超高层建筑基坑支护方案的决策系统模型应用分析

2016-11-08任宏何强钟国益

中国建筑科学 2016年9期

任宏何强钟国益

摘要：在超高层建筑中，基础工程对整个建筑物的安全和寿命有举足轻重的影响，与一般建筑物基础不同，超高层建筑基础已被构成地下空间的地下室和深大基础结构所代替，而基础施工通常要进行基坑支护。据国内外学者的统计和研究，超高层建筑基础工程的造价和工期大约占建筑的土建总造价的三分之一左右，因此，对节约基础成本来说，迫切需要加强对基坑支护方案决策系统的研究。本文基于层次分析法建立支护方案决策系统模型，在“质量好，工期短，经济效益好”的原则下，主要对基坑支护方案的安全性，可靠与便捷性和经济合理性进行分析论证。

关键词：深基坑支护；决策支持系统；层次分析法

Abstract：The foundation engineering is of great importance to the security and life for the high-rise buildings .Different from the common building foundation ， the high-rise building foundation has been substituted by underground rooms and the deep huge foundation structures ，while the foundation building usually needs retaining pit .According to the statistics and the research of the inside and abroad scholars ，the cost and period of it account for one third more or less of the whole construction estimate .So as a matter of saving costs ， its urgent to strengthen the research of the model . This paper， based on the analytic hierarchy process to constitute a support scheme decision-making system model ， is to demonstrates the security ， reliability ， convenience and economic rationality of the foundation pit supporting scheme ， in the principle of “high quality ， short construction ，good economic benefits .

Key words：Foundation pit supporting， Decision Support Systems， Analytic hierarchy process

1.深基坑研究的历史背景及研究意义

深基坑工程在我国广泛应用与研究开始于80年代初，由于我国人口众多，为了节约土地，从80年代初开始大量兴建高层建筑同时采取措施充分利用城市地下空间，这样也就带来了大规模基坑工程的开挖与支护，来为地下工程建筑提供必要的安全环境 [1]。

超高层建筑的迅速兴起，促进了深基坑支护技术的发展，选择一个经济、实用的基坑支护方案成为确保施工质量和保证施工安全和节约成本的重要工作。深基坑工程主要包括基坑支护体系设计、施工和土方开挖，它是一项综合性很强的系统工程，因此，它与工程场地地质勘查、支护结构设计、施工开挖、基坑稳定、降水、施工管理、现场监测、相邻场地施工相互影响等密切相关，具有很强的区域性和很强的个体性，其支护体系承受的土压力又具有较强的时空效应。由于深基坑工程设计与施工的复杂性，不确定影响因素众多，工程事故仍然时有发生，尤其当基坑开挖到一定深度基坑的安全性更难以控制。

因此，对基坑方案做一个系统的深入的研究，对于保护待建工程周围已有建筑物和公用设施等的安全，对于节约建造成本，对于高层建筑基础的顺利施工等都有重要的意义。

2.深基坑研究的国内外现状

基坑工程是一个古老且具有划时代特点的综合性的岩土工程课题，围绕基坑工程的方案选择和优化问题，工程技术和研究人员开展了大量的研究工作。20 世纪40 年代，Terzaghi和Peck等人就已经开始研究基坑工程中的岩土工程问题并提出了预估挖方稳定程度和支撑荷载大小的总应力法， 60年代在奥斯陆和墨西哥城软黏土深基坑中使用仪器进行监测，此后大量的实测资料提高了预测的准确性，并从70 年代起产生了相应的指导开挖的法规[2]。在后来的时间里，世界各国的许多学者都投入研究，并不断地在这一领域取得丰硕成果，提出了许多优化设计方法，如数值计算方法（如有限元），反分析方法，计算机辅助设计方法，系统工程优化设计方法（如层次分析法）等，且已逐渐被应用至基坑工程实践中。特别是采用层次分析方法在深基坑支护系统方案优选中有成功的应用。国内众多单位和学者也尝试着采用计算机辅助设计的方法进行优化设计，如智能软件包的应用。

