超大面積軟土基坑施工風險評價指標與綜合評價方法

覃子玲 李鏡培，* 姚建平 李林

超大面積軟土基坑施工風險評價指標與綜合評價方法

覃子玲1李鏡培1，*姚建平2李林1

（1.同濟大學地下建筑與工程系，上海 200092； 2.上海南匯建工建設（集團）有限公司，上海 201399）

近年來軟土地區(qū)超大面積基坑工程不斷涌現，相較于普通基坑工程，軟土地區(qū)超大面積基坑工程施工的風險性和風險控制難度都顯著增加，軟土地區(qū)超大面積基坑工程的風險評價已經成為一個急需解決的課題。基于超大面積軟土基坑的施工工序，對施工期的潛在風險進行識別，構建了超大面積軟土基坑施工風險評價指標體系，通過專家評價建立基坑風險判斷矩陣，得到各風險評價指標的相對權重。采用三角隸屬函數和嶺形隸屬函數得到定性評價指標和定量評價指標的隸屬度，提出了超大面積軟土基坑施工風險的模糊層次綜合評價方法。在此基礎上，依托上海國際醫(yī)學園區(qū)生物醫(yī)藥加速器（一期）項目基坑工程，對超大面積軟土基坑施工的風險進行了實例分析。研究結果表明，超大面積軟土基坑施工的主要風險來源于土方工程和支護工程。本文方法為軟土地區(qū)超大面積基坑施工風險評價和控制提供了有效評價途徑與理論依據，具有重要的理論價值與工程實際意義。

超大面積軟土基坑， 評價指標體系， 層次分析法， 模糊綜合評價， 隸屬度

0 引 言

隨著我國經濟社會的高速發(fā)展，城市化進程不斷加快，近幾十年來各大城市建設項目的數量和規(guī)模迅速增大，涌現出了諸如地下停車庫、地下商場、地下變電站等大量面積超大的基坑工程項目。據統(tǒng)計，至2009年上海地區(qū)地下空間開挖達10萬～30萬m2的地下綜合體項目多達數十個，基坑開挖面積一般可達2萬～4萬m2［1］。在上海軟土地層中進行基坑施工時，由于軟土地層強度低、地下水位高、土壓力分布復雜和承壓水分布廣泛等特點，使得超大面積基坑施工面臨土體滑移、基坑失穩(wěn)、樁體變位、坑底隆起、圍護結構嚴重漏水、突涌、流土等難題。若在基坑施工過程中對變形控制措施不到位或支護體系承載力不足時，會導致基坑變形超標從而影響到基坑周邊環(huán)境，嚴重時會由于變形過大發(fā)生基坑坍塌事故，造成巨大的經濟損失和惡劣的社會影響。由此可見，評估基坑施工的主要風險因素，提出合理的風險評價模型，對于保證軟土地區(qū)超大面積基坑的安全十分必要。目前，國內外眾多學者通過實測數據［2-4］、理論分析［5-8］、數值模擬［9-10］、模型試驗［11-12］等方法，在基坑開挖的綜合特性、對周邊環(huán)境的影響等方面取得了豐碩的研究成果，為基坑工程的風險評價提供了一定的依據。

模糊綜合評價法利用模糊數學的隸屬度理論，將定性評價轉化為定量評價，其適用于解決各種模糊的、難以量化的問題，且模型簡單，對多因素多層次的復雜問題評價效果好，已經廣泛應用于基坑工程的風險評價當中。何錫興等［13］采用WBS法首先將深基坑施工工序分解為樁基礎施工、地下連續(xù)墻施工、地基加固、土方開挖及支撐、降水施工，并結合故障樹法建立了風險清單，通過層次分析法得到各風險事件的權重，最后利用模糊綜合評價法得出了基坑總體施工風險等級；蘭守奇等［14］引入模糊隸屬函數降低專家估值的主觀性，進而求得深基坑施工期各風險事故的權重，基于此得到某一具體深基坑工程施工期的總體風險等級；陳曉勇等［15］總結了深基坑支護體系的不同破壞模式，選取穩(wěn)定計算指標和變形計算指標作為各單因素評價指標，并通過模糊綜合評判得出某深基坑工程綜合風險狀態(tài)，且與實際結果相符合；包小華等［16］對大量基坑事故調查分析得到了影響深基坑安全性的主要因素，并通過建立模糊綜合評判模型對某深基坑的安全等級進行評價，證明了該方法的可行性；張彬等［17］運用模糊層次綜合評價模型對某一深基坑工程進行風險評估，指出施工人員是基坑施工過程中最大的風險因素，并提出了相應的風險控制措施。前人的研究成果充分證明了模糊綜合評價法應用于基坑工程的合理性和有效性。但對于超大面積軟土基坑，其建造規(guī)模大，開挖影響范圍廣，施工工序和地層情況復雜，影響因素眾多，以往針對單一指標或簡單的評價方法難以合理、全面評價超大面積軟土基坑的施工風險。

