多重组合式基坑群工程施工风险研究＊

2012-01-16周顺华宫全美

城市轨道交通研究 2012年3期

陈焘周顺华宫全美

（同济大学道路与交通工程教育部重点实验室，201804，上海∥第一作者，硕士研究生）

近年来随着岩土工程勘察、设计、施工、监测、监理和管理水平的不断提高，对于一般基坑工程发生事故的频率已经较从前有了很大程度的下降。然而，随着城市地下空间的发展，城市当中出现了大型商场、地下综合体、交通枢纽等不同类型的基坑工程。当这些类型的基坑工程受到建筑（构）物型式、周边地块同期开发，以及多种构筑物共同体的建设等影响，或为了满足购物、换乘、接驳等使用功能要求而采取一体化施工时，就导致了宽大异形坑联坑、坑中坑等组合式基坑群工程的出现。这类基坑工程的出现，除了对其支护结构、排水降压以及开挖时空效应的设计有较高的要求，同时也大大增加了多重组合式基坑施工风险及对周边环境保护的难度。所以，需要采用合理的风险评估方法对此类基坑工程的风险进行评估，制定相对应的风险控制措施，才能有针对性地控制工程建设的风险，从而保证工程的顺利完成。

国际上对风险的分析已有多年的历史，各国都已取得丰富的经验。对于基坑施工，常用的风险评估方法有专家调查打分法、模糊综合评判法、神经网络法、事故树法、蒙特卡罗模拟法和层次分析法等。目前的风险评估方法还无法将己有的研究成果整合到现有的研究中，即历史的经验积累并没有很好地得以利用，对不确定性因素也无法准确考虑。

本文针对以上海自然博物馆基坑为主的多重组合式基坑群工程特点，结合该工程的特殊地理位置、工程地质水文以及多重组合式基坑群施工技术特点等，吸取国内外类似工程的事故教训，采用专家调查法和层次分析（AHP）法识别该工程中可能存在的风险，确定风险的等级，采取合适的控制策略，以有效控制和管理风险。本文的研究可供上海市后续的多重组合式基坑开挖工程乃至全国在类似地质条件下的基坑施工中的风险识别、风险评价和风险管理作参考。

1 工程概况

以自然博物馆基坑为主的多重组合式基坑群位于上海市静安区，在拟建的场地内，存在着与自然博物馆基坑同期施工的上海轨道交通13号线基坑、雕塑公园基坑及60号地块基坑等8个基坑，其平面布置见图1。

图1 上海自然博物馆多重组合式基坑位置平面示意图

1.1 工程地质概况

据勘察资料，本场地100m深度范围内，地基土属第四纪上更新世Q3至全新世Q4沉积物，主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成。按其沉积年代、成因类型及其物理力学性质的差异，可划分为9个主要土层。其中：第②、③、④、⑤层土为Q4沉积物；第⑥、⑦、⑧、⑨层土为Q3沉积物；第①、⑦、⑧、⑨层根据土性及成因不同，可分别划分为若干亚层，均属滨海平原相沉积物，但沉积环境较为复杂，受沉积环境及海进、海退、海陆交互作用影响，土层的分布有一定变化。

1.2 水文地质概况

本工程地基土主要由饱和黏性土、粉性土及砂土组成，各基坑坑底均位于⑤层粉质黏土层。第⑦层砂质粉土为第一承压水含水层，其承压水层顶埋深一般为29.5～32.4m，承压水水头高度为地面以下6.93～8.00m。

2 多重组合式基坑群特点

多重组合式基坑群一般由多个基坑彼此相互联接、相互嵌套而形成的。对于此类基坑工程的施工，除了考虑各个单一基坑所具有的风险之外，还应考虑各基坑之间相互影响所造成的施工风险。

以上海自然博物馆基坑为主的组合式基坑群的开挖面积大且形状异形，上海轨道交通13号线区间基坑南北贯穿于自然博物馆大基坑，形成坑中坑式基坑，导致了该基坑开挖深度深。其中，大基坑的开挖深度为17.3m，13号线明挖区间开挖深度达到了25 m；紧邻的自然博物馆车站基坑和雕塑公园管理用房基坑开挖深度分别为24m和10.3m。

