（岩土工程专业论文）深基坑工程施工前期风险预判预报系统平台建设及其方法研究.pdf

摘要 摘要 由于深基坑工程具有风险高、工期长、施工难度大等特点，所以深基坑工 程施工风险研究，特别是对深基坑工程在施工期间潜在的风险进行定性定量的 分析、预判、预报成为了当前基坑工程界的热点。 本文在基坑工程和风险理论的基础上对这一问题进行了展开，主要工作如 下： 首先，本文收集了3 4 0 个基坑事故实例，从深基坑事故实例出发，分析了 基坑工程事故的类型和事故发生的原因，分别对建设单位、勘察单位、设计单 位、施工单位、监理单位、监测单位在事故发生中的失误主导率进行了统计分 析，同时运用故障树理论对深基坑工程进行了风险源的辨析和判别。 第二，本文总结了风险分析评价的三种方法，剖析了其各自存在的缺陷。 在正确认识其不足的基础上，本文基于模糊综合评判方法进行了深化研究和改 进，摆脱了可靠度理论的束缚，以基坑工程设计计算中安全系数指标和最大变 形与挖深比作为模糊综合评判的指标，即多目标的深基坑施工风险模糊综合评 判方法。 第三，本文在上述理论的基础上，将风险评估理论在深基坑工程进行应用， 搭建了施工风险评估的数据库，开发完成了深基坑工程施工风险评估预判系统， 使深基坑工程施工风险的评判直观方便简单易用。 最后，结合上海轨道交通8 号线的翔殷路车站基坑工程设计资料进行了风 险评估预判，并将车站基坑旌工风险分级，指明了深基坑工程存在的风险点， 以引起人们对该基坑工程风险的认识和做到施工风险心里有数。 关键词：深基坑施工风险模糊综合预判预报系统 a b s t r a c t a b s t r a c t s o m ec h a r a c t e r i s t i c so ft h ed c 印e x c a v a t i o ne n g i n e e r i n gi sl a g er i s k , l o n gt i m e l i m i t ，g r e a tc o n s t r u c t i o nd i f f i c u l t y , a n ds oo n s ot h er e s e a r c ho nt h ec o n s t r u c t i o nr i s k , s p e c i a l l yq u a l i t a t i v ea n dq u a n t i t a t i v ea n a l y s i sa n df o r e c a s t i n go ft h ep o t e n t i a lr i s k d u r i n gt h ec o n s t r u c t i o n ，h a sb e e nh o tp o i n ti nt h eg e o t e c h n i c a le n g i n e e r i n g i nt h eb a s eo ft h ed e e pe x c a v a t i o ne n g i n e e r i n ga n dr i s kt h e o r y , t h ee s s a yh a s m a i n l yt a l k e da b o u tt h i sp r o b l e ma n d 仃i e dt og i v eas o l u t i o nt oi t t h ea b s t r a c ti sj u s t a sb e l l o w s ： f i r s t l y , t h ee s s a yc o l l e c t e d3 4 0a c c i d e n te x a m p l e so ft h ed e e pe x c a v a t i o n e n g i n e e r i n gi nc h i n aa n da n a l y z e dt h et y p ea n dc a u s eo ft h ea c c i d e n t s ，t h e no b t a i n e d t h es t a t i s t i c a lr e s u l to fl e a d i n gm i s t a k ep e r c e n tb e t w e e nt h ec o n s t r u c t i o nu n i t s ， d e s i g n i n gu n i t s ，b u i l d i n gu n i t s ，r e c o n n a i s s a n c eu n i t s ，s u p e r v i s i n gu n i t sa n dm e a s u r i n g u n i t s s e c o n d l y , t h ee s s a ys u m m a r i z e dt h r e em e t h o d so ft h er i s ka n a l y s i s ，a p p r a i s e d t h e i rl i m i t a t i o n sr e s p