李海亮，王艷明，張 敏，劉光軍，梁 斌

(1.中交二公局第四工程有限公司，河南 洛陽(yáng) 471013；2.河南科技大學(xué) 土木工程學(xué)院,河南 洛陽(yáng) 471023)

0 引言

隨著城市管網(wǎng)體系的快速發(fā)展，地下空間的開(kāi)挖深度越來(lái)越大，綜合管廊工程成為城市地下工程的發(fā)展趨勢(shì)[1]。地下綜合管廊是用于集中敷設(shè)電力、通信、廣播電視、給水等市政管線的公共隧道，可有效杜絕“拉鏈馬路”現(xiàn)象。綜合管廊是城市賴(lài)以生存和可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)設(shè)施，也是發(fā)揮城市功能、協(xié)調(diào)和可持續(xù)發(fā)展的重要保障[2-3]。在富水軟弱地層等復(fù)雜條件下，地質(zhì)參數(shù)較多且具有不確定性。因此，在臨海富水軟弱地層綜合管廊建設(shè)中，合理選擇基坑支護(hù)方式尤為重要。

近年來(lái)，研究人員將數(shù)學(xué)模型與信息化理論引入基坑支護(hù)方案優(yōu)選中，提出了諸多基坑支護(hù)優(yōu)選方案，取得了一定成果[4-9]。文獻(xiàn)[10]以參與主體構(gòu)成的評(píng)價(jià)專(zhuān)家組合為基礎(chǔ)，結(jié)合武漢市某深基坑工程特點(diǎn)，以技術(shù)、質(zhì)量、安全、成本、進(jìn)度和環(huán)境影響這6個(gè)指標(biāo)作為深基坑工程方案評(píng)價(jià)指標(biāo)，確定最優(yōu)方案。文獻(xiàn)[11]從深基坑工程方案的優(yōu)選原則出發(fā)，確定技術(shù)可行、環(huán)境影響、施工便捷、安全質(zhì)量以及經(jīng)濟(jì)合理等指標(biāo)，并采用多目標(biāo)模糊決策理論確定支護(hù)樁+內(nèi)支撐為最優(yōu)支護(hù)方案。文獻(xiàn)[12]以廣州地鐵二號(hào)線工程為依托，將模糊概率理論與層次分析法相結(jié)合，評(píng)判支護(hù)方案優(yōu)劣，最終確定加筋水泥土樁錨支護(hù)技術(shù)為最優(yōu)。文獻(xiàn)[13]利用加速遺傳算法進(jìn)行深基坑支護(hù)方案優(yōu)選，結(jié)合工程實(shí)例表明：該模型所得的優(yōu)度值可信度高，便于決策。目前，缺少對(duì)臨海富水地區(qū)地下綜合管廊狹長(zhǎng)帶狀深基坑支護(hù)方案優(yōu)選的研究。

在臨海富水軟弱地層管廊深基坑工程中，影響支護(hù)方案的因素繁多且復(fù)雜，每個(gè)因素的影響程度各不相同，這些因素既相互關(guān)聯(lián)又相互制約。本文以福建省福州市濱海新區(qū)萬(wàn)新路地下綜合管廊深基坑K0+820～K0+880、K0+980～K1+120、K1+340～K1+460這3個(gè)標(biāo)段的在建工程為依托，在調(diào)研臨海富水軟弱地層特點(diǎn)和建筑環(huán)境特性的基礎(chǔ)上，分析影響臨海富水軟弱地層管廊深基坑方案評(píng)判中的諸多定性因素和定量因素，建立綜合管廊深基坑支護(hù)方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。采用層次分析法確定各因素權(quán)重，并根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論進(jìn)行模糊綜合評(píng)判，確定最優(yōu)支護(hù)方案。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)及水文條件

