深基坑開挖對鄰近高壓天然氣管線的安全影響模糊評價(jià)研究*

毛石林，孔志軍，郭延輝，宋 琴，張國洋，楊 濤

(1.云南建投第六建設(shè)有限公司，云南 玉溪 653199； 2.昆明理工大學(xué)公共安全與應(yīng)急管理學(xué)院，云南 昆明 650093；3.云南農(nóng)業(yè)大學(xué)建筑工程學(xué)院，云南 昆明 650201)

0 引言

21世紀(jì)以來，隨著我國大力發(fā)展城市建設(shè)，城市地下管線眾多，新建深基坑工程不可避免的遭遇城市市政管線。由于深基坑開挖土體卸荷作用，必然引起周邊土體變形，從而威脅管線安全，尤其是城市天然氣管線，一旦破裂將威脅現(xiàn)場施工、城市經(jīng)濟(jì)、周邊居民生命財(cái)產(chǎn)安全[1-5]。因此，深基坑開挖過程中鄰近管線安全風(fēng)險(xiǎn)評估對管線正常使用具有重要意義。

為研究深基坑開挖對鄰近管線的影響，保證管線安全運(yùn)營，國內(nèi)外眾多學(xué)者開展大量研究，并取得豐富成果。郭延輝等[6]通過Midas GTS NX模擬分析某小區(qū)深基坑開挖支護(hù)過程中，對鄰近天然氣管線的影響，對比分析理論計(jì)算結(jié)果可知深基坑支護(hù)強(qiáng)度不足，有待加強(qiáng)。喻志潔等[7]通過改進(jìn)WPSI模型，結(jié)合ABAQUS軟件計(jì)算得到管壁內(nèi)力及管道位移。高丙麗等[8]構(gòu)建西安地鐵施工對鄰近管線安全影響的評估體系，采用模糊綜合評價(jià)法計(jì)算不同因素的風(fēng)險(xiǎn)等級。吳賢國等[9-10]劃定地鐵施工鄰近管線的風(fēng)險(xiǎn)等級，構(gòu)建鄰近地鐵施工管線安全管理體系。張孟喜等[11]通過ANSYS 軟件分析不同開挖情況對鄰近管線的影響，并改進(jìn)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，預(yù)測鄰近深基坑開挖管線的沉降情況。

目前對鄰近基坑開挖管線安全的研究主要通過數(shù)值模擬、理論計(jì)算模型進(jìn)行，成果顯著，但未綜合考慮所有影響因素，且對管線安全影響的評價(jià)研究較少。因此，以巴彥淖爾市某小區(qū)鄰近管線深基坑開挖為背景，采用層次分析法，結(jié)合變權(quán)理論及相對差異函數(shù)構(gòu)建鄰近基坑開挖管線安全評價(jià)體系，分析鄰近深基坑開挖管線安全風(fēng)險(xiǎn)等級。

1 鄰近開挖基坑管線安全評價(jià)體系構(gòu)建

1.1 工程概況

某小區(qū)建筑深基坑位于巴彥淖爾市臨河區(qū)，擬開挖基坑形狀不規(guī)則，開挖深度較深，擬建工程包括西段地下車庫地下1層，為框架結(jié)構(gòu)，采用筏板基礎(chǔ)，基坑開挖至自然地坪下6.2m；東段地下車庫地下2層，為框架結(jié)構(gòu)，采用筏板基礎(chǔ)，基坑開挖至自然地坪下10.1m。基坑形狀不規(guī)則，東西長約182m。基坑支護(hù)坡段南側(cè)為天然氣管道，管道直徑為36cm，壁厚8mm，埋深4.7m，里程位置處于長烏臨天然氣管道K405+700—K405+900m處。基坑開挖范圍內(nèi)出現(xiàn)的土層主要是雜填土、粉土、粉細(xì)砂、細(xì)砂。

