基于故障樹的深基坑樁錨支護風險評估及預防

許坤坤,鄔明亮,祁春偉,付善春

(1.信陽學院 土木工程學院,河南 信陽 464000; 2.河南省中昌工程建設有限公司,河南 洛陽 471003)

隨著城市建設的快速發(fā)展,地下基礎設施的規(guī)模不斷擴大,環(huán)境因素日趨復雜,基坑開挖深度不斷加深。傳統(tǒng)的放坡支護、土釘墻支護和排樁支護等方法已難以滿足基坑深度和變形的要求。因此,支護樁和預應力錨索有機結(jié)合的樁錨支護結(jié)構(gòu)體系成為一種有效的解決方法,在深基坑項目中得到了廣泛的應用。為確保工程的安全與穩(wěn)定,對樁錨支護體系進行科學的風險評估及預防至關(guān)重要。

深基坑風險評估的方法有德爾菲法[1]、模糊層次綜合評判法[2-4]、安全檢查表法[5]、事件樹法[6]和故障樹法[7]等。其中故障樹分析法被廣泛應用于基坑工程中,為評估基坑風險提供了科學依據(jù)。龍小梅等[8]對基坑排樁支護和放坡支護體系進行了定性分析,識別出潛在的破壞模式,并結(jié)合基坑放坡支護事故案例,對破壞原因進行了剖析。張小平等[9]提出了一種新的底事件概率計算方法,同時采用遞推化法簡化了頂事件的概率計算,使故障樹分析法在排樁支護體系中的應用更為便捷。陳沅江等[10]引入模糊集理論,采用模糊算子計算頂事件發(fā)生的模糊概率,顯著降低了人為因素的主觀性,為評價邊坡錨索錨固的可靠性提供了更為客觀的依據(jù)。成怡沖等[11]從基坑與建筑的幾何關(guān)系、建筑結(jié)構(gòu)自身的狀態(tài)以及建筑的老化情況等多個角度出發(fā),提出了相對應的頂事件概率調(diào)整系數(shù),形成了深基坑周邊建筑安全評價的事故樹分析法。已有研究在深基坑風險評估領(lǐng)域取得了一定的成果,但基于故障樹對深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)體系的風險確定及預防的研究仍然較少。如何確定底事件及其概率以及時間效應對頂事件的不利影響,仍是故障樹應用于樁錨支護體系風險評估需要解決的難題。

本文研究了樁錨支護結(jié)構(gòu)體系發(fā)生的常見事故和原因,構(gòu)建了底事件庫和故障樹,提出了考慮時效性的增大系數(shù)法來調(diào)整頂事件的概率。

1 樁錨支護體系故障樹

1.1 樁錨支護事故及原因

根據(jù)文獻[12-14]的樁錨支護工程事故資料,發(fā)現(xiàn)常見的事故包括樁間護坡面破壞、支護樁破壞、錨索破壞、坑底管涌破壞以及周圍環(huán)境的破壞等。樁錨支護結(jié)構(gòu)體系在土方開挖施工、錨索施工、基坑降水及防排水措施等任一方面出現(xiàn)問題,均可能導致事故的發(fā)生。此外,凍土產(chǎn)生的凍脹力導致橫向土壓力增大、基坑暴露時間超過設計使用周期等因素,也可能是事故發(fā)生的重要原因。

1.2 構(gòu)建樁錨支護故障樹

選取樁錨支護體系事故作為故障樹的頂事件,逐層分析引發(fā)樁錨支護事故的底事件(見表1)。依據(jù)樁錨支護體系的常見事故和原因,構(gòu)建了故障樹(見圖1)。

續(xù)表

1.3 最小割集的確定

根據(jù)圖1,采用布爾代數(shù)運算求解故障樹的最小割集[15],即R=X1+X2X3X4+X5X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X2X3+X20+X21+X22+X23+X24+X25+X26+X18+X19+X20+X21+X2X3+X27+X28+X29+X30+X31+X32+X33+X34+X35X36+X37X38X2X3。

圖1 樁錨支護結(jié)構(gòu)體系故障樹

此故障樹共含有39個最小割集,分別為{X1},{X2X3X4},{X5X6},{X7},{X8},{X9},{X10},{X11},{X12},{X13},{X14},{X15},{X16},{X17},{X18},{X19},{X2X3},{X20},{X21},{X22},{X23},{X24},{X25},{X26},{X18},{X19},{X20},{X21},{X2X3},{X27},{X28},{X29},{X30},{X31},{X32},{X33},{X34},{X35X36},{X38X37X2X3}。其中33個最小割集僅含有1個底事件,表明即使一個很小的不安全因素(底事件)也會導致整個樁錨支護體系發(fā)生事故。39個最小割集中存在重復的最小割集,如{X2X3},還存在相交割集,如{X2X3}、{X2X3X4}、{X38X37X2X3},表明單一因素的重復或相互融合能夠?qū)е聵跺^支護結(jié)構(gòu)體系發(fā)生多種事故。因此,最小割集同時發(fā)生的個數(shù)越多,樁錨支護發(fā)生事故的可能性就越大。