福建省福州市濱海新城地下綜合管廊在道路標(biāo)準(zhǔn)段，布置于萬(wàn)新路南側(cè)非機(jī)動(dòng)車(chē)道、側(cè)分帶下。地下綜合管廊平面線形與所在道路平面線形基本一致，縱向定位線距道路中線20.10 m。起止樁號(hào)為K0+080～K2+000，長(zhǎng)1 920 m；K0+745十字交叉口處支線管廊長(zhǎng)52.4 m；地下綜合管廊共計(jì)長(zhǎng)1 972.4 m。綜合管廊大部分分布在道路東側(cè)人行道下，基坑開(kāi)挖深度為4.9～10.4 m，基坑形狀為狹長(zhǎng)帶狀。地下綜合管廊效果圖如圖1所示。地下綜合管廊區(qū)表層為薄層的人工耕植土和雜填土，其下為第四系濱海沖積層粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)土夾砂和(含泥)中砂等，下伏為力學(xué)性能好的全-微風(fēng)化燕山晚期第3次侵入花崗巖。

圖1 地下綜合管廊效果圖

管廊基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)地層主要為填土層、淤泥質(zhì)土夾砂和(含泥)中砂層。填土中的上層滯水，水量小，受大氣降水及生活用水的影響較大，隨季節(jié)變化較大，雨季時(shí)對(duì)基坑開(kāi)挖影響較大，易產(chǎn)生流砂、流泥現(xiàn)象。淤泥質(zhì)土夾砂為軟弱土層，基坑開(kāi)挖容易出現(xiàn)流泥、沉降和隆起的可能。(含泥)中砂層孔隙承壓水的水位較高，對(duì)綜合管廊開(kāi)挖影響較大，易產(chǎn)生基底突涌或隆起的可能。因此，在福州市萬(wàn)新路地下綜合管廊建設(shè)中，選擇合理的支護(hù)方式尤為重要。

1.2 工程特征及方案初選

地下綜合管廊共計(jì)長(zhǎng)1 972.4 m，沿線場(chǎng)地大部分為農(nóng)田菜地和池塘，局部穿越現(xiàn)存河道和道路。在此基礎(chǔ)上，截取地下綜合管廊中涉及管廊節(jié)點(diǎn)較多的K0+820～K0+880標(biāo)段，地質(zhì)勘探顯示存在花崗巖石層且部分橫穿池塘的K0+980～K1+120標(biāo)段，以及部分下穿萬(wàn)新路2號(hào)橋的K1+340～K1+460標(biāo)段。以這3個(gè)標(biāo)段為例，各標(biāo)段的特征如表1所示。

表1 3個(gè)標(biāo)段的特征

根據(jù)臨海富水軟弱地層特征及水文地質(zhì)條件，綜合各方面因素，K0+000～K1+200標(biāo)段基坑可采用排樁+內(nèi)支撐形式進(jìn)行支護(hù)，并設(shè)置排水溝和集水井進(jìn)行集水明排。3個(gè)標(biāo)段具有不同特點(diǎn)、不同影響因素以及設(shè)計(jì)原則，經(jīng)專(zhuān)家討論，其初步支護(hù)方案為：鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁(方案1)，泥土攪拌墻(soil mixing wall，SMW)工法樁+鋼支撐(方案2)，鋼板樁+鋼支撐(方案3)。采用模糊層次法對(duì)擬選出的3個(gè)方案進(jìn)行綜合評(píng)判，為實(shí)際工程提供依據(jù)。

2 支護(hù)方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系的構(gòu)建

針對(duì)福州市萬(wàn)新路地下綜合管廊深基坑場(chǎng)地條件和周?chē)h(huán)境，分析臨海富水軟弱地層地質(zhì)特點(diǎn)及工程建設(shè)條件，利用層次分析法基本原理[14]，可建立臨海富水軟弱地層地下綜合管廊深基坑支護(hù)方案綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，見(jiàn)圖2。

3 支護(hù)方案優(yōu)選

3.1 建立層次結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)層次分析法基本原理，按照?qǐng)D2的層次結(jié)構(gòu)，結(jié)合福州市地下綜合管廊K0+820～K0+880標(biāo)段工程地質(zhì)、水文條件以及設(shè)計(jì)要求，通過(guò)專(zhuān)家調(diào)查、現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試等多種手段，獲得各因素評(píng)價(jià)指標(biāo)。專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果見(jiàn)表2。

表2 專(zhuān)家評(píng)價(jià)結(jié)果

在眾多評(píng)價(jià)指標(biāo)中，有的是定性判斷指標(biāo)，如基坑止水效果，有的是定量判斷指標(biāo)，如工程總造價(jià)，各個(gè)指標(biāo)存在量綱、量級(jí)差異。為使不同評(píng)價(jià)指標(biāo)具有可比性，對(duì)其進(jìn)行無(wú)量綱處理[15]，各支護(hù)方案指標(biāo)值見(jiàn)表3。

