深基坑工程對周圍環境影響的安全評價

戴佳立,張建新,杜文奇,劉乃棣

（1.天津城市建設學院天津市軟土特性與工程環境重點實驗室,天津 300384;

2.天津市安居建設發展總公司,天津 300050）

近年來,隨著我國城市建設的發展,地下空間得到了開發和利用,深基坑工程變得十分普遍。深基坑工程大多位于繁華的市中心,周圍建筑物密集,管線復雜,緊鄰道路紅線,它的施工對周圍環境的影響越來越受到人們的關注[1]。監測技術在深基坑的施工過程中已經是一項必不可少的環節,它在對工程的質量控制,進度控制等環節中起到了良好的社會效應和經濟效應。以往深基坑工程對周圍環境影響的研究主要集中在監測數據與數值模擬分析上,而運用模糊綜合評價法對監測數據進行分析研究較少。本文以深基坑開挖監測資料為依據,運用模糊綜合評價法,確定安全風險因素的權重,劃分安全風險水平等級,建立隸屬度函數,對風險因素進行模糊綜合評判。

1 工程概況

天津某辦公樓基坑工程,長約80 m,寬約65 m,位于繁華的市中心,場地西側與6層辦公樓相鄰,西南角和東南角與居民樓相鄰,建筑物年代較久遠,為歷史風貌建筑,需要保護,南側靠近河道,北側緊鄰城市主干道,東側為一幢7層小樓,周圍環境十分復雜,對變形要求較高。

基坑深度9.6 m,側壁安全等級一級,圍護結構采用φ800 mm鋼筋混凝土鉆孔灌注樁,截水帷幕采用φ850 mm三軸水泥攪拌樁,采用一道鋼筋混凝土支撐。

天津為典型的海陸相交互軟土地層,場地范圍內的工程地質條件極其復雜,地層變化起伏大,土質軟弱,鉆孔揭露范圍內見7層土,地下水位埋深1.30-1.70 m。具體土層情況如表1所示。

深基坑開挖將會對周圍環境產生較大影響,開挖施工時進行了周圍環境的監測,主要有:路面沉降L1-L8;建筑物沉降1-34;河岸地面沉降H1-H4。詳見圖1

該基坑在2010年12月6日的開挖過程中發現坑深4-5 m粉土層有漏水和涌土的現象,12月6日和12月7日的測斜數值分析發現,曲線曲率變化異常,最大日變形量達到27.1 mm,遠遠超出了警戒值,見圖2。最后判斷為止水帷幕施工質量問題所致,施工單位馬上進行土方回填,并于12月7日采用雙液注漿的方法進行堵漏。由于基坑周圍有需要保護的風貌建筑,為更直觀的反應本次事故對周圍環境的影響程度,故本文基于周圍環境的沉降監測數據進行模糊綜合評判,以評價深基坑開挖對周圍環境影響的安全性。

表1 土的物理力學指標Tab.1 Physical and mechanical properties of soils

2 模糊綜合評價法

模糊綜合評價法是運用模糊數學的工具,把一些邊界不清的問題定量化,對受多因素影響的事物和現象作出總的綜合評價的方法[2-3]。

單因素評價并形成隸屬度矩陣:首先確定評價級別集V={v1,…,vm},然后通過隸屬度函數確定評價對象在各單項指標上的得分 ri=（ri1,…,rim）（i=1,…,n）,最后以ri為行形成評價矩陣R=（rij）n×m。

綜合評價:計算模糊合成B=A·R,合成采用（+,.）,即相當于普通矩陣乘法,對于合成結果進行歸一化,按最大隸屬度確定評價對象所屬的等級。B=max（b1,b2,…,bN）

3 對周圍環境影響的安全評價

3.1 安全評價指標體系

根據監測項目確定各單因素的評價指標體系見表2。

按影響因素的重要性,先進行打分,確定影響因素的權重,經歸一化處理并作一致性檢驗,得到一級指標的評價權重集A=（0.09 0.55 0.36）和二級指標的評價權重集Ai=（0.25 0.75）。

表2 評價指標體系Tab.2 Evaluation index system

3.2 建立評價級別集

在相關研究基礎上[4-7],根據工程的實際狀況,將基坑的安全等級劃分為:安全、關注、預警、警戒、危險五個等級,V={v1,v2,v3,v4,v5}見表3。

3.3 警戒值（閥值）的建立

警戒值（閥值）是在監測報警值的基礎上考慮國家規范,地方規范和該工程設計要求[8-11],通過專家經驗判斷建立的。綜上所述,表4列出了各因素安全評價指標。

監測數據發現12月7日和12月8日建筑物沉降較穩定,最大變形速率為0.5 mm/d,12月9日沉降速率加大。這說明建筑物沉降對于基坑周圍深層土體的變形有滯后效應。而路面的沉降一直都很穩定,說明本次事故的影響范圍不是很大。現以2011年12月9日的監測數據資料做為評價依據,對基坑周圍環境的安全性進行模糊綜合評價,各項評價指標見表5。

表3 深基坑周邊環境安全模糊綜合評判的級別集Tab.3 The levels of safety and fuzzy synthetic evaluations for surrounding Environment

表4 各因素安全評價指標Tab.4 The index of safety evaluation

表5 基坑周邊環境各單因素指標Tab.5 The single index of surroundings around foundation pit

3.4 隸屬度函數的選定

為了求得模糊關系矩陣,必須建立各單因素對基坑支護體系安全分級的隸屬函數。建立合理的隸屬函數是比較困難的,需要通過不斷的試驗和總結。本文隸屬函數的確定參照文獻[8]中介紹的半梯形與梯形的函數表達形式建立隸屬度函數。

基坑處于安全狀態的隸屬函數

基坑處于關注狀態的隸屬函數

基坑處于預警狀態的隸屬函數

基坑處于警戒狀態的隸屬函數

基坑處于危險狀態的隸屬函數

上式的 a、b、c、a分別為基坑處于關注、預警、警戒和危險狀態的評價指標控制值,x為最大測值指標。

3.5 模糊綜合評價

將表5中的最大測值指標代入隸屬度函數中,得到最下層的評價矩陣

評價模型為

得到

第二層評價矩陣和評判模型為

歸一化后得（0.322,0.335,0.307,0.024,0.012）,根據最大隸屬度原則,取B中的最大值0.335,則對應為二級警戒狀態,所以基坑開挖對周圍環境影響的綜合風險等級評定為二級關注狀態。說明對于此次漏水事件,施工單位土方回填及時,雙液注漿參數控制合理,取得良好效果。

4 結語

運用模糊綜合評價法把監測數據進行量化分析,能夠較真實地反應深基坑的風險狀況,減少了主觀判斷帶來的差異,使評價結果更加精確,為工程的順利開展提供可靠的幫助。

本文評價方法操作性強,具有一定的實用價值,可為基坑設計施工部門進行參考。目前天津地區對基坑開挖對周圍環境影響的安全評價研究較少,相關數據指標參考上海地區而建立,對于進一步完善評價體系的問題今后還有較大的研究空間。

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