基于層次分析法深大異形基坑施工方案比選分析

馬國強

（中鐵十八局集團第四工程有限公司 天津 300200）

1 引言

隨著國家基礎設施的建設和現代化經濟的快速發展，深基坑成為工程師充分利用地下空間的有力途徑之一。影響基坑問題的變形因素有很多種，因此需要進行詳細的調查勘測。多數學者對基坑開挖后的變形控制和施工工藝進行了研究［1-2］，而基坑前期方案的選擇研究較少。對于復雜深基坑可通過層次分析將復雜問題簡單化，并采用定量方法對支護體系進行整體評價。

支護結構通過將層次分析法和模糊綜合評價法結合，評價整個基坑各支護方案的優劣性［3-4］，基于數值仿真分析對基坑進行變形控制［5］。隨著計算機技術的發展，MATLAB將結合層次法應用于工程地下結構的綜合評價［6］。

從分析方法本身來說，層次分析與模糊數學理論在工程項目運營和管理方面得到廣泛應用［7-9］。工程上多用于工程構筑物的長期服役性能，例如宋宏芳［10］等采用層次分析法對凍土路基長期變形進行了預測；毛衛南［11］采用此方法對凍土地下管道進行了長期變形分析；馬立峰［12］等采用可靠度評價方法對路基長期服役性進行了評價分析；張強勇［13］等對鹽巖地下儲氣庫采用模糊數學方法對風險源進行探究。

上述研究表明層次分析法和模糊數學的理論研究較為成熟，但大多數工程案例相對簡單，未能體現層次分析法的完全優勢。因此本文選用天津地區深大異形基坑進行研究，考慮基坑的獨特形狀以及周圍環境等因素，結合基坑具有條件的獨特性進行施工方案比選。

2 層次分析法原理及步驟

將一個復雜問題分為目標層、準則層、因素層，選取各分析因素后，考慮各因素之間的相互作用關系，按表1選擇各因素之間的比例標度。

表1 元素的比例標度

隸屬于準則層［Bi］的因素層按照上表取值，并形成式（1）的矩陣：

式中，比例標度Cij表示同一層次中第i元素與第j元素相比前者的重要程度，Cii＝1、Cij＝1/Cji。

將上述判斷矩陣［Bi］由編程軟件MATLAB計算最大特征值及特征向量，關系如式（2）所示。

式中，ai為特征向量，表示為ai（ai1ai2……ain）；λmax為最大特征值。

由于因素層 C1i、C2i、C3i、C4i之間相互作用關系較小，所以未考慮準則層之間的相互作用關系，各因素層內向量權重值為向量內各元素的加權平均值，表示為式（3）。

由式（4）計算判斷矩陣最大特征值并判斷準則層是否滿足一致性檢驗。

若C1＝0，則滿足一致性檢驗；若C1不滿足，則按照CR＝C1/R1，CR＜0.1，滿足一致性檢驗，若不滿足則循環上述步驟，直到滿足為止。

通過計算得到本基坑因素的權重量值，并根據開挖及支護方案對本基坑因素的適用性進行評分評價，由此組成評語集J。評語集量值為1～10，因素與方案乘積的加權平均值如式（5）所示。

計算綜合評分，從而選擇綜合評分最高的施工方案作為本次基坑施工方案。

3 深基坑施工方案

基坑施工方案根據施工順序分為兩大部分，即基坑開挖、支護方案。施工過程中兩個方案之間協調控制基坑的沉降變形，確保安全有效的施工過程。

3.1 基坑開挖方案

（1）放坡開挖。將鄰近開挖土體按照比例進行放坡，周圍土體由于本身的重力可作為臨時擋土墻，適用于基坑深度較淺、周圍建筑環境空曠的基坑。

（2）分倉開挖。不同分區的施工方案不利于施工組織管理，且分倉接縫處需進行特殊處理，施工流程復雜、所需勞動力多，經濟效益和社會效益并不明顯。

（3）盆式開挖。盆式開挖適合于基坑面積較大、支撐或拉錨作業困難且無法放坡的基坑。盆式開挖先挖除基坑中部土體，保留周邊一定范圍內土體，形成坡度，從而產生土壓力，以增強圍護結構的穩定性。盆式開挖如圖1所示。

