基于指数矩阵的深基坑邻近砌体房屋安全风险评估

陈大川，何蓓，胡建平,2，刘翔

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.中南大学 后勤保障部，湖南 长沙 410083)



基于指数矩阵的深基坑邻近砌体房屋安全风险评估

陈大川1，何蓓1，胡建平1,2，刘翔1

(1.湖南大学 土木工程学院，湖南 长沙 410082；2.中南大学 后勤保障部，湖南 长沙 410083)

摘要:为客观评估深基坑邻近的砌体结构房屋的安全风险等级，基于综合风险指数矩阵法建立具有实操性的安全风险评估模型。根据深基坑施工对房屋的影响机理及砌体结构的受损机理，从深基坑和砌体房屋2个方面各选取4个二级评价指标；利用层次分析法结合改进灰色关联度法确定指标权重；提出具有区分度的评价标准和赋值方法，并同时考虑修正系数来综合评定砌体房屋的安全风险等级；最后通过工程实例，该评价模型的可操作性和可靠性得到了有效验证。

关键词：深基坑邻近；砌体房屋；安全评估；综合指数矩阵法

伴随着城镇化建设的发展，各类深基坑工程不断兴建以满足建设的需要。深基坑往往毗邻已有建筑物，其施工开挖引起的差异沉降、水平位移等必然对附近产生影响，甚至可能威胁到周围房屋的结构安全[1-2]。砌体结构房屋作为我国传统的房屋形式，分布范围广、总量大，既有年限较长；深基坑在开挖的工程中，因土体的应力释放引起的地表沉降差异及水平位移对周边砌体结构房屋的影响较其他结构房屋更显著[3]。目前，国内外主要采用数值模拟的方法研究深基坑的沉降预测[4]和变形规律[4-6]。此方法建模复杂、耗时长，难以被普通工程人员采用，对深基坑周边房屋进行逐一建模的工程量很大。少量已建立的建筑物系统安全风险评估体系也未将建筑物按照结构类型区分对待，会导致指标分级标准难以统一，受房屋类型的影响，结果往往有所失准。作者根据多年从事受地下工程施工影响结构的安全鉴定的累积经验，建立一套适用于深基坑周边砌体结构房屋的评价模型。从深基坑开挖与砌体房屋相互影响的机理和工程实践出发选取评价指标，并采用AHP专家打分法结合改进灰色关联度法来确定各个指标的权重，并将指标的赋值评分标准细化，使模型在实际中具有操作性；最后运用于工程实例验证了适用性与可靠性。本研究可为深基坑邻近砌体结构房屋事前的安全风险普查与鉴定提供参考依据。

1评估模型

1.1建模依据

地下工程中有关风险评价的方法可按照评估过程的实际操作分为纯定性方法、纯定量方法和半定量方法。由于在实际操作中，纯定量分析需要借助可靠度理论和数值分析计算，并且得到准确的事故概率颇为困难，故运用半定性半定量模型较为易于被广大工程人员接受和采用。风险指数法是较为常用的一种半定量方法。风险指数法通过统计收集定量或定性指标，借助事先确定的评价标准以得到相应的指标值，再借助数学计算方法得到一个综合指标，由此判断待评价对象的综合风险等级。以肯特指数法为代表的风险指数法如今已被运用在长输管道、地铁施工、桥梁施工 、水质评价等领域[7-10]。

风险矩阵评估方法(risk matrix method, RMM)起源于美国，在我国的隧道、地下工程、隧道等的规范中，已被列为一种推广的风险评估指导方法[11-12]。常见的通过风险概率、风险事件发生带来的损失来客观描述风险等级，具有条理清楚、简明易懂、可操作性强的优点。

将风险指数法用在安全风险评估中，可以实现定性向半定量的转化，使得评定的结果区分度更为明显；深基坑邻近砌体房屋的安全性能主要取决于深基坑的施工安全性和房屋抵抗变形的能力，即易损性，采用风险矩阵能将这两方面综合考虑。上述方法均在安全风险评价中运用较广、可靠性良好，本文考虑运用综合风险指数矩阵法建立评价模型。