由于组合式基坑群开挖深度深，故其施工时受到承压水的影响较大。根据本工程地质报告及抽水试验报告，第⑦层承压水头埋深为6m多，对本工程基坑开挖有很大影响。同时，由于多个基坑彼此相连，各基坑地下连续墙长短不一，隔断承压水效果不同，基坑地下水之间存在着水平绕流与竖直绕流等复杂的水力联系，基坑之间降承压水的相互影响较大。

组合式基坑群中各基坑的开挖深度不同，故形成不同形式的围护结构、支撑体系。其中上海轨道交通13号线自然博物馆站的山海关路部分的两个外挂坑，其部分采用了搅拌桩加钻孔灌注桩组合形式，其余各基坑均为地下连续墙围护形式。受基坑平面形状限制，地下连续墙除正常转角幅外，还存在C字型、Y字型、T字型地下连续墙，这就增加了地下连续墙变形控制的难度。

上海自然博物馆工程位于市中心城区，周边环境极其复杂，环境保护等级要求高。尤其是自然博物馆基坑的西侧，有着数栋居民楼及上海市育才中学教学楼，这些建筑物距离基坑最近的仅10m。除此之外，周边众多地下管线制约着基坑的开挖。

如上所述，上海自然博物馆基坑属深大异型基坑，且为坑联坑、坑中坑组合式的基坑，存在着坑中坑开挖、共坑开挖和共墙开挖情况。这就给基坑支护结构设计、承压水控制、施工安全和变形控制等带来了严重的考验，增加了施工期支护及环境保护的难度。

3 风险源辨识

风险源辨识（hazard identification）是发现、识别系统中存在危险源的工作，是风险分析的基础，也是工程全部风险管理工作中最为重要的一项内容。

以上海自然博物馆为主的组合式基坑群工程建设的规模庞大、综合性强，且风险源又是“潜在的”不安全因素，有一定的隐蔽性，故危险的辨识工作是一项既重要又困难的任务。

本文采用工作分解结构（Work Breakdown Structure，简为WBS）与故障树识别相结合的方法对该基坑群工程进行分解，从基坑降水、支护结构施工以及基坑开挖施工三个工序研究该基坑群施工期间的风险因素。

1）基坑降水（A1）：本基坑群中各基坑的形状各异，开挖深度有所不同，围护结构深浅不一，降承压水时的渗流、绕流等现象可能会导致相邻区域或相邻基坑承压水水头的相互影响（B1）；坑中坑情况下的小坑在大坑基础上的落深开挖会使基底残余应力降低，增加了突涌风险（B2）；由于施工时间节点的安排，当60号地块基坑进行承压水降压时，自然博物馆基坑已处于主体结构的施工期，相邻基坑的降水同时也增加了自然博物馆主体结构施工的风险（B3）；基坑西侧48 m深的地下连续墙由于施工的原因，未能将本应隔断的承压水层较好地隔断，导致降水过程中造成西侧地表及建筑物的沉降过大（B4）；除此之外，若场地上地勘孔的封堵效果不理想，易导致第⑨层承压水层与第⑦层承压水层连通，因而加大了施工的风险（B5）。

2）支护结构施工（A2）：受基坑群平面形状限制，地下连续墙除正常转角幅外，还存在C字型、Y字型、T字型等地下连续墙，施工时容易因操作不当导致地下连续墙接缝的开裂或夹泥（B6）；当自然博物馆基坑分层开挖时，上海轨道交通13号线区间基坑的地下连续墙需要分层凿除，坑内围护结构的凿除，容易使地基土产生较大的振动，使得土体的稳定性下降（B7）；13号线区间基坑的开挖，增大了自然博物馆基坑地下连续墙变形过大的风险（B8）；格构柱倾斜过大，增大了支撑体系失稳的风险（B9）；施工机械碰伤支护结构的混凝土支撑，造成支撑应力集中（B10）。

