吳 剛 張 鑫 李 娜 王 偉

(1.紹興文理學院 土木工程學院，浙江 紹興 312000；2.華匯工程設計集團股份有限公司，浙江 紹興 312000)

城市中的深基坑工程周圍有建筑群、交通路段、地下管道等制約因素，稍有疏忽極易造成基坑坍塌、周圍建筑傾倒、交通路段沉降、地下管道斷裂等事故.基坑開挖時對周圍環(huán)境影響風險更大.地表沉降區(qū)域可分為主要影響區(qū)域和次要影響區(qū)域；在水平方向的主要影響區(qū)域與基坑的開挖深度密切相關，距基坑邊線0～2倍于基坑開挖深度的區(qū)域為主要影響區(qū)域，距基坑邊線2～4倍于開挖深度的區(qū)域為次要影響區(qū)域[1-2].如何對由基坑開挖引起的工程風險進行有效預防和控制，已經成為眾多學者和從業(yè)人員研究的重要課題.近年來，國內研究人員對基坑工程風險進行了一些研究.朱偉[3]、張孟喜[4]、吳榮良[5]、王繼華等[6]通過層次分析法、神經網絡法、模糊綜合評判法、專家經驗法等，分析了基坑開挖對基坑坍塌、周圍建筑傾倒、交通路段沉降、地下管道斷裂等風險的影響.

周圍地表沉降是基坑開挖安全性評價的一個直觀指標，通過它可以對基坑開挖的風險進行預防和控制.本文結合紹興市區(qū)的國金商城深基坑工程，運用數(shù)學方法將一些難以量化的定性問題進行定量化分析，并進行地表沉降安全風險評價，以減少專家主觀因素的影響，為工程施工管理提供參考.

1 層次分析法基本原理

1.1 層次結構模型與判斷矩陣的建立

層次分析法提煉影響決策目標的多種因素并進行歸類，該方法通常包含目標層、準則層、指標層等三個結構.根據(jù)層次分析結構模型，邀請有關施工人員、設計人員、監(jiān)理人員、高校教師等專家，對各風險因素進行兩兩比較，最后以數(shù)值的形式表達各因素之間的重要程度，形成判斷矩陣B=[bij]m×n.該矩陣是層次分析的核心部分，直接關系風險評價結果，是以上一層某個要素作為判斷標準，對下一層次的要素進行兩兩比較確定的元素值[7].

1.2 權重排序

根據(jù)判斷矩陣計算各元素的相對權重.首先分別做好準則層、目標層的單排序，其次進行總排序.設定本層矩陣B=[bij]m×n的m個因素B1，B2，…，Bm的最大特征根λmax所對應的特征向量W=(W1，…，Wn)T，各因素權重計算如下.

1.2.1 將矩陣B=[bij]m×n的每一列向量進行歸一化，如式(1)所示：

(1)

1.2.2 對Wij按行求和，如式(2)所示：

(2)

1.2.3 再將Wi進行歸一化，如式(3)所示：

(3)

則有特征向量W=[W1，W2，…，Wn]T.

1.2.4 計算最大特征根λmax，如式(4)所示：

(4)

其中W為對應特征根λmax的正規(guī)化特征向量，Wi代表對應元素單排序的權重值[8].

1.3 一致性檢驗

上述構建的兩兩判斷矩陣構成了決策分析的基礎.當比較元素間的關系比較復雜時，一般情況不能保證判斷矩陣的一致性，此時，就要通過計算每一個兩兩判斷矩陣的對應特征向量，利用一致性指標、一致性比率做一致性檢驗[9].

首先計算一致性指標C.I.：

(5)

當判斷矩陣具有完全一致性時，C.I.=0.C.I.越大，表示判斷矩陣的一致性越差.一般C.I.≤0.1時，認為判斷矩陣的一致性可以接受[9].

隨著判斷矩陣B的維數(shù)n的增大，其一致性通常越差，故應放寬對高維矩陣的一致性要求.通常引入隨機一致性指標R.I.對一致性指標C.I.進行校正，如公式(6)所示[10]：

(6)

當C.R.≤0.1時，判斷矩陣滿足一致性檢驗要求；當C.R.>0.1時，說明比較和判斷的過程前后矛盾，應該對判斷矩陣進行調整，直到滿足一致性檢驗要求為止.