本文根據施工工序對超大面積軟土基坑施工的潛在風險進行識別，構建了超大面積軟土基坑施工風險評價指標體系，結合層次分析法確定了各風險評價指標的權重。同時引入模糊數學理論，將定性評價轉化為模糊數學語言，通過三角隸屬函數和嶺形隸屬函數分別確定了定性指標和定量指標的隸屬度，建立了超大面積軟土基坑施工風險的模糊層次綜合評價模型，進而依托上海國際醫(yī)學園區(qū)生物醫(yī)藥加速器（一期）項目基坑工程，對超大面積軟土基坑施工的風險等級和風險評價指標權重進行了探討。預期為上海軟土地區(qū)后續(xù)類似超大面積基坑工程的風險評價提供參考。

1 超大基坑施工風險評價指標體系

1.1　基坑施工風險因素

基坑施工主要包括土方工程、支護工程、降排水工程和監(jiān)測工程［18-21］，各工程涉及的潛在風險如下（圖1）：

（1） 土方工程在基坑施工的安全管理上起著決定性的作用，其風險因素主要包括開挖次序、開挖尺寸（深度、面積、形狀等）、放坡坡度、坑底暴露時間、土方地質條件、坑邊堆載、坡面防護方法、超挖或偏稱以及土方運輸的距離、路線、設備載重等。

（2） 支護工程作為臨時性工程，其設計的安全儲備相比永久性結構較小，存在的安全隱患也較多。其風險因素主要包括混凝土的強度及養(yǎng)護時間、支撐設置是否及時、立柱垂直度、支撐節(jié)點的剛度、圍護結構插入深度、鉆孔灌注樁垂直度、工法樁型鋼定位、樁的界面剛度以及斜撐間距、坡度、混凝土注漿技術等。

（3） 降排水工程是基坑施工中一項必不可少的工作，很多基坑工程事故的發(fā)生，譬如流砂、管涌、基底破壞、邊坡失穩(wěn)等，都是由于水處理不當引起的。降排水工程的風險因素主要包括水文地質條件（地層分布、承壓水）、降雨或地下管道漏水、降水方法的選擇、排水溝集水井布置、止水帷幕設置等。

（4） 監(jiān)測是保證工程施工安全性及合理性的重要方法。監(jiān)測工程的風險因素主要包括監(jiān)測項目的完備性、監(jiān)測數據的處理、監(jiān)測點的布置、監(jiān)測頻率、監(jiān)測警戒值的設置、監(jiān)測設備的精度、穩(wěn)定性和耐久度等。

圖1　超大面積軟土基坑施工風險評價指標體系

1.2　基坑施工風險評價指標體系

超大面積軟土基坑施工的安全受很多因素影響，各因素間重要性、影響度不同，若將所有風險因素均作為風險評價指標，則會增加不必要的計算量；若采用過少風險因素作為風險評價指標，則難以準確反映基坑工程的安全度。因此，本文基于上海國際醫(yī)學園區(qū)生物醫(yī)藥加速器（一期）項目基坑工程的工程資料和現場環(huán)境，對關鍵風險因素進行辨識，提取了主要的風險因素，建立了超大面積軟土基坑施工的風險評價指標體系，如圖1所示。其中，一級指標共4個，分別為土方工程1、支護工程2、降排水工程3、監(jiān)測工程4；二級指標共18個，1包含11～15共5個，2包含21～26共6個，3包含31～33共3個，4包含41～44共4個。

