超高層建筑基坑支護方案的決策系統(tǒng)模型應(yīng)用分析

任宏 何強 鐘國益

摘 要：在超高層建筑中，基礎(chǔ)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(chǔ)不同，超高層建筑基礎(chǔ)已被構(gòu)成地下空間的地下室和深大基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)所代替，而基礎(chǔ)施工通常要進行基坑支護。據(jù)國內(nèi)外學(xué)者的統(tǒng)計和研究，超高層建筑基礎(chǔ)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(jié)約基礎(chǔ)成本來說，迫切需要加強對基坑支護方案決策系統(tǒng)的研究。本文基于層次分析法建立支護方案決策系統(tǒng)模型，在“質(zhì)量好，工期短，經(jīng)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(jīng)濟合理性進行分析論證。

關(guān)鍵詞：深基坑支護；決策支持系統(tǒng)；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(yīng)用與研究開始于80年代初，由于我國人口眾多，為了節(jié)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(guī)?；庸こ痰拈_挖與支護，來為地下工程建筑提供必要的安全環(huán)境 [1]。

超高層建筑的迅速興起，促進了深基坑支護技術(shù)的發(fā)展，選擇一個經(jīng)濟、實用的基坑支護方案成為確保施工質(zhì)量和保證施工安全和節(jié)約成本的重要工作。深基坑工程主要包括基坑支護體系設(shè)計、施工和土方開挖，它是一項綜合性很強的系統(tǒng)工程，因此，它與工程場地地質(zhì)勘查、支護結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工開挖、基坑穩(wěn)定、降水、施工管理、現(xiàn)場監(jiān)測、相鄰場地施工相互影響等密切相關(guān)，具有很強的區(qū)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(yīng)。由于深基坑工程設(shè)計與施工的復(fù)雜性，不確定影響因素眾多，工程事故仍然時有發(fā)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(tǒng)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(shè)施等的安全，對于節(jié)約建造成本，對于高層建筑基礎(chǔ)的順利施工等都有重要的意義。

2.深基坑研究的國內(nèi)外現(xiàn)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(yōu)化問題，工程技術(shù)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(jīng)開始研究基坑工程中的巖土工程問題并提出了預(yù)估挖方穩(wěn)定程度和支撐荷載大小的總應(yīng)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(jiān)測，此后大量的實測資料提高了預(yù)測的準確性，并從70 年代起產(chǎn)生了相應(yīng)的指導(dǎo)開挖的法規(guī)[2]。在后來的時間里，世界各國的許多學(xué)者都投入研究，并不斷地在這一領(lǐng)域取得豐碩成果，提出了許多優(yōu)化設(shè)計方法，如數(shù)值計算方法（如有限元），反分析方法，計算機輔助設(shè)計方法，系統(tǒng)工程優(yōu)化設(shè)計方法（如層次分析法）等，且已逐漸被應(yīng)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(tǒng)方案優(yōu)選中有成功的應(yīng)用。國內(nèi)眾多單位和學(xué)者也嘗試著采用計算機輔助設(shè)計的方法進行優(yōu)化設(shè)計，如智能軟件包的應(yīng)用。

一直以來，有兩個方面問題一直難以解決，一方面由于設(shè)計安全度不足而造成基坑失穩(wěn)事故的比例較大，另一方面由于設(shè)計過于保守而又造成很大的浪費。唐業(yè)清等曾對103 項深基坑工程事故的原因進行調(diào)查，統(tǒng)計結(jié)果表明，其中由于深基坑設(shè)計失誤、水處理不當、結(jié)構(gòu)和基坑失穩(wěn)事故，占總事故的80 %，其所造成的經(jīng)濟損失也相當嚴重[3]。經(jīng)歷了20多年的發(fā)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(shè)計理論從最初的強度控制與穩(wěn)定分析的粗略設(shè)計到近些年提出的變形控制設(shè)計，比較有效的解決了上述問題。同時支護結(jié)構(gòu)的形式也越來越多樣化。

3.深基坑支護結(jié)構(gòu)常用形式選擇

由前文介紹可知，深基坑工程越來越多，且復(fù)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(chǔ)工程中的熱點和難點?；娱_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(zhì)較好的基坑，應(yīng)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(shù)經(jīng)濟上不合理時采用的。目前，高層建筑常建設(shè)在市區(qū)，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(jié)構(gòu)形式如下表1所示。