1.2 鄰近開挖基坑管線安全風(fēng)險(xiǎn)影響因素辨別

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研結(jié)果，該基坑開挖支護(hù)對南側(cè)天然氣管道可能造成的常見破壞形式包括管壁破壞、管壁壓屈、超撓曲、縱向應(yīng)力屈服及構(gòu)造破壞等。為系統(tǒng)分析深基坑開挖對鄰近管線的影響，評估影響因素的重要程度，在對某深基坑工程現(xiàn)場情況的研究基礎(chǔ)上，基于大量鄰近管線深基坑開挖研究成果及相關(guān)文獻(xiàn)，結(jié)合相關(guān)領(lǐng)域?qū)＜乙庖姡_定鄰近開挖基坑管線的主要安全風(fēng)險(xiǎn)因素為基坑施工工藝、管線因素和環(huán)境。

基坑開挖過程中，由于土體開挖卸荷作用，導(dǎo)致一定范圍內(nèi)土體回彈變形，基坑開挖深度越大、開挖尺寸越大對周邊土體影響越大。基坑周邊土體沉降變形、水平方向發(fā)生位移必然引起鄰近基坑管線受力變形，嚴(yán)重地將導(dǎo)致管線破裂失效。同時，基坑采用什么樣的支護(hù)形式對基坑周邊環(huán)境影響較大，華北地區(qū)技術(shù)較成熟的護(hù)坡方式有排樁(或樁錨)、地下連續(xù)墻、鋼板樁、噴錨支護(hù)、土釘墻等類型，地下連續(xù)墻、鋼板樁多用于深大基坑且地下水豐富又不宜降水的地區(qū)，但工期相對較長；而排樁、噴錨、土釘墻支護(hù)是施工工藝成熟、工期相對較短的支護(hù)形式，穩(wěn)定性高，在基坑支護(hù)中被廣泛應(yīng)用。因此，在考慮基坑開挖對鄰近管線影響時，基坑支護(hù)模式是重要的考慮因素。由于該基坑形狀不規(guī)則，導(dǎo)致基坑周邊不同位置土體受力不均，因此，管線相對基坑位置、埋深、埋距，管線管徑、壁厚及材料等都對管線安全穩(wěn)定起重要作用。基坑范圍內(nèi)以砂土為主，砂土遇水易液化，導(dǎo)致土體下沉，容易造成管線變形破壞，影響管線安全。因此，對現(xiàn)場水文及周邊環(huán)境的考慮是評價(jià)體系構(gòu)建的重要一環(huán)，周邊環(huán)境主要包括周邊堆土、降雨、地下水及周邊建筑等。

1.3 評價(jià)指標(biāo)體系的確定

根據(jù)評價(jià)體系構(gòu)建原則及篩選方法，確定基坑施工工藝、管線因素和環(huán)境評價(jià)準(zhǔn)則，細(xì)分出基坑支護(hù)模式、施工流程、降水、開挖深度和尺寸、管線材料、距基坑埋距、埋深、管徑、管壁厚、相對基坑位置、周邊環(huán)境、地層分布、巖土性質(zhì)、水文地質(zhì)條件、地形地貌共16個評價(jià)指標(biāo)，如表1所示。

表1 鄰近開挖基坑管線安全評價(jià)體系

1.4 權(quán)重與一致性檢驗(yàn)

