錢勁斗，郭 健，殷 俊，何章津，柯曉峰

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

軟土地區(qū)深基坑工程施工動態(tài)風(fēng)險的概率分析

錢勁斗，郭 健，殷 俊，何章津，柯曉峰

(武漢輕工大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，湖北 武漢 430023)

地鐵車站深基坑施工風(fēng)險多、難度大，施工環(huán)境及地質(zhì)條件復(fù)雜多變，必然會引起地下土體誘發(fā)基坑坍塌等事故的發(fā)生。基于基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，進(jìn)行基坑安全施工的全過程研究，探討基坑的變形規(guī)律，分析不同工況下基坑風(fēng)險演變過程。采用三角模糊數(shù)學(xué)方法探究風(fēng)險因素，建立不同預(yù)警條件下的風(fēng)險模糊概率。分析不同監(jiān)測項目之間的相關(guān)性，確定各監(jiān)測項目的影響權(quán)重，依據(jù)施工階段各監(jiān)測項目的風(fēng)險概率指標(biāo)，確定基坑的風(fēng)險等級。工程實例表明，該方法可為深基坑施工環(huán)境風(fēng)險評價提供科學(xué)的依據(jù)。

基坑工程；施工風(fēng)險；三角模糊數(shù)學(xué)；風(fēng)險評估

1 引言

隨著我國日益蓬勃的城市化發(fā)展，地鐵工程作為緩解城市交通壓力的手段之一受到了國內(nèi)外的一致認(rèn)可。由于地鐵車站多處于城市的繁華地區(qū)，周邊建筑物分布密集，地下情況錯綜復(fù)雜，因此給車站基坑安全施工帶來了極大的難度。所以，加強(qiáng)基坑工程施工的風(fēng)險管理工作，提前發(fā)現(xiàn)隱患，及時處理，從而保證基坑的安全施工顯得尤為重要。

由于國內(nèi)外對于深基坑風(fēng)險管理的研究尚處于萌芽階段，大部分的研究都基于定性分析。隨著模糊數(shù)學(xué)的不斷發(fā)展成熟，越來越多的學(xué)者通過建立模糊評價模型實現(xiàn)施工風(fēng)險的定量分析研究。例如：侯艷娟等運用模糊理論進(jìn)行風(fēng)險評估，在分析計算建筑物傾斜及破壞程度的基礎(chǔ)上，確定了建筑物的破壞等級[1]；包小華等通過應(yīng)用模糊綜合評價法[2]，構(gòu)造了基坑風(fēng)險判斷矩陣，定量計算了基坑的風(fēng)險等級；張弛等以模糊數(shù)學(xué)為理論基礎(chǔ)建立了基坑地表沉降對周邊環(huán)境影響的分析模型[3]，確定了周邊建筑物、道路及管線的破壞等級。由于國內(nèi)缺乏完整且全面的施工事故統(tǒng)計資料，因此難以通過統(tǒng)計的方法科學(xué)準(zhǔn)確地確定風(fēng)險事故損失及發(fā)生概率，需要借助一定的專家經(jīng)驗進(jìn)行定性分析評估，在專家經(jīng)驗不足的情況下，很容易造成評估結(jié)果隨機(jī)性和主觀性過大的問題，從而導(dǎo)致評價結(jié)果不準(zhǔn)確。隨著深基坑工程安全監(jiān)測日益受到重視，國內(nèi)外學(xué)者越來越青睞于研究監(jiān)測數(shù)據(jù)反應(yīng)基坑變形、受力和位移的內(nèi)在規(guī)律以及基坑的風(fēng)險狀況，但多數(shù)學(xué)者更善于通過數(shù)值模擬軟件建立預(yù)測變形研究模型，并對比監(jiān)測數(shù)據(jù)分析驗證模型的有效性，從而提出相對應(yīng)的建議，很少有學(xué)者能通過研究監(jiān)測數(shù)據(jù)、采用數(shù)據(jù)挖掘的方式分析基坑每日的風(fēng)險變化過程。例如：周勇、魏蒿锜[4]等人以蘭州地鐵某車站基坑為背景，通過有限元數(shù)值模擬及實際監(jiān)測數(shù)據(jù)的對比分析，表明了基坑開挖及降水對地下管線沉降的影響，并總結(jié)了管道的變形規(guī)律；俞建霖、廈霄[5]等人借助Plaxis軟件模擬基坑施工過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況，并與監(jiān)測數(shù)據(jù)對比分析，討論了坑外土體位移的變形規(guī)律；陳昆、閆澍旺[6]通過對天津某大型基坑開挖過程中圍護(hù)結(jié)構(gòu)及坑外土體的變形情況進(jìn)行全過程監(jiān)測，并利用有限元軟件建立三維基坑同時開挖過程中鄰近位置圍護(hù)墻變形、支撐軸力和立柱沉降受到的影響。由于基坑施工風(fēng)險狀況與基坑開挖過程有著密切的聯(lián)系，風(fēng)險等級會隨著開挖深度不斷提高，而監(jiān)測數(shù)據(jù)是最能反映基坑風(fēng)險演變規(guī)律的第一手?jǐn)?shù)據(jù)資料。但基坑安全監(jiān)測項目的測點眾多，且測點的累計變化量及變化速率各有差異，反映基坑的安全水平各有千秋，因此整合所有的測點數(shù)據(jù)，并對其進(jìn)行統(tǒng)一分析研究，從整體上把控基坑的風(fēng)險水平變化，并通過超標(biāo)的累計變化量分析造成此現(xiàn)象的施工因素，具有重要意義。

