深基坑開挖對鄰近高壓天然氣管線的安全影響模糊評價研究*

毛石林，孔志軍，郭延輝，宋 琴，張國洋，楊 濤

(1.云南建投第六建設有限公司，云南 玉溪 653199； 2.昆明理工大學公共安全與應急管理學院，云南 昆明 650093；3.云南農業大學建筑工程學院，云南 昆明 650201)

0 引言

21世紀以來，隨著我國大力發展城市建設，城市地下管線眾多，新建深基坑工程不可避免的遭遇城市市政管線。由于深基坑開挖土體卸荷作用，必然引起周邊土體變形，從而威脅管線安全，尤其是城市天然氣管線，一旦破裂將威脅現場施工、城市經濟、周邊居民生命財產安全[1-5]。因此，深基坑開挖過程中鄰近管線安全風險評估對管線正常使用具有重要意義。

為研究深基坑開挖對鄰近管線的影響，保證管線安全運營，國內外眾多學者開展大量研究，并取得豐富成果。郭延輝等[6]通過Midas GTS NX模擬分析某小區深基坑開挖支護過程中，對鄰近天然氣管線的影響，對比分析理論計算結果可知深基坑支護強度不足，有待加強。喻志潔等[7]通過改進WPSI模型，結合ABAQUS軟件計算得到管壁內力及管道位移。高丙麗等[8]構建西安地鐵施工對鄰近管線安全影響的評估體系，采用模糊綜合評價法計算不同因素的風險等級。吳賢國等[9-10]劃定地鐵施工鄰近管線的風險等級，構建鄰近地鐵施工管線安全管理體系。張孟喜等[11]通過ANSYS 軟件分析不同開挖情況對鄰近管線的影響，并改進BP神經網絡，預測鄰近深基坑開挖管線的沉降情況。

目前對鄰近基坑開挖管線安全的研究主要通過數值模擬、理論計算模型進行，成果顯著，但未綜合考慮所有影響因素，且對管線安全影響的評價研究較少。因此，以巴彥淖爾市某小區鄰近管線深基坑開挖為背景，采用層次分析法，結合變權理論及相對差異函數構建鄰近基坑開挖管線安全評價體系，分析鄰近深基坑開挖管線安全風險等級。

1 鄰近開挖基坑管線安全評價體系構建

1.1 工程概況

某小區建筑深基坑位于巴彥淖爾市臨河區，擬開挖基坑形狀不規則，開挖深度較深，擬建工程包括西段地下車庫地下1層，為框架結構，采用筏板基礎，基坑開挖至自然地坪下6.2m；東段地下車庫地下2層，為框架結構，采用筏板基礎，基坑開挖至自然地坪下10.1m。基坑形狀不規則，東西長約182m。基坑支護坡段南側為天然氣管道，管道直徑為36cm，壁厚8mm，埋深4.7m，里程位置處于長烏臨天然氣管道K405+700—K405+900m處。基坑開挖范圍內出現的土層主要是雜填土、粉土、粉細砂、細砂。

1.2 鄰近開挖基坑管線安全風險影響因素辨別

根據現場調研結果，該基坑開挖支護對南側天然氣管道可能造成的常見破壞形式包括管壁破壞、管壁壓屈、超撓曲、縱向應力屈服及構造破壞等。為系統分析深基坑開挖對鄰近管線的影響，評估影響因素的重要程度，在對某深基坑工程現場情況的研究基礎上，基于大量鄰近管線深基坑開挖研究成果及相關文獻，結合相關領域專家意見，確定鄰近開挖基坑管線的主要安全風險因素為基坑施工工藝、管線因素和環境。

基坑開挖過程中，由于土體開挖卸荷作用，導致一定范圍內土體回彈變形，基坑開挖深度越大、開挖尺寸越大對周邊土體影響越大。基坑周邊土體沉降變形、水平方向發生位移必然引起鄰近基坑管線受力變形，嚴重地將導致管線破裂失效。同時，基坑采用什么樣的支護形式對基坑周邊環境影響較大，華北地區技術較成熟的護坡方式有排樁(或樁錨)、地下連續墻、鋼板樁、噴錨支護、土釘墻等類型，地下連續墻、鋼板樁多用于深大基坑且地下水豐富又不宜降水的地區，但工期相對較長；而排樁、噴錨、土釘墻支護是施工工藝成熟、工期相對較短的支護形式，穩定性高，在基坑支護中被廣泛應用。因此，在考慮基坑開挖對鄰近管線影響時，基坑支護模式是重要的考慮因素。由于該基坑形狀不規則，導致基坑周邊不同位置土體受力不均，因此，管線相對基坑位置、埋深、埋距，管線管徑、壁厚及材料等都對管線安全穩定起重要作用。基坑范圍內以砂土為主，砂土遇水易液化，導致土體下沉，容易造成管線變形破壞，影響管線安全。因此，對現場水文及周邊環境的考慮是評價體系構建的重要一環，周邊環境主要包括周邊堆土、降雨、地下水及周邊建筑等。

1.3 評價指標體系的確定

根據評價體系構建原則及篩選方法，確定基坑施工工藝、管線因素和環境評價準則，細分出基坑支護模式、施工流程、降水、開挖深度和尺寸、管線材料、距基坑埋距、埋深、管徑、管壁厚、相對基坑位置、周邊環境、地層分布、巖土性質、水文地質條件、地形地貌共16個評價指標，如表1所示。