1.2评价指标的选取

风险评估首先要选择行之有效的安全风险评价指标。其选取按照科学性、独立性的原则，还应兼具易测性和区分度高的特点。从风险识别的角度入手，结合深基坑工程施工的实际特点，从深基坑对周边的影响机理出发，甄选4个影响深基坑施工期安全风险的关键因素，即：基坑设计深度F11，水文地质情况F12，基坑施工方案F13，施工技术水平及条件F14；从砌体房屋的受损机理出发，选取4个对其易损性影响较大的关键因素，即：基础类型及基础埋深F21，承重墙体用材F22，构造整体性F23，上部结构刚度F24。以上述因素作为评价指标，构建评价指标体系。

1.3评估模型的建立

本文将风险指数法和风险矩阵法有机结合起来的建模总体思路如下：先搜集相关原始数据，以得到深基坑施工指数值F1和砌体房屋易损性指数值F2，采取下列公式计算指标分值：

(1)

(2)

式中：m和n分别为F1和F2的子评价指标数目；F1i和F2i为指标得分；k1i和k2i为指标对应的权重。

将计算出的F1和F2得分值对应分级标准得到深基坑施工影响系数原始定性等级以及砌体房屋易损性原始定性等级，再通过砌体房屋所在基坑施工影响分区S1，砌体结构重要度S2以及房屋的完损情况S3进行定性修正，得到修正后的基坑施工影响等级和砌体房屋易损性等级，按照风险标准矩阵表得到该房屋的最终风险等级。评价模型的构建如图1所示。

1.4指标权重的确定

1.4.1方法及步骤

为了实操中风险指数赋值的计算，需要确定客观的评价指标权重值。专家打分法能充分利用专家的实际经验积累的主观信息，选用多个专家的评价数据，一定程度上能避免单个专家评判的局限性；灰色关联度是一种系统分析技术，关联度分析指标值之间的关联程度，指标值越大可标明专家根据既有经验进行的判断趋于一致，所以可利用该方法弥补单个专家主观看法的偏差。本文AHP专家打分法与改进的灰色关联度相结合，确定评价模型中指标权重，具有计算过程简便易行、最终结果区分度明显的优点[13]。具体步骤如下：1)邀请m个相应领域的专家，根据层次分析法的矩阵构造标度结合风险理论和实践经验构建权重判断矩阵，得到各个专家的评价指标权重AHP评判结果；

图1　深基坑邻近砌体房屋安全风险评价模型Fig. 1 Safety risk assessment model for masonry buildings adjacent to deep foundation pit

2)将m个专家对n个评价指标的AHP评判(已通过一致性检验)集合汇总，构成评价因子专家判断矩阵，并选择权重参考值(一般选取该数列中最大的数值作为各个专家序列的统一参考值)，形成参考数列F0=(f0(1),f0(2),…,f0(mm))；

3)运用下式逐个求得n个评价指标对参考值的距离

(3)

按式(4)～(5)逐个求n个指标的各自权重并进行归一化处理得到最终的权重值：

(4)

(5)

1.4.2权重计算

1)分别邀请10位深基坑方面的专家(以下代号为E1～ E10)和10位砌体结构方面的专家(以下代号为E11～ E20)采用层次分析法方法对F1和F2的指标进行依据经验的打分判断。例举专家E1对深基坑影响评价指标的AHP评判过程如表1所示。所有专家的权重评判结果(均已通过一致性检验)见表2(其中加粗的数字为判断矩阵的权重参考值)。

表1专家E1指标权重AHP评判矩阵及结果

Table 1 Assessment matrix and results of indexes’ weights from professor E1

专家E1的AHP判断矩阵M权重评价结果R1一致性检验MF11F12F13F14F1111/21/33F12211/26F133218F141/31/61/810.160.300.490.05éëêêêêêùûúúúúúCI=0.0053CR=0.0059<0.1满足要求

表2　各个专家AHP打分计算权重所得结果

根据表2的数据以及步骤2)和3)，采用式(3)～(5)进行计算，得到深基坑施工影响的4个指标权重W1={w11,w12,w13,w14}T={0.18,0.29,0.39,0.14}T；砌体结构易损性的4个指标权重W2={w21,w22,w23,w24}T={0.43,0.14,0.22,0.21}T。

