深基坑工程建设具有施工复杂、不可预见因素多等特点, 是一项高风险的建设工程, 加强深基坑监测就显得尤为重要。但是, 当前深基坑监测方案主要参考规范, 根据规范确定监测项目, 由于实际工程所处的地质水文条件、基坑本体参数和周边环境等不同, 规范对实际工程可参考性有限, 甚至规范之间还存在冲突。因此, 如何在结合实际工程选取有效的监测项目, 确保基坑施工期间基坑和周围建筑物的安全, 是深基坑监测方案亟待解决的问题。

选择合理的监测项目才能针对性地控制工程建设风险, 保证工程顺利完成。何春保等通过统计基坑安全事故以及工程经验指出深基坑监测的重要性;崔新成等结合工程经验和监测规范, 提出监测项目选择应该考虑工程条件、施工方法等要求;项立斌根据不同基坑类型确定基坑监测项目和监测方法。以上研究主要依赖于专家经验。在选择监测项目时, 各监测项目之间存在差异, 虽然各监测项目都能够表征风险, 但是表征风险的能力有所差异。规范中对其差异无详细解释, 为对规范进行补充说明, 应该从监测项目自身表征风险能力出发, 对各监测项目表征风险能力进行定性和定量分析, 最终对各监测项目表征风险能力进行量化识别, 由强到弱列出其重要度顺序。

因此, 本文结合基坑施工风险和监测项目, 提出了揭示风险贡献率的概念, 建立了基于风险评价的深基坑施工监测选择方法, 对深基坑施工监测项目优化, 确定最优的监测项目优先度, 为深基坑监测项目的选择提供参考依据。

在深基坑工程综合评价中, 影响基坑施工因素大多数具有模糊性, 为了得到较合理的评价结果, 本文运用模糊综合评价法建立深基坑监测施工风险评价模型, 如图1所示。

因素集V是影响评价结果的各因素的集合。在深基坑施工过程中要考虑的因素很多, 因素之间还有层次之分, 此时因素集V按某些属性分成几类, 并按照因素多少对每一类做综合评价, 然后再对评价进行“类”之间高层次的综合评价, 本文建立的因素集为:

X={X₁, X₂, X₃}={支护结构风险, 基坑内环境风险, 基坑周边环境风险}

X₁={围护结构风险 (u₁₁) , 支撑体系风险 (u₁₂) , 立柱风险 (u₁₃) }

X₂={突涌水风险 (u₂₁) , 坑底隆起风险 (u₂₂) , 基坑周边土体风险 (u₂₃) }

X₃={地下管线风险 (u₃₁) , 周边建 (构) 筑物风险 (u₃₂) , 地表变形风险 (u₃₃) }

参考规范, 本文将深基坑施工风险分为5个等级, 对应风险分别为可忽略、可允许、可接受、可忍受、不可接受, 以上评价集记为:

V={v₁, v₂, v₃, v₄, v₅}={可忽略, 可允许, 可接受, 可忍受, 不可接受}

权重是各级指标对于评价目标的相对重要性程度, 常采用层次分析法、专家打分法等方法来确定各指标的权重。本文采用层次分析法确定评价指标权重, 将影响深基坑施工风险的因素划分为最高层、中间层和最低层, 其中最高层是整个深基坑施工风险情况;中间层为施工过程中不可避免的3个部分风险, 即支护结构风险、基坑内环境风险和基坑周边环境风险;最低层则包括9个具体指标, 具体如图1所示。

隶属度是指某个指标属于评价集V的某一个集合。本文将风险等级分为5级, 需要构建5个隶属度函数, 结合前人研究成果和实际工程情况, 提出如下5个等级的基坑施工风险及其对应的隶属度函数, 如式 (1) ~ (5) 所示。通过将各评价风险值x代入隶属度函数公式, 可以得到对应的评价集V中各等级的隶属度, 建立各底层评价指标的判断矩阵R, 即R={i_v1 (x) , i_v2 (x) , i_v3 (x) , i_v4 (x) , i_v5 (x) }。

式中:i_vi (x) 为当风险取值为x的函数表达式。

揭示风险贡献率是指监测项目对于基坑总体风险程度表征的比率, 通过数学方法对每个监测项目表征工程风险能力进行量化描述, 对于风险表征能力强的监测项目予以优先选择, 从而确定合适的监测项目。通过专家调查、监测规范比较和监测案例调研3种方法对各监测项目进行打分, 得到归一化分值, 即为3种方法对于各监测项目的揭示风险贡献率。结合相关资料和工人的工作年限, 对部分数据权重优化, 最终得到监测项目计算权重表, 如表1所示。

结合表1分析进行整理汇总, 选取权重计算, 将最终深基坑施工各监测项目揭示风险贡献率记为N (%) , 结果如表2所示。

本文结合相关规范和统计资料, 确定施工中应重点关注的21个监测项目, 结合前人研究, 将监测项目分为4个区段, 分别对应1区 (必测) 、2区 (应测) 、3区 (宜测) 、4区 (可测) ;同时, 采用专家调查、规范比较和监测案例研究相结合的方法, 计算基坑施工过程中各监测项目的风险贡献率N (%) , 得到揭示风险贡献率与监测项目优先度, 具体如表3所示。