2 基坑施工風險模糊層次綜合評價

2.1　超大面積軟土基坑施工風險層次分析

層次分析法（Analytic Hierarchy Process，AHP）是將與決策有關的元素分解成目標、準則、子標準等層次，并在此基礎上進行定性和定量分析的決策方法［22］，其主要步驟如下。

1） 構建層次結構

層次分析法通過建立一個層次結構來表示需要解決的問題，一般包括目標層、準則層和子標準層［23］。根據圖1所建立的風險評價指標體系，目標為超大面積軟土基坑施工，其下包括四個準則1～4，各準則下分別包括5個、6個、2個、3個子標準。

2） 構造判斷矩陣

判斷矩陣用于判斷同層元素間的相對重要程度，是層次分析法的重要步驟。對圖1準則層間元素1～4構造判斷矩陣，通過元素間的兩兩對比來判斷同層元素的相對重要性，見表1。其中，23表示支護工程2相對于降排水工程3的重要程度，其比較的標度如表2所示。

表1　 判斷矩陣A

表2　 比較的標度

3） 層次單排序及一致性檢驗

（1） 計算相對權重

基于特征向量法，可以得到判斷矩陣的特征向量：

式中，max為最大特征值。

進而按照元素的權重從高到低排序，即可得到該層元素相對于其上層元素的層次單排序。

（2） 一致性檢驗

表3　 平均一致性指標RI［25］

4） 層次總排序及一致性檢驗

對于層次結構有三層及以上的問題，應先通過判斷矩陣計算從低到高各層元素間的相對權重，再計算最底層元素對總目標的合成權重，并進行總的一致性檢驗。對于圖1所建立的層次結構，建立一級判斷矩陣、二級判斷矩陣1～4，先分別計算準則元素1～4及其下各子標準的相對權重，再計算各子標準對目標的相對權重。

對于圖1所建立的層次結構，i為各準則的相對權重值，i和i表示與之對應的判斷矩陣1～4的一致性指標和平均一致性指標。

2.2　超大面積軟土基坑施工風險模糊層次綜合評價

本文采用二級模糊層次綜合評價對超大面積軟土基坑施工的風險進行評價，其具體步驟如下：

（1） 建立評價因素集合

層次分析法的目標為模糊層次綜合評價的目標，各準則元素為一級指標U，為準則數量，其下各子標準為二級指標U，為U下子標準數量，所有指標構成了評價因素集合。在圖1的層次結構中，=［1，2，3，4］，U=［U1，U2，…，U］。

（2） 建立評價因素權重向量

根據層次分析法的結果確定評價因素的權重向量。一級指標i權重向量記為，各二級指標ij的權重向量記為i。

（3） 建立評語集

評語集是各指標可能出現的結果所組成的集合，其表示為=［1，2，…，V］，表示評語數量。

根據超大面積軟土基坑施工的實際情況，將其基坑施工安全程度劃分為5個風險等級，即Ⅰ級（安全）、Ⅱ級（較安全）、Ⅲ級（一般）、Ⅳ級（危險）、Ⅴ級（很危險），并建立評語集=［1，2，3，4，5］，為便于后續(xù)風險等級的判斷，將其量化為=［5，4，3，2，1］。

（4） 確定隸屬度，建立評價矩陣

確定各風險評價指標的隸屬度是模糊綜合評價的關鍵。通常通過邀請專業(yè)技術人員結合工程資料及項目現場情況對二級指標進行評價，把評價結果帶入隸屬函數中，可以得到各二級指標隸屬度向量1～，組合可得到對應一級指標的單因素評價矩陣i：

針對圖1所建立評價指標體系，將指標分為定量評價指標和定性評價指標，定性評價指標有13、14、15，其余為定量評價指標。根據隸屬函數選取凸函數、重疊不交叉、對稱性和平衡性等特性，本文采用指派法評價指標的隸屬函數［27］。對于定量評價指標，考慮到嶺型函數圖像為曲線且形狀較尖，能夠使評價更準確快速，采用嶺形隸屬函數［28］確定其隸屬度：

