多信息融合的地铁基坑安全状态评价方法_张浩.pdf

都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 收稿日期:2022-08-29 修回日期:2023-02-23 第一作者:张浩，男，硕士，工程师，从事轨道交通安全风险管理与隐患排查治理咨询工作， 引用格式:张浩，吕培印，张晓阳.多信息融合的地铁基坑安全状态评价方法J.都市快轨交通，2023，36(3)：16-21.ZHANG Hao,LYU Peiyin,ZHANG Xiaoyang.Evaluation method for safety status of subway foundation pit based on multi-information fusionJ.Urban rapid rail transit,2023,36(3):16-21.16 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 城市轨道交通建设安全专辑doi:10.3969/j.issn.1672-6073.2023.03.003 多信息融合的 地铁基坑安全状态评价方法 张 浩，吕培印，张晓阳（北京安捷工程咨询有限公司，北京 100050）摘 要:依据基坑工程支护结构和周围岩土体的监测项目，将基坑工程自身监测对象分为地表沉降类、围护结构类和内支撑类。根据基坑开挖深度，设定预警监测点的预警关联分析范围，并将此范围作为基坑安全状态评价的对象。在监测预警分级标准的基础上，通过大量案例数据、基坑变形力学关系等，确定地表沉降类、围护结构类和内支撑类的预警标准，并引入熵权理论、区间数和危险度，对预警关联分析范围内的上述 3 类预警进行融合，创建多因素、多指标综合分析评价基坑安全状态的方法。该方法可实现对多源工程监测数据的融合，客观、快速地评价基坑的安全状态，避免单指标预警和人为判断基坑安全状态时的不全面、不准确等问题，为深基坑安全状态的快速、准确判定提供参考。关键词:地铁基坑；工程监测；关联分析范围；基坑安全状态；熵权理论；区间数；危险度 中图分类号:U231 文献标志码:A 文章编号:1672-6073(2023)03-0016-06 Evaluation Method for Safety Status of Subway Foundation Pit Based on Multi-Information Fusion ZHANG Hao,LYU Peiyin,ZHANG Xiaoyang(AGILETECH Engineering Consultants Co.,Ltd.,Beijing 100050)Abstract:According to the monitoring criteria for the supporting structures of foundation pit projects and the surrounding rock and soil mass,the monitoring objectives for these projects are divided into ground settlement type,retaining structure type,and internal support type.Based on monitoring and early warning classification standards,the early warning criteria for these three types are determined using extensive accident case data and the relationships in foundation pit deformation mechanics.Simultaneously,the early warning correlation analysis within the scope of the three types of early warnings is fused,incorporating entropy weight theory and interval numbers,to evaluate the safety state of the foundation pit.This method enables the integration of multi-source engineering monitoring data,providing an objective and rapid assessment of foundation pit safety.It addresses the limitations of single-index early warnings and subjective evaluations of foundation pit safety,offering a valuable reference for the rapid and accurate judgment of deep foundation pit safety conditions.Keywords:subway foundation pit;engineering monitoring;scope of association analysis;safety state of foundation pit;entropy weight theory;interval number;risk degree 多信息融合的地铁基坑安全状态评价方法 17URBAN RAPID RAIL TRANSIT 1 研究背景 工程监测及其预警作为地铁工程信息化施工和安全风险管理的“眼睛”，在工程安全风险状态评价和预警管控中发挥越来越重要的作用1。