多重組合式基坑群工程施工風險研究＊

陳 燾 周順華 宮全美

（同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上?！蔚谝蛔髡?，碩士研究生）

近年來隨著巖土工程勘察、設計、施工、監測、監理和管理水平的不斷提高，對于一般基坑工程發生事故的頻率已經較從前有了很大程度的下降。然而，隨著城市地下空間的發展，城市當中出現了大型商場、地下綜合體、交通樞紐等不同類型的基坑工程。當這些類型的基坑工程受到建筑（構）物型式、周邊地塊同期開發，以及多種構筑物共同體的建設等影響，或為了滿足購物、換乘、接駁等使用功能要求而采取一體化施工時，就導致了寬大異形坑聯坑、坑中坑等組合式基坑群工程的出現。這類基坑工程的出現，除了對其支護結構、排水降壓以及開挖時空效應的設計有較高的要求，同時也大大增加了多重組合式基坑施工風險及對周邊環境保護的難度。所以，需要采用合理的風險評估方法對此類基坑工程的風險進行評估，制定相對應的風險控制措施，才能有針對性地控制工程建設的風險，從而保證工程的順利完成。

國際上對風險的分析已有多年的歷史，各國都已取得豐富的經驗。對于基坑施工，常用的風險評估方法有專家調查打分法、模糊綜合評判法、神經網絡法、事故樹法、蒙特卡羅模擬法和層次分析法等。目前的風險評估方法還無法將己有的研究成果整合到現有的研究中，即歷史的經驗積累并沒有很好地得以利用，對不確定性因素也無法準確考慮。

本文針對以上海自然博物館基坑為主的多重組合式基坑群工程特點，結合該工程的特殊地理位置、工程地質水文以及多重組合式基坑群施工技術特點等，吸取國內外類似工程的事故教訓，采用專家調查法和層次分析（AHP）法識別該工程中可能存在的風險，確定風險的等級，采取合適的控制策略，以有效控制和管理風險。本文的研究可供上海市后續的多重組合式基坑開挖工程乃至全國在類似地質條件下的基坑施工中的風險識別、風險評價和風險管理作參考。

1 工程概況

以自然博物館基坑為主的多重組合式基坑群位于上海市靜安區，在擬建的場地內，存在著與自然博物館基坑同期施工的上海軌道交通13號線基坑、雕塑公園基坑及60號地塊基坑等8個基坑，其平面布置見圖1。

圖1 上海自然博物館多重組合式基坑位置平面示意圖

1.1 工程地質概況

據勘察資料，本場地100m深度范圍內，地基土屬第四紀上更新世Q3至全新世Q4沉積物，主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成。按其沉積年代、成因類型及其物理力學性質的差異，可劃分為9個主要土層。其中：第②、③、④、⑤層土為Q4沉積物；第⑥、⑦、⑧、⑨層土為Q3沉積物；第①、⑦、⑧、⑨層根據土性及成因不同，可分別劃分為若干亞層，均屬濱海平原相沉積物，但沉積環境較為復雜，受沉積環境及海進、海退、海陸交互作用影響，土層的分布有一定變化。

1.2 水文地質概況

本工程地基土主要由飽和黏性土、粉性土及砂土組成，各基坑坑底均位于⑤層粉質黏土層。第⑦層砂質粉土為第一承壓水含水層，其承壓水層頂埋深一般為29.5～32.4m，承壓水水頭高度為地面以下6.93～8.00m。

2 多重組合式基坑群特點

多重組合式基坑群一般由多個基坑彼此相互聯接、相互嵌套而形成的。對于此類基坑工程的施工，除了考慮各個單一基坑所具有的風險之外，還應考慮各基坑之間相互影響所造成的施工風險。

以上海自然博物館基坑為主的組合式基坑群的開挖面積大且形狀異形，上海軌道交通13號線區間基坑南北貫穿于自然博物館大基坑，形成坑中坑式基坑，導致了該基坑開挖深度深。其中，大基坑的開挖深度為17.3m，13號線明挖區間開挖深度達到了25 m；緊鄰的自然博物館車站基坑和雕塑公園管理用房基坑開挖深度分別為24m和10.3m。

由于組合式基坑群開挖深度深，故其施工時受到承壓水的影響較大。根據本工程地質報告及抽水試驗報告，第⑦層承壓水頭埋深為6m多，對本工程基坑開挖有很大影響。同時，由于多個基坑彼此相連，各基坑地下連續墻長短不一，隔斷承壓水效果不同，基坑地下水之間存在著水平繞流與豎直繞流等復雜的水力聯系，基坑之間降承壓水的相互影響較大。

