李衛(wèi)華, 張生杰, 洪小星, 欒金龍, 譚 勇

(1.南通城市軌道交通有限公司,江蘇 南通 226000; 2.同濟大學 土木工程學院,上海 200092)

0 引 言

隨著我國城市建設和經濟的快速發(fā)展,越來越多的城市開始進行大規(guī)模的地鐵建設,城市地鐵車站基坑工程不僅面臨基坑深度越來越深的問題,而且基坑周邊往往建(構)筑物密集,地下管線復雜。如何準確評估基坑安全狀態(tài)一直是地下工程領域重點關注的問題,國內外許多研究者已經對此進行了大量的研究。

文獻[1]提出定量風險評估原則,研究了其在巖土工程中的應用;文獻[2]用故障樹分析(fault tree analysis,FTA)方法編制某基坑工程邊坡開挖的事故樹,并用布爾代數法計算了邊坡的失效概率;文獻[3]采用風險矩陣法對深基坑工程進行風險評估,并對基坑風險管理進行了系統(tǒng)的論述;文獻[4]用FTA方法對基坑風險進行評估;文獻[5]使用貝葉斯網絡綜合評估了基坑風險;文獻[6]用神經網絡的方法對基坑風險進行了預測。這些方法均在基坑風險評估方面取得了很好的效果,然而,這些方法大多是基于各類基坑風險因素對基坑風險進行的整體評估,且評估結果受專家主觀評分因素的影響較大,在諸如滲漏等突發(fā)事故方面難以進行風險的實時評估。而基坑監(jiān)測數據則可以較好地實時反映基坑本體及周邊環(huán)境的狀態(tài),尤其是監(jiān)測數據的累計值和日變化速率對基坑風險評估具有非常好的警示意義,相關工程規(guī)范中雖然規(guī)定了各項監(jiān)測數據的警示值,然而這些數據并沒有直接體現(xiàn)基坑風險水平,工程所處的風險水平無法得到直觀體現(xiàn)[7]。文獻[8-9]基于監(jiān)測數據對基坑風險進行了評估,但是大多數相關研究只是介紹如何在監(jiān)測數據和風險水平之間建立聯(lián)系,較少討論基于實際已經發(fā)生事故時的基坑風險評估以及控制措施評估。

因此,本文基于基坑監(jiān)測數據,利用模糊綜合評判方法,圍繞某典型在建地鐵車站施工過程中出現(xiàn)的滲漏事故進行風險評估,并在堵漏后再次進行風險評估以驗證堵漏措施對基坑風險水平的影響。

1 工程案例概況

1.1 工程背景

某濱江城市在建地鐵車站為12 m島式站臺地下2層框架結構,位于市區(qū)主干道下，且臨近兩側建筑群分布密集。車站底板埋深16.75 m,凈長180 m,凈寬19.3 m?；訕藴识尾捎妹魍陧樧鞣ㄊ┕?圍護結構采用800 mm地下連續(xù)墻,豎向設1道混凝土支撐(0.8 m×1.0 m)和3道鋼支撐(φ609,壁厚t=16 mm);標準段基坑開挖深度為16.95 m,端頭井基坑開挖深度為18.46 m,連續(xù)墻深均為39.20 m;基坑安全等級為一級,基坑環(huán)境保護等級為二級。

根據場地工程勘察資料可知,工程場地屬于長江下游沖擊平原,基坑標準段施工范圍內地質情況為典型的富水砂層,土體物理力學性質參數見表1所列。

表1 土體物理力學性質參數

潛水主要分布于②～③-3層中;含水層總厚度大,含水量豐富;承壓水一般分布在④-2層以下的砂土、粉土層中,承壓水的上部隔水層為④-2層砂質黏土夾粉土,其厚度較薄,局部缺失,且該層夾粉土,依據經驗場地承壓水與潛水存在一定的水力聯(lián)系。

1.2 事故概況

2019年3月31日,基坑某段開挖深度為11.00 m,第2道鋼支撐架設完畢,當日基坑未進行開挖,CX12測斜處附近坑底上方1.00 m左右處出現(xiàn)嚴重的漏水、涌砂險情。基坑事故發(fā)生處位置如圖1所示。

圖1 基坑事故發(fā)生處位置

根據3月31日的施工監(jiān)測報表,基坑CX12測斜點變形速率達到10 mm/d,CX12側附近地表沉降觀測點D16-2發(fā)生突沉20 mm。

滲漏事故發(fā)生后,施工單位立即采取大面積砂袋反壓堵漏的措施,由于水土流失嚴重,險情未得到持續(xù)有效的控制,4月2日滲漏處再次發(fā)生嚴重的漏水、涌砂情況,4月3日,施工單位采用坑外注漿堵住漏水源頭與砂袋反壓結合的方式,有效控制了基坑滲水涌砂的險情,確保了基坑的安全。

