1、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.Urba
2、n 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
3、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 Saf
4、ety 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
5、 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 d
6、ata 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 meth
7、od 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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、 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 S
14、iiSS 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
15、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
16、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