組合式基坑群中各基坑的開挖深度不同，故形成不同形式的圍護結構、支撐體系。其中上海軌道交通13號線自然博物館站的山海關路部分的兩個外掛坑，其部分采用了攪拌樁加鉆孔灌注樁組合形式，其余各基坑均為地下連續墻圍護形式。受基坑平面形狀限制，地下連續墻除正常轉角幅外，還存在C字型、Y字型、T字型地下連續墻，這就增加了地下連續墻變形控制的難度。

上海自然博物館工程位于市中心城區，周邊環境極其復雜，環境保護等級要求高。尤其是自然博物館基坑的西側，有著數棟居民樓及上海市育才中學教學樓，這些建筑物距離基坑最近的僅10m。除此之外，周邊眾多地下管線制約著基坑的開挖。

如上所述，上海自然博物館基坑屬深大異型基坑，且為坑聯坑、坑中坑組合式的基坑，存在著坑中坑開挖、共坑開挖和共墻開挖情況。這就給基坑支護結構設計、承壓水控制、施工安全和變形控制等帶來了嚴重的考驗，增加了施工期支護及環境保護的難度。

3 風險源辨識

風險源辨識（hazard identification）是發現、識別系統中存在危險源的工作，是風險分析的基礎，也是工程全部風險管理工作中最為重要的一項內容。

以上海自然博物館為主的組合式基坑群工程建設的規模龐大、綜合性強，且風險源又是“潛在的”不安全因素，有一定的隱蔽性，故危險的辨識工作是一項既重要又困難的任務。

本文采用工作分解結構（Work Breakdown Structure，簡為WBS）與故障樹識別相結合的方法對該基坑群工程進行分解，從基坑降水、支護結構施工以及基坑開挖施工三個工序研究該基坑群施工期間的風險因素。

1）基坑降水（A1）：本基坑群中各基坑的形狀各異，開挖深度有所不同，圍護結構深淺不一，降承壓水時的滲流、繞流等現象可能會導致相鄰區域或相鄰基坑承壓水水頭的相互影響（B1）；坑中坑情況下的小坑在大坑基礎上的落深開挖會使基底殘余應力降低，增加了突涌風險（B2）；由于施工時間節點的安排，當60號地塊基坑進行承壓水降壓時，自然博物館基坑已處于主體結構的施工期，相鄰基坑的降水同時也增加了自然博物館主體結構施工的風險（B3）；基坑西側48 m深的地下連續墻由于施工的原因，未能將本應隔斷的承壓水層較好地隔斷，導致降水過程中造成西側地表及建筑物的沉降過大（B4）；除此之外，若場地上地勘孔的封堵效果不理想，易導致第⑨層承壓水層與第⑦層承壓水層連通，因而加大了施工的風險（B5）。

2）支護結構施工（A2）：受基坑群平面形狀限制，地下連續墻除正常轉角幅外，還存在C字型、Y字型、T字型等地下連續墻，施工時容易因操作不當導致地下連續墻接縫的開裂或夾泥（B6）；當自然博物館基坑分層開挖時，上海軌道交通13號線區間基坑的地下連續墻需要分層鑿除，坑內圍護結構的鑿除，容易使地基土產生較大的振動，使得土體的穩定性下降（B7）；13號線區間基坑的開挖，增大了自然博物館基坑地下連續墻變形過大的風險（B8）；格構柱傾斜過大，增大了支撐體系失穩的風險（B9）；施工機械碰傷支護結構的混凝土支撐，造成支撐應力集中（B10）。

3）基坑開挖（A3）：由于基坑深大異形，采取分層分塊開挖的順序，故分塊開挖的順序合理性、相鄰基坑的開挖施作，都將增大基坑的施工風險（B11）；基坑群的開挖面積大，受外界因素的影響，土體暴露的時間長，易造成坑底隆起過大等風險（B12）；基坑分層開挖中超挖，使得支撐體系的實際標高低于設計標高（B13）；土體的穩定性下降或坡頂堆載，造成坑內土體的滑坡（B14）。

4 風險評估

本文綜合了專家調查法和AHP法，將兩種常用的風險分析方法結合起來。首先，通過專家調查表的方式向與該項目有關的業主單位、設計單位、施工單位和監理單位等相關人員進行風險調查，以便確定每類風險事件中底層事件發生概率P及影響后果C的等級（P估值確定方法如表1所示，C估值確定方法如表2所示），使得基坑群中某些模糊的不確定的風險因素有了較為準確的確定回答；其次，利用所回收的專家調查表，采用層次分析法對各風險事件層中的子風險因素的重要性進行計算，分析研究基坑群施工過程中可能會遇到的風險事件，并制定相應的風險控制措施。