我國工程實踐應(yīng)用過的常見基坑支護方式見表1，每種支護形式的適應(yīng)條件很多學(xué)者和專家也都進行過研究，并做出總結(jié)，有的已經(jīng)作為規(guī)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(yīng)進行實際勘察，收集數(shù)據(jù)，整理出工程的一些實際資料。根據(jù)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(jù)地面荷載值及各土層的物理力學(xué)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(guī)劃和設(shè)計，并進行專家論證，最后，做出進一步的調(diào)整和優(yōu)化。

4.基于層次分析法的基坑支護方案決策系統(tǒng)模型應(yīng)用分析

4.1基于層次分析法原理構(gòu)建決策系統(tǒng)模型

深基坑支護工程系統(tǒng)是一個綜合性的巖土工程問題， 其方案優(yōu)選涉及安全可行、經(jīng)濟合理、環(huán)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(fù)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(shè)定一個綜合指標。這個綜合指標的設(shè)定包括確立評價指標體系、確定各指標權(quán)重、建立數(shù)學(xué)決策模型三個關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

傳統(tǒng)常用的評價方法有專家論證打分法、加權(quán)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(jīng)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(jié)合的、系統(tǒng)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(tǒng)的一些重要指標做出科學(xué)、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(xué)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(fù)雜的問題層次化，即根據(jù)問題的性質(zhì)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(guān)系將其分層聚類組合，形成一個遞階的、有序的層次結(jié)構(gòu)模型；然后根據(jù)系統(tǒng)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(gòu)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(quán)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(quán)值，以此作為評價和選擇方案的依據(jù)[13][14]。

4.2 應(yīng)用層次分析法分析深基坑支護系統(tǒng)的評價指標權(quán)重

4.2.1建立層次分析的結(jié)構(gòu)模型

本文中所建立的支護方案選擇的基本思路為質(zhì)量好，工期短，經(jīng)濟效益好，具體來說就是方案滿足安全可靠、技術(shù)可行、經(jīng)濟合理三個基本準則（根據(jù)實際實施的需要，可以適當?shù)脑黾右恍蕜t），建立的深基坑支護系統(tǒng)的評價指標體系，如圖1所示。

4.2.2 建立構(gòu)造矩形及層次單排序和一致性檢驗

根據(jù)所建立的層次結(jié)構(gòu)模型，相對于上一層次某個元素，根據(jù)實際工程的具體情況，經(jīng)向?qū)＜易稍冋撟C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(shù)值表示出來構(gòu)成判斷矩陣。引用1～9標度方法，如表2所示。

根據(jù)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(quán)重WB、WC，為使構(gòu)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(shù) n 有關(guān)，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(jié)果，將上一層次該元素本身的權(quán)重加權(quán)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(quán)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(jié)果如表7所示。

由表7可知，C1（方案中支護防水施工技術(shù)的安全可靠性）、C2（方案中施工質(zhì)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(huán)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(quán)重自然大些。所以，此方法的具體應(yīng)用還需要根據(jù)工程的實際需要靈活應(yīng)用。通過分析，當我們在對具體工程實施時，以上指標權(quán)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(yīng)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(yīng)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(quán)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(yōu)化選擇。某高層辦公室樓發(fā)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(shè)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(jù)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(nèi)插鉆孔灌注樁加強

D3 =密排樁。

然后，通過向技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)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(yōu)劣情況，如表8所示。

根據(jù)專家評價的結(jié)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(jié)合已經(jīng)建立的表5中方案評價指標權(quán)重，可以得出方案層（D層次）總排序權(quán)重值，如表9所示。

根據(jù)表8的計算結(jié)果，可知三種支護方案的優(yōu)劣順序為：D2﹥D3﹥D1，也就是說，方案二（深層攪拌樁擋墻+內(nèi)插鉆孔灌注樁加強支護方案）是本工程的最優(yōu)方案，由經(jīng)驗可知深層攪拌樁擋墻的擋墻均勻，連續(xù)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(jié)論比較合理。

5.結(jié)論

深基坑工程已經(jīng)在我國廣泛的應(yīng)用，無論是設(shè)計計算，還是施工、監(jiān)控等方面，深基坑支護技術(shù)都處在不斷的進步和發(fā)展中，圍繞基坑工程優(yōu)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?；庸こ淌且粋€系統(tǒng)工程，包括支護結(jié)構(gòu)、降水方案、監(jiān)測開挖方案等很多內(nèi)容，涉及經(jīng)濟、技術(shù)、安全、環(huán)境等諸多因素，面對這些錯綜復(fù)雜的因素，本文重點應(yīng)用層次分析法進行方案的進一步優(yōu)化分析，層次分析法邏輯性強，思路清晰，計算結(jié)果真實可靠，貼近現(xiàn)實，是優(yōu)選深基坑支護方案的一種好方法。

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