深基坑支护结构设计方案的优选和应用探析

张 昊 （安徽建筑大学土木工程学院，安徽合肥230000）

1 引言

深基坑作业是一项临时性工程，由于其所处地区的地质条件的多样性及复杂性，给施工作业带来极大的安全隐患性。但是设计人员在设计施工方案的过程中如果过分考虑安全问题，刻意加大方案设计中安全系数的话，也会导致投资过多从而带来经济上的不可行性。这两难的抉择给设计人员出了一个难题。深基坑工程支护技术经过多年的发展，几种主要类型的支护方案都较为成熟，方案设计的路径并不只有一种。在综合考量经济性及安全性的情况下，从几种初步拟定的方案中，结合工程实际的情况，从中优化选择一种最切实可行的方案具有重要的意义。

2 理论介绍

20世纪70年代，美国匹兹堡大学工程学教授T.L.Saaty提出层次决策分析法，后经学者根据其理论基础，在充分考虑到基坑支护方案的安全性、经济性和施工的便捷性的基础上，借用模糊数学理论工具，建立了一种基坑支护方案的优选模型。20世纪末期，华中科技大学邓聚龙教授在长期的实践工作中，根据评价指标的不安全性及数据之间的相互关联性，提出了灰色理论系统。进入新世纪之后，随着城市化进程的不断深入，群体建筑物的密集化、单个建筑物的负荷增大化及地下建筑物的多维化，造成了基坑工程的开挖与支护难度日趋加大，原有的深基坑支护方案的设计和评选理论渐渐显得无法与时俱进。在此基础上，由中南大学的几位学者阮永芬、高健和程藏平提出了灰色关联分析法理论。灰色关联分析法的基本思路是将基坑支护方案中几种主要影响因素（安全可行性、环境保护、经济合理性、施工便捷性）进行排序和权重分析，最后绘制出影响因子的几何关联图形。根据几何关联图形的差异程度来区分各影响因子之间的紧密度，即几何关联图形之间的差异程度越大，则说明各影响因子之间的关联度就越小，反之亦然。

本文以安徽合肥地区一在建高层建筑物为例，利用已有江淮地区水文地质资料，确定江淮地区高层建筑深基坑施工方案的设计及优化选择。在此过程中，利用前文所提及的灰色关联分析法，建立起一套行之有效的深基坑支护方案的评价体系，从而得到最佳的方案的选定办法。

3 工程实例

合肥市位于江淮丘陵区，土质以黄棕壤和黄褐土为主体，是典型的淋溶性质的土壤类型，拥有透水性较差这一个地质特性。因此，随着大型建筑物的大规模涌现，低透水性土质特征对深基坑工程的影响性越来越大。

合肥市某在建高层建筑为一大型公用建筑，对主体安全及结构抗震要求较高。该建构物整体占地总面积约21250㎡，基坑开挖深度为9.3m～10.2m，该建筑物拥有2层地下结构地下室。既有的施工场地原先为一个常年废弃的老旧厂房，拆迁后的场地西北侧有一个4层12m高的既有建筑，该建筑物距离开挖基坑约为7.2 m，正南侧为1条护城河，东侧为合肥市瑶海区图书馆，该馆为6层高度建筑物，距基坑约10.5 m，西侧是1条既有城市道路。在基坑开挖的过程中，由设计单位提供的工程地质报告及施工单位现场土样留存可知，开挖土层分别为建筑回填土、淤泥（泥炭）、粉质黏土、粉砂层、强风化岩，土层的厚度及主要物理力学性质可见表1。由于前几层开挖的土体为建筑回填土、淤泥（泥炭）、粉质黏土，这3层土质的整体结构较为松散，稳定性较差，在支护方案的制定中必须考虑对应措施，且由于土壤自身含水量较高和透水性不足，要考虑到设置基坑排水装置。

土体的开挖深度及力学性质 表1

支护方案的评选指标系 表2

结合该基坑的工程特点、既有的地质报告、第一手开挖数据和已有的相关施工经验，初步暂定了3种基坑支护方案，方案A：钢筋混凝土排桩+型钢支撑+单排钻孔灌注桩防渗幕墙；方案B：排桩+锚杆+水泥挡土墙；方案C：地下连续墙+型钢支撑。由于这3种深基坑的支护方案都是常见的施工方案，均可以满足该高层建筑物下挖基坑的支护需求，但由于考虑到城市市政工程的施工特点，还要充分考虑每种施工方案的经济效益、工作程序安排的合理性以及城市市政工程的环保评估等要素，需要在几种方案中择优选取一个相对来说是最适合本工程的支护方案。

