1. 绪论
1.1 选题背景及意义
1.1.1 选题背景
随着城市智能化现代化建设的不断发展，有限的地面建筑难以满足公众对高效、便捷生活的要求。因此，城市地下空间的开发利用受到越来越多的关注，特别是在 21 世纪，地铁、地下管廊、地下商场等大型地下建筑开始大规模的兴起。与此同时，人们对深基坑工程各方面的要求显著提高，工程中出现的问题也随之越来越复杂[1,2]。城市中深基坑工程常常处于既有建（构）筑物、桥梁道路、近水堤岸或人防工程的附近，虽然其支护结构属于临时性项目，但技术复杂性远远超过主体结构，稍有疏忽，就可能危害基坑安全，甚至殃及周围环境，造成极大损失[3]。以城市地下管廊的盾构井深基坑建设为例，它的设计和施工需要依据场地工程地质勘查、支护结构设计、施工开挖条件等诸多因素，而且在开挖过程中往往会引起支护结构稳定性变化，从而造成安全事故[4,5]。
目前，我国深基坑工程建设具有以下特点：
1、基坑深度越来越大。随着地价的飙升以及对地下空间的开发利用，基坑深度越来越大，以沈阳市地下管廊盾构井为例，已经建成的盾构井平均深度 23m，且最大深度达到了 27m。
2、工程地质条件差。由于地下管廊的建设需要满足人防、市政等部门规划的需要，很多时候无法人为干预建设地点的选取，因此建设地点的地质条件往往较差。
3、复杂性。深基坑的施工不仅受地质条件限制，还与周围建筑物、城市道路以及市政地下管网布置等条件密切相关。正是由于岩土性质千差万别，造成勘察所得数据离散性很大，难以代表土层的整体情况，且精度比较低。因此很难对支护结构的允许变形有统一的标准[6]。
4、综合性。基坑工程的土压力、渗流以及周围地表变形都可能成为基坑破坏的主要因素。同时，基坑工程是一门涉及岩土工程、结构工程以及施工技术等多学科交叉的系统工程，受到各种复杂因素的制约，其施工方案的优选是一项值得研究的课题[7]。
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1.2 国内外研究现状
基坑支护方案种类繁多，支护方案的选择直接关系到施工进度、工程造价和周边环境安全，然而各支护方案受地质条件、外部环境等方面的限制[17]。因此，支护方案的选型研究也成为近年来各专家学者研究的热点问题。
1.2.1 国外基坑支护优化的发展现状
深基坑工程是世界各地建设工程中数量庞大、投资多、难度高的重点工程。基坑支护方案的选择，不单单要保证整个支护结构在施工过程中的安全性，而且还要确保周围环境的稳定，以保证施工安全进行 [18]。
1948 年，Peck 与 Terzaghi 等人[19]撰写的《Soil Mechanics in Engineering Practice》一书中通过对基坑项目的实际测量数据进行系统整理、分析，提出估算开挖稳定程度的方法和支撑的总应力法，对当时工程产生了强烈影响。
20 世纪 70 年代起，由于测量仪器的不断改进[20]，工程预测的准确性显著提高，并制定了相应得指导开挖的法规。 1971 年，Clough 和 Duncan [23]就开始了操纵有限元法，并通过计算机技术，分析了挡土墙特征。
1972 年法国最先在基坑工程中运用了土钉墙[21]。随后，土钉墙支护技术便开始广泛应用并迅速发展，日趋完善。在二战之后，美国国内兴起了水泥土搅拌桩支护技术[22]（MIP）。
1974 年，学者 Chandrasekaran 通过基坑开挖的有限元仿效，对开挖进程进行了相关分析。Karlsrud[24]（1986 年）、Clough[25]（1990 年）、Ou[26]（1993 年）和 Wong[27]（1997 年）通过对地表沉降、墙体移动距离、基坑开挖进深三者之间的关联展开了一系列研究分析。
到了 20 世纪，除了现在应用较广泛的明挖法、盖挖法、盾构法外，国外深基坑支护工程开挖技术的发展还囊括了：全过程机械化，即从开挖到结构施工包括拱架安装、泥浆配置等工序实施机械化，并辅以计算机系统进行实时监控，以保障工程的安全、效率以及高质量。
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2. 评价优选指标体系建立
2.1 深基坑支护总体方案
深基坑支护的总体方案与深基坑工程全局工作息息相关，其基本形式有顺作法和逆作法两种。两种做法可以在同一个基坑中同时使用，也可以在不同的基坑区域进行组合使用，以满足在特定条件下对工程的技术经济要求。总体支护方案分类见图 2.1。
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2.2 基坑支护方法及其分类
