宁波地区深基坑工程施工预警指标及风险评估研究.pdf

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1、第 8 卷增刊 1地 下 空 间 与 工 程 学 报Vol 82012 年 7 月Chinese Journal of Underground Space and EngineeringJul 2012宁波地区深基坑工程施工预警指标及风险评估研究*叶俊能1，刘干斌2(1 宁波市轨道交通工程建设指挥部，浙江 宁波315012;2 宁波大学建筑工程与环境学院，浙江 宁波315211)摘要:在国内外现有关于基坑变形、控制技术和标准、实验和经验数据的文献资料和科研成果基础上，结合宁波轨道交通建设工程实践，并基于 14 个深基坑工程实测数据，对宁波地区软土深基坑的变形特性进行研究，建立了宁波地区深基坑监

2、测过程中的预警指标体系，确保了基坑安全。进而，利用风险分析理论对深基坑工程开挖期的主要风险事故发生的概率和后果进行分级，并采用基于权重的专家调查法进行调研，最后通过计算得到了宁波轨道某车站深基坑工程施工风险度，并判定了风险级别。关键词:深基坑;预警指标;风险评估中图分类号:TU476文献标识码:A文章编号:1673 0836(2012)增 1 1396 07Forewarning Index for Deep Foundation Pit Construction andRisk Assessment in Ningbo areaYe Junneng1 Liu Ganbin2(1 Ningbo

3、 Urban Rail Transit Project Construction Headquarters，Ningbo，Zhejiang 315012，China;2 College of Civil，Construction and Environmental Engineering，Ningbo University，Ningbo，Zhejiang 315211，China)Abstract:Combined with Ningbo urban rail transit project construction，the deformation law for deep foundatio

4、npit engineering is investigated，and the characteristic of horizontal displacement and settlement of ground is obtainedbased on the monitoring data of 14 deep excavations On basis of the literature data and research achievement ondeformation characteristic，controlling technology and norms，as well as

5、 experimental and empirical data，theforewarning index for foundation pits monitoring in Ningbo soft clay region is presented Furthermore，the theory andmethod of risk analysis is used to grade the probability of occurrence and the consequence of the risk accident duringthe excavation The weight-based

6、 expert surveying is used in investigation，and the risk level in the construction of adeep excavation in Ningbo urban rail transit project is obtained and the risk class is determinedKeywords:deep foundation pit;forewarning index;risk assessment1引言宁波软土系自第四纪海积、冲海积、滨海沼泽相松散沉积物构成，厚度大于 25 m，颜色为灰色或深灰 色，软

7、塑 流 塑 状 态，其 天 然 含 水 量 高(34%58%)，土体几乎完全饱和(饱和度均大于94%)。随着宁波轨道交通的建设，车站基坑深度均超过16 m，甚至深达到24 m，如何有效控制深基坑开挖引起的基坑变形，减小基坑施工风险是轨道交通建设者需要面对的问题。基坑变形控制指标在基坑施工监测过程中就体现为预警、报警值等形式。在深基坑工程信息化*收稿日期:2011-05-10(修改稿)作者简介:叶俊能(1975-)，男，福建三明人，博士，教授级高工，主要从事岩土工程研究与管理工作。E-mail:yzn75139 com基金项目:宁波市重大科研攻关项目资助(2009C50004);宁波市自然科学基

8、金项目资助(2010A610081)施工中的关键问题是建立预警体系、设定预警标准问题。国内对此已有一些研究成果，李宏义1 从分析基坑位移影响因素和位移特征入手，提出了根据现场位移观测值。胡友健2 开发了深基坑工程监测数据处理与预测报警系统，对深基坑的监测数据实施数据库管理，采用灰色系统理论建立变形预测模型，采用若干定性和定量指标进行深基坑工程极限状态的分析判别。贺勇3 介绍了基坑工程监测的基本方法及若干技术问题，提出了基坑工程安全预警的一些量化标准。马海龙等4 以某污水泵站深基坑工程为例，提出信息化施工的重要性和深基坑工程中预警中变形控制指标的制定。基坑工程施工过程一方面要控制变形，提出预警、

