基于監測數據的基坑工程安全評判

趙 劍，李雙艷，徐劍敏，劉定邦，趙 磊

（1.深圳地質建設工程公司，廣東 深圳 518000；2.中南林業科技大學，湖南 長沙 410000；3.深圳市地鐵集團有限公司，廣東 深圳 518000）

0 引 言

基坑工程是一個擁有悠久歷史、具有重大意義的研究方向，具有里程碑式的價值。它要求解決土力學中的結構穩定、變形控制、滲漏控制等技術難題，確?；雍椭車h境的安全。21世紀之后，隨著我國城市建設的高速發展，有限的地上空間已不能滿足人類的建設需求，需向地下尋求更大的建設空間，從而大量的深基坑工程隨之產生。然而，由于深基坑工程大多數都是臨時施工，安全保障措施的缺乏，使得這些工程的風險極高，事故頻發[1-2]。因此，對基坑工程進行安全風險評估十分必要。然而，風險本身是具有一定的不確定性及模糊性，需要采用科學的方法對其進行評價。

EINSTEIN[3]早在20世紀70年代便開始探索并運用風險管理的概念，深入剖析了地鐵工程的風險控制，并提出了一系列具有實踐意義的建議。張飛燕等[4]采用CIM-AHP 模型和組合賦權技術，可以有效地評估地鐵施工中的安全風險，這種技術既可以將定量分析與定性分析相結合，又可以將客觀因素與主觀因素有機結合，大大提升了安全風險評估的準確性和可靠性。申建紅等[5]通過應用D-S證據理論，建立了一個深基坑施工風險評估模型，以便更好地評估深基坑施工的風險因素。李朝陽等[6]應用三級模糊綜合評判計算模型對地鐵車站基坑施工風險進行評估。

基坑工程處于復雜的地下水和應力環境中，基坑工程的復雜性不僅體現在其結構特征和影響因素上，而且還受到土體、受力狀況以及運營環境等多種因素的影響，從而使得它們的復雜性大大增加。很明顯，對于基坑工程的安全性進行評估存在著巨大的不確定性，既可能存在隨機因素，也可能存在模糊因素。模糊綜合評判法是一種新的數學方法，它可以幫助我們更好地識別多目標決策中的復雜因素，特別是在面對模糊性較強的情況下，更能發揮出它的優勢[7]。安全性是基坑工程的關鍵，它體現在基坑圍護體系和周邊環境的安全。通過監測數據，可以清楚地看到基坑圍護體系和周邊環境的變化[8]，從而確?；庸こ痰陌踩\行。本文通過綜合運用層次分析法與模糊綜合評判法，構建了一個以實時監測數據為依托的基坑安全評估模型。

1 基坑安全評判流程

基于監測數據的AHP（Analytic Hierarchy Process）-模糊綜合評判法的深基坑施工安全評估應用時，歸納起來主要有以下幾個步驟。

首先，建立一個評估指標體系，使用層次分析法（AHP）和工程經驗來比較不同層次的要素。然后，根據一定的標度理論，得出它們的相對重要程度[9]。

其次，根據工程實際情況，劃分基坑工程安全等級，建立基坑工程安全評語集。

最后，建立合理的隸屬函數，根據隸屬函數建立模糊綜合評判矩陣。逐級進行模糊綜合評判，最后求得基坑工程整體所處的安全等級。

2 層次分析法指標權重確定

2.1 評價指標的選取

根據基坑設計深度、地質特征、外部環境條件、支撐結構類型、施工技術要求等多方面因素，應當對基坑工程進行全面的監測，以確保安全可靠的施工。本文根據《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497—2019）[10]對監測內容的要求，選取其中的應測項作為評價指標的選取范圍。在實際工程中，應根據設計施工圖紙的要求，對監測項目進行取舍。

2.2 評價指標權重確定

層次分析法的基本步驟如圖1所示。在本文中，省略了對層次總排序的一致性檢驗過程。

圖1 層次分析法的基本步驟Fig.1 Steps of AHP

采用層次分析法，可以將決策判斷轉換成可衡量的數據，并以1～9的比例來衡量每個評估指標的重要性，以此來實現數據的可視化表達。本文通過行業內專家調查結合多年工作經驗給各評價指標予以賦值。

（1）構造層次分析結構

以基坑監測中9個最常見的監測項目（圍護結構頂水平位移和豎向位移、測斜、立柱沉降、支撐軸力、地下水位、周邊建筑物沉降、管線沉降、周邊道路沉降）為例，介紹評價體系的建立過程，深基坑施工安全評價指標體系如圖2所示。

圖2 深基坑施工安全評價指標體系Fig.2 Safety evaluation index system for deep foundation pit construction