2风险等级的确定

2.1风险指数赋值分级准则

为了使等级划分更有区分度，体现在实际中“两头少，中间多”的现象，本文并未采用等分法划分等级，而是参照美国空军在矩阵中对风险概率的划分标准，采用百分制，指数的定量赋值及定性等级标准划分的对应结果见表3。

表3定量分值与定性分级的对应标准

Table 3 Corresponding standard for quantitative scores and qualitative classifications

等级Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅴ级定量分值0-1011-4041-6061-9091-100定性分级结构易损性有利较有利一般不利很不利基坑影响性可忽略较小一般较大很大

2.2评价指标等级划分标准

参考文献[14-16]已有的因素分级方法以及笔者多年从事深基坑邻近房屋安全性评估的实践经验，按照各指标对风险事态的影响程度大小，为评价指标的具体实施制定定性或定量的等级划分标准，描述如表4所示。

表4　各个评价指标等级划分标准

续表4

指标等级Ⅰ级(0-10分)Ⅱ级(11-40分)Ⅲ级(41-60分)Ⅳ级(61-90分)Ⅴ级(91-100分)基坑施工方案F13(0.39)有利于基坑本体及附近土体稳定,支护结构刚度足够大,利于严格控制变形较利于基坑内部及周围土体稳定,支护结构刚度较大,较利于控制变形对维持基坑内部及周围土体稳定效果一般,支护结构刚度适中,控制变形效果一般不利于维持基坑内部及周围土体稳定,支护结构刚度较小,较不利于控制变形可使基坑本身出现失稳、土体渗透破坏等事故,支护结构刚度不足,变形容易发展、失控施工技术水平及条件F14(0.14)技术力量雄厚,类似工程经验丰富,工期安排和环境对施工非常有利技术力量较强,类似工程经验较丰富,工期和环境对施工较有利技术力量一般,类似工程经验一般,工期和环境一般技术力量较薄弱,类似工程经验较缺乏,工期和环境对施工较不利技术力量薄弱,类似工程经验较匮乏,工期和环境对施工很不利基础类型及基础埋深F21(0.43)钢筋砼箱型基础或筏板基础(埋深较大)桩基础;钢筋砼箱型基础或筏板基础(埋深较小)钢筋砼条形基础;有地圈梁或铰接的砖砌条形基础普通砖砌条形基础;素混凝土条形基础灰土、三合土或毛石基础;独立基础承重墙体用材F22(0.14)配筋砌体砖砌实心墙混凝土空心砌块墙砖砌空斗墙土胚墙、毛石墙体构造整体性F23(0.22)传力明确,体系合理,平(立)面规整;整体设有圈梁、构造柱且无裂缝、残损现象传力较明确,体系较合理,平(立)面较为规整;设有圈梁、构造柱且无裂缝、残损现象传力较明确,体系较合理,平(立)面较为规整;部分区域或楼层设有圈梁、构造柱无残损现象或整体设有圈梁、构造柱但部分存在裂缝、残损传力不明,局部结构较为薄弱,平(立)面布置有明显漏洞;部分有圈梁、构造柱但存在明显的裂缝、残损或无圈梁、构造柱传力路径严重不当,结构整体存在薄弱环节,平(立)面布置存在严重缺陷;无圈梁、构造柱上部结构刚度F24(0.21)L/h<2.02.0≤L/h<2.52.5≤L/h<3.03.0≤L/h<3.5L/h≥3.5

2.3修正参数

根据风险指数法的思想，为了使评价过程尽可能严谨、全面，考虑风险修正指数修正得到的F1和F2对应等级，使评价结果更贴近实际情况。由于本文采用的百分制赋值的方法，单纯采用定量系数修正对于不同的等级修正效果会因本身的初始赋值有所差异，所以本文考虑半定量的修正方式，即拟用砌体房屋所在基坑施工影响分区S1的等级来调整深基坑施工指数值F1等级；采用完损情况 S2及砌体结构重要度 S3来调整砌体房屋易损性指数值F2等级。文献[17]根据荷载宽度和距基坑边缘的距离划分了基坑边缘的影响分区，行业内采用的房屋安全鉴定的规范给出了房屋完损情况的等级分类，砌体结构设计规范划分了结构重要度等级。在笔者参与评估工作的初期未考虑修正参数而有损失准，故后期在评估实践中加入了修正参数进行综合考量，修正的指导思想是：已损情况严重的、受施工影响大的、结构重要的要提高等级重点考虑以进行重点防范安全事故；反之则应降低相应等级，避免资源的不合理配置和浪费。综合分析出修正因素等级划分及处理办法如表5所示。