e c t i v e l y , a n dd e v e l o p e dt h et h e o r yi nt h eb a s eo ft h ef u z z y s y n t h e s i sd e c i d i n gt h e o r y , w h i c hb r o k ea w a yf r o mt h ed e p e n d a b i l i t yt h e o r y t h e m e t h o dc h o s et h es a f ef a c t o ra n dt h es c a l eo f t h em a x i m a ld i s p l a c e m e n ta n dt h ed e p t h o f t h ee x c a v a t i o na st h ei n d e xo f j u d g e m e n t t h i r d l y , i nt h eb a s eo ft h ea b o v et h e o r yt h ee s s a ye s t a b l i s h e dt h ed a t a b a s e ， d e v e l o p e dt h ea n a l y s i sa n df o r e c a s t i n gs y s t e mo ft h ec o n s t r u c t i o nr i s ko ft h ed e e p e x c a v a t i o ne n g i n e e r i n g ，w h i c hm a d et h er i s k j u d g ee a s y , s i m p l e ，c o n v e n i e n t f i n a l l y , t h ee s s a ya n a l y z e dt h er i s ko f x i a n g y i nr o a ds t a t i o no fs h a n g h a in l e 仃o l i n e8a c c o r d i n gt ot h ei n f o r m a t i o n , w h i c hi sa p p l i e dt ot h en e wm e t h o da n dt h e o r y t h en e ws y s t e mc l a s s i f i e dt h el e v e lo ft h er i s ko ft h es t a t i o ni t s e l f , p o i n t e do u tt h e p o t e n t i a lr i s kw h i c hc a nb eu n d e r s t o o da n dt a k e nn o t i c eb yp e o p l e k e yw o r d s ：d e e pe x c a v a t i o n ，c o n s t r u c t i o nr i s k ，f u z z ys y n t h e s i sj u d g i n g ， f o r e c a s t i n gs y s t e m i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：皇南矛 叩年；月刁日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 学位论文作者签名：沙昴 叼年；月1 日 第l 章绪论 第1 章绪论 1 1 本文研究的背景和意义 随着城市建设中高层及超高层建筑的大量涌现，大型市政设施的施工及大 量地下空间的开发，特别是近2 0 年来轨道交通作为一种城市交通工具带来的巨 大作用而在全球产生的“地铁熟”，必然会有大量的基坑工程产生【“。然而在 大量基坑工程出现的时候，基坑工程事故却频频爆发，如2 0 0 5 年7 月2 1 日， 广州海珠区江南大道中海珠广场工地基坑挡土墙突然发生坍塌，导致邻近两幢 建筑物出现不同程度的倾斜、部分墙体开裂，事故造成5 人被困，事故现场见 图1 1 ；2 0 0 5 年1 1 月3 0 日，北京朝阳区中轴路熊猫环岛的地铁工地基坑突然出 现倒塌，经过工地地下的自来水、燃气管线以及多根通讯光缆出现断裂的情况， 事故现场见图l - 2 。因此，深基坑工程引起了各方面的广泛重视和深入研究。 图1 1 广州海珠城广场基坑坍塌事故全景 第1 章绪论 图1 2 北京熊猫环岛的地铁基坑事故现场不意图 一般来讲，深基坑工程是开挖深度不小于7 米的基坑工程【2 】。深基坑工程具 有以下特点： ( 1 ) 深基坑工程具有很强的区域性 岩土工程区域性强，岩土工程中的深基坑工程，区域性更强。如黄土地基、 砂土地基、软粘土地基等工程地质和水文地质条件不同的地基中，基坑工程差 异性很大。即使是同一城市不同区域也有差异。正是由于岩土性质千变万化， 地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性，往往造成勘察所得到的数 据离散性很大，难以代表土层的总体情况，且精确度很低。