一种针对富水砂性地层基坑的风险评估方法、装置及介质与流程

1.本发明涉及土木工程领域，尤其是涉及一种针对富水砂性地层基坑的风险评估方法、装置及介质。


背景技术：

2.随着我国城市建设和经济的快速发展，越来越多的城市开始进行大规模的地铁建设，城市地铁车站基坑工程不仅面临越来深的问题，周边环境也越来越复杂，基坑周边往往建(构)筑物密集，地下管线复杂，一旦发生基坑事故，不仅会影响工程进度，造成巨大经济损失和人员伤亡，还会引发社会恐慌和不良舆论，产生很负面的社会影响。
3.目前已有各类基坑风险评估方法，但大多是基于各类基坑风险因素对基坑风险进行的整体评估，评估结果受专家主观评分因素的影响较大，更多的是一些定性或者半定量的风险评估。
4.基坑监测数据可以较好的实时反映基坑本体及周边环境的状态，尤其是监测数据的累计值和日变化速率对基坑风险评估具有非常好的警示意义，相关工程规范中虽然规定了各项监测数据的警示值，然而这些数据并没有直接体现基坑风险水平，工程所处的风险水平无法得到直观体现；
5.此外，目前针对基坑风险评估的研究多针对的是软土基坑，极少有针对富水砂性地层中的基坑进行风险评估的，富水砂性地层分布区域相对较少，其地层具有水位高、渗水性强的特点，地下水的影响更大，更易发生基坑风险。


技术实现要素：

6.本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种针对富水砂性地层基坑的风险评估方法、装置及介质，实时性强，准确性高，效率高，自动化。
7.本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
8.一种针对富水砂性地层基坑的风险评估方法，包括：
9.采集若干类基坑监测数据；
10.按隶属关系设置若干级风险评价指标及隶属权重，所述的若干类基坑监测数据作为最低一级的风险评价指标；
11.划分若干个风险等级以及每个风险等级对应的隶属度函数；
12.根据隶属度函数，计算每类基坑监测数据对于各个风险等级的风险隶属度；
13.根据风险隶属度和隶属权重，通过加权计算，获得其余风险评价指标对于各个风险等级的风险隶属度分布，根据风险隶属度大小对风险评价指标的风险等级进行评估。
14.进一步地，设置四级风险评价指标；
15.一级指标包括基坑整体指标；
16.隶属于基坑整体指标的二级指标包括基坑本体指标和周边环境指标；
17.隶属于基坑本体指标的三级指标包括地墙测斜、支撑轴力、立柱隆沉和地下水位，
隶属于周边环境指标的三级指标包括地表沉降、建筑沉降和管线沉降；
18.隶属于每个三级指标的四级指标包括该三级指标的累计变形指标和/或变形速率指标。
19.进一步地，对风险评估结果进行可视化；
20.所述的风险评估结果包括基坑整体指标的风险隶属度分布、基坑本体指标的风险隶属度分布、周边环境指标的风险隶属度分布。
21.进一步地，所述的风险评估结果还包括每类基坑监测数据中风险等级概率最大的测点及对应的风险隶属度。
22.进一步地，所述的风险隶属度的计算过程包括：
23.对基坑监测数据进行无量纲化；
24.根据无量纲化后的基坑监测数据，通过隶属函数计算每类基坑监测数据对于各个风险等级的风险隶属度。
25.进一步地，所述的风险评价指标的隶属权重的获取过程包括：
26.将同级的风险评价指标两两相互比较，按比较重要性大小在一个九标度表中进行仿数量化，各风险评价指标的数量值构成一个构造矩阵，对构造矩阵进行一致性检验，通过检验后对构造矩阵中最大特征值对应的特征向量归一化，获得同级各风险评价指标的隶属权重。
27.进一步地，所述的预警级别由低到高分为五个等级。
28.进一步地，所述的第一等级的隶属度函数表达式为：
[0029][0030]
[0031][0032][0033][0034]
其中，x为各类基坑监测数据对应的最大变形量指标，x2为第二等级的指标控制值，x3为第三等级的指标控制值，x4为第四等级的指标控制值，x5为第五等级的指标控制值。
[0035]
一种针对富水砂性地层基坑的风险评估装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器调用所述程序指令能够执行所述的评估方法。
[0036]