2 風險評價與控制

根據(jù)指標層各影響因素的權重值進行風險評價，將風險程度排序，按照相對重要程度劃分為三個等級：當權重小于0.04時，為風險度較小的第一等級；當權重介于0.04和0.10之間時，為風險度一般的第二等級，屬于中度風險；當權重大于0.10時，為風險度較高的第三等級，屬于高度風險.中度風險和高度風險都必須高度重視和預警.必要時從風險源頭開始控制，這樣可以提高控制風險的效率.

結合各影響因素的權重值，邀請有關專家及現(xiàn)場工作人員對具體工程的各影響因素進行評分.以Bij表示權重值，Aij表示影響因素的具體評分，則綜合評分可以通過公式(7)計算：

(7)

綜合評分越高，表示相對風險越低，工作人員只需正常控制風險；綜合評分越低，表示相對風險越高，應該引起工作人員高度重視.

3 工程案例

3.1 基坑概況

紹興國金商城工程位于紹興市越城區(qū)，工程總建筑面積約102 938 m2；地上部分為框架結構，主樓5層，局部3層；基坑開挖深度為13.2～14.0 m，地下2層.整個場地總用地面積34 020 m2，均設有二層地下室.本工程圍護采用圍護樁+兩道支撐的結構形式，基坑外圍局部采用水泥攪拌樁作為止水帷幕.工程采用鉆孔灌注樁，樁徑主要為700 mm和600 mm兩種.基坑平面不規(guī)則，周邊環(huán)境復雜，四周被已有建筑和街道環(huán)繞，工程周邊的地下管線也較復雜，基坑周圍環(huán)境如圖1所示.圖2為現(xiàn)場照片.

圖1 基坑周圍環(huán)境平面圖

該項目場地南側為東街，該側圍護樁軸線距用地紅線最近約18.8 m.西側為越城區(qū)人民檢察院、市郵政局及布業(yè)會館等建筑物，該側圍護樁軸線距用地紅線最近約8.0 m.其中:越城區(qū)人民檢察院(樁基礎)距圍護樁軸線最近約15 m；布業(yè)會館為歷史保護建筑(淺基礎)，距圍護樁 軸線最近約10 m；市郵政局(樁 基礎)距圍護樁軸線最近約9 m.北側為縣前街，該側圍護樁軸線距用地紅線最近約10 m.東側為新建北路，該側圍護樁軸線距用地紅線最近約9.0 m.其中，東北側有7層住宅樓(樁基礎)，距圍護樁軸線最近約12 m；東南側有真神堂(淺基礎)，距圍護樁軸線最近約15 m；它們離基坑的距離均在主要影響區(qū)域內.

圖2 現(xiàn)場照片

該工程靠近基坑南側紅線外有污水管線(埋深3.5 m)、給水管線(埋深0.8 m)、雨水管線(埋深2.0 m)及電信管線(埋深0.5 m);靠近基坑北側紅線外有雨水管線(埋深1.7 m)、供電管線(埋深0.3 m)、污水管線(埋深2.1 m);靠近基坑北側紅線外有雨水管(埋深0.5 m).

3.2 層次分析

結合本工程自身特點和周圍環(huán)境的復雜性，將基坑開挖對周圍地表沉降的影響因素分為目標層、準則層、指標層三個層次.如圖3所示，目標層即為基坑開挖引起的周圍地表沉降風險，它包括3個準則層，即環(huán)境風險因素(B1)、施工風險因素(B2)和設計風險因素(B3)；每個準則層又包括4個指標層.參照準則層建立主要指標因素集：

B={B1,B2,B3}；

參照指標層建立子指標因素集:

B1={B11，B12，B13，B14};

B2={B21，B22，B23，B24};

B3={B31，B32，B33，B34}.

圖3 層次分析結構模型

3.3 權重計算與一致性檢驗

根據(jù)紹興國金商城基坑工程的具體情況，以及專家和現(xiàn)場工作人員的打分，構建目標層與準則層的判斷矩陣，計算得各指標層的判斷矩陣，見表1、表2、表3和表4.

