基坑對周邊環境影響的風險評估

韋 鋒

（榆林學院建筑工程學院，陜西 榆林 719000）

0 引言

城區范圍內人口密集，高樓林立，地下管網密集，城市道路、橋梁、鐵路、隧道縱橫交錯，在城區開展深基坑工程施工，將面臨極其復雜的周邊環境。面對如此復雜的周邊環境，稍有差錯，便有可能導致工程事故發生，輕者導致基坑圍護結構變形指標超標，重者造成基坑支護結構體系失穩破壞，引起周邊建（構）筑物及地下管線開裂，誘發建（構）筑物倒塌，甚至造成人員傷亡，給工程建設帶來巨大經濟損失，給人民群眾生命和財產安全造成極大威脅，給社會輿論帶來極其不良的影響。

深基坑工程設計過程中，對支護結構體系進行評價，預測基坑開挖變形對周邊環境的影響，不僅有利于優化支護結構方案，也可以用來指導施工，以便更好地保護周邊環境。目前國內外已經有較多的相關研究成果，為更好地指導工程實踐，本文對國內外相關的研究成果加以總結歸納，明確現有研究的不足，并且提出了進一步的研究方向。

1 基坑對周邊環境影響的風險評估

在基坑對周邊環境影響的風險研究方面，國外成果相對較多，包括周邊地表沉降規律、地層沉降與建構筑物破壞之間的關系、建構筑物損壞評價方法及變形控制標準等方面，J.B.Bur1and 通過對受地鐵影響的建（構）筑物及其監測結果的研究，給出了建（構）筑物破壞的分類方法，提出了3 階段風險評估的理論，并對如何提高風險評估和控制的定量程度給出了建議；Konstantinos（2013）將模糊數層次分析法應用于雅典地鐵車站施工對環境影響的風險評價中，認為該方法比層次分析法更符合現實情況，能夠得到更加準確的評價結果[1]；Peck（1969）教授為土力學及基礎工程的發展作出了重要的貢獻，他通過對海量基坑周邊地表實測沉降數據的統計分析，提出了分析基坑圍護墻后地表沉降大小、影響范圍的經驗關系曲線和估算方法，成為沿用至今的經典變形預測方法；Skempton 等（1956）對開挖影響區房屋的沉降數據進行了統計分析，分別給出了鋼結構、鋼筋-混凝土框架結構和砌體結構的建筑物所能承受的總沉降量和差異沉降量，為監測分級預警提供了寶貴數據；同樣的，Macro D.Boscardin 等（1992）[2]也對基坑影響下砌體房屋墻體承受沉降差異容許值進行了研究；Sugimoto（1986）在對大量基坑周邊地表最大沉降及其離墻距離的研究之后，給出了一種計算基坑周邊地表最大沉降的經驗方法，還給出了基于基坑地質條件的預測值進行調整方法；P.B.Attewe11（1986）和A.Bracegird1e（1996）研究了基坑開挖引起的土體變形對鄰近（鑄鐵）管道的影響，給出了潛在損害的評估方法；S.J.Boone（1996）[3]研究了地表移動和房屋破壞之間的關系，提出了一種新的評估開挖影響下建筑物破壞程度的方法，該方法綜合考慮了地層位移、建筑物結構形狀以及材料的極限應變等，通過對多個工程實例的應用驗證了方法的實用性；Moorak Son（2005）[4]提出了評價開挖影響區內建構（筑）物破壞的4 階段方法，在假設結構與地表位移一致的前提下，綜合考慮建筑物開口、地層與結構的相對剛度，通過角變位和水平應變來確定結構的危險性等級。同時，批評了直接釆用裂縫指標評估建筑物損壞等級的方法。

國內在基坑周邊環境風險評估方面也有較多研究成果，主要集中在基坑變形及其與周邊建構筑物變形的關系，周邊建構筑物變形允許值、破壞判斷及保護等方面的研究，定量化程度有待于進一步加強，相關研究成果如下：

唐孟雄等（1996）等通過對深基坑擋墻水平位移和周邊地表沉降間關系的研究分析，推導出了周邊地表任意點沉降值的計算公式，同時開展了基坑周邊管線的受力分析研究，得出了管道的允許曲率半徑，并以此評判管道是否破壞；楊國偉（2000）通過對基坑開挖影響下承重墻和框架結構附加內力的研究，分析得出了在己知地表沉降形態時評判建筑物破壞與否的方法，并給出了各類建筑物的容許差異沉降預警標準；陳龍（2004）在其博士論文中，建立了軟土地區盾構施工期環境影響損失的概率分布曲線，并建立了地面沉降和周邊建筑物、路面和管線的損失分布曲線，為風險評估中損失評價的研究提供了良好思路；徐中華，利用三維有限元建模、基坑實測數據分析等手段對上海地區支護結構與主體地下結構相結合的新型基坑支護型式的變形性狀進行了系統研究，探討了在支護參數影響下基坑變形的一般變化規律，并給出了多種基坑變形預測的實用圖表和上限值，研究結果成功應用于上海地區深基坑變形預測；另外，李大勇（2000）對軟土深基坑施工開挖影響范圍內的地下管線的特性進行了深入研究；高文華（2001）對開挖過程中的基坑變形預測和影響范圍內建筑物的保護進行了研究；吳朝陽（2012）、寇潤勝（2014）、何蓓（2016）分別利用三參數區間數（建筑的最大沉降值、最大傾斜度、損傷系數）、BP 神經網絡預測和綜合風險指數矩陣法對基坑開挖影響下周邊建筑物安全風險進行了研究，并得到了較好的評價結果。

