軟土地區深基坑支護方案優選模型研究及應用★

彭文柏

(云南省建筑科學研究院，云南昆明 650223)

0 引言

深基坑工程系統是一個綜合性的巖土工程問題，在基坑開挖過程中，支護方案選擇的好壞直接關系到整個工程的成敗［1，2］。由于深基坑工程具有區域性強、造價高、發生事故后果嚴重等特點，使得基坑支護方案必須科學合理、安全可靠、方便可行、造價經濟。因此，如何科學有效地進行基坑支護方案的優選顯得尤為重要。

深基坑支護方案的優選是根據某一深基坑工程所要達到的目標，從眾多可行方案中選出一個最佳方案，本質上是對多種方案下多目標的評價與選擇。目前，相關專家學者針對基坑支護方案優選開展了深入研究，提出了一系列不同的基坑支護方案優選方法，取得了一定的研究成果，歸納如下:王廣月等［1］根據評價指標的模糊性及評價方案的層次性，采用模糊數學理論和層次分析理論，建立基坑支護方案的優選模型。張尚根、陳燦壽等［2］根據評價指標的模糊性，采用模糊數學理論建立了優選模型。阮永芬、葉燎原［3］根據各指標的信息不完全性及相互關聯性，采用灰色系統理論對方案進行優選。馮玉國、王渭明［4］根據評價指標的不相容性，提出基于灰色物源分析的優選模型。馮慶高、周傳波等［6］提出了灰色模糊可變決策法。梅年峰、羅學東、蔣楠等［8］提出了灰色多目標決策模型進行基坑支護方案優選。

鑒于此，通過調查研究以昆明為例的軟土地區工程地質特征，明確影響軟土地區深基坑方案優選的因素，建立了一套多層次、多目標基坑支護方案綜合評價指標體系，在此基礎上，運用灰色關聯分析法選取最優的基坑支護方案。

1 灰色系統理論計算原理

1.1 灰色關聯法基本思想

灰關聯法的基本思想是根據序列曲線幾何形狀的相似程度來判斷其聯系是否緊密，曲線越接近，相應序列之間的灰關聯度就越大，反之越小。簡而言之，灰色關聯分析法就是通過計算系統特征變量數據序列與相關因素變量數據序列之間的關聯度，建立灰關聯矩陣，利用優勢分析原則，得出各影響因素的順序，以確定主要影響因素［8］。

設灰色系統有n個灰色因子數列，即:

如果要以其中任意的一組數列Xj為母序列(參考序列)來分別計算序列Xi，i≠j，相對于Xj(i)之間的關聯度、關聯序以及關聯矩陣。

1.2 灰色關聯法計算步驟

1)進行原始數據變換。

為了使各數列間具有統一的量綱，需要對數據進行預處理。原始數據預處理有多種方式主要包括:

a.初值化變化。

b.均值化變換。

4)求Xi對各數列每個時刻的關聯系數ξ(ij)(k)。

其中，η∈［0，1］，一般可取0.5。

5)計算各數序列對Xj的關聯度。

2 軟土地區深基坑支護綜合評價指標體系的構建

依據軟土地區城市建筑密集的特點，基坑支護方案的選擇不僅要考慮方案的安全可行性和經濟合理性，同時需考慮基坑工程對周圍環境的影響以及施工便捷性。因此合理構建深基坑支護評價指標體系應考慮的因素主要包括:基坑支護設計方案的科學、合理，直接關系到基坑支護安全;基坑支護對周圍環境產生的影響則包括降水引起地面沉降、側向變形等;施工方案便捷性影響施工工期、施工難易程度等;方案經濟合理性體現在工程造價和工程失效的經濟損失。

根據昆明軟土地區深基坑工程建設實際特點、周邊環境、工程地質條件等，從安全可行性、環境保護、施工便捷性、經濟合理性4個方面構建基坑支護方案多層次多目標評價指標體系，主要由4 個一級指標(B1，B2，B3，B4)和 12 個二級指標(C1，C2，C3，C4，C5，C6，C7，C8，C9，C10，C11，C12)組成，參見圖1。

圖1 深基坑支護方案評價指標體系

3 工程實例分析

3.1 工程概況

昆明市軟土區域地質是內陸斷陷盆地型軟土的一個典型代表，隨著深大基坑工程建設不斷涌現，軟土地質特征對深基坑工程的影響日趨明顯。昆明軟土區域形成的地質背景較為特殊，瀕臨滇池水體，是典型的高原斷陷盆地型軟土。