一直以来，有两个方面问题一直难以解决，一方面由于设计安全度不足而造成基坑失稳事故的比例较大，另一方面由于设计过于保守而又造成很大的浪费。唐业清等曾对103 项深基坑工程事故的原因进行调查，统计结果表明，其中由于深基坑设计失误、水处理不当、结构和基坑失稳事故，占总事故的80 %，其所造成的经济损失也相当严重[3]。经历了20多年的发展，我国在解决基坑支护研究方面也取得很大的进步，比如，从支护设计理论从最初的强度控制与稳定分析的粗略设计到近些年提出的变形控制设计，比较有效的解决了上述问题。同时支护结构的形式也越来越多样化。

3.深基坑支护结构常用形式选择

由前文介绍可知，深基坑工程越来越多，且复杂程度也在增加，因此，围绕深基坑的开挖与支护已成为当前高层住宅建筑基础工程中的热点和难点。基坑开挖可分为无支护开挖和支护开挖。无支护开挖也就是放坡开挖，常用于深度不大且土质较好的基坑，应是施工条件允许时首选的开挖方式。而支护开挖常用在施工场地不具备放坡开挖条件或放坡开挖技术经济上不合理时采用的。目前，高层建筑常建设在市区，因此，待挖基坑多是较深且场地狭窄，不具备放坡开挖条件，需要采用支护开挖。常用的支护结构形式如下表1所示。

我国工程实践应用过的常见基坑支护方式见表1，每种支护形式的适应条件很多学者和专家也都进行过研究，并做出总结，有的已经作为规范写入教材中，本文将做进一步的收集、整理和归纳。在选择具体的方案时，首先，应进行实际勘察，收集数据，整理出工程的一些实际资料。根据收集到的工程的实际信息和基坑支护方案的特点和适用条件，依据地面荷载值及各土层的物理力学指标，采用朗肯土压力等理论，计算出主动土压力和被动土压力，初步选择几种施工方案。然后，对几种方案进行具体的规划和设计，并进行专家论证，最后，做出进一步的调整和优化。

4.基于层次分析法的基坑支护方案决策系统模型应用分析

4.1基于层次分析法原理构建决策系统模型

深基坑支护工程系统是一个综合性的岩土工程问题，其方案优选涉及安全可行、经济合理、环境保护、施工便捷、工期合理等基本准则[11]。具体实施过程中比较复杂，影响因素多，单一指标进行方案评价就不能全面的衡量一个支护方案的好坏，因此需要设定一个综合指标。这个综合指标的设定包括确立评价指标体系、确定各指标权重、建立数学决策模型三个关键环节。

传统常用的评价方法有专家论证打分法、加权平均法等，虽然也有一定的实用性，但是这些方法包含的主观因素太多，且专家论证打分法受专家的知识面、实际经验等方面约束很大。因此这些方法评价误差较大，可信度不高，不利于进行方案的决策。层次分析法是一种定性与定量相结合的、系统的、层次化的分析方法，因此，本文主要采取的是层次分析法对决策系统的一些重要指标做出科学、客观的评价，帮助我们做出正确的方案选择。

层次分析法（ Analytic Hierarchy Process，简称AHP法）是美国运筹学家T.L.Sauty教授于70 年代初期提出的一种简便、灵活而又实用的多准则决策方法[12]。其基本原理是：首先将复杂的问题层次化，即根据问题的性质和要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，按照因素间的相互影响和隶属关系将其分层聚类组合，形成一个递阶的、有序的层次结构模型；然后根据系统的特点和基本原则，对各层的因素进行对比分析，引入1～9比率标度方法构造出判断矩阵，用求解判断矩阵最大特征值及其特征向量的方法得到各因素的相对权重；最终通过计算最低层（方案层）相对于最高层（总目标）的相对重要性次序的组合权值，以此作为评价和选择方案的依据[13][14]。

4.2 应用层次分析法分析深基坑支护系统的评价指标权重

4.2.1建立层次分析的结构模型

本文中所建立的支护方案选择的基本思路为质量好，工期短，经济效益好，具体来说就是方案满足安全可靠、技术可行、经济合理三个基本准则（根据实际实施的需要，可以适当的增加一些准则），建立的深基坑支护系统的评价指标体系，如图1所示。

