深基坑支護結構設計方案的優選和應用探析

張 昊 （安徽建筑大學土木工程學院，安徽合肥230000）

1 引言

深基坑作業是一項臨時性工程，由于其所處地區的地質條件的多樣性及復雜性，給施工作業帶來極大的安全隱患性。但是設計人員在設計施工方案的過程中如果過分考慮安全問題，刻意加大方案設計中安全系數的話，也會導致投資過多從而帶來經濟上的不可行性。這兩難的抉擇給設計人員出了一個難題。深基坑工程支護技術經過多年的發展，幾種主要類型的支護方案都較為成熟，方案設計的路徑并不只有一種。在綜合考量經濟性及安全性的情況下，從幾種初步擬定的方案中，結合工程實際的情況，從中優化選擇一種最切實可行的方案具有重要的意義。

2 理論介紹

20世紀70年代，美國匹茲堡大學工程學教授T.L.Saaty提出層次決策分析法，后經學者根據其理論基礎，在充分考慮到基坑支護方案的安全性、經濟性和施工的便捷性的基礎上，借用模糊數學理論工具，建立了一種基坑支護方案的優選模型。20世紀末期，華中科技大學鄧聚龍教授在長期的實踐工作中，根據評價指標的不安全性及數據之間的相互關聯性，提出了灰色理論系統。進入新世紀之后，隨著城市化進程的不斷深入，群體建筑物的密集化、單個建筑物的負荷增大化及地下建筑物的多維化，造成了基坑工程的開挖與支護難度日趨加大，原有的深基坑支護方案的設計和評選理論漸漸顯得無法與時俱進。在此基礎上，由中南大學的幾位學者阮永芬、高健和程藏平提出了灰色關聯分析法理論。灰色關聯分析法的基本思路是將基坑支護方案中幾種主要影響因素（安全可行性、環境保護、經濟合理性、施工便捷性）進行排序和權重分析，最后繪制出影響因子的幾何關聯圖形。根據幾何關聯圖形的差異程度來區分各影響因子之間的緊密度，即幾何關聯圖形之間的差異程度越大，則說明各影響因子之間的關聯度就越小，反之亦然。

本文以安徽合肥地區一在建高層建筑物為例，利用已有江淮地區水文地質資料，確定江淮地區高層建筑深基坑施工方案的設計及優化選擇。在此過程中，利用前文所提及的灰色關聯分析法，建立起一套行之有效的深基坑支護方案的評價體系，從而得到最佳的方案的選定辦法。

3 工程實例

合肥市位于江淮丘陵區，土質以黃棕壤和黃褐土為主體，是典型的淋溶性質的土壤類型，擁有透水性較差這一個地質特性。因此，隨著大型建筑物的大規模涌現，低透水性土質特征對深基坑工程的影響性越來越大。

合肥市某在建高層建筑為一大型公用建筑，對主體安全及結構抗震要求較高。該建構物整體占地總面積約21250㎡，基坑開挖深度為9.3m～10.2m，該建筑物擁有2層地下結構地下室。既有的施工場地原先為一個常年廢棄的老舊廠房，拆遷后的場地西北側有一個4層12m高的既有建筑，該建筑物距離開挖基坑約為7.2 m，正南側為1條護城河，東側為合肥市瑤海區圖書館，該館為6層高度建筑物，距基坑約10.5 m，西側是1條既有城市道路。在基坑開挖的過程中，由設計單位提供的工程地質報告及施工單位現場土樣留存可知，開挖土層分別為建筑回填土、淤泥（泥炭）、粉質黏土、粉砂層、強風化巖，土層的厚度及主要物理力學性質可見表1。由于前幾層開挖的土體為建筑回填土、淤泥（泥炭）、粉質黏土，這3層土質的整體結構較為松散，穩定性較差，在支護方案的制定中必須考慮對應措施，且由于土壤自身含水量較高和透水性不足，要考慮到設置基坑排水裝置。

土體的開挖深度及力學性質 表1

支護方案的評選指標系 表2

結合該基坑的工程特點、既有的地質報告、第一手開挖數據和已有的相關施工經驗，初步暫定了3種基坑支護方案，方案A：鋼筋混凝土排樁+型鋼支撐+單排鉆孔灌注樁防滲幕墻；方案B：排樁+錨桿+水泥擋土墻；方案C：地下連續墻+型鋼支撐。由于這3種深基坑的支護方案都是常見的施工方案，均可以滿足該高層建筑物下挖基坑的支護需求，但由于考慮到城市市政工程的施工特點，還要充分考慮每種施工方案的經濟效益、工作程序安排的合理性以及城市市政工程的環保評估等要素，需要在幾種方案中擇優選取一個相對來說是最適合本工程的支護方案。