因此，深基坑开挖 要因地制宜，根据本地具体情况，具体问题具体分析，而不能简单地完全照搬 外地的经验。 ( 2 ) 深基坑工程具有很强的个性 深基坑工程不仅与当地的工程地质条件和水文地质条件有关，还与基坑相 邻建筑物、构筑物及市政地下管网的位置、抵御变形的能力，重要性以及周围 2 第1 章绪论 场地条件有关。 ( 3 ) 深基坑工程具有很强的综合性 深基坑工程涉及土力学中强度、变形和渗流3 个基本课题，三者融溶一起 需要综合处理。有的基坑工程土压力引起支护结构的稳定性问题是主要矛盾， 有的土中渗流引起土体破坏是主要矛盾，有的基坑周围地面变形是主要矛盾。 深基坑工程的区域性和个性强也表现在这一方面。同时，深基坑工程是岩土工 程、结构工程及施工技术相互交叉的学科，是多种复杂因素相互影响的系统工 程，是理论上尚待发展的综合技术学科。 ( 4 ) 深基坑工程具有较强的时空效应 深基坑的深度和平面形状，对深基坑的稳定性和变形有较大影响。在深基 坑设计中，要注意深基坑工程的空间效应。土体蠕变体，特别是软粘土，具有 较强的蠕变性。作用在支护结构上的土压力随时间变化，蠕变将使土体强度降 低，使土坡稳定性减小，故基坑开挖时应注意其时空效应。 ( 5 ) 深基坑工程具有较强的环境效应 深基坑工程的开挖，必将引起周围地基中地下水位变化和应力场的改变， 导致周围地基土体的变形，对相邻建筑物、构筑物及市政地下管网产生影响。 影响严重的将危及相邻建筑物、构筑物及市政地下管网的安全与正常使用。大 量土方运输也对交通产生影响。所以应注意其环境效应。 ( 6 ) 深基坑工程具有较大工程量及较紧工期 由于深基坑开挖深度一般较大，工程量比浅基坑增加很多。抓紧施工工期， 不仅是施工管理上的要求，它对减小基坑变形，减小基坑周围环境的变形也具 有特别的意义。 ( 7 ) 深基坑工程具有很高的质量要求 由于深基坑开挖的区域也就是将来地下结构施工的区域，甚至有时深基坑 的支护结构还是地下永久结构的一部分，而地下结构的好坏又将直接影响到上 部结构，所以，必须保证深基坑工程的质量，才能保证地下结构和上部结构的 工程质量，创造一个良好的前提条件，进而保证整幢建筑物的工程质量。另一 方面，由于深基坑工程中的挖方量大，土体中原有天然应力的释放也大，这就 使基坑周围环境的不均匀沉降加大，使基坑周围的建筑物出现不利的拉应力， 地下管线的某些部位出现应力集中等，故深基坑工程的质量要求高。 ( 8 ) 深基坑工程具有较大的风险性 3 第1 章绪论 深基坑工程是个临时工程，安全储备相对较小，因此风险性较大。由于深 基坑工程技术复杂，涉及范围广，事故频繁，因此在施工过程中应进行监测， 并应具备应急措施。深基坑工程造价较高，但有时临时性工程，一般不愿投入 较多资金，一旦出现事故，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。 ( 9 ) 深基坑工程具有较高的事故率 深基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常常经历 多次降雨、周边堆载、振动等许多不利条件，安全度的随机性较大，事故的发 生往往具有突发性。 综上所述，深基坑工程的较大风险性是由其地理位置、地质情况、气候情况、 施工工期、经济投入、管理制度等因素综合决定的。据不完全统计基坑工程的 事故率占基坑总数的1 3 以上【3 】。随着基坑开挖深度和规模的增大，基坑工程的 难度更加突出。近些年来，由于技术、经济原因及管理不善，在深基坑工程施 工中出现了不少事故，轻则造成邻近建筑物开裂、倾斜，道路沉陷、开裂，地 下管线错位，重则造成邻近建筑物倒塌和人员伤亡，不但增加了投入，延误了 工期，而且产生了不良的社会影响。所以深基坑工程施工风险的研究，如何尽 可能的减小深基坑工程施工中的事故发生率以及对深基坑工程潜在的施工风险 进行预报预警，已经成为了一个亟待解决的课题。 目前，深基坑工程全寿命风险研究已经成为岩土工程问题研究一种热潮， 主要有投资风险、施工工期风险、施工技术风险、周边环境的损失风险和运营 期间风险，其中技术风险包括方案阶段的可行性风险研究、施工前期的潜在风 险研究和施工阶段的风险研究，具体如下表1 1 。方案阶段的可行性风险研究决 定了投资者或投标者是否参与投资( 标) ；施工前期的潜在风险研究是在设计完 成之后施工之前根据设计施工图进行的潜在施工风险分析、预判、预报；施工 阶段风险研究是根据施工期间的监测数据进行动态的分析施工风险以及时进行 施工控制；运营期间的风险研究是在工程完成之后在运营阶段的可能出现的风 险研究。本文研究的是 4 第1 章绪论 表1 1 深基坑工程全寿命风险研究组成表 本文正是在深基坑工程事故频发、深基坑工程事故无法预防控制以及深基 坑工程事故给国家和社会造成重大危害的背景下产生和进行研究的，深基坑工 程风险分析、预报预警研究必将对基坑工程的设计、施工起到的一定的作用。 