基于層次分析法深大異形基坑施工方案比選分析

馬國(guó)強(qiáng)

（中鐵十八局集團(tuán)第四工程有限公司 天津 300200）

1 引言

隨著國(guó)家基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)和現(xiàn)代化經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，深基坑成為工程師充分利用地下空間的有力途徑之一。影響基坑問題的變形因素有很多種，因此需要進(jìn)行詳細(xì)的調(diào)查勘測(cè)。多數(shù)學(xué)者對(duì)基坑開挖后的變形控制和施工工藝進(jìn)行了研究［1-2］，而基坑前期方案的選擇研究較少。對(duì)于復(fù)雜深基坑可通過層次分析將復(fù)雜問題簡(jiǎn)單化，并采用定量方法對(duì)支護(hù)體系進(jìn)行整體評(píng)價(jià)。

支護(hù)結(jié)構(gòu)通過將層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法結(jié)合，評(píng)價(jià)整個(gè)基坑各支護(hù)方案的優(yōu)劣性［3-4］，基于數(shù)值仿真分析對(duì)基坑進(jìn)行變形控制［5］。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，MATLAB將結(jié)合層次法應(yīng)用于工程地下結(jié)構(gòu)的綜合評(píng)價(jià)［6］。

從分析方法本身來說，層次分析與模糊數(shù)學(xué)理論在工程項(xiàng)目運(yùn)營(yíng)和管理方面得到廣泛應(yīng)用［7-9］。工程上多用于工程構(gòu)筑物的長(zhǎng)期服役性能，例如宋宏芳［10］等采用層次分析法對(duì)凍土路基長(zhǎng)期變形進(jìn)行了預(yù)測(cè)；毛衛(wèi)南［11］采用此方法對(duì)凍土地下管道進(jìn)行了長(zhǎng)期變形分析；馬立峰［12］等采用可靠度評(píng)價(jià)方法對(duì)路基長(zhǎng)期服役性進(jìn)行了評(píng)價(jià)分析；張強(qiáng)勇［13］等對(duì)鹽巖地下儲(chǔ)氣庫采用模糊數(shù)學(xué)方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行探究。

上述研究表明層次分析法和模糊數(shù)學(xué)的理論研究較為成熟，但大多數(shù)工程案例相對(duì)簡(jiǎn)單，未能體現(xiàn)層次分析法的完全優(yōu)勢(shì)。因此本文選用天津地區(qū)深大異形基坑進(jìn)行研究，考慮基坑的獨(dú)特形狀以及周圍環(huán)境等因素，結(jié)合基坑具有條件的獨(dú)特性進(jìn)行施工方案比選。

2 層次分析法原理及步驟

將一個(gè)復(fù)雜問題分為目標(biāo)層、準(zhǔn)則層、因素層，選取各分析因素后，考慮各因素之間的相互作用關(guān)系，按表1選擇各因素之間的比例標(biāo)度。

表1 元素的比例標(biāo)度

隸屬于準(zhǔn)則層［Bi］的因素層按照上表取值，并形成式（1）的矩陣：

式中，比例標(biāo)度Cij表示同一層次中第i元素與第j元素相比前者的重要程度，Cii＝1、Cij＝1/Cji。

將上述判斷矩陣［Bi］由編程軟件MATLAB計(jì)算最大特征值及特征向量，關(guān)系如式（2）所示。

式中，ai為特征向量，表示為ai（ai1ai2……ain）；λmax為最大特征值。

由于因素層 C1i、C2i、C3i、C4i之間相互作用關(guān)系較小，所以未考慮準(zhǔn)則層之間的相互作用關(guān)系，各因素層內(nèi)向量權(quán)重值為向量?jī)?nèi)各元素的加權(quán)平均值，表示為式（3）。

由式（4）計(jì)算判斷矩陣最大特征值并判斷準(zhǔn)則層是否滿足一致性檢驗(yàn)。

若C1＝0，則滿足一致性檢驗(yàn)；若C1不滿足，則按照CR＝C1/R1，CR＜0.1，滿足一致性檢驗(yàn)，若不滿足則循環(huán)上述步驟，直到滿足為止。

通過計(jì)算得到本基坑因素的權(quán)重量值，并根據(jù)開挖及支護(hù)方案對(duì)本基坑因素的適用性進(jìn)行評(píng)分評(píng)價(jià)，由此組成評(píng)語集J。評(píng)語集量值為1～10，因素與方案乘積的加權(quán)平均值如式（5）所示。

計(jì)算綜合評(píng)分，從而選擇綜合評(píng)分最高的施工方案作為本次基坑施工方案。

3 深基坑施工方案

基坑施工方案根據(jù)施工順序分為兩大部分，即基坑開挖、支護(hù)方案。施工過程中兩個(gè)方案之間協(xié)調(diào)控制基坑的沉降變形，確保安全有效的施工過程。

3.1 基坑開挖方案

（1）放坡開挖。將鄰近開挖土體按照比例進(jìn)行放坡，周圍土體由于本身的重力可作為臨時(shí)擋土墻，適用于基坑深度較淺、周圍建筑環(huán)境空曠的基坑。

（2）分倉開挖。不同分區(qū)的施工方案不利于施工組織管理，且分倉接縫處需進(jìn)行特殊處理，施工流程復(fù)雜、所需勞動(dòng)力多，經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益并不明顯。

（3）盆式開挖。盆式開挖適合于基坑面積較大、支撐或拉錨作業(yè)困難且無法放坡的基坑。盆式開挖先挖除基坑中部土體，保留周邊一定范圍內(nèi)土體，形成坡度，從而產(chǎn)生土壓力，以增強(qiáng)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。盆式開挖如圖1所示。