9、报警值，另一方面还要针对地墙渗漏、坑内土体滑坡、承压水突涌、机械伤人等风险源引发的风险事故进行判别与险情预报，所谓风险源即是导致基坑工程事故的种种因素。由于基坑的部分土体在挖土过程中或挖除后，或在填土过程中或填土后，基坑周边土坡、坑底受力状况改变，并由于多种风险源基坑支护体系的受力状态(土压力、水流压力、外加荷载、自然因素)超过其承受范围而引起基坑工程本身的破坏，以及对周围环境的不良影响5，6。通过对“基坑工程事故实例”中 160 余起基坑工程事故的分析，可以将造成事故的主要原因归纳为 5 个方面，即建设单位管理的问题、基坑工程勘察的问题、基坑工程设计的问题、基坑工程施工的问题和基坑工程监理的

10、问题等7。为此，本文以宁波轨道交通已建和在建的 14个地下连续墙围护主体结构现场实测数据、工程资料和施工工况为基础信息，初步确定了宁波轨道交通车站深基坑的连续墙变形预警、报警值指标，并结合某车站深基坑工程风险识别与评估进行介绍，并应用模糊综合评估方法进行风险评估，可为后来的风险应对提供参考依据。2宁波地区深基坑施工预警指标体系本节讨论宁波轨道交通车站深基坑连续墙的变形控制指标，其制定主要受施工工法、工程自身特点、结构类型、结构受力情况等因素的影响。变形控制指标的形成可分为前期准备和数据挖掘两个阶段。将基坑监测的日最大累积变形、日最大变形速率、历史最大累积变形和历史最大变形速率等指标不同标准下分

11、布概率为 95%的数值进行统计和分析，据此对不同等级的基坑保护标准设定不同的最大变形速率控制值。2 1指标初值的形成经过调研和总结，形成了宁波轨道交通建设安全监控指标体系初值方案，见表 1。表 1宁波地下连续墙支护深基坑变形控制初值Table 1Deformation control value for deep foundation pit supported by diaphragm in Ningbo city量测项目基坑变形保护等级一级二级累计值(mm)变化速率(mm/d)累计值(mm)变化速率(mm/d)三级墙体测斜墙顶水平位移402 5(连续两天 2)504(连续两天 3)2023

12、03宜按二级基坑的控制标准，当条件许可时，可适当放宽。墙体水平位移最大变形量:一级基坑累计值 40 mm，二级基坑 50 mm。当超过安全监控指标时，需由专家确定超出原因、对基坑和环境安危的影响以及整治的方案;最大变形速率:一级基坑一天 2 5 mm，连续两天 2 mm;二级基坑一天 3 mm，连续两天 4 mm。工程应进入警戒状态，加密监测频率，查找工程的隐患，并采取合理有效的工程措施，限制变形继续发展。宁波地区基坑施工过程的风险源及风险事故主要有:基坑支护结构或周边土体的位移突然明显增长或基坑出现流砂、管涌、隆起、陷落或较严重的渗漏等情况;基坑支护结构的支撑或锚杆体系出现过大变形、压屈、断

13、裂、松弛或拔出的迹象;周边建筑的结构部分、周边地面出现较严重的突发裂缝或危害结构的变形裂缝;周边管线变形突然明显增长或出现裂缝、泄漏等。79312012 年增刊 1叶俊能，等:宁波地区深基坑工程施工预警指标及风险评估研究在此基础上，根据当地工程经验判断，出现其他必须进行危险预警的情况，为此建立黄橙红三色预警指标体系初值方案，详见表 2。(1)黄色预警:当监测数据达到上述表格中的指标值时发出黄色预警，并加密监测频率，加强现场巡视，启动相应应急预案或应急措施。(2)橙色预警:当出现下列情况时及时升级预警级别到橙色预警，相应预警及消警实施流程:当监测数据达到上述表格中的指标值时启动橙色预警，并加密监

14、测频率，加强现场巡视，启动相应应急预案或应急措施。工程处于黄色预警状态，当监测数据显示变形或内力变化不收敛(连续两天变化率仍然超出速率指标，说明工程没有稳定，安全状态在继续恶化)，及时升级预警级别到橙色预警。现场巡查发现有事故征兆或不规范施工。(3)红色预警:当出现下列情况时及时发出红色预警，并启动相应预警及消警实施流程:当监测数据达到上述表格中的指标值时启动红色预警，并加密监测频率，加强现场巡视。工程处于橙色预警状态，监测数据仍然不收敛，或现场巡查发现有明显的事故征兆。2 2指标初值的检验和调整将已得到的初步控制指标应用到宁波的轨道交通建设中，通过密切跟踪、积累和分析宁波轨道交通 1 号线实