表5　修正因子及情况处理

2.4风险矩阵法定级

参照常用的既有建筑物安全风险等级分类[14]，结合砌体房屋抵抗变形的能力较弱，往往老化较为严重，安全风险较大的特点，将基坑邻近砌体房屋的安全风险划分为5个等级，不同的风险等级对应的风险应对措施有所不同，见表6。

表6深基坑邻近砌体房屋安全风险等级划分

Table 6 Safety risk grade classification for masonry buildings adjacent to deep foundation pit

编号等级(风险程度)应对措施1可忽略(极低)施工前房屋无需保护2可接受(较低)施工前采取简单保护即可3合理控制(一般)施工前建筑物需要进行一般保护,如有需要应对重点部位在施工中进行实时监控4严格控制(较高)房屋施工前需要进行重要部位的加固补强保护,并对该房屋实时监控5拒绝接受(很高)施工前需要大范围、大面积加固保护,或者直接拆除重建,并在施工全过程进行严密监控、实时跟进

参照已有风险管理指南相关规范确定的风险评价矩阵，还应当结合深基坑旁砌体结构的实际情况进行相应的调整，以使风险评估的结果更为准确、合理、有效。(如房屋易损性等级Ⅰ级，性能良好，但深基坑施工安全状况差Ⅳ级的情况参照指南中的应该是可接受的，如此会风险定级偏低，很可能控制不力而使房屋受损，故调增一级，等级定为严格控制。)其余等级的调整由于本文篇幅不再作详细说明。调整后的等级评判矩阵如表7所示。操作中应由F1和F2的定性等级，对应表7确定最终的评价结果。

表7深基坑邻近砌体房屋安全风险等级评判矩阵

Table 7 Safety risk grade evaluation matrix for masonry buildings adjacent to deep foundation pit

风险等级易损性指数Ⅰ级Ⅱ级Ⅲ级Ⅳ级Ⅴ级深基坑影响Ⅰ级可忽略可忽略可忽略可接受可接受Ⅱ级可忽略可接受可接受合理控制合理控制Ⅲ级可接受可接受合理控制合理控制严格控制Ⅳ级合理控制合理控制严格控制严格控制拒绝接受Ⅴ级严格控制严格控制严格控制拒绝接受拒绝接受

3实例与验证

3.1工程概况

某小区13号栋房屋(以下简称为“13号栋”)为6层砖混结构房屋，该房屋紧邻长株潭城际铁路某车站基坑。该房屋于2004 a建成，采用振动沉管灌注桩基础，长高比为3.6，承重墙体采用MU10烧结普通黏土砖。该房屋平(立)面规整，整体设有一处伸缩缝。体型参数满足规范要求，每层均设有圈梁、构造柱；已存在部分裂缝、残损。

该基坑的最大开挖深度为27.8 m。地层自上而下分别为杂填土、粉土、粉质黏土、细圆砾土，泥质粉砂岩；地质情况一般。地下水：孔隙潜水地下水量较大，富水，地下水位较低；基岩裂隙水水量较小。该车站主体为两柱三跨双层框架结构，围护结构采用1 m的钻孔灌注桩及钢支撑支护体系，桩长26.83～30.43 m，开挖基坑采取“分层开挖、随挖随撑，撑锚与挖土配合”的指导原则，所选取的施工方案较合理、利于基坑内部及周围土体的稳定。施工方类似工程经验较丰富，施工技术成熟，近年来无重大安全事故出现，但在此工程未配备专门的风险管理小组。

房屋离基坑边缘的最近距离为14.4 m，按影响分区的分类为强影响区[17]。房屋无明显裂缝，依照《房屋完损等级评定标准》鉴定为基本完好。房屋的用途为一般住宅，参照《砌体结构设计规范》，重要性等级为普通。13号栋与深基坑的位置关系见图2。

图2　13号栋与深基坑位置关系图Fig. 2 Position relation between 13# building and deep foundation pit