筆者在本車站基坑大量監(jiān)測數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析的基礎(chǔ)上，采用比值法將不同綱量的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行歸納總結(jié)，借助三角模糊數(shù)學(xué)確定了各監(jiān)測項目指標(biāo)可能造成基坑破壞的概率，通過層次分析法計算監(jiān)測項目之間的權(quán)重向量，并最終確定了此車站基坑的風(fēng)險水平演變規(guī)律。通過對比分析，所確定的風(fēng)險水平與實際相吻合。

2 地鐵站基坑工程

2.1 工程概況

廈門某地鐵站為地下二層島式車站 ，雙柱三跨閉合框架結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)段底板埋深16.61―17 m，寬度21.9 m；端頭井底板埋深18 m，寬度25.8 m。采用半幅蓋挖法施工?；硬捎玫叵逻B續(xù)墻+內(nèi)支撐體系，主體圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用800 mm地下連續(xù)墻，豎向設(shè)置4道內(nèi)支撐，第一道為鋼筋混凝土支撐，其余三道支撐為φ609，t=16 mm的鋼管支撐。

2.2 工程地質(zhì)條件

本車站范圍內(nèi)覆蓋層主要為第四系人工填土層、第四系殘積礫質(zhì)黏性土層；下伏基巖主要為燕山晚期侵入巖——中粗?；◢弾r，其中不均勻穿插輝綠巖脈，受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造和風(fēng)化作用影響，巖石風(fēng)化不均勻，中等—微風(fēng)化基巖面起伏較大。

2.3 水文地質(zhì)條件

場區(qū)地表水不發(fā)育。按賦存介質(zhì)，地下水可為三類：松散巖類孔隙水，孔隙裂隙水以及基巖裂隙水。場區(qū)松散巖類孔隙水、基巖裂隙水及風(fēng)化殘疾 巖孔隙裂隙水均直接或間接靠大氣降水補(bǔ)給，但補(bǔ)給程度有一定差異。出露高程較大的裸露基巖區(qū)完全接受大氣降水補(bǔ)給，延伸至溝谷洼地及臺地覆蓋層下的基巖構(gòu)造帶中的裂隙水，由于補(bǔ)給區(qū)位置高，地下水多具承壓性質(zhì)。

