基于AHP-GRAP法的深基坑支護(hù)方案優(yōu)選

王楊興 （廣州高新工程顧問有限公司，廣東 廣州 510000）

1 引言

隨著城市化的發(fā)展，高層建筑越來越多，深基坑工程也逐漸增多。由于工程項(xiàng)目所在地的地質(zhì)條件和水文條件各不相同，而且具有復(fù)雜性和多變性，深基坑施工作業(yè)往往存在著很大的安全隱患。在實(shí)際工程中，面對多個基坑支護(hù)方案進(jìn)行優(yōu)選，不僅要考慮安全問題，也要考慮成本問題，還要考慮施工對周邊環(huán)境的影響等。如何綜合考慮基坑支護(hù)工程各方面的影響因素，在眾多支護(hù)方案里面選擇最優(yōu)的方案，確保基坑工程的安全施工，兼顧工期和成本，盡量減少對周邊環(huán)境的不利影響，是基坑工程的重點(diǎn)和難點(diǎn)，對現(xiàn)實(shí)工程有著重要的研究意義。

以往很多業(yè)主或施工單位面對基坑支護(hù)方案的選擇時，僅僅是從定性的角度來描述各方案之間的優(yōu)劣，然后憑經(jīng)驗(yàn)直接做出選擇，具有較大的主觀性。有時因?yàn)樵靸r控制和合同工期的壓力，單方面地考慮成本高低或者工期是否符合進(jìn)度，沒有從基坑工程的眾多影響因素去進(jìn)行綜合考量，具有片面性。趙文亮[1]等人用AHP法將基坑支護(hù)的影響因素進(jìn)行分級，并通過模糊數(shù)學(xué)相關(guān)理論對支護(hù)方案進(jìn)行綜合評價，選擇最優(yōu)的基坑支護(hù)方案。魏新江[2]等人通過灰色關(guān)聯(lián)投影理論，以矢量投影法和灰色系統(tǒng)論為依托，結(jié)合多種評價方法，建立基坑支護(hù)方案的優(yōu)選模型，并通過工程實(shí)例對模型的應(yīng)用進(jìn)行了驗(yàn)證。張偉群[3]等人，通過綜合考慮安全可靠、成本造價、工期長短、環(huán)境保護(hù)、施工便捷等影響因素，運(yùn)用層次分析法和模糊綜合評價法在四個基坑工程支護(hù)備選方案里面確定最佳的方案。并通過FLAC3D有限差分法軟件，對最佳方案的可靠性進(jìn)行驗(yàn)證分析。譚永峰[4]等人，依托某個工程實(shí)例，用系統(tǒng)學(xué)的方式對基于物元分析法的基坑支護(hù)方案的優(yōu)選模型進(jìn)行分析驗(yàn)證。劉宇光[5]等人將CBR理論對基坑支護(hù)方案進(jìn)行擇優(yōu)，搜集整理相似案例，建立案例庫，最終檢驗(yàn)相似度，以最高匹配度的基坑支護(hù)方案為最優(yōu)方案。

層次分析法（AHP）是一種把定性分析與定量分析綜合起來的多因素評價方法，基本思路是綜合考慮研究對象的影響因素，并對各影響因素和研究對象的內(nèi)在聯(lián)系進(jìn)行分析，建立層次結(jié)構(gòu)模型，然后利用相關(guān)的數(shù)據(jù)把評價過程進(jìn)行數(shù)量化，為復(fù)雜問題的評價提供思路和依據(jù)。灰色關(guān)聯(lián)度分析方法（GRAP）以通過計算關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，把評價進(jìn)行量化處理，分析研究對象的影響因素之間的關(guān)聯(lián)程度，并進(jìn)行相互比較，以此描述各影響因素之間的強(qiáng)弱和大小。本文將AHP和GRAP法結(jié)合起來，通過AHP構(gòu)建起基坑支護(hù)方案選擇目標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)模型，然后用GRAP法計算各影響因素和方案的關(guān)聯(lián)系數(shù)和關(guān)聯(lián)度，將定性的問題定量化，從而得出不同支護(hù)方案的評價，做出最優(yōu)的選擇，為項(xiàng)目決策提供依據(jù)。

2 工程背景

本文以廣東省內(nèi)某地下車庫為例，場地處于低山丘陵區(qū)，原為林地與漁塘。場地西邊緊靠環(huán)市快速路，東、南、北面是林地與菜地。擬建地下室兩層，基坑開挖深度為10.56m，屬于超過一定規(guī)模的危險性較大的分部分項(xiàng)工程。根據(jù)本工程的勘察報告，擬建項(xiàng)目基坑開挖深度影響范圍內(nèi)的土層均勻性一般，土質(zhì)一般，主要為粉質(zhì)粘土、雜填土、粉砂、中砂、強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖等，距離基坑南邊不遠(yuǎn)處的部分區(qū)域存在淤泥質(zhì)粉質(zhì)粘土。地下水位較高，周邊建筑物少，西側(cè)緊靠環(huán)市快速路，有管線分布。

