基坑對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)評估

韋 鋒

（榆林學(xué)院建筑工程學(xué)院，陜西 榆林 719000）

0 引言

城區(qū)范圍內(nèi)人口密集，高樓林立，地下管網(wǎng)密集，城市道路、橋梁、鐵路、隧道縱橫交錯(cuò)，在城區(qū)開展深基坑工程施工，將面臨極其復(fù)雜的周邊環(huán)境。面對如此復(fù)雜的周邊環(huán)境，稍有差錯(cuò)，便有可能導(dǎo)致工程事故發(fā)生，輕者導(dǎo)致基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形指標(biāo)超標(biāo)，重者造成基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)體系失穩(wěn)破壞，引起周邊建（構(gòu)）筑物及地下管線開裂，誘發(fā)建（構(gòu)）筑物倒塌，甚至造成人員傷亡，給工程建設(shè)帶來巨大經(jīng)濟(jì)損失，給人民群眾生命和財(cái)產(chǎn)安全造成極大威脅，給社會輿論帶來極其不良的影響。

深基坑工程設(shè)計(jì)過程中，對支護(hù)結(jié)構(gòu)體系進(jìn)行評價(jià)，預(yù)測基坑開挖變形對周邊環(huán)境的影響，不僅有利于優(yōu)化支護(hù)結(jié)構(gòu)方案，也可以用來指導(dǎo)施工，以便更好地保護(hù)周邊環(huán)境。目前國內(nèi)外已經(jīng)有較多的相關(guān)研究成果，為更好地指導(dǎo)工程實(shí)踐，本文對國內(nèi)外相關(guān)的研究成果加以總結(jié)歸納，明確現(xiàn)有研究的不足，并且提出了進(jìn)一步的研究方向。

1 基坑對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)評估

在基坑對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)研究方面，國外成果相對較多，包括周邊地表沉降規(guī)律、地層沉降與建構(gòu)筑物破壞之間的關(guān)系、建構(gòu)筑物損壞評價(jià)方法及變形控制標(biāo)準(zhǔn)等方面，J.B.Bur1and 通過對受地鐵影響的建（構(gòu)）筑物及其監(jiān)測結(jié)果的研究，給出了建（構(gòu)）筑物破壞的分類方法，提出了3 階段風(fēng)險(xiǎn)評估的理論，并對如何提高風(fēng)險(xiǎn)評估和控制的定量程度給出了建議；Konstantinos（2013）將模糊數(shù)層次分析法應(yīng)用于雅典地鐵車站施工對環(huán)境影響的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)中，認(rèn)為該方法比層次分析法更符合現(xiàn)實(shí)情況，能夠得到更加準(zhǔn)確的評價(jià)結(jié)果[1]；Peck（1969）教授為土力學(xué)及基礎(chǔ)工程的發(fā)展作出了重要的貢獻(xiàn)，他通過對海量基坑周邊地表實(shí)測沉降數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，提出了分析基坑圍護(hù)墻后地表沉降大小、影響范圍的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系曲線和估算方法，成為沿用至今的經(jīng)典變形預(yù)測方法；Skempton 等（1956）對開挖影響區(qū)房屋的沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，分別給出了鋼結(jié)構(gòu)、鋼筋-混凝土框架結(jié)構(gòu)和砌體結(jié)構(gòu)的建筑物所能承受的總沉降量和差異沉降量，為監(jiān)測分級預(yù)警提供了寶貴數(shù)據(jù)；同樣的，Macro D.Boscardin 等（1992）[2]也對基坑影響下砌體房屋墻體承受沉降差異容許值進(jìn)行了研究；Sugimoto（1986）在對大量基坑周邊地表最大沉降及其離墻距離的研究之后，給出了一種計(jì)算基坑周邊地表最大沉降的經(jīng)驗(yàn)方法，還給出了基于基坑地質(zhì)條件的預(yù)測值進(jìn)行調(diào)整方法；P.B.Attewe11（1986）和A.Bracegird1e（1996）研究了基坑開挖引起的土體變形對鄰近（鑄鐵）管道的影響，給出了潛在損害的評估方法；S.J.Boone（1996）[3]研究了地表移動和房屋破壞之間的關(guān)系，提出了一種新的評估開挖影響下建筑物破壞程度的方法，該方法綜合考慮了地層位移、建筑物結(jié)構(gòu)形狀以及材料的極限應(yīng)變等，通過對多個(gè)工程實(shí)例的應(yīng)用驗(yàn)證了方法的實(shí)用性；Moorak Son（2005）[4]提出了評價(jià)開挖影響區(qū)內(nèi)建構(gòu)（筑）物破壞的4 階段方法，在假設(shè)結(jié)構(gòu)與地表位移一致的前提下，綜合考慮建筑物開口、地層與結(jié)構(gòu)的相對剛度，通過角變位和水平應(yīng)變來確定結(jié)構(gòu)的危險(xiǎn)性等級。同時(shí)，批評了直接釆用裂縫指標(biāo)評估建筑物損壞等級的方法。