表1 B-Bi層的判斷矩陣

BB1B2B3B1134B21/312B31/41/21

表2 B1-B1i層的判斷矩陣

B1B11B12B13B14B1111/335B123135B131/31/313B141/51/51/31

表3 B2-B2i層的判斷矩陣

B2B21B22B23B24B2111/553B225175B231/51/711/3B241/31/531

經計算，得到各因素的權重如下.

B∶W=(0.623 0.239 0.137)，

λmax=3.018；

B1∶W=(0.291 0.491 0.151 0.067)，

λmax=4.199；

B2∶W=(0.229 0.597 0.055 0.119)，

λmax=4.244；

B3∶W=(0.062 0.447 0.345 0.146)，

λmax=4.124.

對判斷矩陣B，B1，B2，B3分別進行一致性檢驗，結果如表5所示.

表4 B3-B3i層的判斷矩陣

B3B31B32B33B34B3111/51/71/3B325123B3371/213B3431/31/31

表5 判斷矩陣的一致性檢驗結果

判斷矩陣λmaxC I R I C R B3 0180 0090 580 016B14 1990 0660 890 074B24 2440 0810 890 091B34 1240 0410 890 046

綜上所述，判斷矩陣B，B1，B2，B3滿足一致性檢驗的要求，此時可以用特征向量代替權向量.根據(jù)公式(1)～(4)計算，可得準則層各主要指標權重及指標層各子指標權重，見表6.

表6 工程風險因素權重及專家評分

準則層指標層權重專家評分南側北側東側西側環(huán)境風險因素0 623地質條件0 1818983降 水0 30610101010離基坑距離0 09410101010施工環(huán)境條件0 0428865施工風險因素0 240時空效應0 05510101010周圍附加荷載0 1438946檢測反饋0 01310101010管理效率0 02910101010設計風險因素0 137基坑平面形狀0 0099944基坑深度0 0618998支護體系剛度0 0478889止水帷幕形式0 02010101010

3.4基坑不同側面綜合評分

邀請專家及現(xiàn)場工作人員對工程不同側面的各影響因素評分，評分結果見表6.結合影響因素權重，根據(jù)式(7)計算的綜合評分如表7所示.

表7 基坑不同側面綜合評分

南側北側東側西側綜合評分8 99 28 07 5

3.5 風險評價

通過風險因素的權重分析(見表6)，可以把基坑開挖的工程風險分為三類：低度風險，包括基坑平面形狀、檢測反饋、管理效率和止水帷幕形式；中度風險，包括離基坑距離、施工環(huán)境條件、時空效應、基坑深度和支護體系剛度；高度風險，包括地質條件、降水和周圍附加荷載.由此可見，地質條件、降水和周圍附加荷載三個因素引起風險的可能性最大，需高度重視.

表7的基坑四個方位綜合評分表明：基坑西側評分最低，為7.5分，風險最高，是風險控制的關鍵；基坑北側評分最高，為9.2分，風險最低，可僅進行一般風險控制；基坑南側評分為8.9分，基坑東側評分為8分，這兩側的風險居中，應適當進行風險控制.

4 結語

以紹興市國金商城為例，對基坑開挖引起地表沉降的風險進行分析，得到如下主要結論：

第一，基坑開挖對周圍環(huán)境影響風險很大，傳統(tǒng)方式只對其單個影響進行風險評價，難以做到對周圍環(huán)境整體風險進行評估，而層次分析法有利于整體風險評估.

第二，環(huán)境風險因素大于施工風險因素，施工風險因素大于設計風險因素.從具體主要影響因素看，基坑開挖對地表沉降的影響從大到小依次為：降水、地質條件、周圍附加荷載、離基坑距離、基坑深度、時空效應、支護體系剛度.

第三，雖然未完全考慮該工程的所有風險因素，但通過專家和現(xiàn)場工作人員的綜合評定，并結合計算結果，可較為客觀地揭示該工程存在的風險.

第四，根據(jù)工程實際需要，本文分別對基坑的四個側面進行評分，同時考慮由層次分析法所得影響因素的權重，綜合分析基坑四個側面因基坑開挖引起的地表沉降風險，結果表明基坑西側評分最低，即風險最高.

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