层次分析法在深基坑支护系统方案.doc

层次分析法在深基坑支护系统方案优选中的应用郭方胜编者按：本文最主要的意义是通过一个工程实例，即武汉国贸大厦基坑支护方案的优选来介绍层次分析法的。由于具体的场地条件和地质条件的不同，文中一些具体的做法，例如指标层19个指标并不能在别的工程中生搬硬套。发表该文的主要目的在于向读者介绍这种思路和基本方法。至于如何建立层次结构模型的具体内容和评判标准是要根据不同的具体条件来考虑的。【摘要】在建筑工程招标过程中，评标是一个十分棘手的问题，将层次分析法应用到深基坑支护系统方案的优选中，根据系统的特点和基本原则，建立起层次结构模型。通过层次总排序得到竟标方案的优劣排序，使评标过程更加全面、科学、公正、准确。【关键词】基坑支护；方案；优选；层次分析法；权重【Abstract】In the course of construction project bidcall, negotiation is a hard nut to crack. The optimal bracing of deep foundation pit is elected by The Analytic Hierarchy Process in the paper. This method is scientific and the result is equitable.【Key words】bracing of deep foundation pit; project; optimization; The Analytic Hierarchy Process; relative weight number武汉市世界贸易中心工程地处汉口解放大道中段原武汉展览馆旧址，规划占地面积约8万m2，工程将分两期完成。一期工程包括28层高商住写字楼1栋和9层的裙楼，地下室均为2层，基坑开挖深度为11.0m，面积达3.6万m2， 属于大型深基坑工程。该工程的建设规模和基坑开挖面积国内名列前茅，在全国影响很大。国内有十多家施工和设计单位参加深基坑支护系统方案的投标，经过初选确定6家单位入围参加最后的竟标。如何从众多投标方案中优选出最佳方案，是岩土工程领域中一个十分棘手的难题。本文提出应用层次分析法对深基坑支护系统方案进行选优。1层次分析方法层次分析法12作为系统工程中对非定量事件一种评价分析方法是1973年由美国学者A.L.萨蒂（A.L. Saaty) 最早提出的， （原名为The Analyticl Hierarchy Process) 简称AHP法。层次分析法是首先将复杂的问题层次化。根据问题和要达到的目标，将问题分解为不同的组成因素，并按照因素间的相互关联以及隶属关系将因素按不同层次聚集组合，形成一个多层次的分析结构模型。根据系统的特点和基本原则，对各层的因素进行对比分析， 引入19比率标度方法1构造出判断矩阵，用求解判断矩阵最大特征根及其特征向量的方法得到各因素的相对权重；最终通过计算最低层各投标方案相对于最高层即最佳方案的相对权重值，得到竟标方案的优劣排序。层次分析法的基本步骤如下：（1）建立层次结构模型（2）构造判断矩（3）层次单排序及其一致性检验（4）层次总排序及其一致性检验2工程概况及投标方案简介2.1建筑场区环境工程地处汉口闹市中心的解放大道中段，建筑场区环境比较复杂。北面紧靠解放大道，东邻游子乡大厦，西侧为协和广场，南抵该项目二期工程场地，见图1。图1基坑平面示意图2.2工程地质和水文地质条件该工程场地地层属长江一级阶地，为第四纪全新世长江冲洪积地层，土层分布从上到下依次为杂填土（0.53.40m）、粘土（0.66.95m）、粉土（1.108.10m)、粉砂（6.416.50m）、 粉细砂（7.023.50m）、粉质粘土（0.06.70m)、 中粗砂夹砾石（1.95.0m)及卵石层（3.412.0m），基岩为泥质强风化页岩。 场区有两层地下水。表层填土中为上层滞水，水位在地面下1.0m左右； 由大气降水和城市生活废水补给，水量较小。深层承压水埋藏于粉细砂层至卵石层中，承压水头高度随季节和长江水位影响；枯水期地下水位在地面下5.06.0m 左右，丰水期地下水位在地面下1.0m左右。2.3竟标方案各竟标方案主要内容见表1。