基于AHP的深基坑支撑梁爆破拆除顺序研究.pdf
第34卷 第3期 2017年9月 爆 破 BLASTING Vol. 34 No. 3 Sep. 2017 doi10. 3963/ j. issn. 1001 -487X. 2017. 03. 016 基于AHP的深基坑支撑梁爆破拆除顺序研究* 谢先启 1, 钟冬望2, 贾永胜1, 司剑峰2, 姚颖康1, 涂圣武2 (1.武汉爆破有限公司, 武汉430024;2.武汉科技大学理学院, 武汉430065) 摘 要 深基坑支撑梁爆破拆除施工顺序的确定属于一个多因素决策分析问题, 以AHP分析方法为基础 对影响深基坑支撑梁爆破拆除施工顺序的因素进行分类和构建层次结构模型, 并在分析过程中结合数值计 算的方法改进了判断矩阵的确定方法, 使得改进后的判断矩阵更具有客观性, 提高了决策的可靠性。结合武 汉某深基坑支撑梁爆破拆除项目, 对其进行分区, 通过Abaqus及AHP分析方法进行爆破拆除模拟计算, 并 在实际施工中验证了结论的正确性和可实施性。 关键词 支撑梁;拆除顺序;层次分析法;深基坑;决策分析 中图分类号 O389 文献标识码 A 文章编号 1001 -487X(2017)03 -0090 -06 Study of Demolition Order of Deep Foundation Pit Support Beam based on AHP XIE Xian-qi1,ZHONG Dong-wang2,JIA Yong-sheng1,SI Jian-feng2,YAO Ying-kang1,TU Sheng-wu2 (1. Wuhan Explosion & Blasting Co Ltd,Wuhan 430024,China; 2. College of Science,Wuhan University of Science and Technology,Wuhan 430065,China) Abstract The determination of construction sequence of deep foundation pit support beam demolition belongs to a multi-factor decision analysis problem. The influence factors of blasting demolition of deep foundation pit support beam order were classified and the hierarchical structure model was established based on the AHP analysis method. The judging matrix was improved by numerical calculation during the process of analysis,which made the judgment matrix more objectivity and improved the reliability of decision-making. Combined with a blasting demolition of deep foundation pit support beam,by partitioning the foundation and taking the Abaqus and AHP analysis method for blas- ting demolition simulation,the effectiveness of the conclusion is correct and practical. Key words support beams;removal sequence;analytic hierarchy process;deep foundation pit;decision anal- ysis 收稿日期2017 -05 -22 作者简介谢先启(1960 -) , 男, 湖北洪湖市人, 教授级高级工程师、 博士生导师, 主要从事工程爆破理论研究与工程实践工 作, (E-mail)xxqblast@163. corn。 通讯作者钟冬望(1963 -) , 男, 博士、 教授, 从事矿山工程力学、 爆 炸理论及其应用等方面的教学与研究工作,(E-mail) zhongdw123@263. net。 基金项目国家自然科学基金项目(51174147) ; 国家自然科学基金 项目(51574184) 爆破拆除法具有效率高、 工期短、 成本适中的优 点被广泛用于国内外的大型深基坑支撑体系的拆除 施工中[ 1]。目前, 对深基坑支撑梁的拆除顺序确定 方法主要是以施工经验为主, 并且存在施工过程中 不按顺序只图方便的施工现象。这种拆除方法, 往 往具有一定的盲目性, 无法保证施工的安全性和可 靠性, 可能导致支撑体系及基坑系统发生事故性的 破坏, 主要包括 支撑梁局部发生拉伸破坏或者压缩 破坏, 引发事故; 支撑梁整体性发生失稳, 发生坍塌 事故; 引起基坑周围支护桩发生大的位移变形, 引发 基坑坍塌, 损害周边建构筑物; 对施工人员及设备造 成危害[ 2-4]。 本文的目的是研究一种深基坑支撑梁爆破拆除 万方数据 顺序方案的优选方法, 用该方法确定的深基坑支撑 梁爆破拆除顺序能满足实际承载需要、 能保证施工 人员安全和周边建构筑物的安全, 同时符合爆破施 工特点, 具有很强的可行性[ 5]。 1 支撑梁爆破拆除顺序层次分析模型 层次分析法(AHP)是应用网络系统理论和多 目标综合评价方法的一种层次权重决策分析方 法[ 6]。特点是在对复杂的决策问题的本质、 影响因 素及其内在关系等进行深入分析的基础上, 利用较 少的定量信息使决策的思维过程数学化, 从而为多 目标、 多准则或无结构特性的复杂决策问题提供简 便的决策方法。