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毛石林，孔志军，郭延辉，宋 琴，张国洋，杨 涛
(1.云南建投第六建设有限公司，云南 玉溪 653199；
2.昆明理工大学公共安全与应急管理学院，云南 昆明 650093；
3.云南农业大学建筑工程学院，云南 昆明 650201)
21世纪以来，随着我国大力发展城市建设，城市地下管线众多，新建深基坑工程不可避免的遭遇城市市政管线。由于深基坑开挖土体卸荷作用，必然引起周边土体变形，从而威胁管线安全，尤其是城市天然气管线，一旦破裂将威胁现场施工、城市经济、周边居民生命财产安全[1-5]。因此，深基坑开挖过程中邻近管线安全风险评估对管线正常使用具有重要意义。
为研究深基坑开挖对邻近管线的影响，保证管线安全运营，国内外众多学者开展大量研究，并取得丰富成果。郭延辉等[6]通过Midas GTS NX模拟分析某小区深基坑开挖支护过程中，对邻近天然气管线的影响，对比分析理论计算结果可知深基坑支护强度不足，有待加强。喻志洁等[7]通过改进WPSI模型，结合ABAQUS软件计算得到管壁内力及管道位移。高丙丽等[8]构建西安地铁施工对邻近管线安全影响的评估体系，采用模糊综合评价法计算不同因素的风险等级。吴贤国等[9-10]划定地铁施工邻近管线的风险等级，构建邻近地铁施工管线安全管理体系。张孟喜等[11]通过ANSYS 软件分析不同开挖情况对邻近管线的影响，并改进BP神经网络，预测邻近深基坑开挖管线的沉降情况。
目前对邻近基坑开挖管线安全的研究主要通过数值模拟、理论计算模型进行，成果显著，但未综合考虑所有影响因素，且对管线安全影响的评价研究较少。因此，以巴彦淖尔市某小区邻近管线深基坑开挖为背景，采用层次分析法，结合变权理论及相对差异函数构建邻近基坑开挖管线安全评价体系，分析邻近深基坑开挖管线安全风险等级。
1.1 工程概况
某小区建筑深基坑位于巴彦淖尔市临河区，拟开挖基坑形状不规则，开挖深度较深，拟建工程包括西段地下车库地下1层，为框架结构，采用筏板基础，基坑开挖至自然地坪下6.2m；
东段地下车库地下2层，为框架结构，采用筏板基础，基坑开挖至自然地坪下10.1m。基坑形状不规则，东西长约182m。基坑支护坡段南侧为天然气管道，管道直径为36cm，壁厚8mm，埋深4.7m，里程位置处于长乌临天然气管道K405+700—K405+900m处。基坑开挖范围内出现的土层主要是杂填土、粉土、粉细砂、细砂。
1.2 邻近开挖基坑管线安全风险影响因素辨别
根据现场调研结果，该基坑开挖支护对南侧天然气管道可能造成的常见破坏形式包括管壁破坏、管壁压屈、超挠曲、纵向应力屈服及构造破坏等。为系统分析深基坑开挖对邻近管线的影响，评估影响因素的重要程度，在对某深基坑工程现场情况的研究基础上，基于大量邻近管线深基坑开挖研究成果及相关文献，结合相关领域专家意见，确定邻近开挖基坑管线的主要安全风险因素为基坑施工工艺、管线因素和环境。
基坑开挖过程中，由于土体开挖卸荷作用，导致一定范围内土体回弹变形，基坑开挖深度越大、开挖尺寸越大对周边土体影响越大。基坑周边土体沉降变形、水平方向发生位移必然引起邻近基坑管线受力变形，严重地将导致管线破裂失效。同时，基坑采用什么样的支护形式对基坑周边环境影响较大，华北地区技术较成熟的护坡方式有排桩(或桩锚)、地下连续墙、钢板桩、喷锚支护、土钉墙等类型，地下连续墙、钢板桩多用于深大基坑且地下水丰富又不宜降水的地区，但工期相对较长；
而排桩、喷锚、土钉墙支护是施工工艺成熟、工期相对较短的支护形式，稳定性高，在基坑支护中被广泛应用。因此，在考虑基坑开挖对邻近管线影响时，基坑支护模式是重要的考虑因素。由于该基坑形状不规则，导致基坑周边不同位置土体受力不均，因此，管线相对基坑位置、埋深、埋距，管线管径、壁厚及材料等都对管线安全稳定起重要作用。基坑范围内以砂土为主，砂土遇水易液化，导致土体下沉，容易造成管线变形破坏，影响管线安全。因此，对现场水文及周边环境的考虑是评价体系构建的重要一环，周边环境主要包括周边堆土、降雨、地下水及周边建筑等。
1.3 评价指标体系的确定
根据评价体系构建原则及筛选方法，确定基坑施工工艺、管线因素和环境评价准则，细分出基坑支护模式、施工流程、降水、开挖深度和尺寸、管线材料、距基坑埋距、埋深、管径、管壁厚、相对基坑位置、周边环境、地层分布、岩土性质、水文地质条件、地形地貌共16个评价指标，如表1所示。
表1 邻近开挖基坑管线安全评价体系
1.4 权重与一致性检验
权重是邻近开挖基坑管线安全评价的关键部分，通过表1邻近开挖基坑管线安全评价体系，确定每项指标在整个评价体系中的重要程度，计算权重。目前常用的权重计算方法包括层次分析法、优序图法、熵值法、模糊法、专家评价法等，根据各计算方法计算准则及工程情况，本文采用层次分析法(AHP)计算评价指标权重。计算过程如下：①根据研究问题，在充分研究工程现场情况的基础上，确定研究对象相关影响因素，形成3层或多层评价指标体系；