1 2 国内外风险的研究现状 1 2 1 风险与工程风险 “风险”，源于法文的r i s p u e ，在1 7 世纪中叶被引入到英文，拼写成r i s k ， 到1 8 世纪前半期，“r i s k ”一词开始出现在保险交易中。风险是一个极为抽象 而且模糊笼统的概念，由于人们研究的角度不同，对风险的看法和给出的定义 也不尽相同，很难给出一个完善严谨，并应用于不同领域的定义 邮西j j ，”0 , 1 1 , 1 2 , t 吲。 对于保险行业来说，蒙受一种潜在损失的重要性基本上取决于该损失的严 重程度，例如一种巨大灾害虽不经常发生，但其可能造成的损失，在重要性上 5 第1 章绪论 将远远超过那种预期经常发生的小灾害。所谓的风险分析就是可能发生的最大 损失的研究过程，当然也只有大胆的承受这种风险，才可能获取大量的保费从 而盈利。 而对于投资商来说，不仅关心投资失败的损失，更关心成功的收益，如果 一项投资损失和收益之间的差异越大，结果它的不确定性越强，风险也就越大， 相反，损失和收益之间虽有差别，但差别不大，可以认为风险较小或基本上不 存在什么风险“ 。 对于投机者来说，不确定性越强，风险越大，才可能带来投机成功的机会。 另外当面对一项从未经历过的问题时，由于毫无经验可循，往往也会将各种各 样的不确定性认为就是风险“。 对于工程项目来说，特别是基坑工程是一种临时结构，其风险来源于经济、 质量，工期、安全的矛盾综合体，其任何一方都不能绝对的满足，而只能找到 相对的临界平衡点，这种所谓的平衡点实质是各方的妥协，而妥协之中滋生着 潜在的风险。 经济 工期质量 图1 1 关系图 基坑工程的风险分析与保险业、风险投资、投机者都不同，基坑工程一旦 发生事故其产生的后果不堪设想，不仅基坑自身重新修复造价是原造价的几倍， 而且对周围建筑物或构筑物的影响非常明显。所以本文认为基坑工程的施工风 险分析，又可称为安全性分析，注重对基坑工程潜在风险及其危险程度的客观 评价，它通过对存在的风险源及其控制措施的评价，客观的描述基坑工程在方 案、设计、施工等各个阶段的危险程度，从而指导人们先行采取有效的安全措 施来消除危险或降低风险。 6 第1 章绪论 1 2 2 国内外风险管理的研究现状 1 2 2 1 国外风险管理的研究现状 风险管理问题最先起源于2 0 世纪初第一次世界大战后的德国，但是风险管 理问题真正引起足够的重视并得到推广的是美国，上世纪5 0 年代后风险管理问 题开始在欧美以学术会议及研究班等多种形式集中探讨和研究风险管理问题， 并在企业中得以实践。其中1 9 5 0 l z m o w b r a y 9 】等人在i n s u 啪c e 一书中，较为 系统的阐述了风险管理的概念。 1 9 6 0 年美国保险管理协会( a m e r i c a ns o c i e t yo f i n s u r a n c em a n a g e m e n t ， a s i m ) 纽约分社和亚普沙那大学合作开设了风险管理课程。1 9 7 5 年美国保险管 理协会( a s i m ) 改名为风险与保险管理协会( r i s k & i n s u r a n c em a n a g e m e n t s o c i e t y ，r i m s ) ，这标志着风险管理学科的逐步成熟。 美国的风险管理发展最快，目前，风险管理咨询已经成为了一项成熟的技 术在美国企业界得到应用。美国的风险研究主要侧重于风险分析方法的研究以 及其在企业管理和保险领域的应用。 与美国相比，英国的风险研究也有自己的特色。南安普顿大学c 1 3 c h a p m a n 教授【l9 】提出了“风险工程”的概念。他认为，风险工程是对各种风险分析技术 的集成，这种框架模型的构建弥补了单一过程的风险分析技术的不足，使得在 较高层次上大规模的应用风险分析领域的研究成果成为可能。除此之外，在大 型工程上也开始采用风险分析的方法，例如1 9 7 6 年北海油田输油管道工程和 1 9 7 9 年伊拉克火力发电厂工程利用风险分析的方法，降低了成本，减少了损失。 一战后，德国经济陷入崩溃，德国的管理学家莱特纳开始从理论上研究风 险政策，即以存在风险为前提，合理的提供经营经济行为和处理办法，风险处 理的手段为风险的控制、分散、补偿、转嫁、防止、回避、抵消等，为防止通 货膨胀提供了解决之道。 日本的风险管理也是从美国引入，但发展很快，成果颇丰，逐渐形成了一 套适合其本国的理论体系。8 0 年代关西大学龟井利明教授相继出版了专著风 险管理的理论和实务、海上风险管理和保险制度以及风险管理学，成为 日本风险管理的代表人物。 法国的风险管理起步较晚，7 0 年代的中后期，法国从美国引进了风险管理 7 第1 章绪论 理论，并在保险界传播开来。1 9 7 6 年查邦尼尔出版了企业保全管理学一书， 是法国较全面介绍风险管理理论的著作。 进入上世纪9 0 年代以后，风险管理出现了全球化发展的趋势，随着跨国公 司的扩张和垄断资本的输出，风险管理也被带到了发展中国家和地区。以非洲 的尼日利亚为例，风险管理的发展极为迅速，1 9 9 1 年，i r u k w n j o 发表专著 ( r i s km a n a g e m e n ti nd e v e l o p i n gc o u n t r y ，系统探讨了风险管理的理论在发展 中国家的应用前景。