險情發(fā)生期間基坑CX12測斜處累計變形如圖2所示,地表沉降如圖3所示(觀測時間從3月29日至4月5日共8 d)。

圖2 CX12測斜處累計變形 圖3 滲漏發(fā)生處D16-2地表沉降觀測結果

2 基坑風險模糊綜合評判

2.1 風險評估因素劃分及構造矩陣

根據該基坑工程實際監(jiān)測的指標和有效數據,將基坑風險評估因素分為4層,如圖4所示。第1層為基坑整體;第2層包括基坑本體和周邊環(huán)境;第3層中,基坑本體包括地下連續(xù)墻測斜處變形(簡稱“地墻測斜”)、支撐軸力、立柱隆沉和地下水位,周邊環(huán)境包括地表沉降、建筑沉降和管線沉降;第4層為第3層各項的累計值和速率值,其中支撐軸力只有累計值,簡稱“軸力大小”,水位變化速率簡稱“水位速率”。

圖4 基坑風險評估因素分層

針對基坑風險評估中風險因素多、不確定性強的特點,本文采用模糊綜合評判方法。該方法基于層次模型,將評估指標帶入隸屬函數中進行模糊運算,得到底層隸屬度,并結合權重進行逐層加權運算,可得到較全面有效的計算結果,不僅能反映各方面的復雜因素,而且具有定量與定性相結合的特點[10]。

層次模型主要依據九標度法對同級各個風險因子的重要程度進行比較,九標度法中1表示2個評估因素的相對重要程度相同,9表示2個評估因素的相對重要程度差別最大,上述假定即為建立風險評估因素構造矩陣時兩兩因素判定的依據。本文基于上述理論構造各層風險評估因素的構造矩陣,然后求得各構造矩陣最大特征值,并將其對應的特征向量歸一化,即為各風險評估因素的權重[11-12],權重即為各風險評估因素對于基坑安全性的重要程度?；语L險評估因素第2層為基坑本體和周邊環(huán)境,其構造矩陣和權重見表2所列,記權重集v2={0.83,0.17}。

表2 第2層構造矩陣和權重

第3層中涉及因素最多,基坑本體因素集構造矩陣和權重見表3所列,周邊環(huán)境因素集構造矩陣和權重見表4所列,記權重集v3-1={0.60,0.08,0.20,0.12},v3-2={0.09,0.55,0.36}。

表3 第3層基坑本體構造矩陣和權重

表4 第3層周邊環(huán)境構造矩陣和權重

除支撐軸力只考慮累計指標外,第4層其他風險因素均考慮了累計變形指標和變形速率指標,雖然2種指標對基坑風險狀態(tài)的評估均有重要作用,但目前相關研究中大多認為后者比前者更加準確[13],因此在第4層風險因素中累計變形權重取0.30,變形速率權重取0.70,軸力大小權重為1.00,記權重集v4={0.30,0.70}。

為了避免構造矩陣中出現(xiàn)邏輯錯誤,確保計算結果的整體準確性,需要進行一致性檢驗。一致性指標(consistency index,CI)取值為(λmax-n)/(n-1),λmax為構造矩陣最大特征值，n為構造矩陣的階數;平均隨機一致性指標(random consistency index,RI)的值見表5所列。

表5 n階構造矩陣的RI值

一致性比例(consistency ratio,CR)取值為CI與RI的比,以CR值判斷構造矩陣的一致性是否可以接受,一般當CR小于等于0.1時,認為構造矩陣的一致性是可以接受的。對于該基坑的計算過程如下:

(1) 第2層構造矩陣。CI為(2-2)/(2-1)=0,CR為0。

(2) 第3層構造矩陣?；颖倔wλmax=4,周邊環(huán)境λmax=3。對于基坑本體,CI為(4-4)/(4-1)=0,CR為0。對于周邊環(huán)境,CI為(3-3)/(3-1)=0,CR為0。

因此,該基坑的構造矩陣一致性均是可以接受的。

2.2 風險評估分級及隸屬函數

在實際施工中,大部分工程很難達到設計監(jiān)測規(guī)程中規(guī)定的警戒值要求,在正常安全施工條件下仍然會經常出現(xiàn)報警的情況[14],因此基于基坑工程手冊及該基坑工程所在地區(qū)的地方監(jiān)測規(guī)程[15-16],結合該基坑工程的設計資料,將基坑風險因素評估指標控制值分為5級:Ⅰ級安全,基坑變形在1.0倍設計允許值內;Ⅱ級關注,基坑變形達到1.0倍左右設計允許值;Ⅲ級預警,基坑變形達到1.5倍左右設計允許值;Ⅳ級報警,基坑變形達到2.0倍設計允許值;Ⅴ級緊急,基坑變形達到2.5倍左右設計允許值。另外,為了便于進行隸屬度計算,將地墻測斜、地表沉降等累計變形指標轉化相對于開挖深度的無量綱數;支撐軸力指標轉化為軸力大小除以設計軸力值的無量綱數;建筑沉降累計變形指標轉化為建筑傾斜累計值除以設計允許傾斜值的無量綱數;管線沉降累計變形指標轉化為管線沉降大小除以設計允許累計沉降值的無量綱數[17]?；痈黠L險因素評估指標見表6所列。