表3 各支護(hù)方案指標(biāo)值

3.2 采用層次分析法確定評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量

3.2.1 構(gòu)造兩兩比較判斷矩陣

由于K0+820～K0+880標(biāo)段工程地質(zhì)條件復(fù)雜且影響基坑開(kāi)挖因素較為繁多，因此采用兩兩比較的辦法求出權(quán)重。本文采用德?tīng)柗品╗16]構(gòu)造判斷矩陣，通過(guò)薩蒂(Saaty)給出的9個(gè)重要性等級(jí)及其賦值進(jìn)行評(píng)價(jià)，避免人為產(chǎn)生隨意性等負(fù)面影響，提高準(zhǔn)確度。同一層元素重要性程度比較可以采用1～9標(biāo)度法[17]，形成判斷矩陣AB：

(1)

其中：bij為Bi與Bj對(duì)于目標(biāo)層A進(jìn)行重要性比較的量值。

結(jié)合福州市地下綜合管廊K0+820～K0+880標(biāo)段工程地質(zhì)、水文條件以及各項(xiàng)評(píng)判指標(biāo)，得到專(zhuān)家評(píng)分表。根據(jù)1～9標(biāo)度法對(duì)專(zhuān)家評(píng)分表整理可得到A-B因素的判斷矩陣，調(diào)查結(jié)果見(jiàn)表4。同理，根據(jù)1～9標(biāo)度法對(duì)專(zhuān)家評(píng)分表整理，各準(zhǔn)則層B對(duì)于指標(biāo)層C的調(diào)查結(jié)果，見(jiàn)表5～表8。

表4 A-B判斷矩陣調(diào)查結(jié)果

表5 B1-C判斷矩陣調(diào)查結(jié)果

表6 B2-C判斷矩陣調(diào)查結(jié)果

表7 B3-C判斷矩陣調(diào)查結(jié)果

表8 B4-C判斷矩陣調(diào)查結(jié)果

3.2.2 層次單排序及一致性檢驗(yàn)

對(duì)上述地下綜合管廊K0+820～K0+880標(biāo)段所構(gòu)建的表4～表8判斷矩陣調(diào)查結(jié)果進(jìn)行層次單排序與一致性檢驗(yàn)，得到影響地下綜合管廊該標(biāo)段評(píng)判體系的權(quán)重。層次單排序是根據(jù)判斷矩陣推算本層次全部元素對(duì)上一層次某一元素的權(quán)重，較嚴(yán)謹(jǐn)?shù)呐判蚍椒ㄊ亲畲筇卣鞲?。但本文?duì)其準(zhǔn)確度要求不高，因此采用方根法近似求解[18]。

為使判斷矩陣合理，需要按式(2)對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。

(2)

(3)

其中：n為判斷矩陣階數(shù)；CI為一致性檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，取值見(jiàn)表9。當(dāng)CR<0.1時(shí)，層次單排序具有滿(mǎn)意的一致性。

表9 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)

由表4～表8可構(gòu)造判斷矩陣AB、B1C、B2C、B3C和B4C,并計(jì)算各因素的權(quán)重Wi，利用式(2)和式(3)對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。Wi、CI和CR值見(jiàn)表10。由表10可知：各判斷矩陣均有較滿(mǎn)意的一致性。

表10 Wi、CI和CR值

3.2.3 層次總排序及一致性檢驗(yàn)

得到各層元素單排序權(quán)重后，采用加權(quán)綜合的方法對(duì)評(píng)估模型進(jìn)行層次總排序計(jì)算，并進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。層次單排序和層次總排序結(jié)果見(jiàn)表11。

表11 層次單排序和層次總排序結(jié)果

對(duì)表11的層次總排序結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)：

(4)

(5)

(6)

由式(6)可知：層次總排序有一致性。C層對(duì)B層的總排序?yàn)閃1=(0.123，0.049，0.049，0.114，0.069，0.297，0.060，0.030，0.059，0.066，0.058，0.026)。由此可得，工程總造價(jià)C6對(duì)地下綜合管廊K0+820～K0+880標(biāo)段支護(hù)方案優(yōu)選的影響最重要，而設(shè)備供應(yīng)C12對(duì)方案的選擇影響最小。