式中：、、、、分別為計算參數；為評價值。

嶺形隸屬函數的圖像見圖2。

圖2　嶺形隸屬函數

為使定性指標能夠運用數值直觀表示，對5個評價等級量化處理［28］，將評價等級“安全”“較安全”“一般”“危險”“很危險”分別賦值為95、85、75、65、55，并采用三角形隸屬函數求出指標的隸屬度：

式中，為量化后的等級評價值。

三角形隸屬函數圖像見圖3。

圖3　三角形隸屬函數

（5） 一級模糊綜合評價

將單因素評價矩陣與對應二級指標的權重向量進行模糊運算，可以得到一級指標的模糊向量：

（6） 二級模糊綜合評價

將各一級模糊向量進行組合，構成一級指標的評價矩陣，=［，，…，］T。將與權重向量進行模糊運算，可以得到目標的評價向量：

為確定最后的評價值，對評價向量根據風險等級進行加權平均：

式中，為評語集，=［5，4，3，2，1］。

3 基坑施工風險實例分析

本文以上海國際醫(yī)學園區(qū)生物醫(yī)藥加速器（一期）項目基坑工程為例，基于第2章中建立的模糊層次綜合評價模型，對超大面積軟土基坑施工進行風險評價。

3.1　工程概況

項目位于上海市浦東新區(qū)，場地東至41-08地塊、康新公路，南至五灶港，西至景觀縱三河，北至紫萍路，見圖4?；涌偯娣e約32 180 m2，總延長米約834 m，基坑規(guī)模超大?；又饕茉凑緟^(qū)域（A坑）和一層地下室區(qū)域（B坑），A坑開挖深度為11.85 m，B坑開挖深度為6.75 m。

圖4　項目地理位置及建筑紅線

項目場地位于上海地區(qū)典型的軟土地層，其地基土分布情況如下：第②層為灰黃色粉質黏土，厚0.4～2.0 m；第③層為灰色淤泥質粉質黏土，厚約0.5～5.3 m；部分場地第③層分布灰色黏質粉土夾層，厚0.6～2.5 m；第④層為灰色淤泥質黏土，厚7.1～9.2 m；第⑤層為灰色黏土，厚5.7～8.4 m；第⑥層為暗綠～草黃色粉質黏土，厚2.5～4.0 m；第⑦層分為兩個亞層，⑦1層為草黃色粉質黏土與黏質粉土互層，厚7.3～14.2 m，⑦2層為草黃～灰色粉砂，未鉆穿。

場地淺部地下水為潛水，潛水位的動態(tài)變化主要受降雨、地面蒸發(fā)、地表水等影響。承壓水賦存于⑦層（⑦1層粉質黏土與黏質粉土互層、⑦2層粉砂）中，設計時采用降壓井對其進行處理。

項目A區(qū)采用鉆孔灌注樁+二道混凝土內支撐+三軸水泥土攪拌樁止水帷幕+坑底加固攪拌樁的支護形式，B區(qū)采用SMW工法樁+前撐注漿鋼管（局部采用一道鋼筋混凝土角撐）+坑底加固攪拌樁的支護形式。項目具有開挖面積超大、多種支護形式并存等特點，且其面臨工作量大、時間緊等難題，同時任務重、質量要求高。

3.2　風險評價指標權重

根據所構建的超大面積軟土基坑風險評價指標體系（圖1），采用層次分析法計算各指標的相對權重。

根據式（1）計算判斷矩陣的最大特征值，得到max=4.128，將其對應的特征向量進行歸一化處理后得到各一級指標的相對權重i，=［1，2，3，4］=［0.390，0.448，0.100，0.062］。一級指標的判斷矩陣及相對權重如表4所示。

表4　 一級指標的判斷矩陣A及相對權重w

根據式（1）計算出各二級判斷矩陣i的最大特征值及各二級指標的相對權重：1max=5.304，1=［0.135，0.224，0.054，0.265，0.322］；2max=6.464，2=［0.076，0.180，0.479，0.124，0.052，0.089］；3max=3.100，3=［0.263，0.072，0.665］；4max=4.064，4=［0.534，0.152，0.174，0.140］。