施工过程中, 如果风险等级发生变化, 相应监测项目优先度也需要调整。因此, 本文以上述优先度体系为基础, 结合基坑风险等级进行调整优化。对于风险等级高的风险部位进行重点控制, 即风险部分风险等级较高时, 将风险部分对应的监测项目优先度进行升区;对于风险等级低的风险部分无需重点控制, 即风险部分风险较低时, 将风险部分对应的监测项目优先度进行降区, 从而达到优化监测项目选择的目的。具体风险等级监测项目优先度调整如表4所示。

本文以某大型基础设施深基坑为例, 该明挖基坑深约17.0m, 宽约25.2m。基坑内有承压水, 承压水高度为12.73~16.05m, 基坑内外共布置30口降水井、3口降水观测井和4口备用井。基坑基底以上土质为粉质黏土、粉土、粉砂互层, 且有淤泥质土、淤泥、淤泥质黏土。

结合设计文件、地质勘察等资料, 提取水文地质、基坑本体参数、周边环境等相关风险, 计算出评价指标风险总分值, 进而算出各指标风险等级总分值相当于最高风险等级划分值比值S, 从而确定评价指标风险分值范围, 如表5所示。

综合表5所示各评价指标的取值区间, 采用专家打分对评价指标进行打分, x依次所取分值为37, 71, 80, 39, 10, 21, 77, 77, 15。

通过层次分析法, 该深基坑施工风险各指标权重分别为:

通过层次分析法计算地铁深基坑各三级指标权重, 记为A₁:

通过式 (1) ~ (5) 计算对应支护机构、基坑内环境和周边环境风险隶属矩阵R₁, R₂, R₃, 具体如下:

基坑总体风险评价指标对应的隶属度矩阵R:

模糊综合评价综合结果:

根据隶属度最大原则, 确定基坑总体风险等级M;基坑总体风险隶属于4级的可能性为0.355 6, 所占比例最大。按照最大隶属度原则, 该基坑风险等级M=4。

根据上述方法, 根据对应风险部位的隶属度矩阵和评价指标的权重, 计算对应风险的加权隶属度矩阵。

支护结构风险对应的加权隶属度矩阵:

坑内环境风险对应的加权隶属度矩阵:

基坑周边环境对应的加权风险隶属矩阵:

因此, 根据每个风险隶属等级的可能性大小, 可以发现支护结构风险m₁=3, 坑内环境风险m₂=3, 基坑周边环境风险m₃=1。

从上述分析可知, 基坑总体风险等级M=4, 支护结构风险等级m₁=3, 基坑内环境风险等级m₂=3, 基坑周边环境风险等级m₃=1。按照表4中监测项目优先度调整方法, 支护结构和基坑内环境两个风险部位对应的监测项目重要性应升1个区, 基坑周边环境对应的监测项目1区保持不变, 其他区段各降1个区, 具体如表6所示。

为了验证该方法的正确性和有效性, 本文结合规范和实际监测方案分别对必测项目和非必测项目进行对比分析。

结合该地铁车站深基坑施工相关资料, 将实际监测项目、本案例分析结果和规范对必测项目进行对比, 其中规范以城市轨道交通工程监测技术规范为依据, 具体如表7所示。

在上述对必测项目选择对比分析可以发现, 本文所得必测项目与实际监测项目和规范基本保持一致, 围护墙内力揭示风险贡献率较高, 但考虑到实际监测项目可操作性、经济等问题, 且围护墙已有围护相关变形监测项目进行控制, 故最终不需要对其进行监测。因此, 本文方法的可信度较高。

由于监测方案对非必测项目重要级别未做限定, 故接下来将本文结论与规范中非必测项目优先等级做对比, 具体如表8所示。

从表8中可以看出, 规范对于非必测项目等级划分笼统, 只有选测项目一个类型, 本文采用的方法可针对性地为决策者选择监测项目给出建议。

本文基于深基坑施工项目选择问题进行了研究, 采用将风险评价与监测项目相结合的方法, 得出如下结论。

1) 创新性地提出“监测项目揭示风险贡献率”并进行量化, 建立地铁深基坑监测项目优先度体系, 结合深基坑施工风险, 构建一套基于风险评价的深基坑施工监测项目选择方法, 并结合实际工程验证了方法的有效性和正确性。

2) 根据分析地铁深基坑施工风险, 从“支护结构风险、基坑内环境风险、基坑周边环境风险”分别细化, 并提出相对应的风险评价指标体系和模糊综合评价模型。

3) 采用模糊评价方法对地铁深基坑的安全风险因素进行评价, 可有效反映深基坑施工的风险状况, 并有利于施工管理者采用合适的风险防范措施来降低风险发生的概率。