權(quán)重是鄰近開挖基坑管線安全評價(jià)的關(guān)鍵部分，通過表1鄰近開挖基坑管線安全評價(jià)體系，確定每項(xiàng)指標(biāo)在整個評價(jià)體系中的重要程度，計(jì)算權(quán)重。目前常用的權(quán)重計(jì)算方法包括層次分析法、優(yōu)序圖法、熵值法、模糊法、專家評價(jià)法等，根據(jù)各計(jì)算方法計(jì)算準(zhǔn)則及工程情況，本文采用層次分析法(AHP)計(jì)算評價(jià)指標(biāo)權(quán)重。計(jì)算過程如下：①根據(jù)研究問題，在充分研究工程現(xiàn)場情況的基礎(chǔ)上，確定研究對象相關(guān)影響因素，形成3層或多層評價(jià)指標(biāo)體系；②邀請相關(guān)專家對評價(jià)體系各層同一指標(biāo)下屬各指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，按照各指標(biāo)重要性進(jìn)行評分，評分采用1～9標(biāo)度法，并形成判斷矩陣。標(biāo)度1表示2個元素的同樣重要性；標(biāo)度3表示2個因素中，一個因素比另一個重要性略強(qiáng)；標(biāo)度5表示2個因素中一個因素比另一個重要性顯著更強(qiáng)；標(biāo)度7表示2個因素中一個元素比另一個重要性強(qiáng)烈許多；標(biāo)度9表示2個因素中一個因素比另一個重要性達(dá)到極端；標(biāo)度2,4,6,8表示上述相鄰判斷的中間值；其倒數(shù)表示兩元素重要比較值的倒數(shù)；③采用方根法計(jì)算各判斷矩陣特征向量，歸一化處理后，得到各指標(biāo)權(quán)重；④對于滿足一致性要求的判斷矩陣進(jìn)行下步計(jì)算，需重新構(gòu)造不滿足一致性要求的判斷矩陣，一致性檢驗(yàn)公式為CI=(λmax-n)/(n-1);CR=CI/RI，RI表示隨機(jī)性指標(biāo)，取值如表2所示，當(dāng)CR<0.1時，判斷矩陣滿足一致性要求，可進(jìn)行下一步，否則重新構(gòu)造判斷矩陣；⑤為克服傳統(tǒng)評價(jià)方法存在的不足，基于變權(quán)理論優(yōu)化權(quán)重。

表2 隨機(jī)性指標(biāo)RI取值

根據(jù)鄰近開挖基坑管線安全評價(jià)體系，邀請5名相關(guān)專家對目標(biāo)層、準(zhǔn)則層下屬指標(biāo)進(jìn)行兩兩評判，形成判斷矩陣如表3所示。基于判斷矩陣，采用方根法計(jì)算各指標(biāo)權(quán)重值。

表3 鄰近基坑管線安全評價(jià)準(zhǔn)則層權(quán)重

根據(jù)一致性檢驗(yàn)計(jì)算公式，得表3準(zhǔn)則層的CI=0.001，CR=0.002<0.1，該構(gòu)造矩陣符合要求。同理得到基坑施工工藝、管線因素及環(huán)境準(zhǔn)則層權(quán)重如表4～6所示。表4中CI=0.012，CR=0.011<0.1；表5中CI=0.039，CR=0.031<0.1；表6中CI=0.008，CR=0.007<0.1。

表4 基坑施工工藝各指標(biāo)權(quán)重

表5 管線因素各指標(biāo)權(quán)重

表6 環(huán)境各指標(biāo)權(quán)重

經(jīng)計(jì)算，各判斷矩陣CR值均<0.1，說明判斷矩陣符合一致性要求，各指標(biāo)重要性評分相對合理，能較好反映評價(jià)體系中各因素對管線安全的影響程度。使用傳統(tǒng)評價(jià)方法評估安全性時，評價(jià)體系中某些較差因素的重要性容易受較好因素的影響而減弱影響程度，因此，本文基于傳統(tǒng)權(quán)重計(jì)算結(jié)果，引入變權(quán)理論[12-13]修正權(quán)重。在現(xiàn)場調(diào)研中，綜合評估打分后計(jì)算指標(biāo)變權(quán)。各指標(biāo)變權(quán)計(jì)算如下：

(1)

由表7可以發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過計(jì)算組合權(quán)重，基坑開挖深度和基坑開挖尺寸是影響管線安全性的主要風(fēng)險(xiǎn)，其次是管線距基坑埋距、管線埋深，地形地貌對管線安全影響最小。