15、施过程中的实测数据，在实践中对以上控制指标进行修正、调整，并逐渐形成适合宁波的控制指标。对于周边环境复杂，或周边有非常重要、敏感的建构筑物时，需在上面的普遍性指标基础进行更加细化严格、有针对性的控制指标。在数据分析的同时，应研究各项监测数据间的关系。首先要掌握设计警戒值的研究方法，之后应分别搜集相关论文以了解造成地表沉降，墙体位移，支撑轴力变化，管线沉降，立柱隆起等主要风险的原因和它们之间定量和定性的关系，为形成系统、全面的指标体系提供参考。通过对数据的初步分析发现，由于第二批基坑建设过程中吸取了第一批基坑建设经验，及时改进了施工工艺和管理，更加严格控制工程质量，从而减小了各监测项目的累计值和

16、变化速率。监测数据表明，每日变化速率向规范值靠近。表 2宁波地区深基坑连续墙变形预警体系Table 2Forewarning system of deformation of diaphragm for deep foundation pit in Ningbo area预警级别量测项目基坑变形保护等级一级二级三级累计值(mm)变化速率(mm/d)累计值(mm)变化速率(mm/d)黄色预警墙体测斜墙顶水平位移30202 5(连续两天 2)250304(连续两天 3)3宜按二级基坑控制标准，条件许可，可适当放宽。橙色预警墙体测斜墙顶水平位移45304(连续两天 3)375456(连续两天 4 5

17、)4 5三级宜按二级基坑控制标准，条件许可，可适当放宽。红色预警墙体测斜墙顶水平位移60405(连续两天 4)4100608(连续两天 6)6三级宜按二级基坑控制标准，条件许可，可适当放宽。2 3宁波地区深基坑变形控制及比较宁波轨道交通 1 号线车站基坑大都开挖完成，具体的监测数据已经形成中，对宁波轨道交通车站基坑的变形规律进行分析，结果如图 1 和 2 所示。围护结构最大侧移与开挖深度之间在 0 18%0 93%之间，地表沉降分布主要集中在 2H 范围之内。将宁波轨道交通车站基坑的变形规律与上海地区进行对比，具体如下表 3，可见宁波地区深基坑的变形控制方面较上海地区复杂，基坑风险较大，应对基

18、坑风险进行分析与评估。8931地 下 空 间 与 工 程 学 报第 8 卷图 1围护结构最大侧移与开挖深度之间的关系Fig 1Max displacement of enclosure vs depth of excavation图 2地表沉降分布Fig 2Distribution of surface settlement表 3宁波地铁车站基坑与上海地铁车站基坑的变形比较表Table 3Comparison of deformation of foundation pit for metro station in Shanghai and that in Ningbo上海地铁车站基坑(45

19、个)宁波地铁车站基坑(14 个)H(m)15 25 m15 25 m(Hw H)/H 的平均值0 80 98(hm/H)的平均值0 37%0 43%(Hhm/H)的平均值1 010 95(hm/H)/(hsw/Hw)的平均值1 19%1 36%(Hhm/H)/(hsw/Hw)的平均值2 71%3 03%插入比与最大侧移的关系关系不大关系不大(hm/H)与 log(h5/EI)的关系在 4 0 到 2 5 之间大致是线性关系在 4 0 到 2 5 之间大致是线性关系FS 对最大侧移的关系FS 值集中在 1 5 2 5 之间。数据点几乎都落在 Mana 建议的上下限范围内，并且随着 FS 的增大，

20、墙体的最大侧移有减小的趋势。FS 值集中在 1 5 2 0 之间。数据点几乎都落在 Mana 建议的上下限范围内，并且随着 FS 的增大，墙体的最大侧移有减小的趋势。h1/H 与 hm/H 的关系关系不大关系不大h1/H 对无量纲化的墙顶最大侧移的关系缺少数据没有分析当 h11 25 m 时随着 h1的增大，墙顶最大位移变小，当 h1 1 25 m 后随着h1的增大，墙顶最大位移变大，当 h1=1 25 m 时，墙顶的最大侧移最小vm/H 的平均值0 46%0 69%最大沉降的范围1 5H2 0Hvm/H 平均值0 50 83(vm/H)/(hsw/Hw)平均值1 12 1199312012