國內(nèi)在基坑周邊環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)評估方面也有較多研究成果，主要集中在基坑變形及其與周邊建構(gòu)筑物變形的關(guān)系，周邊建構(gòu)筑物變形允許值、破壞判斷及保護(hù)等方面的研究，定量化程度有待于進(jìn)一步加強(qiáng)，相關(guān)研究成果如下：

唐孟雄等（1996）等通過對深基坑擋墻水平位移和周邊地表沉降間關(guān)系的研究分析，推導(dǎo)出了周邊地表任意點(diǎn)沉降值的計(jì)算公式，同時(shí)開展了基坑周邊管線的受力分析研究，得出了管道的允許曲率半徑，并以此評判管道是否破壞；楊國偉（2000）通過對基坑開挖影響下承重墻和框架結(jié)構(gòu)附加內(nèi)力的研究，分析得出了在己知地表沉降形態(tài)時(shí)評判建筑物破壞與否的方法，并給出了各類建筑物的容許差異沉降預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)；陳龍（2004）在其博士論文中，建立了軟土地區(qū)盾構(gòu)施工期環(huán)境影響損失的概率分布曲線，并建立了地面沉降和周邊建筑物、路面和管線的損失分布曲線，為風(fēng)險(xiǎn)評估中損失評價(jià)的研究提供了良好思路；徐中華，利用三維有限元建模、基坑實(shí)測數(shù)據(jù)分析等手段對上海地區(qū)支護(hù)結(jié)構(gòu)與主體地下結(jié)構(gòu)相結(jié)合的新型基坑支護(hù)型式的變形性狀進(jìn)行了系統(tǒng)研究，探討了在支護(hù)參數(shù)影響下基坑變形的一般變化規(guī)律，并給出了多種基坑變形預(yù)測的實(shí)用圖表和上限值，研究結(jié)果成功應(yīng)用于上海地區(qū)深基坑變形預(yù)測；另外，李大勇（2000）對軟土深基坑施工開挖影響范圍內(nèi)的地下管線的特性進(jìn)行了深入研究；高文華（2001）對開挖過程中的基坑變形預(yù)測和影響范圍內(nèi)建筑物的保護(hù)進(jìn)行了研究；吳朝陽（2012）、寇潤勝（2014）、何蓓（2016）分別利用三參數(shù)區(qū)間數(shù)（建筑的最大沉降值、最大傾斜度、損傷系數(shù)）、BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測和綜合風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)矩陣法對基坑開挖影響下周邊建筑物安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究，并得到了較好的評價(jià)結(jié)果。

2 現(xiàn)有研究的不足與改進(jìn)建議

雖然前人基坑施工期風(fēng)險(xiǎn)評估開展了一定的研究工作，但是在施工期坍塌風(fēng)險(xiǎn)評估的定量化水平和動態(tài)化程度方面、基坑變形預(yù)測的輸入變量選擇、關(guān)鍵參數(shù)確定、模型預(yù)測精度方面以及地鐵基坑監(jiān)測的自動化水平方面仍存在較多問題。建議可以開展進(jìn)一步的研究。

（1）變形預(yù)測模型輸入變量選取的隨意性過大。目前，變形預(yù)測大體有兩種形式：一種是利用變形的時(shí)間序列滾動預(yù)測變形，具有代表性的是GM（1，1）模型，其他神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型也有應(yīng)用，這種方法是基于變形具有連續(xù)性的特點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測的，但是對于有變形突變的情況預(yù)測精度較低，例如在對“階躍式”滑坡位移預(yù)測時(shí)，通常將總位移分為“趨勢項(xiàng)”和“波動項(xiàng)”，其中“趨勢項(xiàng)”不具有突變性，一般采用GM（1，1）模型進(jìn)行預(yù)測，而“波動項(xiàng)”則采用其他的預(yù)測模型進(jìn)行預(yù)測。另一種是利用與位移相關(guān)的若干影響因素（其中前期位移亦可作為相關(guān)因素）作為輸入變量去預(yù)測位移，這種方法相較利用位移時(shí)間序列滾動預(yù)測位移的方法精度相對較高，而且對位移突變情況也能有較好的預(yù)測能力，但是應(yīng)該選取哪些影響因素作為輸入變量選擇的依據(jù)，是需要解決的關(guān)鍵問題，這對于模型預(yù)測的復(fù)雜程度和預(yù)測精度均有較大影響。

（2）預(yù)測模型關(guān)鍵參數(shù)選取缺乏依據(jù)。變形預(yù)測模型一般都有若干需要人為確定的關(guān)鍵參數(shù)，例如廣義回歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Genera1ized Regression Neura1 Network，GRNN）的平滑因子，極限學(xué)習(xí)機(jī)（Extreme Learning Mechine，ELM）的隱含層神經(jīng)元數(shù)量等等，這些關(guān)鍵參數(shù)對模型預(yù)測精度均有較大影響，無經(jīng)驗(yàn)人員在使用時(shí)總感覺參數(shù)選擇無據(jù)可依。