3.3 基坑支護(hù)方案模糊綜合評(píng)判

3.3.1 建立相對(duì)優(yōu)屬度

在優(yōu)選過(guò)程中,為了比較和方便計(jì)算，需把特征值進(jìn)行歸一化處理，得到指標(biāo)優(yōu)屬度矩陣。其中，計(jì)算分為效益型指標(biāo)和成本型指標(biāo)，分別用r1ij和r2ij表示。

效益型指標(biāo)，即越大越優(yōu)指標(biāo)，如穩(wěn)定性，按下式求r1ij：

(7)

成本型指標(biāo)，即越小越優(yōu)指標(biāo)，如造價(jià)，按下式求r2ij：

(8)

根據(jù)上述對(duì)專(zhuān)家調(diào)查評(píng)分(見(jiàn)表2)無(wú)量綱處理后的各支護(hù)方案指標(biāo)值(見(jiàn)表3)，通過(guò)式(7)和式(8)計(jì)算可得到相對(duì)優(yōu)屬度矩陣為：

3.3.2 建立模糊綜合評(píng)價(jià)

根據(jù)模糊數(shù)學(xué)理論，多目標(biāo)系統(tǒng)模糊決策可用W×R=B模式描述[19]。即：

(9)

Bi表示方案的綜合優(yōu)越度，根據(jù)方案綜合優(yōu)越度進(jìn)行數(shù)值排序得出最優(yōu)方案。

3.3.3 確定最優(yōu)方案

根據(jù)上述理論求出相對(duì)優(yōu)屬度矩陣R與因素權(quán)重矩陣W,可得模糊綜合評(píng)價(jià)為：

B1=W1×R=(0.396，0.437，0.586)。

(10)

根據(jù)最大優(yōu)屬度原則，由式(10)計(jì)算結(jié)果可知：方案3的得分最高為0.586；其次是方案2，得分為0.437。因此，鋼板樁+鋼支撐(方案3)為K0+820～K0+880標(biāo)段最佳推薦方案。

結(jié)合地下綜合管廊K0+980～K1+120和K1+340～K1+460標(biāo)段的支護(hù)方案選型中各項(xiàng)評(píng)價(jià)指標(biāo)，運(yùn)用模糊層次分析法，根據(jù)工程實(shí)際情況，評(píng)價(jià)因素權(quán)重向量。地下綜合管廊K0+980～K1+120標(biāo)段總排序?yàn)?W2=(0.163，0.071，0.071，0.178，0.100，0.143，0.072，0.030，0.059，0.045，0.043，0.025)，其模糊綜合評(píng)價(jià)為：

B2=W2×R=(0.566，0.477，0.390)。

(11)

方案1得分最高，根據(jù)K0+980～K1+120標(biāo)段的實(shí)際情況，地層存在碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，為確保支護(hù)結(jié)構(gòu)能順利施工，鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁(方案1)為管廊K0+980～K1+120標(biāo)段最佳推薦方案。

地下綜合管廊K1+340～K1+460標(biāo)段總排序?yàn)閃3=(0.083，0.063，0.269，0.071，0.096，0.057，0.010 8，0.046，0.036，0.059，0.057，0.055)，其模糊綜合評(píng)價(jià)為：

B3=W3×R=(0.512，0.613，0.418)。

(12)

方案2得分最高，綜合評(píng)判中支護(hù)系統(tǒng)滿(mǎn)足變形要求，C3對(duì)方案選擇最重要，因此SMW工法樁+鋼支撐(方案2)為K1+340～K1+460標(biāo)段最佳推薦方案。

