軟土地區深基坑支護方案優選

摘 要：【目的】統計模型應用于深基坑支護方案優選可以有效降低計算煩瑣程度和技術門檻，對提升整個工程施工安全起著至關重要的作用。【方法】在查閱文獻和專家調查基礎上，選取3個一級指標、18個二級指標構建綜合評價指標體系，采用層次分析法構造判斷矩陣，確定指標權重；通過專家打分法確定各因素得分，采用加權平均型算子確定相對優屬度矩陣，建立模糊綜合評判模型，對備選支護方案進行排序，得出最佳方案?！窘Y果】將該模型應用于上海市閔行區深基坑支護方案評價中，結果表明，方案三為最優方案，在滿足深基坑支護功能要求的同時，大幅降低工程成本，與工程案例所選方案一致，驗證了該模型應用的可行性?！窘Y論】該模型便于工程實際操作，對保障施工安全、經濟效益具有顯著作用。

關鍵詞：軟土地區；層次分析；模糊評價；深基坑

中圖分類號：TU753" " "文獻標志碼：A" " 文章編號：1003-5168（2023）21-0065-04

DOI：10.19968/j.cnki.hnkj.1003-5168.2023.21.015

Deep Foundation Pit Support Scheme in Preferred Soft Soil Area

WANG Haiyan1 HAO Jiangjiang1 HAO Qingting1 ZHANG Tao1 HE Xiaorong1 WANG Xia2

（1.School of Economics and Management， Hebei University of Architecture， Zhangjiakou 075000，China；

2.Zhangjiakou Academy of Agricultural Sciences， Zhangjiakou 075000，China）

Abstract： [Purposes] The application of statistical model to the optimization of deep foundation pit support scheme can effectively reduce the cumbersome calculation and the technical threshold，which plays a crucial role in improving the safety of the entire project construction. [Methods] Based on literature review and expert survey，this paper selects 3 first-level indicators and 18 second-level indicators to construct a comprehensive evaluation index system， and uses the analytic hierarchy method to construct a judgment matrix and determine the index weight.The scores of each factor are determined by the expert scoring method， the weighted average operator is used to determine the relative superiority matrix，and a fuzzy comprehensive evaluation model is established to rank the alternative support schemes to obtain the best scheme. [Findings] The model is applied to the evaluation of deep foundation pit support scheme in Minhang District，Shanghai city，and the results show that scheme 3 is the optimal scheme，which can meet the requirements of deep foundation pit support function and greatly reduce the engineering cost，which is consistent with the scheme selected in the engineering case，and verifies the feasibility of applying the model. [Conclusions] This model is convenient for the actual operation of the project and has a significant role in ensuring construction safety and economic benefits.

Keywords： soft soil area; analytic hierarchy; vague evaluation; deep foundation pits

0 引言

隨著時代發展和技術進步，我國在城市現代化的進程中，“地下新基建”戰略地位逐步提高，地下空間已經成為重要的資源，得到了越來越多的重視并得以利用。隨著地下空間建設規模的逐步擴大，施工中超長超深基坑工程越來越常見。許多深基坑工程位于房屋、道路和地下管線區域，建設環境錯綜復雜，基坑支護方案選擇不當極易造成較大損失。尤其在軟土地區進行深基坑支護工程施工時，特殊的地質條件對基坑支護和檢測技術要求不斷提高，支護方案的選擇直接影響著項目質量、進度、成本等一系列要素?；又ёo的施工過程受諸多因素影響，如周邊環境、成本、施工工期、地質條件、環境保護等，故必須慎重選擇。在基坑方案的選擇中，安全性幾乎成了評選中最重要的指標，同時需要考慮的還有結構適用性、經濟指標、環境友好指標、工期等因素^［1-3］。