表1 風險事件發生概率P的等級

表2 風險事件影響后果C的等級

4.1 權重的確定

對于組合式基坑中各底層風險因素權重的確定采用AHP法。該方法是把同級各個因子兩兩相互比較（包括因子自身比較），按比較重要性大小在一個九標度表（如表3所示）中進行仿數量化；各因子數量值構成一個“構造判斷矩陣”，該矩陣在一致性檢驗后，其最大特征值對應的向量為對應各因子的權重向量。

表3 九標度各因子重要性大小仿數量化比較表

通過計算，可得到風險事件的權重向量ω。

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

支護結構施工時ω2＝［B6B7B8B9B10］＝［0.18 0.15 0.10 0.34 0.23］；

土方開挖施工時ω3＝［B11B12B13B14］＝［0.18 0.27 0.43 0.12］；

各工序層的權重W＝［A1A2A3］＝［0.32 0.14 0.54］。

4.2 風險計算

底層風險事件的風險值R計算可采用R＝C＋P－C×P。風險事件的權重可采用層次分析法計算，最后將權重與風險值進行綜合計算得到隸屬的某一工序的風險值。以此類推，向上逐層計算，最后可得到降水施工、支護結構施工以及基坑開挖施工這三種工序的風險值；根據計算的風險值并對照表2可得到某一工序或風險事件的風險等級。

將收回的專家調查表進行整理，由于篇幅所限，現只列出頂層風險事件A1的調查結果表（如表4所示）。利用上述的風險值R的計算公式，可分別得出降水、支護及開挖三工況的底層事件風險值向量b1、b2、b3，具體如下：

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

2）支護結構施工，b2＝［B6B7B8B9B10］T＝［0.44 0.52 0.55 0.64 0.44］T；

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

根據所求的的權重向量和風險向量，便可分別計算得到組合式基坑群施工中的三個施工工況的風險值R1、R2、R3：

1）群坑降水施工風險值R1＝ω1×b1＝0.619；

2）支護結構施工風險值R2＝ω2×b2＝0.529；

3）土方開挖施工風險值R3＝ω3×b3＝0.612；

即，各工序施工的風險向量值B＝［0.619 0.529 0.612］，則該組合式基坑群的施工風險值R＝W×B＝0.610

表4 底層事件各指標的專家評價值

根據計算的結果，對照表2可知，該基坑群施工屬于4級風險，施工風險造成的后果很嚴重，故應采取相對應的風險控制措施。對于群坑的承壓水施工風險，屬于四級風險，其中上海軌道交通13號線區間基坑的落深開挖導致承壓水突涌與勘察孔封堵效果不好、導致第⑦層承壓水和第⑨層承壓水貫通這兩事件的風險值較大。故在群坑降水施工前，有必要進行相應降水試驗，從而制定合理的群坑降水方案。群坑降水施工各事件的風險大小如圖2所示。

圖2 群坑降水施工風險值圖

支護結構施工風險屬于三級風險，其中格構柱傾斜對支護體系的穩定性影響這一事件的風險值較高，所以在基坑開挖過程中要對基坑中傾斜的格構柱采取必要的加固措施。支護結構施工各事件的風險值如圖3所示。

圖3 支護結構施工風險值圖

群坑開挖施工的風險屬于四級風險，也應引起相關人員的高度重視。其中基坑的超挖事件的風險值最大，施工人員應嚴格按圖紙施工，其群坑開挖施工各事件的風險值大小如圖4所示。

圖4 群坑開挖施工風險值圖

5 結語

本文以上海自然博物館基坑為主的組合式基坑群為例，對基坑群進行了風險的識別與風險的評估，并以此建立相對的風險控制措施，主要結論如下：

1）在對基坑群施工進行風險識別時，不僅要考慮單一基坑的施工風險，還應考慮各基坑之間相互影響所造成的施工風險。故組合式基坑群的風險辨識工作是一項既重要又困難的工作。

2）采用了專家調查法和AHP法兩種方法對該基坑群的風險因素進行了評估，得出了該基坑群的施工風險因素為四級風險。風險所產生的后果對施工工期、施工費用以及人員安全都有較大的影響。在基坑施工前，應對各項事件制定相應的風險控制措施。

3）對群坑施工的風險分析，國內的研究仍處于起始階段。為了避免基坑群施工所造成的風險，一方面要做好調查統計和風險評估等工作，另一方面要重視施工現場監測數據的分析，以信息化來指導施工，這樣才能更好地避免施工所帶來的風險。

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