目前，对基坑工程的监测、风险评估和评价的相关研究较多，吴锋波等根据全国各地城市轨道交通基坑工程实测案例，对不同监测项目的实测结果进行了数理统计分析，给出了变形监测控制指标的建议数值2；李俊伟等将信息论中的熵和熵权概念引入地下工程风险评估中，实现了工程风险的定量分析3-4；徐耀德等基于多因素权重矩阵分析法，研究了一种工程安全风险状态量化评估方法5；李文广等基于测斜监测数据反算围护墙的弯矩，提出了以此评判基坑安全状态的方法6。但对于将多个监测项目融合、综合评判基坑安全状态的相关研究较少。本研究以北京地区为例，依托明挖基坑工程的监测数据，分析各监测项目之间的关系，引入熵权理论、区间数和危险度，对预警关联分析范围内的地表沉降类、围护结构类和内支撑类预警进行融合，综合评价基坑的安全状态，并以此来指导施工。2 地铁基坑工程安全预警 2.1 工程监测对象分类 根据文献7中对基坑工程监测对象和监测项目的要求，本研究将基坑工程监测对象分为地表沉降类、围护结构类和内支撑类 3 类。其中，地表沉降类包括地表沉降和管线沉降监测，由于现场管线沉降监测点多采用在管侧土体中布设的方式，以管侧土体沉降代替管线底部沉降，因此这类测点在一定程度上也代表该处地表的沉降情况，故将管线沉降监测纳入地表沉降类；围护结构类包括桩、墙体水平位移(测斜)监测；内支撑类指支撑轴力(锚索拉力)监测。2.2 预警关联分析范围 根据文献7-8等相关规范标准，结合工程实际，将基坑监测点的预警关联分析范围定义为由长边和短边构成的长方形区域。其中，长边为以预警监测点为中点平行于基坑边线的 4H 长度(H 为预警监测点对应的基坑开挖深度)，短边为以预警监测点所在监测断面上距离基坑边线最远监测点到基坑边线的长度。2.3 预警监测点确定 根据监测预警信息，确定预警监测点的集合U预警测点，针对其中的每一个测点，如根据地表沉降测点DBCij的位置(监测断面和测点坐标)和对应位置基坑开挖深度H，由此确定其预警关联分析范围H分析，进一步可以得到本期地表沉降类预警的预警关联分析范围H分析中的所有监测点集合A测点。同理，围护结构类和内支撑类可按照上述方法，分别以测斜和支撑轴力(锚索拉力)为预警测点，确定预警关联分析范围和范围内的测点。3 基坑工程预警标准设定 3.1 基坑地表沉降类预警控制值设定 在文献7中，北京地区地表沉降的建议控制值为3050 mm。通过对案例数据的统计分析，将 45 mm作为地表沉降类预警的控制值。同时，参考北京市轨道交通工程监测预警分级标准，将地表沉降类预警等级分为黄、橙、红 3 个等级，具体分级标准如表 1 所示。表 1 基坑地表沉降类预警分级标准 Table 1 Grading standard for early warning of foundation pit surface settlement 预警等级 黄色 橙色 红色 备注 累计沉降量S/mm 31.5 S38.25 38.25 SiiSS时，围护结构类预警级别上调一级。根据地表沉降和围护结构变形关系，同时参考北京市轨道交通工程监测预警分级标准，将围护结构类预警等级分为黄、橙、红3个等级，具体如表2所示。表 2 基坑围护结构类的预警分级标准 Table 2 Grading standard for early warning of foundation pit retaining structure 围护结构类型 黄色 橙色 红色 地连墙 ScS1.5Sc或 SiiSS S1.5Sc或ScSiiSS S1.5Sc 且DBCZQTmax()max()iiSS 围护桩 0.85ScSSc或SiiSS SSc或0.85ScSiiSS SSc 且DBCZQTmax()max()iiSS 注：Sc为桩/墙体水平位移监测预警控制值，S为围护结构侧向变形最大值。3.3 基坑内支撑类预警控制值设定 按照材料力学中的胡克定律，支撑轴力与支撑压缩量之间应该存在一定的力学关系。文献9中提出，在实际监测工作中，未对支撑压缩量进行监测，无具体数据，可采用支撑端部围护结构的侧移之差代替支撑压缩量，从而可以建立相应的力学关系如下：N=F LKEA (1)式中：FN为支撑轴力，L为支撑长度，E为支撑所用材料的弹性模量，A为支撑横截面的面积，为围护结构侧移计算出来的支撑压缩量，K为支撑轴力与围护结构侧移验算值之间的比例系数。根据式(1)可求得比例系数K，由胡克定律可知，支撑轴力验算出的支撑压缩量和围护结构侧移验算出的支撑压缩量必须满足一定关系，如果相差过大，很可能支撑已经失稳或者失效，存在较大风险。参考大量数据，可以认为K在0.52的范围内支撑是安全的，否则存在失稳风险9。参考北京市轨道交通工程监测预警分级标准，结合比例系数K，将内支撑类预警等级分为黄、橙、红3个等级，具体标准如表3所示。表 3 基坑内支撑类预警分级标准 Table 3 Grading standard for early warning of bracing in foundation pit 预警等级 黄色 橙色 红色 支撑轴力 ScS1.5Sc或 SSc且K值在0.52的范围外 S1.5Sc或ScS1.5Sc且K值在0.52的范围外 S0.1 0.01 p0.1 0.001 p0.01 0.000 1p0.001p0.000 1 1)危险度等级为1时，表示基坑危险性高，极易出现风险事件，建议立即采取控制措施，必要时暂停施工；2)危险度等级为2时，表示基坑危险性较高，易出现风险事件，建议立即采取控制措施，加强监测频率和巡查；3)危险度等级为3时，表示基坑危险性中等，可能出现风险事件，建议持续加强关注；4)危险度等级为4时，表示基坑危险性一般，建议加强关注；5)危险度等级为5时，表示基坑危险性低。