基于层次分析法深大异形基坑施工方案比选分析

马国强

（中铁十八局集团第四工程有限公司 天津 300200）

1 引言

随着国家基础设施的建设和现代化经济的快速发展，深基坑成为工程师充分利用地下空间的有力途径之一。影响基坑问题的变形因素有很多种，因此需要进行详细的调查勘测。多数学者对基坑开挖后的变形控制和施工工艺进行了研究［1-2］，而基坑前期方案的选择研究较少。对于复杂深基坑可通过层次分析将复杂问题简单化，并采用定量方法对支护体系进行整体评价。

支护结构通过将层次分析法和模糊综合评价法结合，评价整个基坑各支护方案的优劣性［3-4］，基于数值仿真分析对基坑进行变形控制［5］。随着计算机技术的发展，MATLAB将结合层次法应用于工程地下结构的综合评价［6］。

从分析方法本身来说，层次分析与模糊数学理论在工程项目运营和管理方面得到广泛应用［7-9］。工程上多用于工程构筑物的长期服役性能，例如宋宏芳［10］等采用层次分析法对冻土路基长期变形进行了预测；毛卫南［11］采用此方法对冻土地下管道进行了长期变形分析；马立峰［12］等采用可靠度评价方法对路基长期服役性进行了评价分析；张强勇［13］等对盐岩地下储气库采用模糊数学方法对风险源进行探究。

上述研究表明层次分析法和模糊数学的理论研究较为成熟，但大多数工程案例相对简单，未能体现层次分析法的完全优势。因此本文选用天津地区深大异形基坑进行研究，考虑基坑的独特形状以及周围环境等因素，结合基坑具有条件的独特性进行施工方案比选。

2 层次分析法原理及步骤

将一个复杂问题分为目标层、准则层、因素层，选取各分析因素后，考虑各因素之间的相互作用关系，按表1选择各因素之间的比例标度。

表1 元素的比例标度

隶属于准则层［Bi］的因素层按照上表取值，并形成式（1）的矩阵：

式中，比例标度Cij表示同一层次中第i元素与第j元素相比前者的重要程度，Cii＝1、Cij＝1/Cji。

将上述判断矩阵［Bi］由编程软件MATLAB计算最大特征值及特征向量，关系如式（2）所示。

式中，ai为特征向量，表示为ai（ai1ai2……ain）；λmax为最大特征值。

由于因素层 C1i、C2i、C3i、C4i之间相互作用关系较小，所以未考虑准则层之间的相互作用关系，各因素层内向量权重值为向量内各元素的加权平均值，表示为式（3）。

由式（4）计算判断矩阵最大特征值并判断准则层是否满足一致性检验。

若C1＝0，则满足一致性检验；若C1不满足，则按照CR＝C1/R1，CR＜0.1，满足一致性检验，若不满足则循环上述步骤，直到满足为止。

通过计算得到本基坑因素的权重量值，并根据开挖及支护方案对本基坑因素的适用性进行评分评价，由此组成评语集J。评语集量值为1～10，因素与方案乘积的加权平均值如式（5）所示。

计算综合评分，从而选择综合评分最高的施工方案作为本次基坑施工方案。

3 深基坑施工方案

基坑施工方案根据施工顺序分为两大部分，即基坑开挖、支护方案。施工过程中两个方案之间协调控制基坑的沉降变形，确保安全有效的施工过程。

3.1 基坑开挖方案

（1）放坡开挖。将邻近开挖土体按照比例进行放坡，周围土体由于本身的重力可作为临时挡土墙，适用于基坑深度较浅、周围建筑环境空旷的基坑。

（2）分仓开挖。不同分区的施工方案不利于施工组织管理，且分仓接缝处需进行特殊处理，施工流程复杂、所需劳动力多，经济效益和社会效益并不明显。

（3）盆式开挖。盆式开挖适合于基坑面积较大、支撑或拉锚作业困难且无法放坡的基坑。盆式开挖先挖除基坑中部土体，保留周边一定范围内土体，形成坡度，从而产生土压力，以增强围护结构的稳定性。盆式开挖如图1所示。