表7 專家評分及層組合權(quán)重

2 基于相對差異函數(shù)的鄰近基坑管線安全評價(jià)

模糊評價(jià)中，通常采用隸屬度向量代替某因素重要程度，目前隸屬度向量確定方法主要有模糊統(tǒng)計(jì)法、專家經(jīng)驗(yàn)法、利用分布函數(shù)將指標(biāo)特征值模糊化。其中第3種方法最受認(rèn)可，其分布函數(shù)包括三角函數(shù) 、正弦函數(shù) 、梯形函數(shù)等，而本文分布函數(shù)采用陳守煜[14]提出的相對差異函數(shù)模型。

根據(jù)項(xiàng)目現(xiàn)場情況，本文將影響管線安全等級的論域分成5個等級，為影響極小，影響可接受，影響中等，影響較大，影響極大，以1～5分別代替5個等級，數(shù)值越大，影響程度越強(qiáng)。專家評分及層組合權(quán)重如表7所示。

根據(jù)項(xiàng)目實(shí)際，分值指標(biāo)區(qū)間為Iab=([100,90)1,[90,80)2,[80,70)3,[70,60)4,[60,0)5)

變動區(qū)間范圍值矩陣為：

Icd=([100,80)1,[100,70)2,

[90,60)3,[80,0)4,[70,0)5)

根據(jù)安全性指標(biāo)特點(diǎn)，確定5個等級的M向量，M=(100 90 75 100)。

根據(jù)專家打分情況，根據(jù)相對差異函數(shù)計(jì)算并歸一化后得到基坑施工工藝、管線因素和環(huán)境隸屬度矩陣，如基坑施工工藝的5個二級指標(biāo)隸屬度矩陣如下：

(2)

風(fēng)險(xiǎn)隸屬向量B=A·R，其中A為準(zhǔn)則層指標(biāo)變權(quán)重向量，根據(jù)級別特征值判斷評價(jià)結(jié)果優(yōu)劣。基坑施工工藝B1隸屬度向量如下：

(3)

則基坑施工工藝B1特征值如下：

(4)

計(jì)算結(jié)果表明基坑施工工藝對管線影響程度等級為3級，屬于中等影響等級。同理，得到管線因素為2級，接近于3級；環(huán)境為1級。

通過對準(zhǔn)則層指標(biāo)安全等級進(jìn)行評價(jià)計(jì)算，獲得準(zhǔn)則層指標(biāo)隸屬度向量，從而得到鄰近基坑管線的安全評價(jià)隸屬度矩陣R：

(5)

根據(jù)前述方法計(jì)算鄰近基坑管線安全特征值，結(jié)果H=3.208，可知該鄰近基坑管線安全風(fēng)險(xiǎn)等級為3級，表明深基坑開挖對鄰近管線安全影響基本可接受，但需要密切關(guān)注管線，加強(qiáng)基坑支護(hù)或管線管理。

3 結(jié)語

1)基于層次分析法，構(gòu)建鄰近基坑管線安全評價(jià)體系，該系共3層，其中準(zhǔn)則層為基坑施工工藝、管線因素、環(huán)境，指標(biāo)層共16個。

2)經(jīng)過計(jì)算組合權(quán)重，基坑開挖深度和基坑開挖尺寸是影響管線安全性的主要風(fēng)險(xiǎn)，其次是管線距基坑埋距、管線埋深，地形地貌對管線安全影響最小。

3)根據(jù)相對差異函數(shù)計(jì)算目標(biāo)層、準(zhǔn)則層特征值，結(jié)果表明，基坑施工工藝對管線影響程度等級為3級，管線因素為2級，接近3級，環(huán)境為1級。該鄰近基坑管線安全風(fēng)險(xiǎn)等級為3級，需要密切關(guān)注管線并加強(qiáng)管理，基坑開挖前應(yīng)加固管線周圍土體，增加基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。