3）基坑开挖（A3）：由于基坑深大异形，采取分层分块开挖的顺序，故分块开挖的顺序合理性、相邻基坑的开挖施作，都将增大基坑的施工风险（B11）；基坑群的开挖面积大，受外界因素的影响，土体暴露的时间长，易造成坑底隆起过大等风险（B12）；基坑分层开挖中超挖，使得支撑体系的实际标高低于设计标高（B13）；土体的稳定性下降或坡顶堆载，造成坑内土体的滑坡（B14）。

4 风险评估

本文综合了专家调查法和AHP法，将两种常用的风险分析方法结合起来。首先，通过专家调查表的方式向与该项目有关的业主单位、设计单位、施工单位和监理单位等相关人员进行风险调查，以便确定每类风险事件中底层事件发生概率P及影响后果C的等级（P估值确定方法如表1所示，C估值确定方法如表2所示），使得基坑群中某些模糊的不确定的风险因素有了较为准确的确定回答；其次，利用所回收的专家调查表，采用层次分析法对各风险事件层中的子风险因素的重要性进行计算，分析研究基坑群施工过程中可能会遇到的风险事件，并制定相应的风险控制措施。

表1 风险事件发生概率P的等级

表2 风险事件影响后果C的等级

4.1 权重的确定

对于组合式基坑中各底层风险因素权重的确定采用AHP法。该方法是把同级各个因子两两相互比较（包括因子自身比较），按比较重要性大小在一个九标度表（如表3所示）中进行仿数量化；各因子数量值构成一个“构造判断矩阵”，该矩阵在一致性检验后，其最大特征值对应的向量为对应各因子的权重向量。

表3 九标度各因子重要性大小仿数量化比较表

通过计算，可得到风险事件的权重向量ω。

群坑降水施工时ω1＝［B1B2B3B4B5］＝［0.10 0.17 0.12 0.25 0.36］；

支护结构施工时ω2＝［B6B7B8B9B10］＝［0.18 0.15 0.10 0.34 0.23］；

土方开挖施工时ω3＝［B11B12B13B14］＝［0.18 0.27 0.43 0.12］；

各工序层的权重W＝［A1A2A3］＝［0.32 0.14 0.54］。

4.2 风险计算

底层风险事件的风险值R计算可采用R＝C＋P－C×P。风险事件的权重可采用层次分析法计算，最后将权重与风险值进行综合计算得到隶属的某一工序的风险值。以此类推，向上逐层计算，最后可得到降水施工、支护结构施工以及基坑开挖施工这三种工序的风险值；根据计算的风险值并对照表2可得到某一工序或风险事件的风险等级。

将收回的专家调查表进行整理，由于篇幅所限，现只列出顶层风险事件A1的调查结果表（如表4所示）。利用上述的风险值R的计算公式，可分别得出降水、支护及开挖三工况的底层事件风险值向量b1、b2、b3，具体如下：

1）群坑降水施工，b1＝［B1B2B3B4B5］T＝［0.44 0.68 0.52 0.58 0.70］T；

2）支护结构施工，b2＝［B6B7B8B9B10］T＝［0.44 0.52 0.55 0.64 0.44］T；

3）土方开挖施工，b3＝［B11B12B13B14］T＝［0.44 0.60 0.72 0.51］T。

根据所求的的权重向量和风险向量，便可分别计算得到组合式基坑群施工中的三个施工工况的风险值R1、R2、R3：

1）群坑降水施工风险值R1＝ω1×b1＝0.619；

2）支护结构施工风险值R2＝ω2×b2＝0.529；

3）土方开挖施工风险值R3＝ω3×b3＝0.612；

即，各工序施工的风险向量值B＝［0.619 0.529 0.612］，则该组合式基坑群的施工风险值R＝W×B＝0.610

表4 底层事件各指标的专家评价值

根据计算的结果，对照表2可知，该基坑群施工属于4级风险，施工风险造成的后果很严重，故应采取相对应的风险控制措施。对于群坑的承压水施工风险，属于四级风险，其中上海轨道交通13号线区间基坑的落深开挖导致承压水突涌与勘察孔封堵效果不好、导致第⑦层承压水和第⑨层承压水贯通这两事件的风险值较大。故在群坑降水施工前，有必要进行相应降水试验，从而制定合理的群坑降水方案。群坑降水施工各事件的风险大小如图2所示。