2.4 監(jiān)測點布設(shè)狀況

本車站依據(jù)“能直接反映監(jiān)測對象的位移、變形或受力狀態(tài)”的原則確定監(jiān)測項目。將基坑周邊3倍開挖深度的區(qū)域設(shè)定為基坑監(jiān)測范圍，選定地表沉降、建筑物沉降、管線沉降、墻體沉降、墻體水平位移、砼支撐軸力、鋼支撐軸力和地下水位等作為反應(yīng)基坑整體變形的監(jiān)測項目，測點數(shù)量如表1所示。由于各監(jiān)測項目累計變化量各有差異，因此導(dǎo)致基坑破壞的相對重要性不同，通過統(tǒng)計各監(jiān)測項目所有測點平均變化量、最大累計變化量，采用層次分析法定性[7]分析確定各項目相互之間的重要性，建立權(quán)重矩陣定量計算，結(jié)果如表1所示。

表1 監(jiān)測項目影響權(quán)重及測點數(shù)量

3 風(fēng)險發(fā)生概率的定量計算

筆者將上述選定的8個監(jiān)測項目作為反應(yīng)基坑變形的風(fēng)險控制指標(biāo)。為不失一般性，采用三角模糊型函數(shù)[8]描述事件的風(fēng)險概率。如圖1所示。

假設(shè)某風(fēng)險事件xi風(fēng)險狀態(tài)為ai的模糊概率P(xi=ai)的模糊子集[g-μgl，g，g+μgr]，其中g(shù)為模糊子集的中心，μgl和μgr為左右模糊區(qū)間界限。由隸屬度函數(shù)可知，當(dāng)μgl和μgr取值越小，則風(fēng)險概率越精確，反之，則模糊化程度高。

3.1 模糊子集的確定

由于基坑同一個監(jiān)測項目的測點眾多，每一個測點的累計變化量不同，反應(yīng)基坑的風(fēng)險狀況有一定的差異性?？紤]到單一的測點累計變化量不足以說明整個工程的風(fēng)險情況，但工程的風(fēng)險情況水平依賴于每一個測點的累計變化量。因此，將測點累計變化量反映基坑的故障狀態(tài)分為三個等級：黃色警報、橙色警報、紅色警報，并定義：當(dāng)累計變化量處于控制值的40%―60%以內(nèi)屬于黃色警報，處于60%―80%屬于橙色警報，大于80%屬于紅色警報，即:V={(40%，60%) (60%，80%) (80%，∝) }?？紤]到不同預(yù)警等級對基坑的安全影響權(quán)重不同，具有一定的模糊性，這里同樣采用層次分析法分析計算，兩兩定性分析相對重要性，結(jié)果如表2所示。

表2 預(yù)警等級權(quán)重表

預(yù)警等級權(quán)重黃色預(yù)警0．26440．22450．1047橙色預(yù)警0．73560．38950．2583紅色預(yù)警0．61050．77550．6370

筆者采用比值法將最大累計變化量單位化[0 1]區(qū)間上，即用累計變化量除以控制值作為風(fēng)險概率，并取最小值作為模糊子集的下限，最大值作為模糊子集的上限，區(qū)間均值作為模糊子集的中心值?？刂浦祬⒖家?guī)范[9]確定。由此可見不同故障狀態(tài)下監(jiān)測項目指標(biāo)反應(yīng)基坑破壞的概率便在此區(qū)間滑動。

(1)

3.2 重心法解模糊化

由于上述采用三角模糊集合僅確定了不同預(yù)警條件下風(fēng)險概率的分布區(qū)間G，因此我們需要將其轉(zhuǎn)換為一個明確的g*代表此區(qū)間，也就是找一個最適合代表模糊集合U(g)的明確點g*∈U(g)。

(2)

解模糊化糊化的方法比較多，重心法、形心法、中值法及最大最小集合法都可以實現(xiàn)此過程，其中重心法是最常用的方法，計算結(jié)果也最為合理，即采用公式2,求解三角模糊區(qū)間模型的重心，如圖1所示。