將各判斷矩陣的最大特征值帶入式（2）進行一致性檢驗，得到一級判斷矩陣的一致性比例為0.048，二級判斷矩陣的一致性比例分別為0.068、0.074、0.096、0.024，均小于0.1，滿足一致性條件。

計算各二級指標的相對于目標的總權重，并進行總的一致性檢驗。將各一級指標權重i分別對其下所有二級指標進行加權，得到各二級指標相對于目標的總權重0，見表5。

表5　 各二級指標相對于目標的權重向量

將各一級指標的權重、二級判斷矩陣的一致性指標和平均一致性指標帶入式（3），可得=0.064<0.1，滿足一致性條件。

3.3　模糊綜合評價

根據圖1所建立的超大面積軟土基坑施工風險評價指標體系，結合每個指標對基坑安全性的影響特征和取值范圍，確定了定量評價指標13～15、定性評價指標41、43、44以及其余定性評價指標的等級劃分參數，見表6。

表6　 評價指標的分級標準

注：①坑底暴露時間14的單位為小時（h）；②坑邊堆載15的單位為kN/m2；③監(jiān)測項目完備性41的分級標準及評價參考《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準》（GB 50497—2019）中表4.2.1的要求；④監(jiān)測頻率43和監(jiān)測警戒值設置44的分級標準及評價參考《建筑基坑工程監(jiān)測技術標準》（GB 50497—2019）的相關規(guī)定。

根據項目的資料對各指標進行評價，并將評價值分別帶入式（5）和式（6）中，得到單因素評價矩陣1～4，將其與對應的權重向量i帶入式（7）進行模糊運算，可以得到一級指標的模糊向量1～4，組合得到目標元素的評價矩陣：

將1～4與權重向量帶入式（8）進行模糊運算，得到目標的評價向量，=［0.112，0.315，0.448，0.125，0］。將帶入式（9），確定目標的評價值=3.415。

同理，將1～4帶入式（9），可以得到各施工工序的風險評價值，土方工程1=2.903，支護工程2=3.397，降排水工程3=4.928，監(jiān)測工程4=4.314。

3.4　模糊綜合評價結果分析

1） 權重分析

從圖5可以看出，對于超大面積軟土基坑的施工風險而言，支護工程所占權重最大，為44.8%，土方工程所占權重次之，為39.0%，且二者權重之和超過80%，監(jiān)測工程所占權重最小。這表明土方工程和支護工程對項目的安全性影響最大，在項目進行該工序的施工時，應該給予足夠的重視。

圖5　一級指標權重分布

從圖6（a）可以看出，對于土方工程的施工風險而言，坑邊堆載所占的權重最大，為32.2%，風險評價指標的權重排序如下：坑邊堆載>坑底暴露時間>開挖尺寸>開挖次序>放坡坡度。這表明在土方工程進行時，若出現坑邊堆載，或當坑底暴露的時間過長，將會對項目的安全性產生很大影響。

從圖6（b）可以看出，對于支護工程施工風險而言，圍護結構的插入深度所占權重為47.9%，接近一半，風險評價指標的權重排序如下：圍護結構插入深度＞混凝土強度＞注漿鋼管斜撐的布置＞坑底加固＞混凝土養(yǎng)護時間＞注漿方法。一般來說，圍護結構插入深度不足易造成墻體倒塌，引起墻后土體整體滑移破壞，影響惡劣；圍護結構插入深度過大則是一種浪費，且在經濟上也會有所損失，該結果符合工程的實際情況。在施工時應該嚴格按照圖紙施工，將誤差控制在指定范圍之內。

從圖6（c）可以看出，對于降排水工程的安全性而言，止水帷幕的設置所占權重最大，為66.5%，降水方法的選擇次之，為26.3%，排水溝集水井布置所占權重最小，為7.2%。在止水帷幕施工時，施工單位應當給予足夠的重視。

從圖6（d）可以看出，對于監(jiān)測工程而言，權重排序如下：監(jiān)測項目的完備性＞監(jiān)測頻率＞監(jiān)測點的布置＞監(jiān)測警戒值的設置。施工單位應當嚴格按照國家和地區(qū)的規(guī)范及標準進行項目的監(jiān)測，并且對監(jiān)測中發(fā)現的問題進行及時的反饋，確?；拥陌踩诳煽胤秶畠?。