1.4 底事件的概率計算

本文采用中間事件發(fā)生的頻數(shù)與級差概率相乘的方法確定底事件的概率。依據(jù)文獻[12-14]的樁錨支護事故資料,統(tǒng)計了中間事件發(fā)生的頻數(shù),則樁間護坡面破壞支護樁破壞錨索破壞坑底管涌破壞周圍環(huán)境破壞=0.178 60.285 70.357 10.053 60.125 0。

級差概率采用格林厄姆(K.J.Graham)和金尼(G.F.Kinney)提出的作業(yè)危險性評價法[15]。根據(jù)實際樁錨支護工程,忽略最后兩種可能性(極不可能和實際上不可能),同時為了防止級差概率大于1,將其分值乘以0.1,簡化后的底事件級差概率取值如表2所示。根據(jù)級差概率、中間事件的權(quán)重系數(shù)求解出底事件的概率見表3。此方法有效避免了單一采用級差概率來確定底事件概率存在的人為主觀性。

表2 底事件級差概率取值

表3 底事件的概率及排序

續(xù)表

1.5 頂事件的概率計算

若最小割集之間為無重復且相互獨立的事件,則頂事件的概率計算公式為

(1)

式中:m為最小割集序數(shù);n為最小割集數(shù);i為底事件序數(shù);Gm為第m個最小割集:qi為第i個底事件的概率。

若最小割集之間存在相交事件,則采用遞推化法[16]將最小割集之間的相交和事件轉(zhuǎn)化為不相交和事件,即

(2)

(3)

為方便計算樁錨支護結(jié)構(gòu)體系故障樹的頂事件概率,將含有一個底事件的最小割集記為R1,將含有兩個不相交底事件的最小割集記為R2,依次類推,將含有N個不相交底事件的最小割集記為Rn,將相交事件的最小割集單獨記為Rm。頂事件的概率計算公式為

P(T)=P(R1)+P(R2)+…+P(Rn)+P(Rm)

(4)

臨時性索錨的設計周期為24個月,隨著時間的推移,基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)體系會產(chǎn)生建筑材料的老化、錨索(桿)預應力的損失以及長期累加的位移變形等問題,因此提出了簡化的時間效應增大系數(shù),公式為

(5)

式中:t為支護結(jié)構(gòu)體系完工后已使用的月數(shù),當一個月內(nèi)使用超過15 d即取t+1,否則取t。t∈(1,2,…,24),當t>24時,應重新對深基坑進行風險評估。

由式(4)和式(5)聯(lián)合得到頂事件的概率公式為

P(T1)=λt[P(R1)+P(R2)+…+P(Rn)+P(Rm)]

(6)

1.6 關(guān)鍵重要度分析

為尋找故障樹中底事件引起頂事件發(fā)生的可能性大小,引入底事件概率重要度排序法和關(guān)鍵重要度排序法進行對比分析。概率重要度反映了底事件概率變化對頂事件概率變化的影響,關(guān)鍵重要度反映了底事件概率的變化率對頂事件概率變化率的影響。概率重要度、關(guān)鍵重要度的計算公式分別為

(7)

(8)

2 工程實例應用

2.1 工程概況

本文以洛陽市君河灣小區(qū)地下車庫深基坑樁錨支護項目為例。基坑最大開挖深度為10.1 m。基坑東側(cè)為規(guī)劃路,不存在已有建筑物和市政管線,采用樁錨支護;基坑西側(cè)和北側(cè)均存在已建高層住宅樓,含地下車庫兩層,并與基坑相連,無需支護;基坑西北角局部采用樁錨支護;基坑南側(cè)為濱河北路,臨近洛河北側(cè),且存在東西向雨水管道,管徑為1.8 m,埋深約為7.0 m,采用土釘墻支護。地下水類型屬孔隙潛水,穩(wěn)定水位埋深為3.40～9.40 m,主要由大氣降水及河水補給,水位年變化幅度約為3.0 m,降水設計深度為4.4 m,采用管井降水方案。基坑平面及周圍環(huán)境布置如圖2所示。