昆明擬建某安置小區，占地總面積約19 850 m2，基坑開挖深度約為5.2 m～7.5 m。該建筑物共設2層地下室。現場為拆除舊房場地，場地北側有3層高的建筑，距離基坑約為6.5 m，南側則有護城河，東側為光大銀行6層建筑，距基坑9 m左右，西側為環城西路。基坑開挖影響的土層為雜填土、粉質粘土、淤泥、粉質粘土、中粗砂，土層的物理力學性質見表1，開挖土層為雜填土、粉質粘土、淤泥，基坑開挖后整體穩定性較差，需要對其進行支護，且基坑開挖范圍內土層含水性和透水性較差，需要采取有效地止水措施。

根據基坑工程的特點、場地的工程地質條件、相關的施工經驗等，初步考慮三種基坑支護方案:排樁+內支撐+單排深層攪拌樁防滲幕墻(A1)、排樁+錨桿+單排深層攪拌樁防滲幕墻(A2)、地下連續墻+內支撐(A3)。

表1 土層的物理力學性質

3.2 確定理想方案的指標期望值

按照上述的基坑支護方案評價指標體系，邀請10名專家對備選方案及理想方案的各個指標進行邏輯推理評語評價，進而確定備選方案和理想方案的各指標期望值，相關數據見表2。

3.3 基于灰關聯系統的最優方案評價

運用DPS灰關聯模型，分別從一級指標、二級指標、一二級綜合指標作為計算參數三個方面計算備選方案與理想方案的關聯度。其中原始數據采用均值化變換，分辨系數ρ取0.5。綜合分析比較而確定最優的方案。

1)以一級指標為計算參數，其計算的結果(指標均值變換、關聯矩陣)見表3，表4。

表2 專家對備選方案和理想方案指標的評價表(一、二級指標)

表3 一級指標關聯系數矩陣

表4 一級指標方案的綜合關聯度

根據表4可知γ1＞γ2＞γ3，則由一級指標可確定A1方案為最優支護方案。

2)以二級指標為計算參數，其計算的結果(指標均值變換、關聯矩陣)見表5，表6。

根據表6可知γ1＞γ2＞γ3，則由二級指標綜合關聯度可確定A1方案為最優支護方案。

綜上兩種不同的最優支護方案的方法，均獲得結果為γ1＞γ2＞γ3，因此，第一種方案即排樁支護+內支撐+單排深層攪拌樁防滲幕墻A1為最優方案。該方案為實際工程采納，實際運用效果良好。

表5 二級指標關聯系數矩陣

4 結語

1)以昆明擬建某安置小區深基坑工程為例，依據軟土地區工程的地質特點，從安全可行性、環境保護、施工便捷性、經濟合理性等4個方面構建了適用于軟土地區深基坑支護方案的多層次、多目標綜合評價指標體系，主要是由4個一級指標和12個二級指標組成。

表6 二級指標方案的綜合關聯度

2)基于灰色關聯方法，分別以一級指標、二級指標為計算參數，分析兩種不同情況下備選方案與理想方案的綜合關聯度，以此對基坑支護方案進行優選。高級指標從整體范圍上對支護方案進行評價，低級指標則考慮到具體的影響因素，兩者有各自的優缺點，從不同層面分別考慮，可達到相互印證的效果，為方案優選提供了充分的參考依據。工程實例研究表明，該方法科學合理、簡單易行，與工程實際情況吻合，實施效果良好，具有一定的推廣和應用價值。

［1］王廣月，劉 健，芮洪范.深基坑支護方案的模糊物元評價方法［J］.山東大學學報，2004，34(2):84-88.

［2］張尚根，陳燦壽，夏 炎.深基坑支護方案的模糊優選模型及其應用［J］.巖石力學與工程學報，2004，23(12):2046-2048.

［3］阮永芬，葉燎原.用灰色系統理論與方法確定深基坑支護方案［J］.巖石力學與工程學報，2003，22(7):1203-1206.

［4］馮玉國，王渭明.深基坑支護方案灰色物元分析優化模型及其應用［J］.巖土力學，2009，30(8):2467-2470.

［5］楊曉強.某基坑支護方案的設計優化［J］.山西建筑，2012，38(3):71-72.

［6］馮慶高，周傳波，傅志峰，等.基坑支護方案的灰色模糊可變決策模型［J］.巖土力學，2010，31(7):2226-2231.

［7］魏新江，余 銀，張世民.基于模糊灰關聯投影法的深基坑支護方案優選［J］.巖土力學，2011，32(S1):438-444.

［8］梅年峰，羅學東，蔣 楠，等.基坑支護方案灰色多目標決策優選模型的建立與應用［J］.中南大學學報(自然科學版)，2013，44(5):1982-1987.

［9］鄧聚龍.灰色系統基本方法［M］.武漢:華中科技大學出版社，2002:65-69.