圖6　各二級指標權重分布

將各級指標相對于目標的權重按照權重值的大小排序，見圖7?？梢钥闯?，圍護結構插入深度對于基坑的安全性影響很大，其權重占比為0.214；坑邊堆載和坑底暴露時間對基坑也有一定的影響。在基坑工程進行施工之前，應該分別針對土方工程、支護工程、降排水工程和監(jiān)測工程等做好施工計劃方案，并針對潛在風險因素做好相應的應急預案。

圖7　各級指標對于目標的合成權重

2） 風險等級分析

對于軟土超大面積基坑施工而言，其風險評價值為=3.415，基坑總體的風險等級處于Ⅱ～Ⅲ級之間，見圖8。降排水工程和監(jiān)測工程的安全度較高，其風險等級均處于Ⅰ～Ⅱ級之間；土方工程的風險評價值為所有施工工序中的最低值，風險等級處于Ⅲ～Ⅳ級之間，相比之下較為危險，說明土方工程在整個施工過程中風險最高，安全度最低，在施工時應該引起足夠的重視。

圖8　各級指標的評價值

4 結 論

本文在已有的模糊綜合評價法基礎上，針對超大面積軟土基坑施工安全性的問題，引入層次分析法對其進行風險的綜合評價，并通過實例驗證了模型的有效性。主要得出以下結論：

（1） 基于工程的特點和建設要求，考慮基坑開挖四個主要的施工步驟土方工程、支護工程、降排水工程和監(jiān)測工程，確定了影響超大面積軟土基坑施工安全性的主要因素，在此基礎上建立了超大面積軟土基坑施工風險評價指標體系。

（2） 針對傳統(tǒng)模糊綜合評價法中專家評價的主觀性，引入層次分析法確定各個風險評價指標的權重，針對定量指標和定性指標，分別采用嶺形隸屬函數和三角隸屬函數確定指標的隸屬度，建立了超大面積軟土基坑施工風險模糊層次綜合評價模型。

（3） 應用所建立的模型針對軟土地區(qū)某一超大面積基坑施工風險進行評價，風險權重排序為：支護工程＞土方工程＞降排水工程＞監(jiān)測工程。該結果對同一地區(qū)類似工程的施工具有指導意義，同時也為類似工程的風險評價提供了參考。

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Risk Assessment Index and Comprehensive Evaluation Method for Construction of Super Large Excavation in Soft Soils

QINZiling1LIJingpei1，*YAOJianping2LILin1

（1.Department of Geotechnical Engineering， Tongji University， Shanghai 200092， China； 2.Shanghai Nanhui Construction Group Co. Ltd.， Shanghai 201399， China）

Recently， more and more super large excavations are emerging in soft soil areas. Compared with ordinary excavation， the risk and the control difficulty of super large excavation in soft soils are significantly increased. Therefore， risk assessment of super large excavation in soft soils has become an important topic. Based on the construction process of super large excavation in soft soils， potential risks are identified and then the weight of each risk is given by establishing judgment matrix by experts. The membership degrees of qualitative and quantitative indexes are determined by triangular membership function and ridge membership function， respectively， and a fuzzy AHP comprehensive evaluation method is proposed for super large excavation in soft soils finally. A case study on risk during construction of a super large excavation of Biomedicine Accelerator （Phase Ⅰ） Project in Shanghai International Medical Zone is performed based on the proposed model. The results show that the main risks of super large excavation during construction lie in the earthwork and supporting engineering. The proposed method provides an effective approach and theoretical basis for risk assessment and control during construction of super large excavation in soft soils， which has important theoretical and practical values.

super large excavation in soft soils， assessment index， AHP， fuzzy comprehensive evaluation， membership degree

2021-07-11

上海市浦東新區(qū)城建系統(tǒng)科學技術研究項目（PCKY202005）

覃子玲（1996-），女，碩士研究生。E-mail：1932328@#edu.cn

聯(lián)系作者：李鏡培（1963-），男，教授，博士生導師，主要研究方向為基坑工程及巖土可靠度。E-mail：lijp2773@#edu.cn