超高層建筑基坑支護方案的決策系統模型應用分析

任宏 何強 鐘國益

摘 要：在超高層建筑中，基礎工程對整個建筑物的安全和壽命有舉足輕重的影響，與一般建筑物基礎不同，超高層建筑基礎已被構成地下空間的地下室和深大基礎結構所代替，而基礎施工通常要進行基坑支護。據國內外學者的統計和研究，超高層建筑基礎工程的造價和工期大約占建筑的土建總造價的三分之一左右，因此，對節約基礎成本來說，迫切需要加強對基坑支護方案決策系統的研究。本文基于層次分析法建立支護方案決策系統模型，在“質量好，工期短，經濟效益好”的原則下，主要對基坑支護方案的安全性，可靠與便捷性和經濟合理性進行分析論證。

關鍵詞：深基坑支護；決策支持系統；層次分析法

Abstract：The foundation engineering is of great importance to the security and life for the high-rise buildings .Different from the common building foundation ， the high-rise building foundation has been substituted by underground rooms and the deep huge foundation structures ，while the foundation building usually needs retaining pit .According to the statistics and the research of the inside and abroad scholars ，the cost and period of it account for one third more or less of the whole construction estimate .So as a matter of saving costs ， its urgent to strengthen the research of the model . This paper， based on the analytic hierarchy process to constitute a support scheme decision-making system model ， is to demonstrates the security ， reliability ， convenience and economic rationality of the foundation pit supporting scheme ， in the principle of “high quality ， short construction ，good economic benefits .

Key words：Foundation pit supporting， Decision Support Systems， Analytic hierarchy process

1.深基坑研究的歷史背景及研究意義

深基坑工程在我國廣泛應用與研究開始于80年代初，由于我國人口眾多，為了節約土地，從80年代初開始大量興建高層建筑同時采取措施充分利用城市地下空間，這樣也就帶來了大規模基坑工程的開挖與支護，來為地下工程建筑提供必要的安全環境 [1]。

超高層建筑的迅速興起，促進了深基坑支護技術的發展，選擇一個經濟、實用的基坑支護方案成為確保施工質量和保證施工安全和節約成本的重要工作。深基坑工程主要包括基坑支護體系設計、施工和土方開挖，它是一項綜合性很強的系統工程，因此，它與工程場地地質勘查、支護結構設計、施工開挖、基坑穩定、降水、施工管理、現場監測、相鄰場地施工相互影響等密切相關，具有很強的區域性和很強的個體性，其支護體系承受的土壓力又具有較強的時空效應。由于深基坑工程設計與施工的復雜性，不確定影響因素眾多，工程事故仍然時有發生，尤其當基坑開挖到一定深度基坑的安全性更難以控制。

因此，對基坑方案做一個系統的深入的研究，對于保護待建工程周圍已有建筑物和公用設施等的安全，對于節約建造成本，對于高層建筑基礎的順利施工等都有重要的意義。

2.深基坑研究的國內外現狀

基坑工程是一個古老且具有劃時代特點的綜合性的巖土工程課題，圍繞基坑工程的方案選擇和優化問題，工程技術和研究人員開展了大量的研究工作。20 世紀40 年代，Terzaghi和Peck等人就已經開始研究基坑工程中的巖土工程問題并提出了預估挖方穩定程度和支撐荷載大小的總應力法， 60年代在奧斯陸和墨西哥城軟黏土深基坑中使用儀器進行監測，此后大量的實測資料提高了預測的準確性，并從70 年代起產生了相應的指導開挖的法規[2]。在后來的時間里，世界各國的許多學者都投入研究，并不斷地在這一領域取得豐碩成果，提出了許多優化設計方法，如數值計算方法（如有限元），反分析方法，計算機輔助設計方法，系統工程優化設計方法（如層次分析法）等，且已逐漸被應用至基坑工程實踐中。特別是采用層次分析方法在深基坑支護系統方案優選中有成功的應用。國內眾多單位和學者也嘗試著采用計算機輔助設計的方法進行優化設計，如智能軟件包的應用。