表1竟标方案简介表方案支持结构及坑壁止水方案降水方案造价/万元基坑北边基坑南边基坑东边基坑西边P1厚800mSMW水泥土连续墙内插20m长矩形筋混凝土芯材；设置两层锚杆，长度为20.0m和21.0m；SMW水泥土连续墙兼作止水帷幕分三个台阶放坡,总宽度21.0m；采用挂网喷浆护面,厚度60mm；距地下室外缘2.0m处设置一道宽600m,深13.0m的SMW水泥土连续墙作为止水帷幕基坑上部4.0m高度按1:1放坡,挂网喷浆护面；基坑下部采用宽800mm的SMW水泥土连续墙和4.6m宽的深层搅拌桩构成重力式挡土墙支护与东边方案相同采用中深 井的降水方案中深井25口,井深38.0m;深井4口,井深50.0m,备用;基霁内外设置17口观测井1984P2800mm连锁板桩,桩长23.2m；设两层锚杆，锚杆长度25.0m；连锁桩内侧被动土压力区采用粉喷桩加固，宽度5.5m,有效高度10.0m；连锁板桩兼作止水帷幕按1:1.5大放坡,铺塑料布红砖嵌砌护面；在16.5m高程处设置马道,宽4.0m；在马道中设一排800mm连锁板桩作为防渗体BC段：基坑上部5.5m按1:1放坡,铺塑料布经砖嵌砌护面;基坑下部采用800m连锁板桩和粉喷桩构成的重力式挡土墙支护连锁板桩兼作止水帷幕CD段:采用大放坡,方案与南边相同FGH段:采用大放坡,方案与南边相同。EF、HLA段:基坑上部5.5m按1:1放坡,铺塑料布经砖嵌砌护面基坑下部用800m连锁板桩加一层锚杆支护;连锁板桩兼作止水帷幕采用中深井和少量深井的降水方案:中深井39口,井深38.0m;深井4口,井深45.0m;观测井15口1798P31000mm灌注桩排加钢管斜支撑,桩长22.5m；桩内仙设置宽6.0m的搅拌桩肋灌注桩间采用高压旋喷桩形成止水帷幕,深度22.5m按40。大放坡，坡面采用喷射混凝土护护面；在18.5m高程处设置马道,宽度3.5m；坡底处设置两排压浆止水桩,桩间距1.0m,桩长8.0m基坑上部3.0m放坡；基坑下部采用1000mm灌注桩排与宽4.5m的格构式水泥搅拦桩组成的重力式挡土墙支护桩间采用350高压旋喷桩形成止水帷幕,深22.5m与东边方案相同采用中深井结合轻型井点的降水方案:中深 井15口,井深3538m轻型井210点个,井深19m备用深井9口,井深52.0m;m观测井15口2280P41000mm灌注桩排加两层锚杆(桩长27.0m,锚杆长30.0m)；桩间采用高压旋喷桩形成止水帷幕大放坡,坡面采用喷射混凝土护面；在坡道中部处设置马道,宽度3.0m坡底处设置一排高压喷桩作为止水帷幕,深度达40.0m基坑上部4.0m放坡,喷浆护面；基坑下部采用双排灌注桩组成式结构支护桩间土体采用高压旋喷进行加固,宽3.0m,深达40.0m；高压旋喷水泥土体作为止水帷幕。与东边方案相同采用深度35.0m至40.0m的非完整井降水方案3369P5800mm灌注排加一层锚杆(桩长23.0m，锚杆长21.0m)；桩间采用高压旋喷桩形成封闭的止水帷幕基坑上部5m按1:1放坡,基坑下部按1:1.5放坡,坡面采用挂网喷浆保护；坡底采用素混凝土桩加遍压旋喷桩形成封闭的止水帷幕基坑上部4m放坡，挂网喷浆护面；基坑下部采用800mm灌注桩排加一层灌浆锚杆支护(桩长19.0m,锚杆长21.0m)；桩间采用高压旋喷桩形成止水帷幕与东边方案相同采用深井降水方案:中深井30口,井深38.0m;观测井17口3038P6桩长23.0m的灌注桩排与地下连续墙支护结构,局部设置内支撑；地下连续墙内侧被动土压力区采用粉喷桩加固,宽度5.0m；地下连续墙兼作止帷幕自由大放坡,坡宽22.0m灌注桩排与地下连续墙支护结构,桩长23.0m,地下连续墙高19m;地下连续墙内侧被动土压力区粉喷桩加固,宽度5.0m,有效高度10.0；地下连续墙兼作止水帷幕与东边方案相采用浅层抽水方案:坑内设90口浅井,深度20m;坑外四周设置80口回灌井,深23.0m34603建立层次结构模型深基坑支护系统的设计是一个相当复杂的系统工程34，除支护结构设计之外，还包括止水降水措施、施工组织、工程监测及应急方案等内容；影响因素众多，如工程的建筑特点、工程地质条件、水文地质条件、建筑场地的周边环境、施工技术及设备等等。基坑支护系统的设计必须满足安全性、经济性和可行性这三个基本要求；对于市区工程，环境保护及文明施工也是十分重要的。因此，可以从安全可行、经济合理、保护环境、施工便捷四个方面，选择了19个指标来评价深基坑支护系统方案的优劣，建立图2所示的层次结构模型。图2深基坑支护系统方案层次结构模型4确定评判原则，构造判断矩阵及层次单排序计算根据深基坑支护系统方案的层次结构模型，将同一层次中的因素相对于上一层次中的某个因素，采用19比率标度方法（见表2）两两成对比较，构造出判断矩阵。各层中的因素两两成对进行比较时，评判的标准并不是一成不变的，而是根据工程的特点、周边环境、工程地质和水文地质条件以及工期的要求等等方面的情况决定的。对于武汉市世界贸易中心一期基坑支护工程，在构造判断矩阵时应遵循以下原则：（1）相对于目标层最佳方案而言，深基坑支护系统方案的安全性、经济性与可行性三者的关系是辩证统一的，不可偏废。