基坑支护方案的选择，应依据具体工程的水文地质条件、现场及周围环境、施工情况、综合造价等多方面因素，没有特定的支护方案能满足所有工程情况。合理支护方案的选择，能最大程度的满足各方面需求，以保证利益的最大化。目前，基坑工程中常用的支护方式很多，例如悬臂式、拉锚式、内支撑式等等，但在基坑工程支护方法的分类中要包含所有支护形式是不切实际的，龚晓南教授[59]将其划分为四类，具体类别、常见支护方法及各自适用范围见表 2.1。
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3. 基于物元分析理论的深基坑支护方案优选模型的构建 .................. 20
3.1 物元模型构建的理论基础 ..................................... 20
3.1.1 物元理论的创立以及发展 ............................... 20
3.1.2 物元的基本概念 ....................................... 20
4. 物元分析模型的应用实例 ...................... 27
4.1 工程背景 .......................... 27
4.2 工程水文地质条件及分析 ..................................... 28
5. 盾构井施工风险控制及变形监测 .................................... 41
5.1 盾构井施工风险控制 ......................................... 41
5.1.1 危险源控制 ........................................... 41
5.1.2 风险控制要点 ......................................... 42
5. 盾构井施工风险控制及变形监测
5.1 盾构井施工风险控制
由于深基坑施工项目具有复杂、庞大、不确定的特点，并且目前施工项目正向着综合化、信息化、智能化、机械化、绿色化的方向发展，因此各类不确定因素带来的风险可能会在施工过程中发生。因此，在施工过程中，风险控制需要相关专业人员熟悉施工全过程各工况的具体情况，认真辨识和分析各类风险源，并加以严格控制，避免重大危险的发生。
对深基坑施工过程中的控制难点进行控制，主要应从施工质量、土方开挖、现场管理、监测作业、应急预案五个方面进行。对于施工质量控制，应重点对桩顶位移、基坑塌陷、围护结构失稳等作为重点控制内容; 在土方开挖中，要将开挖方案设计、施工工序与围护结构相适应，配合施工; 对于施工现场管理，要合理现场布置、车辆进场及坑边堆载等，使作业在荷载允许范围内进行；在基坑监测作业上，结合施工条件、施工工况、外部环境变化等因素，对基坑荷载变化进行计算和预测，进行一定量的处理，并对基坑邻近建筑物、基坑围护结构、地下管线及周围土体进行综合分析，安全施工；在作业开始前，应制定各环节相应的应急预案，以防止事故的发生带来更严重的损失[71]。
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6. 结论与展望
6.1 本文主要结论
本文以深基坑支护工程施工方案优选为研究对象，详细介绍了优选评价指标建立原则，建立了以工程质量、经济合理、施工效率、环境保护、工程安全为一级指标的的新型评价指标体系，初步探讨了深基坑支护方案优选的相关理论。本文利用物元分析理论，通过 MATLAB 等数学工具的辅助计算，建立了深基坑支护方案的优选模型，并结合实际工程的特点，对三种初选方案进行了计算以及综合评价，确定优选方案。论文最后通过对施工过程中风险控制以及监测数据分析，对优选方案进行动态分析，从而验证优选方案的可行性。通过研究、分析，本文主要结论如下：
（1）本文对现有主要深基坑支护方案的指标进行对比分析。经过研究表明，现有评价体系不能全面的体现深基坑支护工程中的各种因素，且各指标受到当地政策、地质环境等因素影响较大。本文结合沈阳市地下管廊盾构井项目，提出了一套更为科学全面、贴近实际的深基坑支护评价指标体系。
（2）将定性分析与定量分析相结合，通过专家评审和层次分析法，确定各目标的权重，建立了基于物元分析的深基坑支护方案优选模型。同时，以沈阳市地下管廊盾构井建设为例，将三种初选方案带入物元模型中计算比较，最终确定了“钢结构内支撑+支护排桩+止水帷幕”的施工方案。
（3）深基坑支护是一门多学科交叉的系统工程。本文将物元模型应用到实际的深基坑工程中，通过对施工过程中的风险控制以及现场实际监测数据分析，对施工过程进行动态管理，事实证明优选方案在各方面表现良好，从而验证了优化方案的合理性与可行性，为今后深基坑支护方案选择提供一种新的借鉴。
参考文献（略）