4.2.2 建立构造矩形及层次单排序和一致性检验

根据所建立的层次结构模型，相对于上一层次某个元素，根据实际工程的具体情况，经向专家咨询论证作出同层次各因素的相对重要性判断，引入合适的标度用具体数值表示出来构成判断矩阵。引用1～9标度方法，如表2所示。

根据工程的实际情况，本文所建立的判断矩阵如表4～表6所示。

采用方根法求解判断矩阵的最大特征值和特征向量，确定同一层次各因素相对于上一层次某元素相对重要性的排序权重WB、WC，为使构造矩阵具有满意的一致性，定义一致性指标如下：

CI=（λmax -n）/（n-1）。

当完全一致时，CI=0；CI越大，矩阵的一致性越差。

进行一次性检验时，当随机一致性比率CR=CI/RI<0.1时，称层次单排序具有满意的一致性。RI称为平均随机一致性指标，它只与矩阵阶数 n 有关，RI的取值见表3。

4.2.3 层次总排序及一致性检验

基于层次单排序的结果，将上一层次该元素本身的权重加权综合，即可计算得到处于评价指标体系最底层，即指标层中的各指标因素相对于最高层的相对权重，这一过程是从最高层次到最低层次逐层进行的，称为层次总排序。计算结果如表7所示。

由表7可知，C1（方案中支护防水施工技术的安全可靠性）、C2（方案中施工质量的安全可靠性）最为重要，C4（施工可行性及难易程度）、C6（工程总造价）较为重要，因此，这些因素对方案的选择比较的重要，同时，实施中要注意保护环境，尽量缩短工期。深基坑支护工程也是一个项目，每一个项目都是独特的，因此，对具体的支护工程来说，即使相同的因素对每个支护工程的影响也是不一样的，比如说，有的工程时间特别的紧张，那么，时间因素相对于其他因素的权重自然大些。所以，此方法的具体应用还需要根据工程的实际需要灵活应用。通过分析，当我们在对具体工程实施时，以上指标权重值大的因素自然也是施工中特别需要注意和需要编制应对措施的因素。也就很容易知道这个具体的施工方案的重点和难点。

4.3 应用层次分析法对基坑支护方案进行选择

前面用层次分析法模拟建立了评价基坑支护方案指标的权重，下面就以一个案例来说明用层次分析法如何进行方案的优化选择。某高层办公室楼发展项目，建筑面积约18万m2，高度为143.2m，采用深基坑工程，基坑设计开挖深度10.6m，基坑平面尺寸84m×60m，基坑周围场地狭窄，一般粘性土，地下水位较高。专家首先根据表1进行初步筛选后，一般有2-3组方案进入最后的选择，本工程有3组基坑支护方案进入最后的评审，分别为：

D1 =土钉墙

D2 =深层搅拌桩挡墙+内插钻孔灌注桩加强

D3 =密排桩。

然后，通过向技术、经济、环保等八位专家咨询评价后，反馈整理出3组方案中各评价指标的优劣情况，如表8所示。

根据专家评价的结果，可以建立方案层（D层）对各指标层（C层）的判断矩阵，求解其相对特征向量并检验一致性，结合已经建立的表5中方案评价指标权重，可以得出方案层（D层次）总排序权重值，如表9所示。

根据表8的计算结果，可知三种支护方案的优劣顺序为：D2﹥D3﹥D1，也就是说，方案二（深层搅拌桩挡墙+内插钻孔灌注桩加强支护方案）是本工程的最优方案，由经验可知深层搅拌桩挡墙的挡墙均匀，连续性好，既能挡土，又能挡水，施工简便，工期短，造价比较的低，也说明了用本方法得出的结论比较合理。

5.结论

深基坑工程已经在我国广泛的应用，无论是设计计算，还是施工、监控等方面，深基坑支护技术都处在不断的进步和发展中，围绕基坑工程优化问题，前人也进行了大量研究，是很有兴趣也很实际的研究课题。基坑工程是一个系统工程，包括支护结构、降水方案、监测开挖方案等很多内容，涉及经济、技术、安全、环境等诸多因素，面对这些错综复杂的因素，本文重点应用层次分析法进行方案的进一步优化分析，层次分析法逻辑性强，思路清晰，计算结果真实可靠，贴近现实，是优选深基坑支护方案的一种好方法。

参考文献

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