4 支護(hù)方案實(shí)施及監(jiān)測(cè)結(jié)果

4.1 支護(hù)施工

依據(jù)模糊層次分析法，對(duì)所列舉地下綜合管廊3個(gè)標(biāo)段K0+820～K0+880、K0+980～K1+120和K1+340～K1+460的準(zhǔn)則層及指標(biāo)層進(jìn)行綜合評(píng)判。評(píng)判結(jié)果是：指標(biāo)層工程總造價(jià)C6對(duì)K0+820～K0+880標(biāo)段支護(hù)方案選擇最重要，確定最優(yōu)方案為鋼板樁+鋼支撐；指標(biāo)層支護(hù)系統(tǒng)滿(mǎn)足地質(zhì)要求C4對(duì)K0+980～K1+120標(biāo)段支護(hù)方案選擇最重要，確定最優(yōu)方案為鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁；而K1+340～K1+460標(biāo)段，支護(hù)系統(tǒng)滿(mǎn)足形變要求C3對(duì)其支護(hù)方案選擇最重要，確定最優(yōu)方案為SMW工法樁+鋼支撐。實(shí)際工程中支護(hù)施工如圖3～圖5所示。

4.2 監(jiān)測(cè)結(jié)果

監(jiān)測(cè)控制值按照《福州東南快速通道(長(zhǎng)樂(lè)營(yíng)前至濱海新城萬(wàn)新路復(fù)線段)工程A1合同段施工設(shè)計(jì)圖》及《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》進(jìn)行控制。監(jiān)測(cè)控制值以及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果分別如表12和表13所示。

表12 監(jiān)測(cè)控制值

注：根據(jù)規(guī)范和設(shè)計(jì)資料的要求，鋼支撐控制值要低于60%×構(gòu)件承載能力設(shè)計(jì)值，本工程控制值為825 kN。

表13 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果

注：鋼支撐軸力的月累計(jì)最大值在樁號(hào)K1+920處，變化量為-44.88 kN,未超出報(bào)警值。

由表12和表13可知：監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果均未超過(guò)報(bào)警值，運(yùn)用模糊層次分析法優(yōu)選結(jié)果合理，K0+820～K0+880、K0+980～K1+120、K1+340～K1+460標(biāo)段分別采用鋼板樁+鋼支撐、鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁、SMW工法樁+鋼支撐，方案可行。通過(guò)模糊層次分析法確定3種支護(hù)方案運(yùn)用在福州市萬(wàn)新路地下綜合管廊施工中，并取得理想效果。

5 結(jié)論

(1)采用層次分析法構(gòu)造臨海富水軟弱地層地下綜合管廊基坑支護(hù)方案評(píng)判指標(biāo)體系，從技術(shù)可行性、經(jīng)濟(jì)合理性、環(huán)境影響和施工便捷程度4個(gè)方面分析影響基坑支護(hù)方案選擇的因素，解決了臨海富水軟弱地層地下綜合管廊基坑支護(hù)方案優(yōu)選問(wèn)題。

(2)針對(duì)地下綜合管廊3個(gè)標(biāo)段不同地質(zhì)、埋深和環(huán)境等特性，運(yùn)用模糊綜合評(píng)判法真實(shí)客觀地評(píng)判綜合管廊基坑中3個(gè)標(biāo)段的支護(hù)方案，K0+820～K0+880、K0+980～K1+120、K1+340～K1+460標(biāo)段最優(yōu)支護(hù)方案分別為鋼板樁+鋼支撐、鉆孔灌注樁+高壓旋噴樁、SMW工法樁+鋼支撐。

(3)根據(jù)監(jiān)測(cè)結(jié)果分析，支護(hù)施工監(jiān)測(cè)樁頂水平位移、樁頂沉降、樁體深層水平位移以及鋼支撐軸力月累計(jì)最大變化量分別為11.73 mm、-3.57 mm、1.44 mm、-44.88 kN，變化值均未超出報(bào)警值，滿(mǎn)足規(guī)范要求，驗(yàn)證了模糊綜合評(píng)判模型的合理性和優(yōu)選結(jié)果的可靠性。

(4)運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)方法計(jì)算時(shí)，權(quán)重選擇對(duì)結(jié)果影響很大，采用德?tīng)柗品朔藶橹饔^因素在構(gòu)造判斷矩陣時(shí)產(chǎn)生的負(fù)面影響，使評(píng)價(jià)系統(tǒng)更趨科學(xué)合理。

(5)采用模糊層次分析法，對(duì)臨海富水軟弱地層地下綜合管廊支護(hù)方案作出評(píng)判，評(píng)判結(jié)果在實(shí)際工程中取得良好效果，證明了此方法的科學(xué)性與合理性，可為今后地下綜合管廊基坑工程支護(hù)方案選擇提供理論依據(jù)。