表1 鄰近開挖基坑管線安全評價體系

1.4 權重與一致性檢驗

權重是鄰近開挖基坑管線安全評價的關鍵部分，通過表1鄰近開挖基坑管線安全評價體系，確定每項指標在整個評價體系中的重要程度，計算權重。目前常用的權重計算方法包括層次分析法、優序圖法、熵值法、模糊法、專家評價法等，根據各計算方法計算準則及工程情況，本文采用層次分析法(AHP)計算評價指標權重。計算過程如下：①根據研究問題，在充分研究工程現場情況的基礎上，確定研究對象相關影響因素，形成3層或多層評價指標體系；②邀請相關專家對評價體系各層同一指標下屬各指標進行兩兩比較，按照各指標重要性進行評分，評分采用1～9標度法，并形成判斷矩陣。標度1表示2個元素的同樣重要性；標度3表示2個因素中，一個因素比另一個重要性略強；標度5表示2個因素中一個因素比另一個重要性顯著更強；標度7表示2個因素中一個元素比另一個重要性強烈許多；標度9表示2個因素中一個因素比另一個重要性達到極端；標度2,4,6,8表示上述相鄰判斷的中間值；其倒數表示兩元素重要比較值的倒數；③采用方根法計算各判斷矩陣特征向量，歸一化處理后，得到各指標權重；④對于滿足一致性要求的判斷矩陣進行下步計算，需重新構造不滿足一致性要求的判斷矩陣，一致性檢驗公式為CI=(λmax-n)/(n-1);CR=CI/RI，RI表示隨機性指標，取值如表2所示，當CR<0.1時，判斷矩陣滿足一致性要求，可進行下一步，否則重新構造判斷矩陣；⑤為克服傳統評價方法存在的不足，基于變權理論優化權重。

表2 隨機性指標RI取值

根據鄰近開挖基坑管線安全評價體系，邀請5名相關專家對目標層、準則層下屬指標進行兩兩評判，形成判斷矩陣如表3所示。基于判斷矩陣，采用方根法計算各指標權重值。

表3 鄰近基坑管線安全評價準則層權重

根據一致性檢驗計算公式，得表3準則層的CI=0.001，CR=0.002<0.1，該構造矩陣符合要求。同理得到基坑施工工藝、管線因素及環境準則層權重如表4～6所示。表4中CI=0.012，CR=0.011<0.1；表5中CI=0.039，CR=0.031<0.1；表6中CI=0.008，CR=0.007<0.1。

表4 基坑施工工藝各指標權重

表5 管線因素各指標權重

表6 環境各指標權重

經計算，各判斷矩陣CR值均<0.1，說明判斷矩陣符合一致性要求，各指標重要性評分相對合理，能較好反映評價體系中各因素對管線安全的影響程度。使用傳統評價方法評估安全性時，評價體系中某些較差因素的重要性容易受較好因素的影響而減弱影響程度，因此，本文基于傳統權重計算結果，引入變權理論[12-13]修正權重。在現場調研中，綜合評估打分后計算指標變權。各指標變權計算如下：

(1)

由表7可以發現，經過計算組合權重，基坑開挖深度和基坑開挖尺寸是影響管線安全性的主要風險，其次是管線距基坑埋距、管線埋深，地形地貌對管線安全影響最小。

表7 專家評分及層組合權重

2 基于相對差異函數的鄰近基坑管線安全評價

模糊評價中，通常采用隸屬度向量代替某因素重要程度，目前隸屬度向量確定方法主要有模糊統計法、專家經驗法、利用分布函數將指標特征值模糊化。其中第3種方法最受認可，其分布函數包括三角函數 、正弦函數 、梯形函數等，而本文分布函數采用陳守煜[14]提出的相對差異函數模型。

根據項目現場情況，本文將影響管線安全等級的論域分成5個等級，為影響極小，影響可接受，影響中等，影響較大，影響極大，以1～5分別代替5個等級，數值越大，影響程度越強。專家評分及層組合權重如表7所示。

根據項目實際，分值指標區間為Iab=([100,90)1,[90,80)2,[80,70)3,[70,60)4,[60,0)5)

變動區間范圍值矩陣為：

Icd=([100,80)1,[100,70)2,

[90,60)3,[80,0)4,[70,0)5)

根據安全性指標特點，確定5個等級的M向量，M=(100 90 75 100)。

根據專家打分情況，根據相對差異函數計算并歸一化后得到基坑施工工藝、管線因素和環境隸屬度矩陣，如基坑施工工藝的5個二級指標隸屬度矩陣如下：

(2)

風險隸屬向量B=A·R，其中A為準則層指標變權重向量，根據級別特征值判斷評價結果優劣。基坑施工工藝B1隸屬度向量如下：

(3)

則基坑施工工藝B1特征值如下：

(4)

計算結果表明基坑施工工藝對管線影響程度等級為3級，屬于中等影響等級。同理，得到管線因素為2級，接近于3級；環境為1級。

通過對準則層指標安全等級進行評價計算，獲得準則層指標隸屬度向量，從而得到鄰近基坑管線的安全評價隸屬度矩陣R：

(5)

根據前述方法計算鄰近基坑管線安全特征值，結果H=3.208，可知該鄰近基坑管線安全風險等級為3級，表明深基坑開挖對鄰近管線安全影響基本可接受，但需要密切關注管線，加強基坑支護或管線管理。

3 結語

1)基于層次分析法，構建鄰近基坑管線安全評價體系，該系共3層，其中準則層為基坑施工工藝、管線因素、環境，指標層共16個。

2)經過計算組合權重，基坑開挖深度和基坑開挖尺寸是影響管線安全性的主要風險，其次是管線距基坑埋距、管線埋深，地形地貌對管線安全影響最小。

3)根據相對差異函數計算目標層、準則層特征值，結果表明，基坑施工工藝對管線影響程度等級為3級，管線因素為2級，接近3級，環境為1級。該鄰近基坑管線安全風險等級為3級，需要密切關注管線并加強管理，基坑開挖前應加固管線周圍土體，增加基坑支護結構強度。