一直以來，有兩個方面問題一直難以解決，一方面由于設計安全度不足而造成基坑失穩事故的比例較大，另一方面由于設計過于保守而又造成很大的浪費。唐業清等曾對103 項深基坑工程事故的原因進行調查，統計結果表明，其中由于深基坑設計失誤、水處理不當、結構和基坑失穩事故，占總事故的80 %，其所造成的經濟損失也相當嚴重[3]。經歷了20多年的發展，我國在解決基坑支護研究方面也取得很大的進步，比如，從支護設計理論從最初的強度控制與穩定分析的粗略設計到近些年提出的變形控制設計，比較有效的解決了上述問題。同時支護結構的形式也越來越多樣化。

3.深基坑支護結構常用形式選擇

由前文介紹可知，深基坑工程越來越多，且復雜程度也在增加，因此，圍繞深基坑的開挖與支護已成為當前高層住宅建筑基礎工程中的熱點和難點。基坑開挖可分為無支護開挖和支護開挖。無支護開挖也就是放坡開挖，常用于深度不大且土質較好的基坑，應是施工條件允許時首選的開挖方式。而支護開挖常用在施工場地不具備放坡開挖條件或放坡開挖技術經濟上不合理時采用的。目前，高層建筑常建設在市區，因此，待挖基坑多是較深且場地狹窄，不具備放坡開挖條件，需要采用支護開挖。 常用的支護結構形式如下表1所示。

我國工程實踐應用過的常見基坑支護方式見表1，每種支護形式的適應條件很多學者和專家也都進行過研究，并做出總結，有的已經作為規范寫入教材中，本文將做進一步的收集、整理和歸納。在選擇具體的方案時，首先，應進行實際勘察，收集數據，整理出工程的一些實際資料。根據收集到的工程的實際信息和基坑支護方案的特點和適用條件，依據地面荷載值及各土層的物理力學指標，采用朗肯土壓力等理論，計算出主動土壓力和被動土壓力，初步選擇幾種施工方案。然后，對幾種方案進行具體的規劃和設計，并進行專家論證，最后，做出進一步的調整和優化。

4.基于層次分析法的基坑支護方案決策系統模型應用分析

4.1基于層次分析法原理構建決策系統模型

深基坑支護工程系統是一個綜合性的巖土工程問題， 其方案優選涉及安全可行、經濟合理、環境保護、施工便捷、工期合理等基本準則[11]。具體實施過程中比較復雜，影響因素多，單一指標進行方案評價就不能全面的衡量一個支護方案的好壞，因此需要設定一個綜合指標。這個綜合指標的設定包括確立評價指標體系、確定各指標權重、建立數學決策模型三個關鍵環節。

傳統常用的評價方法有專家論證打分法、加權平均法等，雖然也有一定的實用性，但是這些方法包含的主觀因素太多，且專家論證打分法受專家的知識面、實際經驗等方面約束很大。因此這些方法評價誤差較大，可信度不高，不利于進行方案的決策。層次分析法是一種定性與定量相結合的、系統的、層次化的分析方法，因此，本文主要采取的是層次分析法對決策系統的一些重要指標做出科學、客觀的評價，幫助我們做出正確的方案選擇。

層次分析法（ Analytic Hierarchy Process， 簡稱AHP法）是美國運籌學家T.L.Sauty教授于70 年代初期提出的一種簡便、靈活而又實用的多準則決策方法[12]。其基本原理是：首先將復雜的問題層次化，即根據問題的性質和要達到的目標，將問題分解為不同的組成因素，按照因素間的相互影響和隸屬關系將其分層聚類組合，形成一個遞階的、有序的層次結構模型；然后根據系統的特點和基本原則，對各層的因素進行對比分析，引入1～9比率標度方法構造出判斷矩陣，用求解判斷矩陣最大特征值及其特征向量的方法得到各因素的相對權重；最終通過計算最低層（方案層）相對于最高層（總目標）的相對重要性次序的組合權值，以此作為評價和選擇方案的依據[13][14]。

4.2 應用層次分析法分析深基坑支護系統的評價指標權重

4.2.1建立層次分析的結構模型

本文中所建立的支護方案選擇的基本思路為質量好，工期短，經濟效益好，具體來說就是方案滿足安全可靠、技術可行、經濟合理三個基本準則（根據實際實施的需要，可以適當的增加一些準則），建立的深基坑支護系統的評價指標體系，如圖1所示。