3.2风险等级判别

依据本文提出的模型对该砌体房屋进行安全风险评价，结合调查实况按照表5～6的指标赋值分级标准和评价指标等级划分标准以及式(1)～(2)，得到综合指数结果及等级如表8所示。

表8　评价13号栋安全风险等级

3.3评估结果分析

该房屋的风险等级为“严格控制”，需要在施工前进行加固修缮。但施工方并未对此引起足够的重视，没有提前对该房屋进行加固补强。在施工的过程中，受爆破施工等的影响，13号栋于2013-03-09的最大沉降量达到了-48.98 mm，最小沉降量为+6.3 mm，不均匀沉降总量达到了55.28 mm，最大倾斜值为向南偏98 mm(倾斜度为6.10‰)。房屋墙体发生了多处裂缝且在该基坑施工期间继续有所发展，引发了住户的恐慌和纠纷。最终该房屋采用多种加固方法才控制了不均匀沉降，未继续发展。若能及早重视，按照评判的风险等级进行事前处理，能有效地避免不必要的损失。

3.4其他验证

将本评估模型运用到长沙和衡阳等6个紧邻建筑物的深基坑旁的砌体房屋的安全风险评判，评估共计36栋砌体结构房屋，其中35栋事前评判的结果与施工工程中监测、施工后跟进反馈得到的风险等级一致。另有1栋房屋由于在调查2年前已自行加固修缮但在评估调查中未发现，造成了评估等级偏高一个等级，出现了评估失误。35栋房屋中风险等级极低、较低、一般、较高、很高的房屋数目分别为3，10，10，9和4；评定准确的房屋中的32栋均按照风险等级的处理意见在施工的过程中未出现任何安全问题。另有3栋等级评定为一般的房屋，责任方由于不重视在施工前进行任何处理，导致房屋在施工中出现了少量的差异沉降裂缝并伴随着施工有所发展，而后采取了紧急补救才得以控制。以上说明该评判模型具有良好的操作性能与贴合实际情况的评价结果。

4结论

1)以深基坑施工对房屋的影响机理以及砌体房屋本身的受损机理为基础，基于风险指数理论和风险矩阵理论提出了深基坑邻近砌体结构房屋安全风险的评价模型；

2)根据砌体结构的特点，分别从深基坑施工影响和砌体房屋易损性各选取4个独立可操作的评价指标，并使用AHP-改进灰色关联度的方法，确定评价指标的权重，克服了传统专家打分法专家数过少、偶然性过强的弱点；

3)提出具有实操性和区分度的评分细则和评价标准，并且在工程实例中得到有效验证，表明模型评价效果较好，能为工程实践提供指导意见。但指标的权重、各种定性评价准则还需要在日后的工作中继续细化和量化；专属于其他结构类型的安全风险评估模型也有待建立。

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Safety risk grade assessment of masonry buildings adjacent todeep excavation based on integrated risk index matrix methodCHEN Dachuan1, HE Bei1, HU Jianping1,2, LIU Xiang1

(1. College of Civil Engineering, Hunan University, Changsha 410082, China;2. Logistic Support Department, Central South University, Changsha 410083， China)

Abstract:In order to assess the safety risk grades of masonry structure buildings adjacent to deep excavation objectively, a practical model was proposed based on integrated risk index matrix method. Firstly, according to the effect mechanism of buildings affected by deep excavation construction and the damage mechanism of masonry structure buildings, 4 evaluating indexes from deep excavation and another 4 indexes from masonry structure were selected separately. Then AHP and the improved grey relation degree method were used to decide the selected indexes’ weights. A distinguishing evaluation standard and a chosen scoring method were then put forward and correction factors were considered to determine the safety risk grades for more accurate results. Finally, the operability and reliability of this model were verified by actual engineering examples.

Key words:adjacent to deep excavation; masonry buildings; safety assessment; integrated index matrix method

中图分类号：X947

文献标志码：A

文章编号：1672-7029(2016)04-0767-08

通讯作者：陈大川(1967-)，男，四川营山人，教授，博士，从事建筑结构安全风险评估及结构加固改造理论的研究工作；E-mail：405088634@qq.com

基金项目：国家自然科学基金资助项目(50778067)

收稿日期：2015-09-16