韋成

（廣西工業(yè)設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，南寧 530000）

1 引言

深基坑開挖不僅會(huì)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(xué)者對(duì)既有地下結(jié)構(gòu)周圍巖土體安全進(jìn)行研究。Li[1]等通過建立兩個(gè)微震監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分析了微震b-value 及其隨時(shí)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(duì)坑外既有地鐵隧道變形影響規(guī)律進(jìn)行參數(shù)分析，劃分了不同圍護(hù)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(duì)既有地下結(jié)構(gòu)周圍巖土體的安全評(píng)估已經(jīng)成為當(dāng)今研究的熱點(diǎn)，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(duì)象，建立鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)時(shí)空復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。并從時(shí)間的角度定量和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)及其演化，為鄰近既有地鐵深基坑系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和施工指導(dǎo)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(jiǎn)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(fù)與絕對(duì)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(duì)值越大表明相關(guān)性越強(qiáng)；xi和yi分別為兩個(gè)變量的樣本觀測(cè)值，二者對(duì)應(yīng)的平均值則由xˉ和yˉ表示；n 為樣本觀測(cè)量。

2.2 復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

在對(duì)復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行研究的過程中，許多經(jīng)典的拓?fù)浣Y(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(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。本文從鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)間視角，對(duì)其施工風(fēng)險(xiǎn)的演化進(jìn)行研究。

網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)熵基于節(jié)點(diǎn)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(fēng)險(xiǎn)特征及演化的重要指標(biāo)，本研究基于對(duì)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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，通過計(jì)算熵觀察風(fēng)險(xiǎn)的動(dòng)態(tài)特征[4]。

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

為了排除不同節(jié)點(diǎn)數(shù)目N 對(duì)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(duì)風(fēng)險(xiǎn)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(duì)風(fēng)險(xiǎn)值R。

3 鄰近既有地深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)演化的評(píng)價(jià)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(cè)點(diǎn)的位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，通過動(dòng)態(tài)時(shí)間觀察窗口劃分各測(cè)點(diǎn)的時(shí)序數(shù)據(jù)，并基于此生成各時(shí)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(gè)窗口不同監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(gè)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(dú)特拓?fù)涮卣鞯木W(wǎng)絡(luò)模型。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)演化評(píng)價(jià)

通過研究不同時(shí)間窗口的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型，分析結(jié)構(gòu)熵值E 進(jìn)而模擬、量化鄰近既有隧道深基坑位移系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)隨施工進(jìn)程的演化，找出高風(fēng)險(xiǎn)的時(shí)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(hào)線廣西大學(xué)站—廣西財(cái)經(jīng)學(xué)院地下空間利用工程為研究對(duì)象，該項(xiàng)目主體結(jié)構(gòu)總長(zhǎng)811.2 m，主體基坑標(biāo)準(zhǔn)寬度為28.8 m，基坑深8.6～10.5 m，項(xiàng)目主體基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ800 mm 鉆孔灌注樁加內(nèi)支撐的支護(hù)形式，樁間采用雙管旋噴樁止水。另外，該項(xiàng)目位于5 號(hào)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(duì)基坑及隧道內(nèi)監(jiān)測(cè)。場(chǎng)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(xì)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(cè)點(diǎn)（408 個(gè)），建筑物沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（62 個(gè)），立柱沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)（85 個(gè)）；而對(duì)于既有隧道，選取隧道豎向位移測(cè)點(diǎn)（102 個(gè)），軌道豎向位移測(cè)點(diǎn)（102 個(gè)）和拱頂沉降測(cè)點(diǎn)（102 個(gè)）。

4.3 時(shí)間窗口劃分

本文在時(shí)間軸上共設(shè)立了20 個(gè)有7 d 重合的時(shí)間窗口，通過時(shí)間觀察窗口內(nèi)的時(shí)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(cè)點(diǎn)該時(shí)段時(shí)間序列的描述性統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，該站點(diǎn)監(jiān)測(cè)時(shí)序數(shù)據(jù)起始日期為2021 年9 月22 日，對(duì)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(cè)結(jié)束日期為2022 年3 月4 日，對(duì)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(cè)點(diǎn)時(shí)間序列的描述性統(tǒng)計(jì) 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(cè)點(diǎn)間的Pearson 相關(guān)系數(shù)，獲得測(cè)點(diǎn)之間的鄰接矩陣圖，進(jìn)而建立復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)模型。復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)了該時(shí)間窗口中的深基坑測(cè)點(diǎn)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(shí)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(diǎn)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(diǎn)，如圖1 所示。

圖1 地鐵深基坑施工局部時(shí)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(píng)價(jià)鄰近既有隧道深基坑系統(tǒng)整體風(fēng)險(xiǎn)的大小，還需分別從時(shí)間角度進(jìn)行深基坑系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)演化的定量評(píng)價(jià)。

4.5 網(wǎng)絡(luò)熵與結(jié)構(gòu)演化

在深基坑系統(tǒng)時(shí)間宏觀視角下，基于式（2）和式（3）計(jì)算結(jié)構(gòu)熵值E 及風(fēng)險(xiǎn)值，將深基坑系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)值作為衡量網(wǎng)絡(luò)模型在不同時(shí)刻的風(fēng)險(xiǎn)演化評(píng)價(jià)指標(biāo)。依據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)設(shè)定每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段的風(fēng)險(xiǎn)閾值，結(jié)果顯示該基坑施工全過程中存在4 個(gè)高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)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(fēng)險(xiǎn)演化圖

5 驗(yàn)證和討論

4 次高風(fēng)險(xiǎn)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(xiàng)匯報(bào)》和《安全巡查周報(bào)》發(fā)現(xiàn)，該項(xiàng)目從開始施工到現(xiàn)在施工過程中共記錄有3 次現(xiàn)場(chǎng)險(xiǎn)情事件發(fā)生。分為對(duì)應(yīng)窗口12、窗口13、和窗口18，說明本研究方法在時(shí)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(xiǎn)事件及預(yù)警結(jié)果

而基于單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的閾值法進(jìn)行預(yù)警的傳統(tǒng)方法，僅有1 次有效預(yù)警（險(xiǎn)情2），傳統(tǒng)的方法對(duì)于在經(jīng)驗(yàn)上及單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)觀測(cè)上的判斷，出現(xiàn)了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的漏判和誤判，導(dǎo)致未預(yù)見第一次和第三次險(xiǎn)情的發(fā)生。以第一次險(xiǎn)情為例，滲漏險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，施工方立馬進(jìn)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(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)點(diǎn)無論是在累計(jì)沉降量上還是單日增幅上都遠(yuǎn)未達(dá)到風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)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(shí)際中發(fā)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)事件，推測(cè)原因?yàn)?9～81 軸施工時(shí)底板封底速度較快，避免了土體擾動(dòng)，一定程度上避免了險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)R，從時(shí)間的角度量化了深基坑施工整體風(fēng)險(xiǎn)演化情況，與實(shí)際風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的時(shí)間對(duì)比分析表明，該方法能較有效預(yù)測(cè)3 次安全事故發(fā)生的時(shí)間，這對(duì)于加強(qiáng)鄰近既有地鐵深基坑位移系統(tǒng)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控，為事前預(yù)警和風(fēng)險(xiǎn)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(duì)比，本文評(píng)價(jià)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(píng)價(jià)方法較傳統(tǒng)方法在宏觀視角下能更有效地警示高風(fēng)險(xiǎn)時(shí)段。

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