4.2.2 建立構造矩形及層次單排序和一致性檢驗

根據所建立的層次結構模型，相對于上一層次某個元素，根據實際工程的具體情況，經向專家咨詢論證作出同層次各因素的相對重要性判斷，引入合適的標度用具體數值表示出來構成判斷矩陣。引用1～9標度方法，如表2所示。

根據工程的實際情況，本文所建立的判斷矩陣如表4～表6所示。

采用方根法求解判斷矩陣的最大特征值和特征向量，確定同一層次各因素相對于上一層次某元素相對重要性的排序權重WB、WC，為使構造矩陣具有滿意的一致性，定義一致性指標如下：

CI=（λmax -n）/（n-1）。

當完全一致時，CI=0；CI越大，矩陣的一致性越差。

進行一次性檢驗時，當隨機一致性比率CR=CI/RI<0.1時，稱層次單排序具有滿意的一致性。RI稱為平均隨機一致性指標，它只與矩陣階數 n 有關，RI的取值見表3。

4.2.3 層次總排序及一致性檢驗

基于層次單排序的結果，將上一層次該元素本身的權重加權綜合，即可計算得到處于評價指標體系最底層，即指標層中的各指標因素相對于最高層的相對權重，這一過程是從最高層次到最低層次逐層進行的，稱為層次總排序。計算結果如表7所示。

由表7可知，C1（方案中支護防水施工技術的安全可靠性）、C2（方案中施工質量的安全可靠性）最為重要，C4（施工可行性及難易程度）、C6（工程總造價）較為重要，因此，這些因素對方案的選擇比較的重要，同時，實施中要注意保護環境，盡量縮短工期。深基坑支護工程也是一個項目，每一個項目都是獨特的，因此，對具體的支護工程來說，即使相同的因素對每個支護工程的影響也是不一樣的，比如說，有的工程時間特別的緊張，那么，時間因素相對于其他因素的權重自然大些。所以，此方法的具體應用還需要根據工程的實際需要靈活應用。通過分析，當我們在對具體工程實施時，以上指標權重值大的因素自然也是施工中特別需要注意和需要編制應對措施的因素。也就很容易知道這個具體的施工方案的重點和難點。

4.3 應用層次分析法對基坑支護方案進行選擇

前面用層次分析法模擬建立了評價基坑支護方案指標的權重，下面就以一個案例來說明用層次分析法如何進行方案的優化選擇。某高層辦公室樓發展項目，建筑面積約18萬m2，高度為143.2m，采用深基坑工程，基坑設計開挖深度10.6m，基坑平面尺寸84m×60m，基坑周圍場地狹窄，一般粘性土，地下水位較高。專家首先根據表1進行初步篩選后，一般有2-3組方案進入最后的選擇，本工程有3組基坑支護方案進入最后的評審，分別為：

D1 =土釘墻

D2 =深層攪拌樁擋墻+內插鉆孔灌注樁加強

D3 =密排樁。

然后，通過向技術、經濟、環保等八位專家咨詢評價后，反饋整理出3組方案中各評價指標的優劣情況，如表8所示。

根據專家評價的結果，可以建立方案層（D層）對各指標層（C層）的判斷矩陣，求解其相對特征向量并檢驗一致性，結合已經建立的表5中方案評價指標權重，可以得出方案層（D層次）總排序權重值，如表9所示。

根據表8的計算結果，可知三種支護方案的優劣順序為：D2﹥D3﹥D1，也就是說，方案二（深層攪拌樁擋墻+內插鉆孔灌注樁加強支護方案）是本工程的最優方案，由經驗可知深層攪拌樁擋墻的擋墻均勻，連續性好，既能擋土，又能擋水，施工簡便，工期短，造價比較的低，也說明了用本方法得出的結論比較合理。

5.結論

深基坑工程已經在我國廣泛的應用，無論是設計計算，還是施工、監控等方面，深基坑支護技術都處在不斷的進步和發展中，圍繞基坑工程優化問題，前人也進行了大量研究，是很有興趣也很實際的研究課題。基坑工程是一個系統工程，包括支護結構、降水方案、監測開挖方案等很多內容，涉及經濟、技術、安全、環境等諸多因素，面對這些錯綜復雜的因素，本文重點應用層次分析法進行方案的進一步優化分析，層次分析法邏輯性強，思路清晰，計算結果真實可靠，貼近現實，是優選深基坑支護方案的一種好方法。

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