一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序能够被处理器执行以实现所述的评估方法。
[0037]
与现有技术相比，本发明具有以如下有益效果：
[0038]
(1)本发明通过模糊综合评估法，将监测数据与风险等级概率建立直接联系，基于基坑每日实际监测数据，全面考虑各种监测指标，给出综合评估的风险结果，针对富水砂性地层渗水性强的特点设定针对性的评估权重，实时性强，准确性高；
[0039]
(2)本发明能够自动处理大量监测数据，实现高效、自动化，能够及时反馈基坑当日的风险状态，对基坑施工过程中的风险控制有较强的指导意义。
附图说明
[0040]
图1为风险评价指标的隶属关系图；
[0041]
图2为风险评估方法的流程示意图；
[0042]
图3为风险评估系统的运行流程示意图。
具体实施方式
[0043]
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0044]
一种针对富水砂性地层基坑的风险评估方法，如图2，包括：
[0045]
1)按隶属关系对风险评价指标进行分层，若干类基坑监测数据作为最低层的风险评价指标；
[0046]
2)确定风险评价指标的隶属权重；
[0047]
3)划分若干个风险等级以及每个风险等级对应的隶属度函数；
[0048]
4)采集基坑监测数据；
[0049]
5)根据隶属度函数，计算每类基坑监测数据对于各个风险等级的风险隶属度；
[0050]
6)根据风险隶属度和隶属权重，通过加权计算，获得其余风险评价指标对于各个风险等级的风险隶属度分布，根据风险隶属度大小对风险评价指标的风险等级进行评估。
[0051]
步骤1)具体过程包括：
[0052]
如图1，设置四级风险评价指标；
[0053]
一级指标包括基坑整体指标；
[0054]
隶属于基坑整体指标的二级指标包括基坑本体指标和周边环境指标；
[0055]
隶属于基坑本体指标的三级指标包括地墙测斜、支撑轴力、立柱隆沉和地下水位，隶属于周边环境指标的三级指标包括地表沉降、建筑沉降和管线沉降；
[0056]
隶属于每个三级指标的四级指标包括该三级指标的累计变形指标和/或变形速率指标。
[0057]
上述四级指标为基坑常见监测项目，对基坑工程施工过程中的风险状态有很强的联系。
[0058]
步骤2)的具体过程包括：
[0059]
将同级的风险评价指标两两相互比较，按比较重要性大小在一个九标度表中进行仿数量化，因素两两相对重要性评估准则如表1所示：
[0060]
表1因素两两相对重要性评估准则表
[0061][0062]
各风险评价指标的数量值构成一个构造矩阵，对构造矩阵进行一致性检验，通过
检验后对构造矩阵中最大特征值对应的特征向量归一化，获得同级各风险评价指标的隶属权重。
[0063]
二级指标的构造矩阵和隶属权重如表2所示：
[0064]
表2二级指标的构造矩阵和隶属权重表
[0065][0066][0067]
记权重集v2＝(0.83,0.17)。
[0068]
三级指标涉及因素最多，隶属于基坑本体指标的三级指标的构造矩阵和隶属权重如表3所示：
[0069]
表3隶属于基坑本体指标的三级指标的构造矩阵和隶属权重表
[0070][0071]
考虑到富水砂性地层中地下水的影响较大，相较于软土基坑常规的权重分配，对基坑本地各项风险因素的权重做出一些修正，提高了地下水因素的权重，记权重集v
3-1
＝(0.60,0.08,0.20,0.12)。
[0072]
隶属于周边环境指标的三级指标的构造矩阵和隶属权重如表4所示：
[0073]
表4隶属于周边环境指标的三级指标的构造矩阵和隶属权重表
[0074][0075]
记权重集v
3-2
＝(0.09,0.55,0.36)。
[0076]
隶属于每个三级指标的四级指标中，除支撑轴力只考虑累计变形指标外，其余四级指标均考虑累计变形指标和变形速率指标，虽然两种指标对基坑风险状态的评估均有着重要作用，但目前文献中更普遍认为变形速率指标比累计变形指标评估基坑风险状态更加准确，所以在第四层风险因素中累计变形权重取0.30，变形速率权重取0.70，对支撑轴力而言轴力大小权重为1，记权重集v4＝(0.30,0.70)。
[0077]