（3）基坑變形預(yù)測模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)選取問題。在基坑變形預(yù)測模型訓(xùn)練時(shí)，一般選擇同一測點(diǎn)已有監(jiān)測數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)對模型進(jìn)行訓(xùn)練，這種方式合理有效，無可厚非，但是會存在預(yù)測前期訓(xùn)練數(shù)據(jù)相對較少，預(yù)測精度偏低的問題。而同一基坑中的相鄰測點(diǎn)的監(jiān)測數(shù)據(jù)或者已完工的相似基坑的歷史監(jiān)測數(shù)據(jù)對于基坑變形預(yù)測均有參考意義，可以利用這些數(shù)據(jù)來訓(xùn)練預(yù)測模型，這就為提高測點(diǎn)前期預(yù)測精度以及位移突變處的預(yù)測精度提供了思路。

（4）基坑監(jiān)測的自動化水平嚴(yán)重偏低。相較自動化監(jiān)測，人工監(jiān)測具有效率低，影響因素多，無法達(dá)到全天候?qū)崟r(shí)監(jiān)測的不足，相比之下自動化監(jiān)測更能確保基坑工程的安全，目前在運(yùn)營期區(qū)間隧道工程中已有相關(guān)應(yīng)用，在施工期基坑監(jiān)測方面應(yīng)用極少。隨著自動化監(jiān)測設(shè)備價(jià)格的逐漸走低，大數(shù)據(jù)、云計(jì)算等先進(jìn)數(shù)據(jù)存儲、處理技術(shù)飛速發(fā)展，以及深、大、近、難基坑工程的不斷涌現(xiàn)，想必基坑工程的自動化監(jiān)測將是大勢所趨。

建議后續(xù)圍繞帶撐樁（墻）支護(hù)地鐵基坑施工期坍塌風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)評估問題，綜合利用風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測、粗糙集屬性約簡、相關(guān)性分析、數(shù)值模擬和自動化監(jiān)測等技術(shù)方法，開展帶撐樁（墻）支護(hù)地鐵基坑施工期坍塌風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)評估基本理論、評估方法以及基坑變形多元智能預(yù)測的研究，同時(shí)，還可以嘗試開展地鐵基坑施工期變形的自動化監(jiān)測，為帶撐樁（墻）支護(hù)地鐵基坑施工期坍塌風(fēng)險(xiǎn)評估、預(yù)測提供理論和方法參考。

建議可以將基于T-S 模糊故障樹的帶撐樁（墻）支護(hù)地鐵基坑施工期坍塌可能性動態(tài)評價(jià)方法、基于專家調(diào)查法的坍塌損失評價(jià)和基于等風(fēng)險(xiǎn)圖法的坍塌風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)研究三者結(jié)合構(gòu)成帶撐樁（墻）支護(hù)地鐵基坑施工期坍塌風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)評估方法。其中，基于T-S 模糊故障樹的帶撐樁（墻）支護(hù)地鐵基坑坍塌可能性動態(tài)評價(jià)方法利用模糊數(shù)描述各底事件的發(fā)生概率，可克服傳統(tǒng)故障樹過度依賴精確概率的問題，并利用[0，1]之間的數(shù)值表示事件的不同故障狀態(tài)，從而解決FTA 方法的“二態(tài)假設(shè)”問題。同時(shí)，以T-S 模型替換傳統(tǒng)的邏輯與或關(guān)系，解決引入中間故障狀態(tài)解決傳統(tǒng)與或關(guān)系不適用問題，并體現(xiàn)故障機(jī)理和事件聯(lián)系的模糊性，降低故障樹的建立難度。基于此，可以繪制帶撐樁（墻）支護(hù)地鐵基坑施工期坍塌T-S 模糊故障樹，并調(diào)查獲取各T-S 模糊門規(guī)則，最后利用底事件模糊概率和故障程度分別對實(shí)例基坑坍塌可能性進(jìn)行計(jì)算。

3 結(jié)束語

對國內(nèi)外就基坑對周邊環(huán)境影響風(fēng)險(xiǎn)評估相關(guān)的研究成果加以總結(jié)概括，主要得出如下結(jié)論：

（1）現(xiàn)有研究在施工期坍塌風(fēng)險(xiǎn)評估的定量化水平和動態(tài)化程度方面、基坑變形預(yù)測的輸入變量選擇、關(guān)鍵參數(shù)確定、模型預(yù)測精度方面以及地鐵基坑監(jiān)測的自動化水平方面仍存在較多問題。

（2）建議后續(xù)可以開展相關(guān)的研究工作，尤其是預(yù)測模型關(guān)鍵參數(shù)選取、基坑變形預(yù)測模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)選取和基坑監(jiān)測自動化等方面進(jìn)行重點(diǎn)研究。