2 現有研究的不足與改進建議

雖然前人基坑施工期風險評估開展了一定的研究工作，但是在施工期坍塌風險評估的定量化水平和動態化程度方面、基坑變形預測的輸入變量選擇、關鍵參數確定、模型預測精度方面以及地鐵基坑監測的自動化水平方面仍存在較多問題。建議可以開展進一步的研究。

（1）變形預測模型輸入變量選取的隨意性過大。目前，變形預測大體有兩種形式：一種是利用變形的時間序列滾動預測變形，具有代表性的是GM（1，1）模型，其他神經網絡模型也有應用，這種方法是基于變形具有連續性的特點進行預測的，但是對于有變形突變的情況預測精度較低，例如在對“階躍式”滑坡位移預測時，通常將總位移分為“趨勢項”和“波動項”，其中“趨勢項”不具有突變性，一般采用GM（1，1）模型進行預測，而“波動項”則采用其他的預測模型進行預測。另一種是利用與位移相關的若干影響因素（其中前期位移亦可作為相關因素）作為輸入變量去預測位移，這種方法相較利用位移時間序列滾動預測位移的方法精度相對較高，而且對位移突變情況也能有較好的預測能力，但是應該選取哪些影響因素作為輸入變量選擇的依據，是需要解決的關鍵問題，這對于模型預測的復雜程度和預測精度均有較大影響。

（2）預測模型關鍵參數選取缺乏依據。變形預測模型一般都有若干需要人為確定的關鍵參數，例如廣義回歸神經網絡（Genera1ized Regression Neura1 Network，GRNN）的平滑因子，極限學習機（Extreme Learning Mechine，ELM）的隱含層神經元數量等等，這些關鍵參數對模型預測精度均有較大影響，無經驗人員在使用時總感覺參數選擇無據可依。

（3）基坑變形預測模型訓練數據選取問題。在基坑變形預測模型訓練時，一般選擇同一測點已有監測數據作為訓練數據對模型進行訓練，這種方式合理有效，無可厚非，但是會存在預測前期訓練數據相對較少，預測精度偏低的問題。而同一基坑中的相鄰測點的監測數據或者已完工的相似基坑的歷史監測數據對于基坑變形預測均有參考意義，可以利用這些數據來訓練預測模型，這就為提高測點前期預測精度以及位移突變處的預測精度提供了思路。

（4）基坑監測的自動化水平嚴重偏低。相較自動化監測，人工監測具有效率低，影響因素多，無法達到全天候實時監測的不足，相比之下自動化監測更能確保基坑工程的安全，目前在運營期區間隧道工程中已有相關應用，在施工期基坑監測方面應用極少。隨著自動化監測設備價格的逐漸走低，大數據、云計算等先進數據存儲、處理技術飛速發展，以及深、大、近、難基坑工程的不斷涌現，想必基坑工程的自動化監測將是大勢所趨。

建議后續圍繞帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌風險動態評估問題，綜合利用風險評價、神經網絡預測、粗糙集屬性約簡、相關性分析、數值模擬和自動化監測等技術方法，開展帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌風險動態評估基本理論、評估方法以及基坑變形多元智能預測的研究，同時，還可以嘗試開展地鐵基坑施工期變形的自動化監測，為帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌風險評估、預測提供理論和方法參考。

建議可以將基于T-S 模糊故障樹的帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌可能性動態評價方法、基于專家調查法的坍塌損失評價和基于等風險圖法的坍塌風險評價研究三者結合構成帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌風險動態評估方法。其中，基于T-S 模糊故障樹的帶撐樁（墻）支護地鐵基坑坍塌可能性動態評價方法利用模糊數描述各底事件的發生概率，可克服傳統故障樹過度依賴精確概率的問題，并利用[0，1]之間的數值表示事件的不同故障狀態，從而解決FTA 方法的“二態假設”問題。同時，以T-S 模型替換傳統的邏輯與或關系，解決引入中間故障狀態解決傳統與或關系不適用問題，并體現故障機理和事件聯系的模糊性，降低故障樹的建立難度。基于此，可以繪制帶撐樁（墻）支護地鐵基坑施工期坍塌T-S 模糊故障樹，并調查獲取各T-S 模糊門規則，最后利用底事件模糊概率和故障程度分別對實例基坑坍塌可能性進行計算。

3 結束語

對國內外就基坑對周邊環境影響風險評估相關的研究成果加以總結概括，主要得出如下結論：

（1）現有研究在施工期坍塌風險評估的定量化水平和動態化程度方面、基坑變形預測的輸入變量選擇、關鍵參數確定、模型預測精度方面以及地鐵基坑監測的自動化水平方面仍存在較多問題。

（2）建議后續可以開展相關的研究工作，尤其是預測模型關鍵參數選取、基坑變形預測模型訓練數據選取和基坑監測自動化等方面進行重點研究。