图1 盆式开挖示意

（4）岛式开挖。与盆式开挖相反，中心岛式挖土是先开挖基坑周边土方，中间留土方可作为支点搭设栈桥。这种开挖方式可有效加快挖土和运土的速度（见图2）。

图2 岛式开挖示意

3.2 基坑支护方案

（1）灌注桩。灌注桩是工程现场用于加固土体的一种支护结构。根据施工工艺、材料等的不同，分为钻孔灌注桩、水泥护壁灌注桩、旋喷管桩等。灌注桩施工工艺简单、技术成熟但防水性差。

（2）地下连续墙。地连墙能较好地约束基坑变形，凭借自身稳定性与支撑结构共同受力且有止水帷幕的功能，但地连墙建设成本较高。

（3）内支撑形式。对于城市建设，尤其地铁施工，常采用长钢管作为支撑。在截面形状复杂的基坑中，钢支撑定制困难、运输困难，并不受青睐；混凝土环形支撑，取材方便、可塑性高，能协调土体共同受力，是良好的内支撑材料。

4 工程案例

4.1 工程概况

本工程位于天津市河北区，基坑分布于思源道车站主体结构东西两侧，由4座写字楼及裙房组成。由于基坑紧邻既有思源道站，所以分为两个东西封闭的不规则基坑。基坑开挖面积约1.25万m2。基坑规划平面见图3。

图3 基坑工程平面

基坑周围建筑物为中石化红星支路加油站，距离基坑21 m。基坑东侧附近有一条自来水管线，该管线距结建地连墙最近距离6.21 m。

场地范围内表层普遍分布有人工填土含碎砖石等建筑垃圾，素填土之下约15 m范围内以黏土和粉质黏土为主，局部夹杂不连续粉土。开挖范围内土体均为弱透水性。

4.2 构造判断矩阵

根据基坑所处位置的地质水文条件和基坑形状，选取3个一级指标（准则层）、12个影响因素建立层次分析法，如图4所示。

图4 基坑层次分析法指标及影响因素

根据基坑条件，建立判断矩阵。判断矩阵按照表1选取，计算矩阵见式（6）～式（8）。

4.3 确定权重值

根据MATLAB计算得到各准则层向量权重值：WA1＝（0.47，0.316，0.080，0.134），λmax＝4.287；WA2＝（0.137，0.360，0.451，0.054），λmax＝4.143；WA3＝（0.408，0.420，0.093，0.079，λmax＝4.105。

为了避免变量离散，引入平均随机一致性指标，其中四阶矩阵R.I.一般取0.89。

表2 一致性标准判断

由表2可看出，A1、A2、A3满足一致性检验。

4.4 施工方案比选

按照开挖方案适用条件进行评分，根据式（1）～式（5）计算权重值得到表3，由表4可知本基坑开挖方案优选岛式开挖。

表3 开挖方案及工程风险因素分析

表4 开挖方案综合评分

基坑支护在基坑开挖中有重要作用，本基坑较深且形状不规则，尤其是处于地下水位较高的城市。因此支护结构的选择应着重考虑地下水渗流等问题。基坑施工因素权重值不变，按不同支护方案进行分析，见表5。

表5 支护方案及工程风险因素分析

基坑支护从围护结构和内支撑两方面进行分析，并依照方案的适用条件对每个因素进行打分，最终通过累计求和得到各方案的综合评分，见表6。

表6 支护方案综合评分

由表6可知基坑支护体系应首选“地连墙＋环形内支撑”的方案，材料选用钢筋混凝土，现场浇筑。

5 结论

（1）对于深大异形基坑可采用层次分析法对基坑方案进行比选。基坑各因素的权重值完全取决于基坑本身和周边环境，施工方案适应于基坑的因素层，并进行打分评价，通过对比综合评分得到最优施工方案。

（2）基坑工程周围建筑物所占的比重相对较大，而在工期要求范围内，基坑的进度和施工组织管理所占的比重相对较小。

（3）本基坑施工方案比选结果为：对于深大异形基坑可采用栈桥岛式开挖方案及地连墙环形内支撑支护体系。