4.2 基坑安全状态评价模型 不同的预警组合形式可能导致基坑出现不同风险事件，而风险事件发生的概率存在一定的不确定性。将不同的预警组合作为判断基坑安全状态的评价指标，通过熵权法计算出评价指标的权重，从而建立基于熵权理论、区间数和危险度的基坑安全状态评价模型，具体评价流程如下：1)步骤1，构建3参数区间形式的评价矩阵。通过专家调查法，得到各位专家对不同预警组合导致基坑出现风险的概率，整理形成3参数区间评价矩阵 Z。2)步骤2，评价矩阵规范化。采用极差法对评价指标进行规范化处理，得到处理后的评价矩阵 G。3)步骤3，计算指标熵权。按照式(2)、(3)，计算出评价指标的熵权 W，有 12=,mw wwW(4)式中，m为评价指标的个数。4)步骤4，专家的相对权重。各专家的重要程度按照等权重考虑，专家权重向量为 12,nppp=P(5)式中：1212,1nnpppppp=+=且，n为专家数量。5)步骤5，计算基坑的危险度。在(m，n)评价问题中，根据规范化处理后的3参数区间评价矩阵G，通过矩阵计算评价指标熵权W以及专家的权重P，确定评价问题的危险度为 =R W G P(6)式中：R为危险度计算值。5 基坑安全状态评价实例 5.1 工程概况及预警信息 某市地铁车站主体基坑沿纵向由东至西分8段流水施工，2021年10月2日第6段开挖深度13 m，第7段开挖深度10 m，第8段开挖深度6 m。由于开挖过程中第7段地连墙接缝持续小股渗水，所以当天发布监测预警，具体监测预警信息如表5、6所示，基坑监测布点如图2所示。表 5 监测预警信息 Table 5 Monitoring and early warning information 监测点 预警级别 累计变形值/mm DBC4-1 红色 50 DBC4-3 红色 35 DBC4-5 橙色 23 DBC4-7 黄色 18 ZQT3-1(9 m)红色 35.1 ZQT3-2(9.5 m)橙色 27 ZQT2-1(5.5 m)黄色 7.7 ZQS3-1 黄色 8.5 表 6 支撑轴力预警信息 Table 6 Support axial force warning information 监测项目测点编号 预警级别 本次测值/kN 本次变化量/kN支撑轴力ZCL3-2橙色 1 853 210 注：支撑轴力控制的最大值为2 133.264 kN，最小值为1 254.4 kN。都市快轨交通第 36 卷 第 3 期 2023 年 6 月 20 URBAN RAPID RAIL TRANSIT 图 2 基坑第 16 监测断面测点平面位置 Figure 2 Plan location of measuring points of the first to sixth monitoring sections of foundation pit 5.2 基坑安全状态评价 根据该车站2021年10月2日的监测预警信息，确定预警关联分析范围和监测点集合，依据预警标准计算地表沉降类、围护结构类和内支撑类的预警等级，计算过程不作赘述，计算结果如图3所示。在本期监测预警条件下的预警关联分析范围内，有如下组合形式：DB红+WH3橙+ZC3橙；DB橙+WH4黄+ZC4黄；DB黄+WH2黄+ZC2正常。其中，DB表示地表沉降类预警，WHi、ZCi分别表示围护结构类和内支撑类预警，i表示所在监测断面。图 3 基坑各类预警等级及所在断面 Figure 3 Schematic of various warning levels and sections of foundation pit 步骤1，采用专家调查法，选择5名专家，即以n=1,2,5表示，对上述3种预警组合mi(i=1,2,3)进行评价打分，得到专家评价矩阵Z。步骤2，采用极差法对评价指标进行规范化处理，得到新的评价矩阵G。0,0.5,0.50.5,0.5,10.5,1,10,0.5,10,0,0.50,0.5,10,0.5,0.50.5,0.5,10.5,1,10,0.5,10.5,0.5,10.5,1,11,1,10,0.5,10.5,0.5,0.5|=|G 步骤3，根据式(2)、(3)，计算出评价指标的熵权为 0.34,0.28,0.38=W 步骤4，各专家的重要程度按照等权重考虑，即专家权重向量为 0.20,0.20,0.20,0.20,0.20=P 步骤5，在(m，n)评价问题中，评价问题的危险度计算值为 2.66 3,.33 4.06=RW G P 从结果可以看出，在本期监测预警条件下，基坑在第26监测断面范围内的危险度等级在2，4之间，且等级为3概率相对较大。因此，可以判定本期基坑的危险度等级为3，表示基坑危险性中等，可能会出现风险事件，建议持续加强关注。6 结语 本研究提出一种多信息融合的基坑安全状态评价方法，并通过实例进行验证。该方法避免了单指标预警模式和人为主观因素对基坑安全状态评价的影响，更为客观地综合判断监测预警条件下基坑的安全状态。1)根据预警监测点位置和施工进度数据，提出了预警关联分析范围的选取方法，并将此范围作为基坑安全状态评价的对象，使安全评价更具有针对性。