基于復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的鄰近既有隧道深基坑施工風險演化研究

韋成

（廣西工業(yè)設(shè)計集團有限公司，南寧 530000）

1 引言

深基坑開挖不僅會引起周圍既有建（構(gòu)）筑物變形或差異沉降，還將與既有地鐵隧道周圍巖土體相互影響，造成隧道結(jié)構(gòu)發(fā)生縱向沉降和橫向變形，最終影響隧道的受力條件和服務(wù)功能。越來越多的優(yōu)秀學者對既有地下結(jié)構(gòu)周圍巖土體安全進行研究。Li[1]等通過建立兩個微震監(jiān)測系統(tǒng)，分析了微震b-value 及其隨時間變化，為地下廠房洞室?guī)r體大變形早期預(yù)警提供了參考。Zheng[2]等采用有限元方法對坑外既有地鐵隧道變形影響規(guī)律進行參數(shù)分析，劃分了不同圍護結(jié)構(gòu)變形模式和最大水平位移條件下既有隧道變形區(qū)。說明對既有地下結(jié)構(gòu)周圍巖土體的安全評估已經(jīng)成為當今研究的熱點，而鄰近既有隧道的深基坑開挖更是其中的典型。本文以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論為基礎(chǔ)，以鄰近既有隧道深基坑位移系統(tǒng)為對象，建立鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)時空復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。并從時間的角度定量和動態(tài)評價鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)風險及其演化，為鄰近既有地鐵深基坑系統(tǒng)風險評價和施工指導提供一種新的方法。

2 方法

2.1 Pearson 相關(guān)性分析

Pearson 相關(guān)性分析是一種簡單的衡量反映特征和響應(yīng)之間關(guān)系的方法，二者線性相關(guān)的方向與程度用Pearson 相關(guān)系數(shù)[3]的正負與絕對值大小表示。

式中，rp為Pearson 相關(guān)系數(shù)，取值區(qū)間為[-1，1]，絕對值越大表明相關(guān)性越強；xi和yi分別為兩個變量的樣本觀測值，二者對應(yīng)的平均值則由xˉ和yˉ表示；n 為樣本觀測量。

2.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的風險評估

在對復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進行研究的過程中，許多經(jīng)典的拓撲結(jié)構(gòu)參數(shù)被構(gòu)造用以描述不同復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型的結(jié)構(gòu)特征，以此建立系統(tǒng)模型風險評價指標。本文從鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)風險的時間視角，對其施工風險的演化進行研究。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵基于節(jié)點度數(shù)產(chǎn)生，作為復(fù)雜系統(tǒng)無序程度的度量，是反映網(wǎng)絡(luò)模型風險特征及演化的重要指標，本研究基于對網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)熵的量化建立鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)整體風險指標，通過計算熵觀察風險的動態(tài)特征[4]。

式中，E 為網(wǎng)絡(luò)熵；ki為節(jié)點i 的總邊數(shù)。

為了排除不同節(jié)點數(shù)目N 對E 的影響，將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵的歸一化值作為系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的絕對風險值，也為該網(wǎng)絡(luò)模型代表的鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)的絕對風險值R。

3 鄰近既有地深基坑施工風險演化的評價框架

3.1 數(shù)據(jù)收集和相關(guān)性分析

收集基坑和既有隧道中不同測點的位移監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過動態(tài)時間觀察窗口劃分各測點的時序數(shù)據(jù)，并基于此生成各時間窗口的深基坑沉降系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。

3.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建與優(yōu)化

基于每個窗口不同監(jiān)測點位移數(shù)據(jù)之間的非線性交叉相關(guān)性來構(gòu)建原始相關(guān)矩陣，再求解每個窗口的最優(yōu)閾值，利用邊相關(guān)系數(shù)閾值法構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，最后得到一系列具有獨特拓撲特征的網(wǎng)絡(luò)模型。

3.3 風險演化評價

通過研究不同時間窗口的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，分析結(jié)構(gòu)熵值E 進而模擬、量化鄰近既有隧道深基坑位移系統(tǒng)風險隨施工進程的演化，找出高風險的時間窗口。

4 案例分析

4.1 工程概況

本文以南寧軌道交通5 號線廣西大學站—廣西財經(jīng)學院地下空間利用工程為研究對象，該項目主體結(jié)構(gòu)總長811.2 m，主體基坑標準寬度為28.8 m，基坑深8.6～10.5 m，項目主體基坑圍護結(jié)構(gòu)采用φ800 mm 鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的支護形式，樁間采用雙管旋噴樁止水。另外，該項目位于5 號線廣西大西站—秀靈路站區(qū)間上方，豎向凈距5～8.7 m。開挖前需對基坑及隧道內(nèi)監(jiān)測。場地內(nèi)上覆第四系土層由上到下分別為：素填土、硬塑粉質(zhì)黏土、可塑粉質(zhì)黏土、軟塑粉質(zhì)黏土、細砂、圓礫及古近系泥巖。

4.2 數(shù)據(jù)收集

選取該深基坑及周邊的地表沉降監(jiān)測點（408 個），建筑物沉降監(jiān)測點（62 個），立柱沉降監(jiān)測點（85 個）；而對于既有隧道，選取隧道豎向位移測點（102 個），軌道豎向位移測點（102 個）和拱頂沉降測點（102 個）。