21、年增刊 1叶俊能，等:宁波地区深基坑工程施工预警指标及风险评估研究续表上海地铁车站基坑(45 个)宁波地铁车站基坑(14 个)vm/H/(hsw/Hw)平均值1 322 61dv/Hw平均值1 2缺少数据没有分析插入比与墙后地表最大沉降关系关系不大关系不大log(h5/EI)对最大地表沉降的影响当 log(h5/EI)在 4 0 到 3 5 内增大时，无量纲化最大地表沉降变小。当 log(h5/EI)大于 3 0 后，随着 log(h5/EI)增大，无量纲化最大地表沉降变大当 log(h5/EI)在 4 5 到 4 0 内增大时，无量纲化最大地表沉降变小。当log(h5/EI)大于 4 0 后

22、，随着 log(h5/EI)增大，无量纲化最大地表沉降变大FS 对最大地表沉降的影响随着 FS 增大墙后地表最大沉降出现减小的趋势随着 FS 增大墙后地表最大沉降出现减小的趋势(vm/H)/(hm/H)平均值1 21 67Vw/0 065H 平均值0 065缺少数据没有分析Vs/0 065H 平均值0 032缺少数据没有分析Vs/Vw0 64缺少数据没有分析围护墙顶的最大竖向位移与 H的比值的平均值0 13%0 06%(上抬)0 18%(沉降)立柱最大竖向位移与 H 的比值的平均值缺少数据没有分析0 14%3宁波地区深基坑风险分析与评估3 1深基坑风险评估理论风险事件对于风险等级的隶属度的计算

23、首先是采用专家打分法来确定各风险事件的影响后果C 的估值及发生概率 P 的估值，将 P 与 C 的乘积带入风险事件对于风险等级的隶属函数。将深基坑施工风险水平分为五个等级，分别为“一级风险”，“二级风险”，“三级风险”，“四级风险”和“五级风险”。为了对深基坑风险进行评估，需要建立深基坑风险分级评价体系。本文参考文献 5 8给出深基坑事故概率等级、深基坑事故损失等级和风险接受准则5，6。风险是事故发生的概率与损失的组合，深基坑风险定义为5:R=PC(2)式中:R 表示深基坑事故的风险，P 表示事故发生概率，C 表示事故损失。风险估计是对工程风险发生的可能性及不良后果进行数量估算的过程。风险度

24、r 取决于风险事故发生的概率 Pf和损失 Cf，按事件和表示如下:r=Pf+Cf PfCf(3)Pf=ni=1iPfi(4)Cf=ni=1iCfi(5)式中:Pfi表示第 i 个风险事故发生的概率，i表示第 i 个风险发生的权重。Cfi表示第 i 个风险事故发生的概率，j表示第 j 个风险发生的权重。表 4深基坑事故发生概率等级Table 4Class of probability of accident in deep foundation等级ABCDE描述极少很少偶尔可能频繁概率0 000 30 000 3 0 0030 003 0 030 03 0 30 3估值0 10 30 50 70

25、 90041地 下 空 间 与 工 程 学 报第 8 卷表 5深基坑事故保损失等级Table 5Grade of loss in accident of deep foundation等级描述估值经济损失/万元工期损失/d重伤(SI)/死亡(F)一级可忽略0 150010SI 5二级需考虑0 3 500，1 000)10，30)5SI 10/F 3三级严重0 5 1 000，5 000)30，60)10SI 50/3F 10四级极严重0 7 5 000，10 000)60，90)50SI 100/10F 30五级灾难性0 910 00090SI100/F30表 6深基坑风险接收准则Table

26、6Acceptance criteria for deep foundation pit risk等级描述风险度风险决策一级可忽略 0，0 2)日常管理和监督检查二级需考虑 0 2，0 4)需注意加强管理和检查三级严重 0 4，0 6)高注重视，加强防控四级极严重 0 6，0 8)决策，控制预警五级灾难性 0 8，1 0)停工，应急预案3 2宁波轨道交通深基坑风险评估轨道交通福庆路站及行政中心广场地下空间开发，为全地下双层梁、柱框架结构，站台层为地下三层，采用明挖法施工。基坑最大开挖长度为253 1 m，最宽约 101 6 m，建筑面积为 5 4 万 m2，其中地下车库总建筑面积 31 721

27、 m2，车站总建筑面积 13 050 m2，开挖深度 14 4 m，最深约 19 4 m，基坑工程安全等级为一级;区域地下停车场联络通道，地下单层单车道宽 6 25 m，净高3 5 m;双车道宽 7 75 m，净高3 5 m;宁穿路下穿段 U 型槽西段长约130 m，东段长约150 m，总长约280 m，采用明挖法施工，开挖深度达 0 6 0 m。本工程建筑物重要性等级为一级，场地等级为二级(中等复杂场地)，地基等级为二级(中等复杂地基)。3 2 1深基坑风险辨识施工期的风险因素主要包括:a)自然因素:如台风、暴雨、雷击、高温等。b)事故因素:如火灾、传染病等。c)环境因素:如不明的地质条件、