圖2 基坑平面及周圍環(huán)境布置

2.2 樁錨支護風險分析及預防

在項目設計施工前期,依據(jù)收集的地勘報告、降水支護設計方案、施工技術(shù)水平等資料,基于故障樹安全評估法,表1確定本項目共存在30個底事件,其中不包括X6,X21,X28,X29,X35,X36,X37和X38。再由圖1確定最小割集為{X1},{X2X3X4},{X5},{X7},{X8},{X9},{X10},{X11},{X12},{X13},{X14},{X15},{X16},{X17},{X18},{X19},{X2X3},{X20},{X22},{X23},{X24},{X25},{X26},{X18},{X19},{X20},{X21},{X2X3},{X27},{X30},{X31},{X32},{X33},{X34}。在基坑樁錨支護體系完成時,根據(jù)式(4)計算出頂事件發(fā)生的概率P(T)=0.881 0,若地下車庫施工歷時約6個月,考慮時效性不利影響,根據(jù)式(6)計算出頂事件概率P(T1)=1.101。最后由式(7)和(8)計算出底事件的概率重要度和關(guān)鍵重要度并進行排序,詳見表3。由表3可知,X7、X8和X20代表的未及時支錨、基坑超挖和坑邊附加荷載的關(guān)鍵重要度排序靠前,即對事故發(fā)生的影響作用較大,需重點預防。同時發(fā)現(xiàn)與水害有關(guān)的X3、X4和X5代表的降雨、未設置排水孔、降水深度不足,在30個底事件排序中分別為21、29和30,這與調(diào)查的大量樁錨事故資料中由涉及水害引起的事故發(fā)生率不符,是因為這些底事件均處在“與門”或“條件與門”結(jié)構(gòu)中,最小割集中含有兩個或多個底事件,在關(guān)鍵重要度計算時會受到同一割集中其他底事件的影響。而采用底事件概率重要度排序法得到X2、X3和X4的排序結(jié)果分別為5、1和5,符合事故資料的調(diào)查結(jié)果,有效彌補了關(guān)鍵重要度在“與門”或“條件與門”結(jié)構(gòu)中底事件排序結(jié)果存在的缺陷。

基于上述分析,確定了該項目樁錨支護體系存在的較大風險因素為未及時支錨、基坑超挖、坑邊附加荷載、降雨、降水深度不足和未布置排水孔等。若對這些因素采取有效的預防控制措施,降低其發(fā)生的概率或控制其不發(fā)生后,由式(4)計算出的頂事件發(fā)生的概率P(T)=0.417 2,考慮時間效應的不利影響,由式(6)計算出的頂事件的概率P(T1)=0.521 5,僅為預防前頂事件概率的47.4%,表明預防措施有效降低了頂事件發(fā)生的概率。基于此,在樁錨支護設計施工過程中,采取以下預防措施:①基坑開挖至設計坑底標高以上0.2 m,采用人工開挖方式。②在距離基坑上開挖邊線3 m以內(nèi),禁止施工材料堆放和施工機械通過。③基坑方案設計考慮臨近道路車輛移動荷載的影響,距離基坑開挖上邊線10～15 m布置30 kN/m的活荷載。④在距離基坑開挖上邊線1 m處,設置擋水墻,并在墻外設置寬0.5 m、深0.8 m的排水溝。⑤對降水井內(nèi)水位高程進行實時監(jiān)測,并布置坑內(nèi)疏干井兼?zhèn)溆媒邓＂拊诨由疃葹? m和8 m的位置處水平布置間距為1.6 m的排水孔。

2.3 監(jiān)測結(jié)果驗證

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)標準》[17]進行監(jiān)測數(shù)值控制,本基坑設計安全等級為一級,監(jiān)測控制值以及監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果分別詳見表4和表5。

由表4和表5可知,監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果均未超過預警值,表明對采用故障樹分析法確定的風險因素采取相應的預防措施,能夠有效避免深基坑樁錨支護結(jié)構(gòu)體系事故的發(fā)生,保證深基坑支護整體的安全性和可靠性。目前該項目已施工完成,基坑樁錨支護體系未出現(xiàn)任何破壞。

表4 監(jiān)測控制預警值

表5 樁錨支護監(jiān)測數(shù)據(jù)結(jié)果

3 結(jié)論

(1)根據(jù)故障樹理論,在分析了較多的樁錨支護事故資料基礎上,總結(jié)了樁錨支護事故發(fā)生的根本原因和特點,構(gòu)建了底事件的事件庫,從而建造了樁錨支護體系的故障樹。

(2)提出了簡化時間效應增大系數(shù)法調(diào)整頂事件的概率,并采用概率重要度排序法彌補了關(guān)鍵重要度排序法在分析“與門”或“條件與門”結(jié)構(gòu)中底事件排序存在的缺陷,較全面地確定了對頂事件影響較大的底事件。

(3)結(jié)合工程實例,采用故障樹分析法找到了樁錨支護結(jié)構(gòu)體系存在的較大風險因素,如深基坑超挖、坑邊附加荷載、未及時支錨、降雨、降水深度不足以及未設置排水孔等。采取的相應預防措施能夠有效避免工程事故的發(fā)生,推動樁錨支護體系的應用和發(fā)展。