圖1 盆式開挖示意

（4）島式開挖。與盆式開挖相反，中心島式挖土是先開挖基坑周邊土方，中間留土方可作為支點(diǎn)搭設(shè)棧橋。這種開挖方式可有效加快挖土和運(yùn)土的速度（見圖2）。

圖2 島式開挖示意

3.2 基坑支護(hù)方案

（1）灌注樁。灌注樁是工程現(xiàn)場(chǎng)用于加固土體的一種支護(hù)結(jié)構(gòu)。根據(jù)施工工藝、材料等的不同，分為鉆孔灌注樁、水泥護(hù)壁灌注樁、旋噴管樁等。灌注樁施工工藝簡(jiǎn)單、技術(shù)成熟但防水性差。

（2）地下連續(xù)墻。地連墻能較好地約束基坑變形，憑借自身穩(wěn)定性與支撐結(jié)構(gòu)共同受力且有止水帷幕的功能，但地連墻建設(shè)成本較高。

（3）內(nèi)支撐形式。對(duì)于城市建設(shè)，尤其地鐵施工，常采用長(zhǎng)鋼管作為支撐。在截面形狀復(fù)雜的基坑中，鋼支撐定制困難、運(yùn)輸困難，并不受青睞；混凝土環(huán)形支撐，取材方便、可塑性高，能協(xié)調(diào)土體共同受力，是良好的內(nèi)支撐材料。

4 工程案例

4.1 工程概況

本工程位于天津市河北區(qū)，基坑分布于思源道車站主體結(jié)構(gòu)東西兩側(cè)，由4座寫字樓及裙房組成。由于基坑緊鄰既有思源道站，所以分為兩個(gè)東西封閉的不規(guī)則基坑。基坑開挖面積約1.25萬m2。基坑規(guī)劃平面見圖3。

圖3 基坑工程平面

基坑周圍建筑物為中石化紅星支路加油站，距離基坑21 m?；?xùn)|側(cè)附近有一條自來水管線，該管線距結(jié)建地連墻最近距離6.21 m。

場(chǎng)地范圍內(nèi)表層普遍分布有人工填土含碎磚石等建筑垃圾，素填土之下約15 m范圍內(nèi)以黏土和粉質(zhì)黏土為主，局部夾雜不連續(xù)粉土。開挖范圍內(nèi)土體均為弱透水性。

4.2 構(gòu)造判斷矩陣

根據(jù)基坑所處位置的地質(zhì)水文條件和基坑形狀，選取3個(gè)一級(jí)指標(biāo)（準(zhǔn)則層）、12個(gè)影響因素建立層次分析法，如圖4所示。

圖4 基坑層次分析法指標(biāo)及影響因素

根據(jù)基坑條件，建立判斷矩陣。判斷矩陣按照表1選取，計(jì)算矩陣見式（6）～式（8）。

4.3 確定權(quán)重值

根據(jù)MATLAB計(jì)算得到各準(zhǔn)則層向量權(quán)重值：WA1＝（0.47，0.316，0.080，0.134），λmax＝4.287；WA2＝（0.137，0.360，0.451，0.054），λmax＝4.143；WA3＝（0.408，0.420，0.093，0.079，λmax＝4.105。

為了避免變量離散，引入平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，其中四階矩陣R.I.一般取0.89。

表2 一致性標(biāo)準(zhǔn)判斷

由表2可看出，A1、A2、A3滿足一致性檢驗(yàn)。

4.4 施工方案比選

按照開挖方案適用條件進(jìn)行評(píng)分，根據(jù)式（1）～式（5）計(jì)算權(quán)重值得到表3，由表4可知本基坑開挖方案優(yōu)選島式開挖。

表3 開挖方案及工程風(fēng)險(xiǎn)因素分析

表4 開挖方案綜合評(píng)分

基坑支護(hù)在基坑開挖中有重要作用，本基坑較深且形狀不規(guī)則，尤其是處于地下水位較高的城市。因此支護(hù)結(jié)構(gòu)的選擇應(yīng)著重考慮地下水滲流等問題?；邮┕ひ蛩貦?quán)重值不變，按不同支護(hù)方案進(jìn)行分析，見表5。

表5 支護(hù)方案及工程風(fēng)險(xiǎn)因素分析

基坑支護(hù)從圍護(hù)結(jié)構(gòu)和內(nèi)支撐兩方面進(jìn)行分析，并依照方案的適用條件對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行打分，最終通過累計(jì)求和得到各方案的綜合評(píng)分，見表6。

表6 支護(hù)方案綜合評(píng)分

由表6可知基坑支護(hù)體系應(yīng)首選“地連墻＋環(huán)形內(nèi)支撐”的方案，材料選用鋼筋混凝土，現(xiàn)場(chǎng)澆筑。

5 結(jié)論

（1）對(duì)于深大異形基坑可采用層次分析法對(duì)基坑方案進(jìn)行比選?；痈饕蛩氐臋?quán)重值完全取決于基坑本身和周邊環(huán)境，施工方案適應(yīng)于基坑的因素層，并進(jìn)行打分評(píng)價(jià)，通過對(duì)比綜合評(píng)分得到最優(yōu)施工方案。

（2）基坑工程周圍建筑物所占的比重相對(duì)較大，而在工期要求范圍內(nèi)，基坑的進(jìn)度和施工組織管理所占的比重相對(duì)較小。

（3）本基坑施工方案比選結(jié)果為：對(duì)于深大異形基坑可采用棧橋島式開挖方案及地連墻環(huán)形內(nèi)支撐支護(hù)體系。