即在满足安全要求与可行的前提下，使基坑支护工程的总投资最少；同时注意保护环境，尽量缩短工期。表219比率标度表标度含义135792,46，8表示两个因素相比，具有同样重要性表示两个因素相比，一个因素比另一个因素稍微重要表示两个因素相比，一个因素比另一个因素明显重要表示两个因素相比，一个因素比另一个因素强烈重要表示两个因素相比，一个因素比另一个因素极端重要上述两相邻判断的中值（2）相对于准则层而言，该工程地处长江一级阶地，具有典型的二元结构特征。上部为粘性土，下部为砂性土，总的趋势是从浅到深土颗粒逐渐变粗，渗透系数逐渐增大。地下水丰富，承压水头高，且受季节和长江水位的影响，地下水的处理显得格外突出。基坑开挖深度，基坑底部落在粉土或粉砂层中，土层呈软塑状态，含水饱和，渗透性较大，极易产生坑底涌砂冒水、坑壁管涌及失稳等不良现象，由此而引发的工程事故累见不鲜。可见基坑侧壁止水及基底降水措施与基坑支护结构密不可分且具有同等的重要性。(3）对于指标深基坑支护系统方案的先进性，主要从以下几个方面体现：一是支护结构设计时，首选主动支护结构或者被动加固与主动支护结构相结合的形式，其次为被动支护结构形式。二是充分利用建筑场地条件，应首先考虑放坡开挖。如果条件受到限制，可考虑局部放坡或者部分放坡。这种组合方式可降低支挡结构的高度，减小支挡结构的负荷与内力，从而降低支护结构的费用，提高坑壁的稳定性。（4）基坑地下水治理方案的设计应遵循主动止水与降水减压相结合综合治理的指导思想。在具有典型二元结构特征的地质条件下，深井（即完整井）对有效降低水位和减少周围环境影响，以及节约造价等方面来说都是优选的。坑壁止水措施应尽量与支护结构相结合，以降低造价。根据以上原则和有关规范，相对于最佳方案（A），准则层中的四个因素，即安全可行（B1）、经济合理（B2）、保护环境（B3）、施工便捷（B 4）的相对重要性判断矩阵AB如下：AB1B2B3B4B11123B21123B3121212B41313121经计算判断矩阵AB的：最大特征根max =4.045特征向量W=0.350.350.200.10T一致性指标C.I=（maxn）（n1）=0.015当n=4，平均随机一致性指标R.I=0.89所以，随机一致性比率C.R=C.IR.I=0.0380.10。由此可见， 判断矩阵AB具有满意的一致性。其它各层次中的因素相对于上一层次某个因素的判断矩阵和相对权重值wj及其一致性检验均按上叙步骤和方法进行。层次单排序计算结果见表3。 5层次总排序及结论层次总排序就是基于层次单排序的结果计算方案层中的各投标方案相对目标层的相对权重，依此确定竟标方案的优劣排序。这一过程是从最高层次到最低层次逐层进行的，计算结果见表3。方案层总排序的一致性比率为表3层次单排序及层次总排序结果表目标层A最佳方案层名1.0准则层B1B2B3B4方案总排序W0.3500.350.0200.10D1C1C20.1470.420.1470.42指标层D2D3D4D5D6D7D8D9D10D11D12D13D14D15D16D17D18D190.160.390.070.150.390.390.390.070.151.000.100.280.280.280.060.550.250.100.100.0560.0570.0100.0230.0570.0570.0570.0100.0230.3500.0200.0560.0560.0560.0120.0550.0250.0100.010方案层P10.2650.1200.0800.1300.2600.2200.2100.2500.2500.2800.2100.1400.1600.2500.1800.1600.2500.2200.2500.228P20.2650.1200.1800.3100.2600.2200.2100.2500.2500.3900.2100.1400.1600.2500.1800.1600.2500.2200.2500.272P30.2650.2400.0800.0600.0500.0800.0800.2500.1000.1600.2100.1400.0600.1000.1800.1600.0830.0400.0500.138P40.0480.0500.0800.1300.1200.2200.2100.1000.1000.0500.0800.0600.0600.1000.1800.0500.0830.2200.1000.086P50.1090.4200.1800.0600.0500.0400.2100.1000.0500.0800.0800.3800.1600.0500.1800.3900.0830.2200.2500.145P60.048