圖1 盆式開挖示意

（4）島式開挖。與盆式開挖相反，中心島式挖土是先開挖基坑周邊土方，中間留土方可作為支點搭設棧橋。這種開挖方式可有效加快挖土和運土的速度（見圖2）。

圖2 島式開挖示意

3.2 基坑支護方案

（1）灌注樁。灌注樁是工程現場用于加固土體的一種支護結構。根據施工工藝、材料等的不同，分為鉆孔灌注樁、水泥護壁灌注樁、旋噴管樁等。灌注樁施工工藝簡單、技術成熟但防水性差。

（2）地下連續墻。地連墻能較好地約束基坑變形，憑借自身穩定性與支撐結構共同受力且有止水帷幕的功能，但地連墻建設成本較高。

（3）內支撐形式。對于城市建設，尤其地鐵施工，常采用長鋼管作為支撐。在截面形狀復雜的基坑中，鋼支撐定制困難、運輸困難，并不受青睞；混凝土環形支撐，取材方便、可塑性高，能協調土體共同受力，是良好的內支撐材料。

4 工程案例

4.1 工程概況

本工程位于天津市河北區，基坑分布于思源道車站主體結構東西兩側，由4座寫字樓及裙房組成。由于基坑緊鄰既有思源道站，所以分為兩個東西封閉的不規則基坑。基坑開挖面積約1.25萬m2。基坑規劃平面見圖3。

圖3 基坑工程平面

基坑周圍建筑物為中石化紅星支路加油站，距離基坑21 m。基坑東側附近有一條自來水管線，該管線距結建地連墻最近距離6.21 m。

場地范圍內表層普遍分布有人工填土含碎磚石等建筑垃圾，素填土之下約15 m范圍內以黏土和粉質黏土為主，局部夾雜不連續粉土。開挖范圍內土體均為弱透水性。

4.2 構造判斷矩陣

根據基坑所處位置的地質水文條件和基坑形狀，選取3個一級指標（準則層）、12個影響因素建立層次分析法，如圖4所示。

圖4 基坑層次分析法指標及影響因素

根據基坑條件，建立判斷矩陣。判斷矩陣按照表1選取，計算矩陣見式（6）～式（8）。

4.3 確定權重值

根據MATLAB計算得到各準則層向量權重值：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。

為了避免變量離散，引入平均隨機一致性指標，其中四階矩陣R.I.一般取0.89。

表2 一致性標準判斷

由表2可看出，A1、A2、A3滿足一致性檢驗。

4.4 施工方案比選

按照開挖方案適用條件進行評分，根據式（1）～式（5）計算權重值得到表3，由表4可知本基坑開挖方案優選島式開挖。

表3 開挖方案及工程風險因素分析

表4 開挖方案綜合評分

基坑支護在基坑開挖中有重要作用，本基坑較深且形狀不規則，尤其是處于地下水位較高的城市。因此支護結構的選擇應著重考慮地下水滲流等問題。基坑施工因素權重值不變，按不同支護方案進行分析，見表5。

表5 支護方案及工程風險因素分析

基坑支護從圍護結構和內支撐兩方面進行分析，并依照方案的適用條件對每個因素進行打分，最終通過累計求和得到各方案的綜合評分，見表6。

表6 支護方案綜合評分

由表6可知基坑支護體系應首選“地連墻＋環形內支撐”的方案，材料選用鋼筋混凝土，現場澆筑。

5 結論

（1）對于深大異形基坑可采用層次分析法對基坑方案進行比選。基坑各因素的權重值完全取決于基坑本身和周邊環境，施工方案適應于基坑的因素層，并進行打分評價，通過對比綜合評分得到最優施工方案。

（2）基坑工程周圍建筑物所占的比重相對較大，而在工期要求范圍內，基坑的進度和施工組織管理所占的比重相對較小。

（3）本基坑施工方案比選結果為：對于深大異形基坑可采用棧橋島式開挖方案及地連墻環形內支撐支護體系。