创世纪基坑工程的设计优化与施工管理

 

　　随着城市的急剧膨胀，人口超饱和、建筑空间拥挤、城市绿化面积减少等“城市综合症”越来越明显，高层建筑、地下空间开发工程的不断增加，产生了大量与之密切相关的深基坑开挖、支护设计及施工等问题，并日益成为当前地基基础建设的难点和热点[1]。土体与基坑支护结构的共同作用[2]也是其研究的重要课题。本文以武汉创世纪广场基坑工程（以下简称基坑）为研究对象，依据深基坑的优化设计基本理论和方法，建立合理有效的深基坑工程管理体系。

 

　　1工程简述

 

　　武汉创世纪广场在武广商业圈内（华中地区最繁华的一个城市商业中心），汉口饭店的东侧，万松园路与汉口解放大道交汇处的西北侧，具体如图1所示。

 

　　2基坑整体支护方案优化设计

 

　　2.1方案的初选

 

　　由于基坑开挖较深，建设环境复杂，对基坑支护形变量有着严格的控制，所以在这个基坑工程设计中，要把重点放在控制基坑边坡土体的变形，减少基坑开挖过程中对周围道路、建筑物、管线等造成的不良的影响。在方案设计时也可以参考附近地区有着相似施工条件的基坑工程，最后得出初步方案拟采用的方案是：d1排桩+内支撑、d2排桩+锚杆和d3地下连续墙。各方案参数见表1。

 

　　2.2基坑整体设计方案评价综合指标体系的确定

 

　　组建完善、科学的基坑整体设计方案综合指标评估体制，第一步要做的就是对大量的影响因素进行透彻分析。然后还要满足安全性、环保性、经济性及施工便捷这四个基本要求，本文在实际工程案例分析中，选取了武汉地区大量类似基坑工程实例，在各个因素影响力的分析之中，要保证各个因素之间的独立性和其本身的完整性与客观性原则[40]，选择C1表示支护稳定性安全系数、C2施工技术可靠性和可行性、C3支护系统的科学性和先进性、C4支护破坏类型及其危害程度、C5支护对周边变形和沉降的影响、C6综合造价、C7施工对环境的影响、C8施工工期、C9施工难易程度、C10支护结构对后续工程的影响这10个指标来评价基坑系统各初步方案的优劣。

 

　　选择方案最优为总目标，为目标层A；根据安全性、经济性、环保性及施工便捷等基本要求，选取安全可行B1、经济合理B2、环境保护B3和施工便捷B4，构成准则层B；然后由于要保证权重合理分配，准则层的四个指标又进一步下分为多个子指标构成指标层C。图2所表示的就是详细的评价指标体系构成。

 

　　2.3确定各指标因素权重

 

　　使用层次分析法衡量评判各指标因素（指标层C）相对于最优方案（最高层A）的相对重要性总排序权重，以计算准则层B（即安全可行B1、经济合理B2、环境保护B3和施工便捷B4）相对于A的权重。深基坑工程方案层次结构模型详见图2。该模型的主要分析过程如下：

 

　　2.3.1判断矩阵A～B（详见表2）层次排序计算

 

　　根据比率标度方法，计算各准则层相对权重值及一致性检验如下：

 

　　第一步：计算矩阵A中每一行元素的乘积Mi：

 

　　Mi=■dij（i=1，2…m）

 

　　由以上式计算得M1、M2、M3、M4为3、6、1、0.05。

 

　　第二步：计算Mi的m次方根βi：

 

　　βi=■（i=1，2…m）

 

　　经计算β1、β2、β3、β4分别为1.31、1.56、1、0.48。

 

　　第三步：对向量βj=（β1，β2，…，βm）T作归一化处理，即令

 

　　Wi=■（i=1，2，…m）

 

　　从而得向量组

 

　　W=（W1，W2，W3，W4）T=（0.30，0.36，0.23，0.11）T

 

　　第四步：计算矩阵A的最大特征根λmax：

 

　　（DW）i=■dijWj

 

　　求的DW1、DW2、DW3、DW4分别为1.22、1.45、0.93、0.44。

 

　　于是采取平均方法计算λmax，即：

 

　　λmax=■■λmax=■■=4.03

 

　　对于判断矩阵一致性检验，求的CI=0.0115，查表m=4时，RI=0.9，计算CR=0.0128<0.1，所以判断矩阵A的一致性可以接受。λmax和W的计算及一致性检验方法一致。