②邀请相关专家对评价体系各层同一指标下属各指标进行两两比较，按照各指标重要性进行评分，评分采用1～9标度法，并形成判断矩阵。标度1表示2个元素的同样重要性；
标度3表示2个因素中，一个因素比另一个重要性略强；
标度5表示2个因素中一个因素比另一个重要性显著更强；
标度7表示2个因素中一个元素比另一个重要性强烈许多；
标度9表示2个因素中一个因素比另一个重要性达到极端；
标度2,4,6,8表示上述相邻判断的中间值；
其倒数表示两元素重要比较值的倒数；
③采用方根法计算各判断矩阵特征向量，归一化处理后，得到各指标权重；
④对于满足一致性要求的判断矩阵进行下步计算，需重新构造不满足一致性要求的判断矩阵，一致性检验公式为CI=(λmax-n)/(n-1);CR=CI/RI，RI表示随机性指标，取值如表2所示，当CR<0.1时，判断矩阵满足一致性要求，可进行下一步，否则重新构造判断矩阵；
⑤为克服传统评价方法存在的不足，基于变权理论优化权重。
表2 随机性指标RI取值
根据邻近开挖基坑管线安全评价体系，邀请5名相关专家对目标层、准则层下属指标进行两两评判，形成判断矩阵如表3所示。基于判断矩阵，采用方根法计算各指标权重值。
表3 邻近基坑管线安全评价准则层权重
根据一致性检验计算公式，得表3准则层的CI=0.001，CR=0.002<0.1，该构造矩阵符合要求。同理得到基坑施工工艺、管线因素及环境准则层权重如表4～6所示。表4中CI=0.012，CR=0.011<0.1；
表5中CI=0.039，CR=0.031<0.1；
表6中CI=0.008，CR=0.007<0.1。
表4 基坑施工工艺各指标权重
表5 管线因素各指标权重
表6 环境各指标权重
经计算，各判断矩阵CR值均<0.1，说明判断矩阵符合一致性要求，各指标重要性评分相对合理，能较好反映评价体系中各因素对管线安全的影响程度。使用传统评价方法评估安全性时，评价体系中某些较差因素的重要性容易受较好因素的影响而减弱影响程度，因此，本文基于传统权重计算结果，引入变权理论[12-13]修正权重。在现场调研中，综合评估打分后计算指标变权。各指标变权计算如下：
(1)
由表7可以发现，经过计算组合权重，基坑开挖深度和基坑开挖尺寸是影响管线安全性的主要风险，其次是管线距基坑埋距、管线埋深，地形地貌对管线安全影响最小。
表7 专家评分及层组合权重
模糊评价中，通常采用隶属度向量代替某因素重要程度，目前隶属度向量确定方法主要有模糊统计法、专家经验法、利用分布函数将指标特征值模糊化。其中第3种方法最受认可，其分布函数包括三角函数 、正弦函数 、梯形函数等，而本文分布函数采用陈守煜[14]提出的相对差异函数模型。
根据项目现场情况，本文将影响管线安全等级的论域分成5个等级，为影响极小，影响可接受，影响中等，影响较大，影响极大，以1～5分别代替5个等级，数值越大，影响程度越强。专家评分及层组合权重如表7所示。
根据项目实际，分值指标区间为Iab=([100,90)1,[90,80)2,[80,70)3,[70,60)4,[60,0)5)
变动区间范围值矩阵为：
Icd=([100,80)1,[100,70)2,
[90,60)3,[80,0)4,[70,0)5)
根据安全性指标特点，确定5个等级的M向量，M=(100 90 75 100)。
根据专家打分情况，根据相对差异函数计算并归一化后得到基坑施工工艺、管线因素和环境隶属度矩阵，如基坑施工工艺的5个二级指标隶属度矩阵如下：
(2)
风险隶属向量B=A·R，其中A为准则层指标变权重向量，根据级别特征值判断评价结果优劣。基坑施工工艺B1隶属度向量如下：
(3)
则基坑施工工艺B1特征值如下：
(4)
计算结果表明基坑施工工艺对管线影响程度等级为3级，属于中等影响等级。同理，得到管线因素为2级，接近于3级；
环境为1级。
通过对准则层指标安全等级进行评价计算，获得准则层指标隶属度向量，从而得到邻近基坑管线的安全评价隶属度矩阵R：
(5)
根据前述方法计算邻近基坑管线安全特征值，结果H=3.208，可知该邻近基坑管线安全风险等级为3级，表明深基坑开挖对邻近管线安全影响基本可接受，但需要密切关注管线，加强基坑支护或管线管理。
1)基于层次分析法，构建邻近基坑管线安全评价体系，该系共3层，其中准则层为基坑施工工艺、管线因素、环境，指标层共16个。
2)经过计算组合权重，基坑开挖深度和基坑开挖尺寸是影响管线安全性的主要风险，其次是管线距基坑埋距、管线埋深，地形地貌对管线安全影响最小。
3)根据相对差异函数计算目标层、准则层特征值，结果表明，基坑施工工艺对管线影响程度等级为3级，管线因素为2级，接近3级，环境为1级。该邻近基坑管线安全风险等级为3级，需要密切关注管线并加强管理，基坑开挖前应加固管线周围土体，增加基坑支护结构强度。
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