为了避免构造矩阵中出现逻辑错误，确保计算结果的整体准确性，需要进行一致性检验，指标采用一致性比例cr，计算公式为：
[0078][0079]
其中，ci为一致性指标，计算公式为：
[0080][0081]
其中，n为构造矩阵的阶数，λ
max
为构造矩阵的最大特征值
[0082]
ri为平均随机一致性指标，其值如表5所示：
[0083]
表5n阶构造矩阵的ri值
[0084][0085]
以cr值判断构造矩阵的一致性是否可以接受，当cr＜0.1时，认为构造矩阵的一致性是可以接受的。
[0086]
二级指标的构造矩阵的一致性检验如下：
[0087]
ci＝(2-2)/（2-1)＝0
[0088]
cr＝0
[0089]
第三层构造矩阵的一致性检验如下：
[0090]
基坑本体构造矩阵最大特征值为4，周边环境构造矩阵最大特征值为3。
[0091]
基坑本体：
[0092]
ci＝(4-4)/(4-1)＝0
[0093]
cr＝0
[0094]
周边环境：
[0095]
ci＝(3-3)/(3-1)＝0
[0096]
cr＝0
[0097]
步骤3)具体过程包括：
[0098]
31)预警级别由低到高分为五个等级，如表6所示：
[0099]
表6基坑风险等级表
[0100][0101]
32)确定各个等级的指标控制值：
[0102]
将基坑变形评估指标控制值扩分为5级，为了便于进行隶属度计算，将地墙测斜、地表沉降等累计变形指标转化相对于开挖深度的无量纲数，支撑轴力指标转化为轴力大小除以设计轴力值，建筑沉降累计变形指标转化为建筑倾斜累计值除以设计允许倾斜值；管线沉降累计变形指标转化为管线沉降大小除以设计允许累计沉降值，得到基坑各风险因素评估指标控制值如表7所示：
[0103]
表7基坑风险因素评估指标控制值表
[0104][0105][0106]
33)确定隶属函数：
[0107]
为了求得模糊关系矩阵，必须建立各单因素对基坑体系安全分级的隶属函数，对应5个风险等级，所以需要有5个隶属函数，假定表8所列的各单因素隶属函数相同，均服从线性分布。
[0108]
第一等级的隶属度函数表达式为：
[0109]
[0110][0111][0112][0113][0114]
其中，x为各类基坑监测数据对应的最大变形量指标，x2为第二等级的指标控制值，x3为第三等级的指标控制值，x4为第四等级的指标控制值，x5为第五等级的指标控制值。
[0115]
基于风险评估系统实现本实施例提出的风险评估方法，如图3，具体实现过程包括：
[0116]
确定监测报表的格式规范：基坑监测报表应该为excel格式的数据；基坑监测报表中，各测点监测数据工作簿的命名需要按照基坑监测测点的名称命名，汇总工作簿需要命名为“总评表”；各工作簿中，各行之间不得有空行，各列之间不得有空列；汇总工作簿中，每箱监测项目各占一行，且需要按照以下顺序排列：“周边建筑物竖向位移监测”、“周边建筑物倾斜监测”、“周边地下压力管线竖向位移监测”、“周边地下非压力管线竖向位移监测”、“周边地表剖面竖向位移监测”、“围护顶部竖向位移监测”、“围护顶部水平位移监测”、“立
柱竖向位移监测”、“砼支撑轴力监测”、“钢支撑轴力监测”、“地下水位监测”、“裂缝监测”、“围护结构深层水平位移监测”。
[0117]
通过调用windows本地资源管理器，选择需要导入的excel文件，实现对监测报表的读取功能，依据监测报表的格式规范，通过读取的监测报表文件，采集风险评估方法中所需的基坑监测数据，将评价指标分层、构造矩阵、风险等级、风险指标控制值、隶属函数写入风险评估系统中，基于采集的基坑监测数据，实现风险评估系统对风险等级隶属度的计算评估。
[0118]
根据风险等级隶属度的计算评估，得到风险评估结果，直接在所述风险评估系统中展示，将风险评估结果导出为excel文件保存，风险评估结果包括“基坑本体风险概率”、“周边环境风险概率”、“基坑整体风险概率”、“测斜累计”、“测斜速率”、“轴力”、“隆沉累计”、“隆沉速率”、“水位高度”、“水位速率”、“地表沉降累计”、“地表沉降速率”、“建筑沉降累计”、“建筑沉降速率”、“管线沉降累计”和“管线沉降速率”各项的风险等级隶属度及最危险测点。
[0119]