4 支护方案确定及优选步骤

4.1 整体思路

采用灰色关联分析法，综合考量该基坑支护方案中影响因素：技术方案安全质量可行性、经济效益性、施工便捷性和环保评价机制，再从这个4个方面进行二级指标评定。在此，将方案评定影响因素进行4个一级指标和12个二级指标分类，并编号加以区分，见表2。

由前文所述，导出灰色关联法计算模型，设计算模型中由有n个影响因素，即n个灰色因子数列，即:

用该公式列出各影响因子之间的关联矩阵，从而求出各影响因子之间的关联度及关联序数，即以任意一组数列Xj为母序列来分别计算序列 Xi，（i≠j）的灰色关联度以及关联序数。

4.2 灰色关联法的计算过程

①原始数据的处理

为了便于各影响因子之间的数据比较，需要对不同数据进行量纲统一。原始数据的处理方式主要包括:

②以为母线，计算对应时刻与各数列的差值Δij(k)

③计算出 |Δij(k)|的最值（即：Δmin与 Δmax）

④对影响因子Xi各数列进行关联系数 ξ(ij)(k)求解

其中，δ为分辨系数，δ∈［0，1］，若 δ的数值越小，则表示影响因子之间的差异越大，工科验证中，通常情况下δ值为0.5。

⑤计算各数序列对Xj的关联度

4.3 备选方案的指标值的确定

对照表2所列出深基坑支护方案的4个一级指标和12个二级指标，邀请8名相关专家对备选方案各项指标进行主观经验分配赋值和客观图文资料查阅计算赋值相结合的方法，确定备选方案中各指标值。其后对每一项子级指标作单项比较，得出一个最优项，将16个一、二级指标最优项组合，得出一个理想方案（记为方案T）。相关数据见表3。

4.4 最优方案的评选

在表3中得出了一个理想方案，但是由于理想方案是由16个一、二级分项指标单项最优项集合组成，这16个分项指标是随机分布在既有的3种支护方案中，很难出现在一个方案中就集齐的现象。因此，理想方案的得出更多地体现了参考作用和最终确定方案的比对作用。在此，必须要对最终要得到的最优支护方案进行探索。

运用DPS数据处理系统，组建灰色关联法模型，计算备选方案与理论最优方案（方案T）之间的关联度。从3个备选方案中分别进行一级指标和二级指标的参数计算，考虑到采集的数据之间量纲的不统一，先对原始数据进行等效代换，分辨系数ρ统一采用0.5，再对计算机结果进行比较分析。

专家对备选方案方案指标的评价表( 一、二级指标) 表3

一级指标关联系数矩阵 表4

一级指标综合关联度 表5

①对一级指标进行参数计算，将其计算结果 (关联系数矩阵和综合关联度)展示见表4～5。

根据表 5，可知 γa＞γb＞γc，可见在一级指标评价系中，基坑支护方案A为最优支护方案。

②对二级指标进行参数计算，并将其计算结果 (关联系数矩阵和综合关联度)展示见表 6～7。

根据表7，可知 γ1＞ γ2＞ γ3，则由二级指标综合关联度可确定A方案为最优支护方案。

综上所述，分别比较上下两级评价指标系，均得出方案一为最佳备选方案，即钢筋混凝土排桩+型钢支撑+单排钻孔灌注桩防渗幕墙是最合适的基坑支护方案。选定该方案A为最终实施方案可取的最佳支护效果。

二级指标关联系数矩阵 表6

二级指标方案的综合关联度 表7

5 结论

本文以合肥地区某一在建高层建筑深基坑工程为例，充分考虑到安徽省中部江淮地区地质特点，利用灰色关联理论，从工程的安全质量、经济效益、施工过程便捷性及工程环保评估等多个方面综合考虑深基坑支护方案的制定及优选，可得以下结论：

①灰色关联法所建模型层次分明，上下两级评定指标能很好地体现江淮地区的高层建筑基坑支护方案的实际工程特点，有效的反映出各影响因子之间的综合关联度；

②灰色关联法本身的理论体系是科学合理的，在实际的运用过程中有着较高的可操作性，从最终的工程实例效果来看，该方法效果较佳，具有很大的推广和应用空间。