4 支護方案確定及優選步驟

4.1 整體思路

采用灰色關聯分析法，綜合考量該基坑支護方案中影響因素：技術方案安全質量可行性、經濟效益性、施工便捷性和環保評價機制，再從這個4個方面進行二級指標評定。在此，將方案評定影響因素進行4個一級指標和12個二級指標分類，并編號加以區分，見表2。

由前文所述，導出灰色關聯法計算模型，設計算模型中由有n個影響因素，即n個灰色因子數列，即:

用該公式列出各影響因子之間的關聯矩陣，從而求出各影響因子之間的關聯度及關聯序數，即以任意一組數列Xj為母序列來分別計算序列 Xi，（i≠j）的灰色關聯度以及關聯序數。

4.2 灰色關聯法的計算過程

①原始數據的處理

為了便于各影響因子之間的數據比較，需要對不同數據進行量綱統一。原始數據的處理方式主要包括:

②以為母線，計算對應時刻與各數列的差值Δij(k)

③計算出 |Δij(k)|的最值（即：Δmin與 Δmax）

④對影響因子Xi各數列進行關聯系數 ξ(ij)(k)求解

其中，δ為分辨系數，δ∈［0，1］，若 δ的數值越小，則表示影響因子之間的差異越大，工科驗證中，通常情況下δ值為0.5。

⑤計算各數序列對Xj的關聯度

4.3 備選方案的指標值的確定

對照表2所列出深基坑支護方案的4個一級指標和12個二級指標，邀請8名相關專家對備選方案各項指標進行主觀經驗分配賦值和客觀圖文資料查閱計算賦值相結合的方法，確定備選方案中各指標值。其后對每一項子級指標作單項比較，得出一個最優項，將16個一、二級指標最優項組合，得出一個理想方案（記為方案T）。相關數據見表3。

4.4 最優方案的評選

在表3中得出了一個理想方案，但是由于理想方案是由16個一、二級分項指標單項最優項集合組成，這16個分項指標是隨機分布在既有的3種支護方案中，很難出現在一個方案中就集齊的現象。因此，理想方案的得出更多地體現了參考作用和最終確定方案的比對作用。在此，必須要對最終要得到的最優支護方案進行探索。

運用DPS數據處理系統，組建灰色關聯法模型，計算備選方案與理論最優方案（方案T）之間的關聯度。從3個備選方案中分別進行一級指標和二級指標的參數計算，考慮到采集的數據之間量綱的不統一，先對原始數據進行等效代換，分辨系數ρ統一采用0.5，再對計算機結果進行比較分析。

專家對備選方案方案指標的評價表( 一、二級指標) 表3

一級指標關聯系數矩陣 表4

一級指標綜合關聯度 表5

①對一級指標進行參數計算，將其計算結果 (關聯系數矩陣和綜合關聯度)展示見表4～5。

根據表 5，可知 γa＞γb＞γc，可見在一級指標評價系中，基坑支護方案A為最優支護方案。

②對二級指標進行參數計算，并將其計算結果 (關聯系數矩陣和綜合關聯度)展示見表 6～7。

根據表7，可知 γ1＞ γ2＞ γ3，則由二級指標綜合關聯度可確定A方案為最優支護方案。

綜上所述，分別比較上下兩級評價指標系，均得出方案一為最佳備選方案，即鋼筋混凝土排樁+型鋼支撐+單排鉆孔灌注樁防滲幕墻是最合適的基坑支護方案。選定該方案A為最終實施方案可取的最佳支護效果。

二級指標關聯系數矩陣 表6

二級指標方案的綜合關聯度 表7

5 結論

本文以合肥地區某一在建高層建筑深基坑工程為例，充分考慮到安徽省中部江淮地區地質特點，利用灰色關聯理論，從工程的安全質量、經濟效益、施工過程便捷性及工程環保評估等多個方面綜合考慮深基坑支護方案的制定及優選，可得以下結論：

①灰色關聯法所建模型層次分明，上下兩級評定指標能很好地體現江淮地區的高層建筑基坑支護方案的實際工程特點，有效的反映出各影響因子之間的綜合關聯度；

②灰色關聯法本身的理論體系是科學合理的，在實際的運用過程中有著較高的可操作性，從最終的工程實例效果來看，該方法效果較佳，具有很大的推廣和應用空間。