 

　　W=（0.30，0.36，0.23，0.11）T；

 

　　λmax=4.03；

 

　　CI=0.0115；

 

　　RI=0.9。

 

　　2.3.2判断矩阵B1～C1-5（详见表3）层次排序计算。

 

　　具体计算步骤同上，这里不再赘述，经计算得到：

 

　　W=（0.41，0.16，0.26，0.08，0.08）T；

 

　　λmax=5.04；

 

　　CI=0.0105；

 

　　RI=1.07

 

　　2.3.3矩阵B4～C8-10层次排序计算

 

　　相对于施工便捷，各指标之间相对重要性如表4所示。

 

　　经计算得到：

 

　　W=（0.41，0.70，0.20，0.10）T

 

　　λmax=3.04；

 

　　CI=0.02；

 

　　RI=0.58

 

　　2.3.4各指标相对于最佳方案总目标的层次总排序如表5所示

 

　　总体一致性检验：

 

　　CI=■？琢jCIj=0.01；

 

　　RI=■？琢jRIj=0.923；

 

　　CR=■=0.0108

 

　　由于CR=0.0108<0.10，所以认为层次总排序结果具有满意的一致性。

 

　　3基坑整体设计方案的模糊综合评价

 

　　根据模糊综合评判法的基本理论，基坑整体设计方案的模糊评价步骤如下：

 

　　3.1确定目标特征值矩阵

 

　　对深基坑整体设计方案的优劣程度作出判断，首先建立相应的评价因素集，作为方案的评价目标集，即B={B1、B2、B3、B4}；B1={C1、C2、C3、C4、C5}；B2={C6}；B3={C7}；B4={C8、C9、C10}，进行二级模糊综合评判。

 

　　对所选择的三个方案再各指标下直接评分，依照上面建立的深基坑工程层次结构分析模型，对本工程各方案构造目标基本元素如表6所示。

 

　　由此得到目标特征矩阵为：

 

　　x10×3=■=（xij）

 

　　3.2目标值归一化

 

　　对于越大越优目标，如C1、C2、C3、C5，其相对优属使用下式

 

　　rij=■（i=1，2，…m）

 

　　对于越大越优目标，如C4、C6、C7、C8、C9、C10，其相对优属使用下式

 

　　rij=■（i=1，2，…m）

 

　　从而得到：

 

　　x10×3=■=（xij）

 

　　3.3多目标模糊综合判定

 

　　方案中10个目标的权重为：

 

　　W=（0.120.050.080.020.020.360.230.080.020.01）T

 

　　由相对优属度矩阵可知相对优方案和劣方案：

 

　　■=（111）

 

　　■=（000）

 

　　取欧化距离P=2，则由公式：

 

　　uj=■（j=1，2，…m）

 

　　可分别计算得到：

 

　　dj=（0.780.450.28）

 

　　由于要保证最大的隶属度，d1方案作为满意方案或者说是相对优方案。这个方案在对基坑变形和周边环境复杂要求严格的地段使用，所以d1方案是对本工程最适宜的。根据基坑监测数据研究，得知基坑支护最大位移为11.9mm，在这个范围内基坑周边的道路、高架桥、地下管、建筑物线均处于安全状态。

 

　　在多次实际工程中得出结论，在多个目标模糊的模型中进行优选得出的基坑支护方案，才能保证拥有较好的经济、环境和社会效益。

 

　　4结语

 

　　当国内经济高速发展的过程中，城市建设也在紧锣密鼓的进行，同时伴随着对地下空间开发的力度也不断加大，与之紧密相关的深基坑工程也逐渐成为岩土工程领域的重点和难点。

 

　　本文在广泛阅读国内外大量相关文献、详细研究实际工程资料的基础上，以武汉创世纪广场深基坑工程为例，对基坑的设计优化和施工管理方面做了系统的研究，初步得到如下的主要结论：基坑设计原则较多，对于要满足多个目标的方案制定而言，多目标模糊优选模型是一种较好的方法，故本文主要采取此方法进行方案的优选。

 

　　参考文献：

 

　　[1]史佩东.21世纪高层建筑基础工程[M].中国建筑工业出版社，2000.

 

　　[2]钟诗胜.工程方案设计中的模糊理论与技术[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2000.

 

　　[3]冯谦.深基坑工程支护结构设计及优化方法研究[D].武汉理工大学，2006.