3 綜合評價分析

3.1 構(gòu)建層次評價體系

考慮本項(xiàng)目基坑工程的特點(diǎn)，將基坑支護(hù)方案影響因素分為安全可靠、成本造價、所需工期，環(huán)境影響和施工便捷等5個因素。再結(jié)合工程的實(shí)際情況和現(xiàn)有條件，擬定四個備選的基坑支護(hù)方案：土釘墻噴錨支護(hù)+井點(diǎn)降水方案(C1)、排樁支護(hù)+井點(diǎn)降水方案(C2)、鉆孔咬合樁支檔一體方案(C3)、樁錨組合+井點(diǎn)降水方案(C4)，以此建立層次結(jié)構(gòu)評價體系，如圖所示。

基坑支護(hù)方案優(yōu)選層次結(jié)構(gòu)模型圖

3.2 確定準(zhǔn)則層中對目標(biāo)層的影響權(quán)重系數(shù)

邀請專家和項(xiàng)目決策管理層組成專家評審團(tuán)，根據(jù)準(zhǔn)則層中的五項(xiàng)風(fēng)險因素對目標(biāo)層的支護(hù)方案影響程度大小進(jìn)行兩兩比較，用1～9標(biāo)度法進(jìn)行打分，確定評分值，建立準(zhǔn)則層對目標(biāo)層（A-B）的判斷矩陣，如表1所示。采用方根法計算其特征向量，得到權(quán)重W=(0.379,0.218,0.189,0.140,0.074)，CR=0.013<0.1，一致性檢驗(yàn)通過。表1說明專家委員會認(rèn)為，針對本工程的深基坑支護(hù)方案的選擇，影響因素的重要性：安全可靠>成本造價>工期大小>環(huán)境影響>施工便捷。

判斷矩陣A-B 表1

3.3 確定方案層的方案在五項(xiàng)影響因素中的權(quán)重系數(shù)

根據(jù)上一步的計算原理，確定四種基坑支護(hù)的方案在五項(xiàng)影響因素指標(biāo)下的影響程度排序，建立判斷矩陣，計算各方案的權(quán)重系數(shù)值，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，如表2～表6所示。

判斷矩陣B1-C 表2

判斷矩陣B2-C 表3

判斷矩陣B3-C 表4

判斷矩陣B4-C 表5

判斷矩陣B5-C 表6

通過表2可得，四個方案在安全可靠因素的權(quán)重系數(shù)W1=(0.104,0.146,0.439,0.311)，說明在安全可靠方面的優(yōu)勢，方案C3>方案C4>方案C2>方案C1。

通過表3可得，四個方案在造價成本因素的權(quán)重系數(shù)W2=(0.576,0.223,0.076,0.125)，說明在建造成本方面的優(yōu)勢，方案C1>方案C2>方案C4>方案C3。

通過表4可得，四個方案在工期成本因素的權(quán)重系數(shù)W3=(0.534,0.272,0.091,0.103)，說明在工期長短方面的優(yōu)勢，方案C1>方案C2>方案C4>方案C3。

通過表5可得，四個方案在環(huán)境影響因素的權(quán)重系數(shù)W4=(0.116,0.299,0.509,0.076)，說明在環(huán)境保護(hù)方面的優(yōu)勢，方案C3>方案C2>方案C1>方案C4。

通過表6可得，四個方案在施工便捷因素的權(quán)重系數(shù)W4=(0.351,0.351,0.109,0.189)，說明在便于施工方面的優(yōu)勢，方案C1=方案C2>方案C4>方案C3。

3.4 計算典型風(fēng)險特征矩陣和待檢模式向量

在本案例中，影響深基坑支護(hù)方案選擇的風(fēng)險因素有5個，即n=6；支護(hù)方案有4個，即m=4。根據(jù)表2～表6的計算結(jié)果，求出典型風(fēng)險特征矩陣：

根據(jù)表1的計算，可得出由五個影響因素重要度所組成的待檢模式向量：

3.5 計算關(guān)聯(lián)度

以待檢模式向量XΠ={0.379，0.218，0.189，0.140，0.074}為母元素，以TK（ii=1,2,3,4）為子元素。

①對{XΠ}作初始化處理

②求差序列

根據(jù)公式ΔΠKi(K)=|XΠ(K)-TKi(K)|i=1，2，3，4；K=1，2，3，4，5，以母元素減子元素的絕對值，求解差序列：

③求兩級最大值和最小值

④計算關(guān)聯(lián)系數(shù)

關(guān)聯(lián)系數(shù)表 表7

⑤計算關(guān)聯(lián)度，進(jìn)行四個備選方案的綜合評價

由專家評審團(tuán)按AHP-GRAP法確定的關(guān)聯(lián)度 rΠk1>rΠk2>rΠk3>rΠk4，所以在本項(xiàng)目的基坑支護(hù)的四個備選方案里面，第一個土釘墻支護(hù)+井點(diǎn)降水的方案為最優(yōu)方案。

4 結(jié)語

影響深基坑工程的因素很多，以往在解決此類工程問題的時候，常常因各種各樣的原因難以做到評價客觀性和數(shù)值精確化。本文通過分析深基坑施工的各類影響因素，建立深基坑支護(hù)方案選擇的層次結(jié)構(gòu)模型，運(yùn)用AHP-GRAP相結(jié)合的方法，模擬方案比選流程，在四個備選方案里面求得最優(yōu)方案，為類似的工程問題提供思路和參考。