2)将基坑工程自身监测对象分为地表沉降类、围护结构类和内支撑类，并通过大量案例数据、基坑变形力学关系，总结提出了上述3类的预警分级标准。3)引入熵权理论、区间数和危险度，提出了不同预警组合形式下基坑风险概率的定量化评价方法，评价指标和评价结果更为精准，提高了判断基坑安全状态的准确性和可靠性，为传统工程监测预警模式的改变提供了一种更为多源的思路和方法。参考文献 1 北京安捷工程咨询有限公司.城市轨道交通土建工程建设安全风险评估与控制M.北京:中国建筑工业出版社,2017.Agiletech Engineering Consultants Co.,Ltd.Safety risk assessment and control of civil engineering construction of 多信息融合的地铁基坑安全状态评价方法 21URBAN RAPID RAIL TRANSITurban rail transitM.Beijing:China Architecture&Building Press,2017.2 吴锋波,金淮,张建全,等.轨道交通基坑工程变形监测控制指标J.都市快轨交通,2013,26(6):78-83.WU Fengbo,JIN Huai,ZHANG Jianquan,et al.Defor-mation monitoring controlled indexes of urban rail transit foundation pit engineeringJ.Urban rapid rail transit,2013,26(6):78-83.3 李俊伟,黄宏伟.熵度量法在地下工程风险分析中的应用初探J.地下空间与工程学报,2005,1(6):925-928.LI Junwei,HUANG Hongwei.Application of entropy measurement in underground engineering 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Republic of China.Code for monitoring mea-surement of urban rail transit engineering:GB 509112013S.Beijing:China Architecture&Building Press,2014.8 中华人民共和国住房和城乡建设部.城市轨道交通地下工程建设风险管理规范:GB 506522011S.北京:中国建筑工业出版社,2012.Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the Peoples Republic of China.Code for risk management of underground works in urban rail transit:GB 506522011S.Beijing:China Architecture&Building Press,2012.9 刘一杰.深基坑施工多参数风险评估与信息化预警D.上海:上海交通大学,2012.LIU Yijie.Multi-parameter based risk evaluation and pre-warning system for deep excavationD.Shanghai:Shanghai Jiao Tong University,2012.10 刘一杰,陈锦剑,王建华,等.深基坑施工风险的多参数评估方法J.上海交通大学学报,2012,46(10):1594-1598.LIU Yijie,CHEN Jinjian,WANG Jianhua,et al.Risk evaluation method of deep excavation considering multi-parameter correlationJ.Journal of Shanghai Jiao Tong University,2012,46(10):1594-1598.11 黄玉洁,唐作其,梁静.基于信息熵与三参数区间的信息安全风险评估J.计算机工程,2018,44(12):178-183.HUANG Yujie,TANG Zuoqi,LIANG Jing.Information security risk assessment based on information entropy and three-parameter intervalJ.Computer engineering,2018,44(12):178-183.（编辑：傅依萱）国内首个岩溶区全装配式地铁车站在深圳顺利拼装 5 月 15 日，国内首个岩溶发育区全装配式地铁车站在广东深圳顺利完成拼装。这是目前国内地铁车站应用的最大、最重的预制构件，也为深圳乃至华南地区的城市轨道交通施工进入模块化、工厂化时代奠定坚实的基础。作为粤港澳大湾区首批装配式试点地铁车站，深圳地铁 16 号线二期福坑站采用“搭积木”的方式组拼建设，主体及内部结构均采用预制拼装技术。预制构件通过研制的 180 t 大型门式起重机和多功能分离式拼装台车，实现了梁、板、柱、墙等预制构件的吊装、翻转、旋转等姿态调整，达到了毫米级的精准拼装，车站整体装配率达到了 75%。据悉，福坑站处于岩溶发育区，最大一处溶洞体积近 4 000 m3，岩溶强烈发育，地质条件差，对拼装时的围护结构变形控制带来了巨大的挑战。目前，该车站是全国首个在岩溶发育区实施的装配式地铁车站，攻克的多项技术难题填补了多项国内行业空白。摘编自 https:/