1 9 9 4 年，尼日利亚还对全国的高速公路建设项目进行了系 统的风险分析。就风险分析的应用而言，尼日利亚已经走到了发展中国家的最 前列【1 川。 为了推动风险管理在发展中国家的推广和普及，联合国1 9 8 7 年出版了关于 风险管理的研究报告t h ep r o m o t i o no fr i s km a n a g e m e n ti nd e v e l o p i n g c o u n t d e s 。 1 2 2 2 国内风险管理的研究现状 我国台湾省风险管理理论的研究还是相当活跃的，其从美国引入风险管理 的思想也比内地要早，早期的代表人物是美籍华人段开龄博士1 2 1 】【2 2 】【2 3 1 ，他在台 湾岛内推动了风险管理运动，其后宋明群8 】等做出了非常大的贡献，撰写了风 险管理等著作。但遗憾的是目前岛内的风险分析还仅限于理论研究，实际应 用的例子比较少。 我国香港地区的风险管理研究成果主要集中在岩土工程的应用上【2 ”。由于 香港的特定地质情况，岩土工程问题非常严重，尤其滑坡等地质灾害发生率高， 因此，如何对岩土工程病害进行防治，成为了风险研究的热点，相关的成果很 多，但主要是以可靠度理论作为依托，依然没有很好地实现环境、经济、技术 相结合的风险定量研究。 相比之下，我国内地的风险管理研究起步很晚，从上个世纪8 0 年代才开始 从美国等西方发达国家引入了风险管理思想，当时主要是翻译国外著作为主。 由于在过去的计划经济体制下，原材料的价格由国家控制，国家是唯一的投资 主体，企业没有独立的经济效益，风险由国家承担。随着社会主义市场经济体 制的完善，对风险管理的研究开始在学术界成为了一个热点，在工程项目、国 际工程、金融、房地产等领域逐步开展应用研究，取得了较为明显的效果。并 以三峡工程为代表，在大型水利工程首先获得应用，取得了一定的基础性资料。 8 第l 章绪论 清华大学的郭仲伟教授可以说是国内引入风险分析理论的主要代表，他在 1 9 8 7 年所撰写的风险分析与决策一书详细地介绍了风险分析的理论和方法， 对国内外研究成果做了全面的综述，时至今日仍有极大的参考价值【9 】。 天津大学于九如教授结合三峡工程风险分析成果，撰写了投资项目风险 分析一书，为风险分析理论在大型工程中应用作了理论上的探科”】。 近年来，我国风险管理理论研究重点也已经转移到风险定量分析上来，并 取得了不少的成果。姜青舫在其风险度量原理一书中，对风险的定义提出 了新的数学描述，结合效用理论用数学的方法给出了风险度量的理论方法d i 。 邱苑华在其管理决策与应用墒学中提出将热力学中“墒”的概念引入风险 评价和决策中来，为评价目标的不确定性提供了一种验证的手段【l “。 1 2 3 国内外基坑工程风险的研究现状 1 2 3 1 国外基坑工程风险的研究现状 自上世纪5 0 年代以后，岩土工程风险分析的研究也取得了一定的成果，但 也多以理念的建立和定性的研究为主，而定量的研究往往止步于可靠度的计算， 如何进一步的达到技术与经济指标的结合，目前的成果不是特别多，其中专门 关于深基坑工程的风险研究几乎没有。 m o r g e n s t e r n ( 1 9 9 5 ) 【l 】研究了岩土工程中的风险问题，认为岩土工程的风险 主要分为模型风险、参数风险和管理风险，并给出了常用的风险评估方法和风 险接受准则； 英国里丁大学著名教授罗吉弗兰根和乔治诺曼【2 6 】的 4 。 3 6 本章小结 ，口。 一 1 ，h 0 1 5 m p a ( 此 应力对应于流变性粘土中1 4 1 5 米深基坑挡墙被动区的土压力) 时，不排水蠕变 速率急剧增大。而上海地区地下3 0 米深度以内的地层多属流塑和软塑粘土，大多 数深基坑均处于此深度范围内。土体的流变性显著。 2 ) 深基坑施工过程中始终存在时间和空间效应。理论分析和实践都已证明 在基坑的开挖过程中坑周地层位移与施工时间及空间尺寸、形状密切相关。开 挖后因卸载而引起的土体应力随时间变化而变化，连续墙向基坑内变形逐渐增 大，基坑的安全性随着时间的发展而逐渐降低：土体的变形随时间的发展而增 大，土体及墙体变形发展贯穿于基坑施工的全过程；土体的位移与基坑空间形 状、尺寸密切相关。时间效应与空间效应是耦合的，两者的共同作用影响着基坑 的变形。 在以上的理论基础上，刘建航院士提出了基于时空效应理论的优化基坑旖工 方案。在确定开挖顺序时的其基本原则是：分层、分块、对称、平衡、限时，同 时在此原则上给出开挖参数。同时，在实际施工时强调监测的重要性，要求进行 实时监测，并及时反馈监测数据，进行必要的施工参数的调整和优化，以确保基 坑变形达到设计要求。 时空效应理论提供了一种真实模拟基坑工程施工的基坑工程围护结构变形 计算方法，本文在本教研室多年研究的基础上将时空效应理论发展成为一种可行 的计算软件。图4 1 5 就是该方法的计算界面，通过输入一些必要的参数，形成基 坑开挖的各个工况，设定相应的开挖时间、开挖宽度、开挖深度、基床系数等来 计算基坑围护结构的变形。 