常見的基坑支護方案優選方法有加權平均法、模擬分析法等。徐華坤等^［4］將臨江超大深基坑支護工程的成功案例進行匯總，利用信息熵方法確定各個因素權重，建立了基于案例推理的基坑支護優選方案模型，并采用歐式距離進行案例查詢，通過工程實例驗證其可行性。孫秉珍等^［5］主要研究深基坑施工工程的復雜性及決策者風險態度對多指標決策的影響，創新構建融合前景理論的深基坑施工支護最優方案選擇模型。通過TOPSIS、灰色關聯分析法和BWM方法獲得最優支護方案；楊方等^［6］針對深基坑支護設計方案的多屬性因素影響，考慮項目的經濟、安全和環境等因素的影響，建立了深基坑支護設計方案的指標體系，并構建多屬性優選模型，該方法在較復雜的支護方案選取過程中，其可行性和可操作性更強。吳大國等^［7］在工程實例中將幾種方法進行對比，發現模糊層次分析法在使用加速遺傳算法后建立的方案優選模型的模糊優選關系矩陣的修正幅度更小，評價結果的離散程度更高，適用于方案決策。徐鵬沖等^［8］在方案比選中加入靈敏度概念，在最佳組合賦權的基礎上進行評選，并應用于工程實例進行驗證，在此過程中，還融入了專家經驗，使基坑支護方案更加合理可行。馮艷等^［9］在超深大直徑豎井基坑支護工程中，對地連墻和灌注樁兩種支護結構采用數值模擬方法進行比選研究，為基坑支護設計提供了決策依據。

以上方法雖然都為基坑支護設計優選方案提供了可靠選擇，但仍存在不足之處：如徐華坤等的研究是基于臨江超大深基坑支護工程，無法適用于其他工程；吳大國、徐鵬沖等的研究中數據處理較為復雜，不便于操作；馮艷等的研究采用數值模擬方法，專業性較強，不便于操作的同時也易忽略其他影響因素?；又ёo施工關系著工程建設的功能、安全和經濟等諸多方面，因此在諸多方案中選擇最佳的設計方案，使其既滿足功能與安全性，又可達到經濟合理性，是亟須解決的問題。本研究采用層次分析和模糊評價相結合的方法構建方案優選模型，將定性問題定量化處理，便于實際操作，從而選擇最佳方案。

1 方案優選模型的構建

1.1 層次分析法

層次分析法是較為常見的將定性、定量相結合的方法，可以確定不同層級間的隸屬度關系，將相關元素進行排列而構造出兩兩比較的判斷矩陣，并采用專家調查法對每個指標進行評分，計算得出各級指標權重Wi。具體分為以下5個步驟。

1.1.1 建立層次結構模型。根據決策的目標、考慮因素和可選取方案按其相互關系分為目標層、一級指標和二級指標，繪出從上至下的層次結構圖^［10］。本研究通過CNKI數據庫搜索關鍵詞“深基坑”“方案優選”等，檢索出有關于深基坑支護方案優選相關的文獻40篇，從中篩選出20篇明確提出深基坑支護方案的功能指標體系的文獻，經咨詢有關專家對其進行整理分析，最終得到深基坑支護的功能指標集，具體見表1。

1.1.2 構造判斷矩陣。建立層次結構圖后，將不同層級內的元素兩兩對比，使用數字1-9及其倒數作為標度基礎（見表2），判斷各層級內不同元素的相對重要程度，并采用矩陣的形式進行表達，得到判斷矩陣。

1.1.3 層次單排序。上述獲得的若干個判斷矩陣，采用歸一化處理最大特征值對應的特征向量，得到不同元素對目標層的權重。

1.1.4 一致性檢驗。為了評估判斷構造矩陣和一致性矩陣的差異程度，需進行一致性檢驗。只有當CRlt;0.1時，才認為矩陣的一致性是可以接受的。

1.1.5 計算組合權重。為了得到最終的最優方案，由高層次到低層次逐層進行各層元素對目標合成權重的計算。

1.2 模糊評價法

模糊評價法是一種將定性問題定量化解決的方法。因素集是評價對象的評價因素的集合，若因素有n個，可表示為V={v1，v2，…，vn}，構成深基坑支護方案的模糊判斷矩陣Z；根據專家對因素進行的評分，建立比選評價級N=（N1，N2，N3，N4，N5）及相應評語級為N=（很適合，適合，一般，不適合，很不適）。通過指標綜合權重Wi和模糊判斷矩陣Z，可得綜合評價矩陣B=W·Z，并對綜合評價矩陣進行歸一化處理，得到B`，最終計算得到各個備選方案的綜合評價值W`=B`·CT

2 案例應用

2.1 項目介紹

該案例工程位于上海市閔行區。該項目規劃用地5.95萬m²，總建筑面積27.72萬m²，其中地上建筑面積18.02萬m²，地上計容面積為 17.86萬m²；地下建筑面積9.71萬m²（地下2層）。地上11～15層，由研發樓、員工宿舍、若干附屬建筑及地下車庫組成，建筑高度59.95 m。結構類型為框筒結構和框架結構兩類，建筑結構安全等級為二級。擬建場地地勢較為平緩，勘察期間測得地面標高一般為3.95～4.95 m，平均標高為4.23 m。