圖1 三角模糊函數(shù)

4 全過程動態(tài)風(fēng)險概率計算

4.1 基坑開挖施工進(jìn)度安排

由于本基坑采取分段開挖的方式，為了反應(yīng)基坑開挖全過程中的風(fēng)險演變規(guī)律，筆者 結(jié)合施工進(jìn)度計算不同工況下各監(jiān)測項目的風(fēng)險發(fā)生概率，從而達(dá)到了各監(jiān)測項目監(jiān)測數(shù)據(jù)與基坑整體安全的同步性。各施工階段的進(jìn)度詳如表4所示。

4.2 施工過程中監(jiān)測項目風(fēng)險概率計算

采用上述三角模糊數(shù)學(xué)建立各監(jiān)測項目不同工況下各預(yù)警情狀態(tài)的三角模糊概率區(qū)間，通過重心法解模糊化求解模糊概率，并結(jié)合之前表2計算所得的預(yù)警權(quán)重指標(biāo)，計算每一個監(jiān)測項目的加權(quán)風(fēng)險概率，計算結(jié)果如表5、表6所示。

表3 監(jiān)測項目累積控制值

監(jiān)測項目紅色預(yù)警值/mm橙色預(yù)警值/mm黃色預(yù)警值/mm累計值變化速率累計值變化速率累計值變化速率地表沉降40—503—530—402—3<30<1建筑物沉降20—30310—202—3<10<1管線沉降10—302—37．5—221—2<15<1墻體沉降20—303—410—201—3<10<1墻體水平位移40—603—520—401—3砼支撐軸力鋼支撐軸力(70%—80%)f(60%—70%)f<60%f地下水位1000300—500500—1000100—300<500<100

注：f―構(gòu)件的承載能力設(shè)計值。

表4 施工進(jìn)度計劃

編號日期施工進(jìn)度計劃安排12015?07?27東區(qū)59—60軸基坑開挖，開挖深度約6m22015?08?13東區(qū)55—57開挖深度約6m；56—58開挖深度約12m；59—60段開挖深度約15．5m?！?32016?04?09東區(qū)24—28開挖至16．5m左右；28—32開挖深度約為19．5m；32—60開始澆筑底板及主體結(jié)構(gòu)；西區(qū)1—20澆筑底板及主體結(jié)構(gòu)；標(biāo)準(zhǔn)段20—24開挖至19．5m左右。142016?04?29基坑開挖完成，開始全面澆筑主體結(jié)構(gòu)，部分已進(jìn)行回填土及路面回復(fù)

表5 周邊環(huán)境風(fēng)險概率表

進(jìn)度編號/模糊概率地表沉降建筑物沉降管線沉降地下水位黃色橙色紅色黃色橙色紅色黃色橙色紅色黃色橙色紅色1模糊概率0．11200．14670．25500．2950綜合概率0．11200．14670．25500．2950………………12模糊概率0．48300．68000．80400．44670．57000．88000．45000．6700綜合概率0．73840．44670．615013模糊概率0．48200．62200．47780．48500．93500．40000．6900綜合概率0．58700．47780．615714模糊概率0．48200．61000．45830．52000．94000．5886綜合概率0．57850．45830．5886

表6 基坑自身風(fēng)險概率表

進(jìn)度編號/模糊概率墻體豎向位移墻體水平位移鋼支撐軸力砼支撐軸力黃色橙色紅色黃色橙色紅色黃色橙色紅色黃色橙色紅色1模糊概率0．19330．11850．4441綜合概率0．19330．11850．4441………………12模糊概率0．46000．35170．66770．48850．5342綜合概率0．46000．58420．48850．534213模糊概率0．23330．26650．61670．45520．5551綜合概率0．23330．52410．45520．555114模糊概率0．21330．46880．44230．5233綜合概率0．21330．46880．44230．5233

5 車站整體施工安全狀態(tài)分析

通過上述計算過程，分別得到了監(jiān)測項目隨施工進(jìn)度的風(fēng)險概率值，結(jié)合表1分析并通過公式(2)計算所得的各監(jiān)測項目對基坑安全影響的權(quán)重，計算各施工階段周邊環(huán)境及基坑自身的加權(quán)平均風(fēng)險概率值，結(jié)果如表7所示。

P=∑wi·pi.