本文在分析基坑工程施工风险的时候，将计算得到的最大变形与开挖深度的 比值作为评价的一大标准。按照规范，不同的等级的基坑工程有不同的变形比， 具体内容如下表4 2 ： 基坑等级 一级二级三级 变形比 1 4 3 0 7 0 ( 6 h ) 表4 2 不同的等级的基坑工程变形比 图4 1 6 是单工况下变形计算的结果图，图4 1 7 是全部工况的计算结果图， 其中包括变形值、围护结构弯矩图和剪力图，图4 1 8 是计算结果的包罗图，为 基坑的施工风险分析提供了强大的技术指标。 第4 章深基坑工程施工前期风险预判预报系统平台建设 为了更好的将计算成果表达出来，本文将所有的计算内容和结果汇总成一个 模式一致、规格统一的计算书，界面见图4 1 9 。 图4 1 5 变形计算 第4 章深基坑工程施工前期风险预判预报系统平台建设 图4 1 6 某工况变形计算结果 图4 1 7 全部工况变形计算结果 第4 章深基坑工程施工前期风险预判预报系统平台建设 图4 1 8 计算结果包罗图 图4 1 9 计算书 第4 章深基坑工程施工前期风险预判预报系统平台建设 图4 2 0 风险评估 风险评估是本文的核心内容，也是本文的最终目标，在方法上采用了模糊综 合评判的多指标评判方法，图4 2 0 是风险评估的界面。 4 5 本章小结 本章是本文的核心内容，也是本文最重要的成果。 首先阐述了数据库系统设计、开发、优化的数据库理论，然后介绍了基坑工 程施工风险评估预判系统软件的数据库组成，结合前述理论开发了基坑工程施工 风险评估预判系统软件，对各个界面和操作流程进行了详细的介绍，下一章将结 合实际工程进行算例分析。 第5 章基于模糊综合评判施工风险的工程算例 第5 章基于模糊综合评判施工风险的工程算例 5 1 前言 基于上一章模糊综合评判基坑工程施工风险理论，本章结合上海轨道交通8 号线翔殷路车站基坑工程进行了技术风险的分析计算。 5 2 工程概况 5 2 1 车站位置 翔殷路站位于中原路和翔殷路十字交叉口道路下，其北端位于中原路上，南 端位于营口路上，横跨翔殷路，沿中原路、营口路呈南北向布置。车站中心里程 为c k 2 + 5 2 9 ，北距嫩江路站1 0 8 4 k m ，南距黄兴绿地站1 0 3 3 k m 。 翔殷路车站基坑工程总平面图详见图4 1 。 图4 1 翔殷路站平面图 5 2 2 车站建筑形式 车站建筑由地下主体建筑、地面主体建筑和附属建筑三部分组成，车站地 第5 章基于模糊综合评判施工风险的工程算例 下主体建筑为地下一层，由站台、联络通道、夹层及设备管理用房组成。地面主 体建筑有两部分，即东侧设备管理用房( 附建一号出入口) ；西侧设备管理用房 ( 附建四号出入口) ；地面附属建筑为出入口、出入口通道、风亭、风道，二号、 三号出入口设计为独立有盖式出入口。北侧风亭均附建于东、西两侧设备管理用 房，南侧风亭为独立式风亭。 根据区间隧道施工方法，本车站为地下一层直线侧式站台，侧式站台宽 3 5 m ，出入口联络通道宽7 1 7 m 。车站线路纵坡为由南向北2 的下坡，站位 处地形平缓。站中心处轨顶高程为- - 9 2 8 4 m 。车站顶板覆土厚度主体部分为 1 5 2 5 m ，两侧出入口通道覆土厚度为4 m ，属浅埋地铁车站。 5 2 3 车站结构形式 1 、车站主体结构形式 车站主体结构外包( 结构外缘) 长度为1 7 4 7 m ，标准段宽度为3 0 m ，北端 头井宽度为6 4 7 5 m ，南端头井宽度为4 0 6 9 m ，车站结构净高8 8 8 m 。 车站主体结构为地下一层单跨结构，由侧墙、梁、板等构件组成，其中底 板厚度为1 2 0 0 衄，顶板厚度为8 0 0 m 或1 2 0 0 m 。 车站主体结构侧墙为地下连续墙加内衬墙复合结构，地下连续墙作为施工 期间的基坑支护挡土墙，同时又是永久结构的一部分，地下连续墙厚度分为 8 0 0 m m 和6 0 0 m m 两种，内衬墙厚度相应分为6 0 0 m m 和3 5 0 m m 两种。地下连 续墙结构顶底板均通过预埋钢筋接驳器与地下连续墙连接。南北端头井和标准段 基坑开挖深度均为1 4 2 m ，设四道中6 0 9 钢支撑。 2 、出入口通道结构形式 翔殷路车站根据地面交通分流情况设置4 个出入口，其中1 # 和4 # 出入口附 建在东西侧设备管理用房内，2 # 和3 # 出入口为独立有盖式结构，为地下一层现 浇钢筋混凝土箱型结构。结构底板厚度为9 0 0 m m ，顶板厚度为8 0 0 m m ，开挖 深度1 0 8 2 m ，设三道中6 0 9 钢支撑。 3 、风道结构形式 车站有南北2 个方向设备用房及风道，为地下一层结构，结构底板埋深 1 1 m ，底板厚度为9 0 0 m m ，顶板厚度为8 0 0 m m ，各层板均为现浇钢筋混凝土结 第5 章基于模糊综合评判施工风险的工程算例 构。围护结构北风井为中8 5 0 s m w 围护，南风井为6 0 0 m m 厚地下连续墙，均 设三道中6 0 9 钢支撑。 4 、车站基坑保护等级 翔殷路车站区域有众多地下管线，另外在车站东北侧有一幢1 9 层住宅楼， 周边其他区域还有较多建筑物，根据招标文件及现场条件，基坑变形控制保护等 级为二级。 