擬建場地主要為空地，地面以填土為主。根據勘察顯示，在深度75.50 m 范圍內的地基土均屬第四系全新世（Q4）及上更新世（Q3）沉積物，主要由黏性土、粉性土和砂土組成，一般具有成層分布的特點。場地位于正常沉積區，按其沉積時代、成因類型差異及上海市工程建設規范《巖土工程勘察規范》（DGJ 08-37—2012）相關條文可劃分為6個主要層次。根據其土性及成因不同第①、②、⑤、⑦層可劃分為若干亞層或次亞層。

通過現場調查和相關資料分析，最終確定本項目深基坑支護方案有以下3種：方案一是地下連續墻；方案二是單排鉆孔灌注樁+雙軸水泥土攪拌樁+中間部分棧橋；方案三是雙排鉆孔灌注樁+雙軸水泥土攪拌樁+斜支撐。

2.2 計算功能指標系數

邀請10名專家對三個備選支護方案采用層次分析法對功能指標集進行兩兩對比打分，通過計算確定各功能指標權重，具體見表3。經計算可得：W=[0.395 7，0.205 2，0.235 7，0.100 2，0.063 2]T；λ_max=5.045 6。一致性檢驗：CI=0.011，RI=1.11，CR=0.01＜1，一致性檢驗通過，可知安全可行性中二級指標權重分別為：0.395 5，0.236 5，0.204 0，0.100 5，0.063 4。同理可得，環境影響中二級指標權重分別為：[0.355 8，0.338 4，0.111 6，0.088 7，0.105 5]；施工便捷性二級指標權重分別為：[0.076 0，0.149 0，0.095 2，0.097 0，0.034 8，0.041 3，0.248，0.258 7]；方案優選中一級指標權重分別為：[0.620 5，0.238 5，0.136 5]。

2.3 方案評價結果

根據已選取的指標，經向該項目有關的10名專家發放問卷調查進行評估打分，對調查問卷數據整理后，利用2.2節所得的指標權重，采用加權平均型：M（*， +）進行賦權模糊計算，得出評價結果見表4。

綜上所述，一級指標中相對重要程度排序依次為安全可行性gt;環境影響gt;施工便捷性，其中安全可行性系數為0.620 5，排序最高，說明安全可行性是深基坑支護工程中極為關鍵的因素。其中支護結構強度、穩定性和支護結構抗變形能力系數均居前列，這是由于在基坑施工中，支護結構的基礎安全性能是該項目能否圓滿完成的關鍵，在整個施工過程中都至關重要；環境影響中不僅包含對周邊建（構）筑物存在影響，還會對自然環境產生破壞，而近年來我國極為重視環境安全，大力倡導綠色施工、生態環保等，也是其位列第二的因素；施工便捷性系數為0.136 5，其中系數最高的是施工工期和造價，是因為這兩項關系著項目盈利與否。根據模糊綜合評價法的最大隸屬度計算原則可知，本項目備選方案中，方案三隸屬度值最高為0.341 0，是可選的最佳方案。結合工程實際情況，現場采用方案三進行支護施工，通過基坑監測數據等對比發現，此支護方案滿足現場施工要求，支護效果較好。

3 結論

①本模型計算簡便，對于數值模擬模型起到很好的替代作用，有效避免因節省成本采用主觀決策導致建設項目產生重大安全及質量隱患等問題。

②采用層次分析法建立層次結構模型可以綜合考慮影響基坑支護方案選擇的各個因素，通過層次分析法確定各因素權重能夠極大地降低主觀因素影響，從而使所選方案更加科學合理。

③采用模糊綜合評價方法，通過對專家打分數據進行分析，可以得到各備選方案的評估值，較為客觀地進行比選，從而得出最佳的基坑支護方案，盡可能地避免由于支護方案選擇不當而導致的不必要損失。

④選擇適合的基坑支護方案不僅可以滿足安全性要求、降低工程成本，還可以達到縮短工期的目的。本研究可以為深基坑支護方案的選擇提供一定參考。

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收稿日期：2023-03-30

基金項目：2022年河北建筑工程學院研究生創新基金項目（XY202252）；河北省省屬高等院?；究蒲袠I務費研究項目（2021XSTD05）。

作者簡介：王海燕（1995—），女，碩士生，研究方向：工程建造與管理。