(2)

其中P表示監(jiān)測項目加權(quán)后的概率；wi代表各預(yù)警狀態(tài)的權(quán)重；pi表示各預(yù)警狀態(tài)的模糊概率。

表7 車站基坑風(fēng)險概率表

進(jìn)度/監(jiān)測項目周邊環(huán)境風(fēng)險概率基坑自身風(fēng)險概率車站整體安全狀態(tài)風(fēng)險概率10．21730．17080．198420．32440．30540．320230．39610．51000．460040．48840．55390．529150．54200．65070．605760．60960．65890．644770．69820．67840．700080．66490．59850．642890．60530．57020．5979100．64030．57510．6181110．60210．49420．5579120．63980．50430．5825130．63540．44150．5483140．62500．41140．5277

圖2 車站整體安全風(fēng)險概率水平與周邊環(huán)境及基坑自身風(fēng)險概率水平關(guān)系變化圖

圖2分別給出了車站整體安全狀態(tài)、周邊環(huán)境和基坑自身風(fēng)險隨施工進(jìn)度的變化過程。從圖2中可以看出：隨著基坑的開挖，三者的風(fēng)險狀況會有一個明細(xì)的上升趨勢，并達(dá)到峰值，結(jié)合工況信息我們可以判斷，基坑開挖已經(jīng)過半，并開始澆筑主體結(jié)構(gòu)，此時風(fēng)險情況達(dá)到最大值；此后隨著部分施工段主體結(jié)構(gòu)的澆筑，雖然基坑仍然在開挖中，但風(fēng)險水平并未增長。上述信息表明：及時澆筑主體結(jié)果對于基坑的施工安全具有重要意義，可以有效地提高施工安全水平，降低事故的發(fā)生頻率。

圖3顯示了地表沉降與建筑物及管線沉降隨施工進(jìn)度的變化過程。可以看出：隨著地表沉降風(fēng)險的持續(xù)增高，建筑物沉降及管線沉降也在明顯增高，而且管線的沉降相比于建筑物沉降更為明顯，并且持續(xù)上升，但地表沉降和建筑物沉降有下降的趨勢，并伴隨上下波動。上述變化情況說明：基坑開挖對地下管線的影響較大，因此有必要針對地下管線的沉降做出適當(dāng)?shù)牡乇碜{加固等防范措施。

圖3 地表沉降風(fēng)險概率水平與建筑物沉降及管線沉降風(fēng)險概率水平關(guān)系變化圖

圖4 墻體水平位移風(fēng)險概率水平與支撐風(fēng)險概率水平關(guān)系變化圖

圖4描述的是墻體水平位移與支撐軸力的變化關(guān)系：在基坑開挖的過程中，三者的變化趨勢是一樣的，隨著深度不斷增加，支撐軸力的風(fēng)險水平將達(dá)到峰值，然后逐漸下降，但墻體水平位移會保持一個風(fēng)險水平并持續(xù)一段時間，之后逐漸下降。結(jié)果工況分析，造成此趨勢的原因主要因為：隨著部分標(biāo)準(zhǔn)段主體結(jié)構(gòu)的澆筑，此基坑段的支撐軸力風(fēng)險會下降，但隨著其他開挖段的繼續(xù)施工，鋼支撐架設(shè)不及時導(dǎo)致墻體水平位移持續(xù)處于高風(fēng)險，后隨著支撐的架設(shè)，墻體水平位移的變形逐漸減小。