5 2 4 工程地质条件 5 2 4 1 工程地质和水文地质 图4 2 地质剖面图 根据浙江省工程勘察院上海分院2 0 0 1 年8 月关于翔殷路站的详勘资料，场 地属长江三角洲入海口东南前缘的滨海平原地貌类型，微地貌属吴淞江古河道沉 。2。曷 o 。o 。一 。曷 。芝 第5 章基于模糊综合评判施工风险的工程算例 积层，主要由第四系上更新统和全新统滨海河口相、滨海浅海相、河口沼泽 相的粘性土及砂、粉性土组成，地层分布较稳定。由于吴淞口左河道的切割，场 地内缺失层灰色淤泥质粉质粘土，代之而分布有厚度较大的3 层砂质粉土。 地质剖面柱状图与本车站标准段基坑关系见图4 2 所示。 场地潜水主要赋存于3 层砂质粉土中，地常年地下水位埋深取0 5 m 。场 地内承压水主要为层砂质粉土中的地下水，为上海地层第一承压含水层，承压 水位埋深在地表下5 9 m 。 4 2 4 2 本车站地质评价 根据详勘资料及进行有关分析，得出如下结论： 基坑开挖深度范围内，主要为3 层砂质粉土，其结构较松散，具较强渗 透性，并易振动液化，在地下水渗流作用下易产生流砂、管涌现象； 场地潜水主要赋存于3 层土中，实测水位埋深0 6 0 8 m ，常年地下水 位埋深可取0 5 m ，潜水对砼无腐蚀性。承压水主要赋存于层砂质粉土中，实 测承压水位埋深5 9 m ，据( d g j 0 8 1 1 1 9 9 9 规范计算，基底不会产生突涌 现象； 本次勘察未发现暗浜及地下障碍物的分布； 拟建场地1 5 m 以浅分布有3 层砂质粉土，在地震烈度7 度近震条件下， 3 _ ，砂质粉土不会液化，3 - 2 层砂质粉土会液化，其液化强度比可取o 7 3 ，整 个场地液化等级可按中等考虑。 故在基坑开挖前需设置井点进行坑内降水，降低潜水位；并在施工时做好 围护结构、周边环境及地下水位的监测工作，做到信息化施工。 5 3 指标体系 基坑工程风险评估的前提是评价标准的确定，只有在统一标准下进行工程风 险的评判才会有可比较的评判结果。本文在翻阅文献资料和研究规范的基础上， 确定了基坑工程的风险等级和风险指标，具体内容见表4 1 、4 2 。 表4 1 风险等级含义表 级别 含义 l 一级正常施工情况下施工风险非常小 i 二级正常施工情况下施工风险小 第5 章基于模糊综合评判施工风险的工程算例 i 三级 正常施工情况下施工风险属于正常存在，非正常施工情况下容易产 生危险 l 四级正常施工情况下施工风险大，小失误情况下很容易产生危险 l 五级 施工风险非常大，须提高警惕 表4 2 基坑风险分类指标表 指标分类标准值 一级二级三级四级五级 h ( ) 1 o1 42 0 2 5 3 5 墙底抗隆起稳定安全系数 ) 3 02 52 o1 81 0 坑底抗隆起稳定安全系数 3 02 52 01 51 o 抗渗流稳定安全系数 3 0 2 o 1 51 0 o 7 抗倾覆稳定安全系数 ) 2 01 41 21 oo 8 抗承压水稳定安全系数 2 01 i51 00 80 5 5 4 基坑工程模糊概念类别的相对隶属度计算 根据表4 2 各个指标按照( 3 - 1 5 ) 分别将6 项指标值进行规格化，相应的规 格化矩阵s 为： s 6 52 l0 7 1 40 50 a0 2 8 l0 8 3 30 6 6 70 60 3 3 3 l0 8 3 30 6 6 70 5 0 3 3 3 l0 6 6 70 5 0 3 3 30 2 3 3 l0 70 60 50 4 l0 7 5o 50 40 2 5 计算翔殷路车站基坑的指标数值为： h ( )1 8 4 o 墙底抗隆起稳定安全系数 2 7 3 坑底抗隆起稳定安全系数 2 2 3 抗渗流稳定安全系数 2 2 7 抗倾覆稳定安全系数 1 1 6 抗承压水稳定安全系数 1 5 9 于是按式( 3 - 1 8 ) 相应的 r 】= 【o 3 3 6 0 8 6 50 6 1 50 7 0 40 3 o 7 2 7 】 按式( 3 - 2 0 ) 和( 3 - 2 1 ) 的归一化的指标权向量为： 第5 章基于模糊综合评判施工风险的工程算例 w j = i o 1 8 8 o 1 8 5o 1 7 90 2 3 1 0 2 1 7 】 取p = 2 ，将有关数据代入模糊模式识别理论模型( 3 2 3 ) 可得到基坑工程模 糊概念类别的相对隶属度： u ，= 【o 0 2 4 50 4 3 50 2 3 o 0 9 】 所以，本基坑工程的施工风险为三级。 5 5 本章小结 本章在前几章的基础上进行了运用，模糊综合评判方法是一个好方法，关键 在于评价标准的分类分级。通过运用，可以看到施工技术风险的评判可以运用模 糊综合评判方法，拓展到整个基坑工程，包括方案的必选、围护结构的设计、施 工过程的控制以及运营后的工程系统，其风险的评判都可以运用模糊综合评判方 法，本文为基坑工程的风险分析抛砖引玉，指明了定量分析基坑风险的一个方向， 准确的定量风险分析将会变得简单容易。 第6 章结论与展望 第6 章结论与展望 6 1 本文的主要研究成果和结论 深基坑工程是一个复杂的系统，其风险分析尤其是定量的分析风险具有不小 的难度。