28、地下水环境的变化、噪音、泥浆等废液、废气、废渣污染等。d)施工本身因素:建设主管部门监督人员、业主管理人员、监理人员、监测人员、施工技术与管理人员及工人的品行不端、能力不够、责任心不强。原材料和成品半成品材料质量不合格、施工设备质量不合格等。新技术、新方法的应用失败，施工工艺的落后，施工技术与方案不合理，施工进度不合理。3 2 2风险估计对同一个风险事件评价时，需要对多个专家的估计结果进行综合分析，估计深基坑风险发生的概率及损失。结合福庆路站基坑施工情况，根据公式(6)对事件进行风险计算，得到各潜在的事故发生的概率和损失及相应的权重分别如表 7 和 8所示7。Pi=(1/nj=1ij)nj=1

29、ijEij(6)式中:Pi表示专家对第 i 个事故的综合评价结果;ij表示第 j 个专家在评价第 i 个事故时的权重;Eij表示第 j 个专家在评价第 i 个事故时的评价结果。表 7深基坑事故发生概率、估值权重Table 7Weight of assessment and probability ofaccident in deep foundation风险事故权重概率估值渗漏或局部坍塌0 1110 35内倾破坏、失稳0 1480 15折断或变形过大0 1480 25坑内土体滑坡0 1110 22管涌或流砂0 1110 32坑底隆起0 0750 44周边建筑路面管线破坏0 1480 18支撑失

30、稳0 1480 2010412012 年增刊 1叶俊能，等:宁波地区深基坑工程施工预警指标及风险评估研究表 8深基坑事故发生损失估值、范围权重Table 8Weight of scope and estimated loss foraccident in deep foundation风险损失权重损失估值经济损失0 50 35工期损失0 20 25人员伤亡0 30 28根据公式(4)，可以求得深基坑工程开挖期事故发生的概率估值为:Pf=0 25，根据公式(5)，可求得深基坑工程开挖期事故损失估值为:Cf=0 31。在求得 Pf和 Cf后，根据公式(3)可以计算获得本基坑的风险度 r=0 48。

31、根据表 6，本深基坑开挖期总体风险为三级，高注重视，加强防控。4结论软土地区基坑变形控制是保证基坑安全施工的前提，确定基坑的预警、报警值指标是深基坑工程信息化施工中的关键问题。本文在国内相关研究成果、规范基础上，结合宁波轨道交通已建和在建的 14 个地下连续墙围护主体结构现场实测数据，给出了宁波地区深基坑地下连续墙支护体系的预警、报警指标，可为宁波地区深基坑的设计、施工和监测提供技术支持。在此基础上，结合福庆路车站深基坑工程风险识别，对基坑施工过程中潜在的风险进行分析和评估，给出了该基坑施工期的风险度，为三级，需要高注重视，加强防控。参考文献(References)1 李宏义 基坑变形灰色预测

32、预警系统 勘察科学技术 J，2000，(6):40-45 2 胡友健，李梅，赖祖龙，等 深基坑工程监测数据处理与预测报警系统 J 焦作工学院学报(自然科学版)，2001，20(2):130-135 3 贺勇，姜晨光，崔专，等，基坑工程表观监测与安全预警问题的研究 J 勘察科学技术，2003，(4):29-30 4 马海龙，张永利 某深基坑工程事故分析 四川建筑 J 2002，(8):63-64 5 边亦海，黄宏伟，李剑 可信性方法在深基坑施工期风险分析中的应用J 地下空间与工程学报，2006，2(1):70-73 6 兰守，张庆贺 基于模糊理论的深基坑施工期风险评估 J 岩土工程学报，2009，31(4):648-652 7黄宏伟，边亦海 深基坑工程施工中的风险管理 J 地下空间与工程学报，2005，1(4):611-615 8 Eskesen S D，Twngborg P，Kampamann J，et alGuidelines for tunnelling risk management:internationaltunnelling association，workinggroupNo 2 J Tunnelling and Underground Space Technology，2004，19(3):217-2372041地 下 空 间 与 工 程 学 报第 8 卷