圖5反應(yīng)了地下水位的變化與地表沉降及墻體水平位移的風(fēng)險變化關(guān)系：三者的變化規(guī)律基本一致，因此可以通過地下水位的變化情況，逐步了解地表與墻體水平的變化情況，也可以通過地表沉降的變化規(guī)律來分析墻體水平位移的變化情況。由此可知，在某些監(jiān)測項目失效從而無法表達(dá)其風(fēng)險狀態(tài)的情況下，可以根據(jù)其他相關(guān)的監(jiān)測項目間接的分析其變化情況，從而幫助決策者能全面了解基坑持續(xù)施工的風(fēng)險水平。

圖5 墻體水平位移風(fēng)險概率水平與地表、地下水位風(fēng)險概率水平關(guān)系變化圖

6 結(jié)論

筆者基于監(jiān)測數(shù)據(jù)分析車站基坑風(fēng)險變化隨開挖深度及施工進(jìn)度的演變規(guī)律。通過上述研究可以得到以下幾點結(jié)論：

(1)依據(jù)基坑變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用模糊數(shù)學(xué)將所有監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)按預(yù)警等級統(tǒng)一分析研究，不僅有效地利用了監(jiān)測數(shù)據(jù)反應(yīng)基坑變形的有效信息，更準(zhǔn)確地分析了基坑風(fēng)險狀態(tài)的演化規(guī)律。結(jié)合實踐分析，此方法可為類似工程風(fēng)險管理提供理論經(jīng)驗。

(2)從數(shù)據(jù)分析結(jié)果表明：基坑風(fēng)險狀態(tài)會隨著基坑開挖深度及施工進(jìn)度有一個明細(xì)的上升趨勢并達(dá)到峰值，此后風(fēng)險水平會緩慢下降并伴隨上下小幅度的波動。通過對數(shù)據(jù)和施工信息的研究表明：此變化過程主要是因為部分施工段主體結(jié)構(gòu)的及時澆筑所導(dǎo)致，由此說明，及時澆筑主體結(jié)構(gòu)會有效降低基坑的風(fēng)險發(fā)生。

(3)結(jié)合施工工況信息實現(xiàn)基坑風(fēng)險動態(tài)管理的過程，不僅能正確、科學(xué)的指導(dǎo)施工，合理安排施工進(jìn)度，更可以結(jié)合單一監(jiān)測項目的風(fēng)險變化情況，在其他監(jiān)測項目失效的情況下，分析其風(fēng)險變化規(guī)律，從而在基坑風(fēng)險管理的過程中，能全面考慮，將基坑破壞的可能性降至最低水平。

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The probability analysis of dynamic risk of deep foundation pit construction in soft soil area

QIAN Jin-dou, GUO Jian, YIN Jun, HE Zhang-jin, KE Xiao-feng

(School of Civil Engineering and Architecture , Wuhan Polytechnic University, Wuhan 430023, China)

The deep excavation in a complex environment would inevitably cause soil deformations，which will induced underground foundation pit collapse accidents happening by deformation of soil. In this paper, by researching the whole process of foundation pit construction safety based on the deformation monitoring data,discusses the deformation regularity and risk level change in the development of foundation pit. Then, utilizes triangle fuzzy mathematics to establish probability interval and calculates the corresponding fuzzy probability. By means of analyzing the correlation between different monitoring items, confirms the effect weight of every factors. At last, through calculating the risk probability of different construction stages of the monitoring project indicators to analyze the risk of foundation pit level evolution regular. The engineering cases showed that the method was a high accuracy and a good prospect for analyzing the characteristics of construction deformation due to deep excavations.

deep excavation;construction deformation;triangle fuzzy mathematics;risk assessment

2016-10-20.

錢勁斗(1990-)，碩士研究生,E-mail：421327303@qq.com.

郭健(1968-)，男，教授，E-mail: guojianxh@163.com.

住建部科學(xué)技術(shù)項目計劃(2015-K3-04)；武漢輕工大學(xué)研究生教育教學(xué)改革研究與實踐項目(YY2015006).

2095-7386(2016)04-0052-06

10.3969/j.issn.2095-7386.2016.04.010

TU 4

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