（2）構造判斷矩陣

a）第一層評價指標

在第一層評價指標中，基坑支護體系本身的變形大小是基坑工程是否安全的最直接體現，而周邊環境的變形除了受基坑施工的影響，還可能受外界條件的影響，諸如周邊建（構）筑物的結構形式、行走車輛等。因此，基坑支護體系本身的重要性相比周邊環境更為重要，因此建立如表1所示的深基坑工程施工安全判斷矩陣。

表1 深基坑工程施工安全判斷矩陣Table 1 Safety judgment matrix of deep foundation pit construction

b）第二層評價指標

對于基坑支護體系本身而言，基坑變形的最直觀表現為圍護結構頂部水平位移，其次為深層水平位移。在支護體系發生水平位移的同時，支撐軸力也會隨之變化，因此兩者具有相同的重要性。隨著支護結構水平位移的發生，周邊土體應力隨之發生變化，從而導致圍護墻頂部豎向位移、立柱沉降、地下水位等監測項目隨之產生變形。

對于基坑周邊環境而言，周邊建筑物由于其自身基礎的存在，因此周邊建筑物沉降的重要性程度不如周邊道路豎向位移。而周邊管線的監測受環境及現實因素的影響，幾乎所有的管線監測只能采取間接法，因此周邊管線豎向位移重要性在周邊環境的指標中最低。根據以上分析結果，構造第二層指標的判斷矩陣，結果如表2～3所示。

表2 基坑周邊環境判斷矩陣Table 2 Judgment matrix of surrounding environment of foundation pit

表3 基坑支護體系本身判斷矩陣Table 3 Judgment matrix of foundation pit support system

c）第三層評價指標

除了支撐軸力外，第三層評價指標均含有累計變化量和變化速率兩個指標。在實際工作中，當累計變化量達到設計控制指標時，須立即予以報警，停止現場施工，對報警位置進行現場調查分析；而對變化速率，一般取連續三天的變化速率判別基坑是否需要報警。因此，累計變化量較變化速率相對更加重要，因此建立如表4所示的判斷矩陣。

表4 判斷矩陣Table 4 Judgment matrix

（3）通過建立多個指標的判斷矩陣，可以更準確地評估每個指標的重要性，但是，為了避免這些判斷之間出現矛盾，還需要進行一致性檢驗，以確保它們的準確性。引入判斷矩陣最大特征根以外的其余特征根負平均值作為評定一致性指標，即：

當CI值較大時，表明矩陣與預期的一致性存在較大差異；而當CI值較小時，則表明矩陣的一致性較高。為了確定矩陣的一致性，還須考慮它的平均隨機一致性指標RI。1～9階判斷矩陣的RI值見表5。

表5 平均隨機一致性指標Table 5 Average random consistency index

當矩陣的階數超過2時，我們可以通過計算CI和RI的比值來評估它們的一致性，這個比值被稱為CR，CR=CI/RI，也就是所謂的隨機一致性比率。如果CR小于0.10，則可以確定該矩陣具備良好的一致性。

3 基于模糊綜合評判的深基坑施工安全評判

模糊綜合評判是以模糊數學為基礎，通過將待研究的模糊實體和它們所代表的模糊概念組合成一個模糊集合，并利用相應的隸屬函數，結合模糊集合的相關運算和變換，可以實現對模糊實體的定量分析。

3.1 確定評價集

為了確?；拥陌踩?，施工期間必須建立有效的監測機制，以便及時發現、報告并進行有效的管理。這些機制的設定需要考慮到監測項目的累積變化量及其變化的速度。監測警戒值是指根據設計單位提出的指標控制值，對監測數據超過一定閾值的預警。根據土質特性、設計要求和當地實踐經驗，應當精確地確定監測控制值。

本文根據各監測項目實際量測值與監測指標控制值的比值，將基坑安全等級分為五級：Ⅰ級安全狀態、Ⅱ級預警狀態、Ⅲ級報警狀態、Ⅳ級控制狀態、Ⅴ級危險狀態，從而建立基坑安全評語集：

V={v1，v2，v3，v4，v5}={Ⅰ級安全，Ⅱ級預警，Ⅲ級報警，Ⅳ級控制，Ⅴ級危險}

基坑安全等級劃分如表6所示。

表6 基坑安全等級劃分表Table 6 Safety classification of foundation pit

3.2 隸屬函數的確定

根據數據判斷特性，本文采用梯形分布函數。假設所有單因素的隸屬函數都是相同的，并且都遵循線性分布，從而計算出基坑不同安全狀態的隸屬函數[8]。

（1）基坑處于安全狀態的隸屬函數

（2）基坑處于預警狀態的隸屬函數

（3）基坑處于報警狀態的隸屬函數

（4）基坑處于控制狀態的隸屬函數

（5）基坑處于危險狀態的隸屬函數

式中：x為各單因素的實測最大值；μ1、μ2、μ3、μ4、μ5分別對應基坑處于安全狀態、預警狀態、報警狀態、控制狀態、危險狀態的隸屬函數；x1、x2、x3、x4分別對應基坑處于預警狀態、報警狀態、控制狀態、危險狀態的指標預警值。