本文定位在设计完成后施工之前的深基坑工程施工风险分析、预判、预 警，属于纯粹技术风险的范畴，未考虑政治、经济、气候、地质灾害等的影响。 通过研究，本文在深基坑工程施工风险认识、风险评判理论和风险评判运用 工具的开发方面做了一些工作，并得到了一些有价值的结论和应用。 1 深基坑施工风险的认识 深基坑工程事故为深基坑风险分析提供了活生生的例子，本文首先总结了深 基坑工程中事故发生的特点和主要形式，对深基坑工程事故发生原因进行了详细 的分析。从深基坑工程建设方失误、勘察失误、设计失误、监理失误、施工失误、 监测失误六个大的方面来剖析工程事故的原因，结合工程实例对各种事故失误的 情况进行了仔细的原因分析。但这些失误仅仅是深基坑工程事故的主要诱因，或 者说某一类工程事故的典型事故原因，而每一个基坑事故的产生都是多种因素共 同产生的，同勘察、设计、施工、监测以及建设管理单位多方面的原因相关。从 事故实例中可以发现设计和施工这两方在基坑工程事故发生原因中占取了半壁 江山，所以在现代基坑工程中提出了信息化施工的理念，即通过在施工阶段的监 测结果进行灵活的设计和施工。 2 深基坑施工风险评判理论的改进 在查询文献资料的基础上，总结了风险分析评价的三种方法，这三种方法运 用比较多，且数学逻辑清晰，同时剖析了其各自存在的缺陷。在正确认识其不足 的基础上本文选择了模糊综合评判方法进行了深化研究，摆脱了其运用中的可靠 度理论的束缚，即概率论问题。由于概率论在基坑工程实际工程中的需要大量的 统计资料和数据，而目前对于工程事故的资料远远不能满足概率论要求达到的程 度，在宏观和微观上都难以得到适合的事故原因的失误概率。但是又要定量的分 析施工风险以能够提前预知预报，甚至预警，所以本文按照基坑工程设计的思路， 把设计过程中必须检验的多项指标作为评价的指标，最终进行综合评判和划分等 级。 3 深基坑风险评判运用工具的开发 深基坑风险评估预判系统在模糊综合评判理论的基础上进行开发的，该系统 是数据库管理的系统。首先介绍了数据库系统设计、开发、优化的数据库理论， 第6 章结论与展望 然后介绍了基坑工程施工风险评估预判系统软件的数据库组成，开发了基坑工程 施工风险评估预判系统软件，对各个界面进行了详细的介绍，最后在上海轨道交 通8 号线的收集资料的基础上进行了工程应用，将l o 个车站基坑进行了风险评 估预判理论的应用，并将车站基坑施工风险分级，以引起人们对该基坑工程风险 的认识和做到施工风险心里有数。 6 2 对进一步工作的展望 在讲究经济、技术、工期的条件下，风险分析是目前发展的方向，在定性的 风险分析的基础上，定量的风险分析显得越来越重要和急追。本文做的工作只是 冰山一角，再加上有限的时间，得到的结论也只是粗浅的，以下是需要进一步工 作的展望： 1 深基坑工程事故实例的积累 工程事故是惨痛的，是需要付出代价的，但其又是一面镜子，所谓前车之鉴， 后车之师。从事故中可以发现很多很多的奥秘，也正是缺乏这种积累，本文 放弃了可靠度理论的方法。随着逐步的积累这方面的宝贵资料，可以为深基 坑施工风险分析和理论的进步提供可靠的基础。 2 施工风险评估预判的全面性和权威性 深基坑工程作为一个系统，风险分析应该具有全面性和权威性，而具备这种 特性必须在基坑工程各个阶段进行详细周密的风险分析，包括方案阶段的可 行性风险研究、设计阶段的潜在风险研究和施工阶段根据监测数据的风险研 究以及工程运营阶段的风险研究。将这些风险分析的结果统一起来，其风险 评估的价值就要大得多。 3 定量风险评估预判系统的完善 定量风险评估预判理论的发展才有风险评估预判结论可靠性、全面性和权威 性的提高。最终反映在风险评估预判系统中，目前本系统只是设计阶段风险 评估预判部分，尚未达到全寿命的全程风险评估，所以一个是理论的发展， 接下来就是软件系统的完善。只有理论结合实际，快速的发展壮大系统功能， 才能在市场经济大潮中分得一杯羹。 致谢 致谢 当无数个日日夜夜苦思冥想化作点滴智慧的时候，当无数次不眠夜翻来覆去 换来沉甸甸的果实的时候，我的硕士学习生涯不知不觉即将画上休止符，短短二 年有半，有过甘甜，有过苦闷，其中滋味注定将成为我人生旅途中的一大财富。 首先感谢导师刘国彬教授，自从2 0 0 2 年本科毕业跟随刘老师、2 0 0 4 年9 月 成为刘老师的弟子到今天，感谢刘老师多年来对学生生活上的照顾和学习上的指 导。本文的选题、构思到关键问题的解决无不倾注着刘老师的心血，刘老师博大 精深的知识、高屋建瓴的洞察力和远见卓识，让学生非常佩服。在论文即将完成 之际，请允许我再一次向刘老师表达最诚挚的敬意和谢意! 感谢同济大学地下系汤永竞老师、李镜培老师、高广运老师、熊巨华老师等 各位老师，在我的学习期间得到了您们的指导，开阔了我的眼界，丰富了我的思 维。 感谢上海房屋设计院的林宗庆高工，您对岩土工程的见解、一丝不苟的工作 态度和朴素的作风，让我对你肃然起敬，感谢您对我毫无保留的帮助和教导，祝 您老身体健康工作顺利。 感谢上海轨道交通m 8 号线项目公司的李文勇大师兄的慷慨相助，对于m 8 线资料的查阅提供了支持和帮助。 感谢已踏上