下面结合某城市地铁车站基坑工程实际监测数据，对实施例提出风险评估方法进行详细说明。
[0120]
将基坑风险评估因素分为四层，第一层为基坑整体，第二层为基坑本地和周边环境，第三层为地墙测斜、支撑轴力、立柱隆沉、地下水位、地表沉降、建筑沉降和管线沉降，第四层为第三层各因素的累计值和速率值，其中支撑轴力项仅有大小值。上述风险评估因素为基坑常见监测项目，对基坑工程施工过程中的风险状态有很强的联系。针对各层各项风险评估因素，通过层次分析法确定了各层各项风险评估因素的权重，并且相较于软土地层，对权重做出修正。将风险等级划分为五级，针对五级风险等级，确定各级风险等级下各项监测项目的指标控制值，通过五级隶属度函数进行隶属度计算，得到风险评估结果。
[0121]
步骤1、基坑监测报表格式的标准化，工作簿的命名和数据排列需按照一定的规范；
[0122]
其中，步骤1中监测报表的规范为：
[0123]
基坑监测报表应该为excel格式的数据；基坑监测报表中，各测点监测数据工作簿的命名需要按照基坑监测测点的名称命名，汇总工作簿需要命名为“总评表”；各工作簿中，各行之间不得有空行，各列之间不得有空列；汇总工作簿中，每箱监测项目各占一行，且需要按照以下顺序排列，“周边建筑物竖向位移监测”、“周边建筑物倾斜监测”、“周边地下压力管线竖向位移监测”、“周边地下非压力管线竖向位移监测”、“周边地表剖面竖向位移监测”、“围护顶部竖向位移监测”、“围护顶部水平位移监测”、“立柱竖向位移监测”、“砼支撑轴力监测”、“钢支撑轴力监测”、“地下水位监测”、“裂缝监测”和“围护结构深层水平位移监测”；
[0124]
步骤2、风险评估系统导入基坑监测报表，收集基坑监测数据，该步骤通过调用windows本地资源管理器，选择需要导入的excel文件，读取监测报表，采集到所需数据后，将连续墙测斜、地表沉降等累计变形数据转化相对于开挖深度的无量纲数；支撑轴力数据转化为轴力大小除以设计轴力值；建筑沉降累计变形数据转化为建筑倾斜累计值除以设计允许倾斜值；管线沉降累计变形数据转化为管线沉降大小除以设计允许累计沉降值。结合某城市地铁车站基坑工程某日实际监测数据，得到所需的数据如表8：
[0125]
表8某城市地铁车站基坑工程实际监测数据
[0126][0127]
步骤3、根据基坑监测数据，风险评估系统进行基于模糊综合评估法的隶属度计算，自动评估基坑当日的风险状态，该部分由所述的风险评估系统自动完成，不需要人工计算；
[0128]
步骤4，风险评估系统通过界面展示基坑风险评估结果概览，其中该基坑实际工程中所得到的结果概览如表9所示：
[0129]
表9基坑风险评估结果表
[0130][0131]
基坑本体以0.32的最大概率处于ⅰ级安全状态，周边以0.67的最大概率处于ⅰ级安全状态，基坑工程整体以0.36的最大概率处于ⅰ级安全状态；
[0132]
步骤5、将包含各监测项目风险细节的风险评估结果导出为excel格式文件保存，主要包含基坑风险评估各监测项累计、速率具体评估结果和基坑风险评估各监测项评估结
果，基坑风险评估各监测项累计、速率具体评估结果如表10所示：
[0133]
表10基坑风险评估各监测项累计、速率具体评估结果表
[0134][0135][0136]
基坑风险评估各监测项评估结果如表11所示：
[0137]
[0138]
表13各项即为表12各项加权的结果。
[0139]
实施例2
[0140]
一种针对富水砂性地层基坑的风险评估装置，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器调用所述程序指令能够执行实施例1所述的评估方法。
[0141]
实施例3
[0142]
一种计算机可读存储介质，包括计算机程序，所述计算机程序能够被处理器执行以实现实施例1所述的评估方法。
[0143]
实施例1、实施例2和实施例3提出了一种针对富水砂性地层基坑的风险评估方法、装置及介质，能够在基坑监测数据的基础上，通过计算机程序自动进行模糊综合评估计算，得到风险评估结果，评估快速高效，保证了风险评估的实时性和准确性，对基坑施工中的风险控制具有一定的实际意义。
[0144]
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。