、?32.00mm，均超過設(shè)計(jì)預(yù)警值，第三方監(jiān)測(cè)單位發(fā)出預(yù)警通知單。在預(yù)警點(diǎn)位附近，還布設(shè)有圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（ZDC15、ZDC16）、地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)（SW7～SW9）、管線變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)（GX15～GX18）、周邊地表豎向位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（DL20～DL23）、支護(hù)樁深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)（CX6、CX7）。附近其它各項(xiàng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的當(dāng)天變化速率較之前亦有所增加，但仍處于設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)。根據(jù)2022年12月28日實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，取各類監(jiān)測(cè)項(xiàng)目中的最大值，具體數(shù)值見表9。依據(jù)第3.2節(jié)中的隸屬函數(shù)，建立模糊判斷矩陣，判定基坑的安全性。

表9 基坑監(jiān)測(cè)成果統(tǒng)計(jì)表Table 9 Statistics of foundation pit monitoring results

4.4 指標(biāo)權(quán)重的確定

本項(xiàng)目建立如圖3的基坑安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

圖3 基坑安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系Fig.3 Index system for safety evaluation of foundation pit

（1）構(gòu)造第一層判斷矩陣，如表10所示，一致性檢驗(yàn)結(jié)果附后。

表10 判斷矩陣U-ATable 10 Judgment matrix U-A

（2）構(gòu)造第二層判斷矩陣，如表11～12所示，一致性檢驗(yàn)結(jié)果附后。

表11 判斷矩陣A1-BTable 11 Judgment matrix A1-B

表12 判斷矩陣A2-BTable 12 Judgment matrix A2-B

（3）第三層各因素具有相同的判斷矩陣，構(gòu)建的判斷矩陣如表13所示。

表13 判斷矩陣B-CTable 13 Judgment matrix B-C

（4）根據(jù)上述的層次單排序結(jié)果，可求得評(píng)價(jià)指標(biāo)層次總排序結(jié)果，見表14。

表14 評(píng)價(jià)指標(biāo)層次總排序Table 14 Overall ranking of evaluation index levels

4.5 基坑安全判定

（1）第三層模糊綜合評(píng)判

第三層各因素評(píng)判矩陣：

根據(jù)4.4節(jié)所確定的第三層因素權(quán)重，得出第三層綜合評(píng)判：

（2）第二層模糊綜合評(píng)判

第二層各因素評(píng)判矩陣：

根據(jù)4.4節(jié)所確定的第二層因素權(quán)重，得出第二層綜合評(píng)判：

（3）第一層模糊綜合評(píng)判

第一層各因素評(píng)判矩陣：

根據(jù)4.4節(jié)所確定的第一層因素權(quán)重，得出第一層綜合評(píng)判：

根據(jù)最大隸屬度原則，說明該基坑處于Ⅰ級(jí)安全?；犹幱谠摪踩燃?jí)時(shí)，建設(shè)單位、施工單位、監(jiān)理單位、第三方監(jiān)測(cè)單位等相關(guān)監(jiān)控單位在信息報(bào)送的同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)、巡視，同時(shí)根據(jù)當(dāng)?shù)叵嚓P(guān)文件要求，組織專家論證會(huì)，請(qǐng)專家對(duì)基坑的安全性給出最終結(jié)論及處理意見。

2022年12月30日，建設(shè)單位組織召開了《桂灣四單元九年一貫制學(xué)校——樁頂水平位移預(yù)警》會(huì)議，與會(huì)專家詳細(xì)了解了基坑施工及監(jiān)測(cè)情況。根據(jù)與會(huì)專家咨詢意見，綜合判斷目前基坑整體處于安全穩(wěn)定狀態(tài)，建議根據(jù)基坑開挖實(shí)際情況，設(shè)計(jì)單位適當(dāng)調(diào)整樁頂水平位移監(jiān)測(cè)預(yù)警值。

5 結(jié) 論

（1）基坑工程安全事故的發(fā)生在前期一般都會(huì)有一定的征兆，如支護(hù)結(jié)構(gòu)變形或支撐內(nèi)力急劇增加等，但這些在初期是無法肉眼可見的。因此本文基于實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)建立基坑安全評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，合理構(gòu)建動(dòng)態(tài)安全評(píng)估模型，得到基坑工程在各時(shí)間段安全狀態(tài)的變化。

（2）在基坑施工安全判定過程中，利用基坑各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，可以有效避免對(duì)基坑安全評(píng)估的主觀性，大大增加了基坑安全判定的客觀性及合理性。

（3）基坑工程處于復(fù)雜的地下水和應(yīng)力環(huán)境中，基坑工程的復(fù)雜性不僅體現(xiàn)在組成結(jié)構(gòu)及影響因素方面，還體現(xiàn)在各因素的影響程度因不同的土體、受力狀態(tài)和運(yùn)營(yíng)環(huán)境而有所不同。顯然，基坑工程的安全性分析是不確定性問題，不僅具有隨機(jī)性，也具有模糊性。