4 案例分析

4.1 工程概況

擬建桂灣四單元九年一貫制學校項目位于前海合作區桂灣片區，用地面積約3.71萬m2，總建筑面積約9.5萬m2，地上7層，地下2層（含半地下室）。場地北側鄰近創新九街，南側鄰近桂灣二路，西側鄰近創新六街，東側為創新八街及高架橋?；娱_挖底標高為0.4～5.2 m，開挖深度5.3～11.4 m，開挖周長約900 m，開挖面積約為3.4萬m2。

4.2 監測內容及控制指標

根據設計圖紙，本項目監測內容及控制指標分別如表7～8所示。

表7 監測內容Table 7 Monitoring contents

表8 監測控制指標Table 8 Monitoring and control indicators

4.3 監測預警事件

2022年12月28日，圍護結構頂部水平位移監測點 ZDW15、ZDW16累計變量分別達到?34.10 mm、?32.00mm，均超過設計預警值，第三方監測單位發出預警通知單。在預警點位附近，還布設有圍護結構頂部豎向位移監測點（ZDC15、ZDC16）、地下水位監測點（SW7～SW9）、管線變形監測點（GX15～GX18）、周邊地表豎向位移監測點（DL20～DL23）、支護樁深層水平位移監測點（CX6、CX7）。附近其它各項監測點的當天變化速率較之前亦有所增加，但仍處于設計允許范圍內。根據2022年12月28日實測數據，取各類監測項目中的最大值，具體數值見表9。依據第3.2節中的隸屬函數，建立模糊判斷矩陣，判定基坑的安全性。

表9 基坑監測成果統計表Table 9 Statistics of foundation pit monitoring results

4.4 指標權重的確定

本項目建立如圖3的基坑安全評價指標體系。

圖3 基坑安全評價指標體系Fig.3 Index system for safety evaluation of foundation pit

（1）構造第一層判斷矩陣，如表10所示，一致性檢驗結果附后。

表10 判斷矩陣U-ATable 10 Judgment matrix U-A

（2）構造第二層判斷矩陣，如表11～12所示，一致性檢驗結果附后。

表11 判斷矩陣A1-BTable 11 Judgment matrix A1-B

表12 判斷矩陣A2-BTable 12 Judgment matrix A2-B

（3）第三層各因素具有相同的判斷矩陣，構建的判斷矩陣如表13所示。

表13 判斷矩陣B-CTable 13 Judgment matrix B-C

（4）根據上述的層次單排序結果，可求得評價指標層次總排序結果，見表14。

表14 評價指標層次總排序Table 14 Overall ranking of evaluation index levels

4.5 基坑安全判定

（1）第三層模糊綜合評判

第三層各因素評判矩陣：

根據4.4節所確定的第三層因素權重，得出第三層綜合評判：

（2）第二層模糊綜合評判

第二層各因素評判矩陣：

根據4.4節所確定的第二層因素權重，得出第二層綜合評判：

（3）第一層模糊綜合評判

第一層各因素評判矩陣：

根據4.4節所確定的第一層因素權重，得出第一層綜合評判：

根據最大隸屬度原則，說明該基坑處于Ⅰ級安全?；犹幱谠摪踩燃墪r，建設單位、施工單位、監理單位、第三方監測單位等相關監控單位在信息報送的同時，應加強監測、巡視，同時根據當地相關文件要求，組織專家論證會，請專家對基坑的安全性給出最終結論及處理意見。

2022年12月30日，建設單位組織召開了《桂灣四單元九年一貫制學?！獦俄斔轿灰祁A警》會議，與會專家詳細了解了基坑施工及監測情況。根據與會專家咨詢意見，綜合判斷目前基坑整體處于安全穩定狀態，建議根據基坑開挖實際情況，設計單位適當調整樁頂水平位移監測預警值。

5 結 論

（1）基坑工程安全事故的發生在前期一般都會有一定的征兆，如支護結構變形或支撐內力急劇增加等，但這些在初期是無法肉眼可見的。因此本文基于實際監測數據建立基坑安全評價指標體系，合理構建動態安全評估模型，得到基坑工程在各時間段安全狀態的變化。

（2）在基坑施工安全判定過程中，利用基坑各監測項目的實際監測數據進行計算，可以有效避免對基坑安全評估的主觀性，大大增加了基坑安全判定的客觀性及合理性。

（3）基坑工程處于復雜的地下水和應力環境中，基坑工程的復雜性不僅體現在組成結構及影響因素方面，還體現在各因素的影響程度因不同的土體、受力狀態和運營環境而有所不同。顯然，基坑工程的安全性分析是不確定性問題，不僅具有隨機性，也具有模糊性。