對應5段基坑風險因素指標控制值,將基坑風險等級劃分為5個等級:Ⅰ級安全(基坑體系非常安全)、Ⅱ級關注(基坑體系較為安全,但需引起關注)、Ⅲ級預警(基坑體系存在一定隱患,需要召開監(jiān)測數據分析會議)、Ⅳ級報警(基坑體系存在嚴重安全隱患,需要召開會議采取一定控制措施)、Ⅴ級緊急(基坑體系極度危險,需要立即進行搶險)。隸屬函數為將風險因素評估指標轉化為對應各風險等級隸屬度的函數,為了便于隸屬度的計算,假設表6中各風險因素評估指標的隸屬函數相同且均服從線性分布,各風險等級的隸屬函數[17]如下:

表6 基坑風險因素評估指標控制值

(1) Ⅰ級安全。

(2) Ⅱ級關注。

(3) Ⅲ級預警。

y3=

(4) Ⅳ級報警。

y4=

(5) Ⅴ級緊急。

y1～y5為各風險等級的隸屬度;x為各風險因素對應的最大變化量指標,即評估指標;x2、x3、x4、x5分別對應表6中Ⅱ級關注、Ⅲ級預警、Ⅳ級報警、Ⅴ級緊急風險因素的指標控制值。

2.3 基坑風險評估結果

將該工程發(fā)生滲漏風險時(2019年3月31日)和采取有效堵漏措施后(2019年4月3日)的監(jiān)測數據,按照表6的風險因素評估指標進行整理,得到3月31日、4月3日的風險因素評估指標,見表7所列。

將表7數據代入隸屬函數中,結合風險因素各層權重集,分別計算該基坑3月31日、4月3日的各層評估矩陣。

(1) 3月31日。第4層評估矩陣如下:

表7 基坑風險因素指標值

第3層評估矩陣如下:

第2層評估矩陣為:

根據最大隸屬度原則,3月31日基坑本體以0.67的最大隸屬度處于Ⅴ級緊急狀態(tài),周邊環(huán)境以0.55的最大隸屬度處于Ⅰ級安全狀態(tài)。

第1層評估矩陣為:

將第1層評估矩陣的隸屬度歸一化,得到基坑整體的風險概率,見表8所列,基坑工程整體以0.43的最大概率處于Ⅴ級緊急狀態(tài),應立即停止施工,召開緊急會議,制定搶險應急方案。

表8 3月31日基坑風險等級概率

(2) 4月3日。第4層評估矩陣如下:

第3層評估矩陣如下:

第2層評估矩陣為:

根據最大隸屬度原則,4月3日基坑本體以0.58的最大隸屬度處于Ⅰ級安全狀態(tài),周邊環(huán)境以0.80的最大隸屬度處于Ⅰ級安全狀態(tài)。

第1層評估矩陣為:

將第1層評估矩陣的隸屬度歸一化,得到基坑整體的風險概率,見表9所列,基坑工程整體以0.36的最大概率處于Ⅰ級安全狀態(tài),搶險措施取得有效成果,基坑滲水漏砂風險得到有效控制,基坑安全穩(wěn)定。

表9 4月3日基坑風險等級概率

3 結 論

(1) 本文以某地鐵基坑工程為實例,基于現(xiàn)場實際監(jiān)測數據,利用模糊綜合評判方法,分別對該基坑工程發(fā)生嚴重滲漏險情時和采取有效搶險措施后的基坑風險狀態(tài)進行評估,直觀反映了基坑的風險狀態(tài)。

(2) 將基坑工程的風險評估因素劃分為4層,基坑風險因素指標計算時充分利用現(xiàn)場監(jiān)測數據,對部分變化累計值進行轉化以利于計算,風險因素指標控制值分級時考慮實際工程現(xiàn)狀,區(qū)別對待部分苛刻的警戒值要求,基坑風險等級按照5個等級隸屬函數進行模糊綜合評估。

(3) 3月31日發(fā)生地下連續(xù)墻滲漏險情時,基坑工程處于Ⅴ級緊急狀態(tài),需馬上召開緊急會議制定相應的應急搶險方案。在采取砂帶反壓、坑外注漿等搶險措施后,4月3日基坑工程處于Ⅰ級安全狀態(tài),基坑工程滲漏險情得到有效控制,有效保障了基坑的安全。

(4) 工程實例應用結果表明,利用基于監(jiān)測數據的模糊綜合評判法評估基坑風險,具有直觀、動態(tài)、可靠的特點。