4.3 時間窗口劃分

本文在時間軸上共設(shè)立了20 個有7 d 重合的時間窗口，通過時間觀察窗口內(nèi)的時序數(shù)據(jù)可形成各自的深基坑沉降系統(tǒng)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。表1 中顯示了部分位移監(jiān)測點該時段時間序列的描述性統(tǒng)計指標，該站點監(jiān)測時序數(shù)據(jù)起始日期為2021 年9 月22 日，對應(yīng)施工階段為冠梁開始澆筑，正在制作79～81 軸混凝土支撐。監(jiān)測結(jié)束日期為2022 年3 月4 日，對應(yīng)施工階段為58～59 軸北側(cè)放坡；59～61 軸開挖第二層土方；61～97 軸頂板已澆筑，正在回填。

表1 部分監(jiān)測點時間序列的描述性統(tǒng)計 mm

4.4 鄰近既有隧道深基坑位移系統(tǒng)模型構(gòu)建

根據(jù)前文中的式（1）求出各測點間的Pearson 相關(guān)系數(shù)，獲得測點之間的鄰接矩陣圖，進而建立復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)了該時間窗口中的深基坑測點間相互聯(lián)系及相互影響狀態(tài)的可視化，也反映了鄰近既有地鐵深基坑位移系統(tǒng)的時間演化過程。本文只展示部分窗口的鄰接矩陣圖和復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型圖，不同顏色代表不同聚類，部分節(jié)點因度數(shù)小而分布在復(fù)雜網(wǎng)路圖邊緣，但并非孤立節(jié)點，如圖1 所示。

圖1 地鐵深基坑施工局部時間窗復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型

然而，僅僅從模型可視的角度無法定量評價鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)整體風險的大小，還需分別從時間角度進行深基坑系統(tǒng)風險演化的定量評價。

4.5 網(wǎng)絡(luò)熵與結(jié)構(gòu)演化

在深基坑系統(tǒng)時間宏觀視角下，基于式（2）和式（3）計算結(jié)構(gòu)熵值E 及風險值，將深基坑系統(tǒng)風險值作為衡量網(wǎng)絡(luò)模型在不同時刻的風險演化評價指標。依據(jù)專家經(jīng)驗設(shè)定每個風險時段的風險閾值，結(jié)果顯示該基坑施工全過程中存在4 個高風險時間段，如圖2 所示。

圖2 鄰近既有地鐵的深基坑施工全過程沉降系統(tǒng)風險演化圖

5 驗證和討論

4 次高風險窗口分別為窗口6（2021 年10 月12 日—2021年11 月26 日）窗口12（2021 年12 月08 日—2022 年01 月07日）、窗口13（2021 年12 月15 日—2022 年01 月14 日）和窗口18（2022 年01 月19 日—2022 年02 月18 日）。通過《安全事故專項匯報》和《安全巡查周報》發(fā)現(xiàn)，該項目從開始施工到現(xiàn)在施工過程中共記錄有3 次現(xiàn)場險情事件發(fā)生。分為對應(yīng)窗口12、窗口13、和窗口18，說明本研究方法在時間上能做到有效預(yù)警，具體如表2 所示。

表2 鄰近既有隧道的深基坑施工全過程危險事件及預(yù)警結(jié)果

而基于單個監(jiān)測點數(shù)據(jù)的閾值法進行預(yù)警的傳統(tǒng)方法，僅有1 次有效預(yù)警（險情2），傳統(tǒng)的方法對于在經(jīng)驗上及單個監(jiān)測點數(shù)據(jù)觀測上的判斷，出現(xiàn)了對風險的漏判和誤判，導致未預(yù)見第一次和第三次險情的發(fā)生。以第一次險情為例，滲漏險情發(fā)生時，施工方立馬進行噴錨，但仍有少量上層滯水從噴錨混凝土表面滲出。從單個監(jiān)測點的數(shù)據(jù)上看D73-2（-5.35 mm）、D73-1（-3.05 mm）、Z73（3.47 mm），z73（4.08 mm）、L73（3.98 mm）等監(jiān)測點無論是在累計沉降量上還是單日增幅上都遠未達到風險域值，這也是預(yù)警失誤的重要原因，且該類易被漏判誤判的風險事件原因不易查明和預(yù)見。而本研究的新方法有一次預(yù)警（窗口6）未在實際中發(fā)現(xiàn)風險事件，推測原因為79～81 軸施工時底板封底速度較快，避免了土體擾動，一定程度上避免了險情的發(fā)生。

6 結(jié)論

1）本文基于網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)熵的量化建立深基坑整體風險指標R，從時間的角度量化了深基坑施工整體風險演化情況，與實際風險發(fā)生的時間對比分析表明，該方法能較有效預(yù)測3 次安全事故發(fā)生的時間，這對于加強鄰近既有地鐵深基坑位移系統(tǒng)安全風險監(jiān)控，為事前預(yù)警和風險控制方面提供有效依據(jù)，具有重要工程意義。

2）與傳統(tǒng)預(yù)警方法對比，本文評價方法能有效預(yù)警的次數(shù)為3 次，而傳統(tǒng)方法僅為1 次，說明新評價方法較傳統(tǒng)方法在宏觀視角下能更有效地警示高風險時段。

3）本研究的評估體系和評估方法不僅可用在地鐵深基坑，還可用在其他建設(shè)項目，甚至別的領(lǐng)域，如金融、核電、鐵路運輸安全等，本方法都也能提供相應(yīng)的評價結(jié)果和建議。