该方法将定量分析与定性分析相结 合, 用决策者的经验判断各衡量目标能否实现的标 准之间的相对重要程度, 并合理地给出每个决策方 案的每个标准的权数, 利用权数求出各方案的优劣 次序[ 7]。层次分析法根据问题的性质和要达到的 总目标, 将问题分解为不同的组成因素, 并按照因素 间的相互关联影响以及隶属关系将因素按不同层次 聚集组合, 形成一个多层次的分析结构模型, 从而最 终使问题归结为最低层(供决策的方案、 措施等)相 对于最高层(总目标)的相对重要权值的确定或相 对优劣次序的排定。运用层次分析法构造系统模型 时, 大体可以分为以下4个步骤①建立层次结构模 型;②构造判断矩阵;③层次单排序及其一致性检 验;④层次总排序及其一致性检验[ 8]。 单道支撑梁拆除时, 可根据施工的便利及基坑 支撑的几何特点将区域分割成5 ~ 10个子区域, 然 后确定各子区域的拆出顺序即可。 影响拆除顺序方案的主要因素包括以下几个 方面 (1) 拆除支撑梁的某一部分时, 应保证剩余支 撑体系的安全性以及周边基坑的稳定性。采用有限 元软件可分别对拆除方案进行数值计算, 检验剩余 支撑梁中的受力及变形特点是否符合要求。 (2) 在确定拆除顺序时, 需考虑当前方案工期 及效益对整体工程进展的影响, 要达到高效高益的 目的。需主要考虑对应方案的待拆梁数目、 待拆方 量、 炮孔数等。 (3) 爆破施工会对周边临近设施、 建筑及人员 造成一定影响, 在确定拆出顺序方案时, 应充分考虑 方案对当前周边环境的影响, 包括爆破振动、 爆破噪 声等。这些因素可通过经验公式或者其他工地测试 的经验数据进行计算或者预测。 根据以上影响因素,可建立层次结构模型如 图1。 图1 基坑支撑梁爆破拆除顺序层次结构模型 Fig. 1 Sequence hierarchy model of blasting demolition of support beam of foundation pit 2 武汉某广场综合体项目施工实例 湖北武汉某广场综合体项目基坑采用明挖顺作 法施工, 基坑平面呈圆形, 直径200 m, 最大开挖深 度34 m, 整体分为中区、 南区和北区三部分, 中区为 一期工程, 南北区为二期工程, 如图2。钢筋混凝土 支撑梁爆破拆除总量约21 500 m3, 基坑中区采用6 道内支撑进行支护, 其中, 第1道至第4道内支撑为 钢筋混凝土支撑, 第5道至第6道支撑为钢支撑。 针对中区一期工程的第1道内支撑拆除顺序做分 析, 该道支撑梁如图3, 根据该结构几何特点及支撑 梁数目特点结合施工, 将整个平面区域分为A、B、 C、D、E、F六个区域。 图2 基坑现场图 Fig. 2 Foundation pit scene drawing 计算模型选取Abaqus/ Standard中的杂交单元 B32H建立, 钢筋混凝土材料采用“ 整体式”算法, 即 将钢筋的强度等效于混凝土。根据支撑梁受力特点 建立二维平面结构模型, 不考虑支撑梁自身重力等 因素的影响, 在其原立柱、 格构柱位置, 施加竖直方 向上的约束来代替实际中存在的格构柱、 立柱。并 19第34卷 第3期 谢先启, 钟冬望, 贾永胜, 等 基于AHP的深基坑支撑梁爆破拆除顺序研究 万方数据 在计算中只考虑周围岩土对支护的作用力, 为提高 安全性将载荷设置为10 mm的极限位移荷载(参考 基坑周边土压力不得大于20 kPa) 。此外, 根据施 工经验梁单元某点位移不能超过30 mm, 防止因变 形过大而产生失稳和破坏。在AHP分析时不考虑 工期和环境影响, 仅针对安全因素作分析, 即考虑拆 除方案下的支撑梁受力和位移, 具体分析如下。 2. 1 确定预拆除的第一部分 2. 1. 1 计算拆除方案中各指标值 根据计算和对模型分区情况, 区域E、F应放在 A、B、C、D四个区域拆除后再进行拆除, 先分别预拆 除A或B或C或D部分, 计算剩余模型所受最大轴 力和模型最大位移U1和U2如表1和图4所示。 图3 模型分区图 Fig. 3 Model zoning map 表1 预拆除A/ B/ C/ D部分轴力和位移对比 Table 1 Axial force and displacement comparison of partially removed A/ B/ C/ D 拆除顺序 模型最大拉力/ 107N 模型最大压力/ 107N 模型最大位移 U1/ mm 模型最大位移 U2/ mm 方案1 预拆除A部分0. 66681. 525012. 0815. 26 方案2 预拆除B部分0. 81821. 595018. 7013. 65 方案3 预拆除C部分0. 94571. 334012. 2520. 24 方案4 预拆除D部分0. 85901. 401016. 7911. 10 图4 预拆除B部分后剩余支撑梁的轴力及位移图 Fig. 4 Axial force and displacement diagram of the residual support beam after removal of the B section 2. 1. 2 建立层次结构模型 见图5。 2. 1. 3 构造判断矩阵及层次单排序 根据子准则层四个因素(最大拉力C1、 最大压 力C2、 最大位移U1、 最大位移U2)对上一层的相对 重要性比较, 构造判断矩阵A, 如下 A = 1355 1/3133 1/51/313 1/51/31/ I I I K X I I I 31 判断矩阵A中元素aij表示针对上一层准则, 两 个元素Ai对比Aj的重要程度。元素aij的标度采用 1 ~9表示重要性从同等重要到一个因素比另一个 因素极端重要。因素j与i比较的判断aji=1/ aij。 根据矩阵A,求得最大特征根λmax= 4. 1981。 特征向量为W( 2) =(0. 5495,0. 2476,0. 1293, 0. 0736) T。 根据平均随机一致性指标表查得阶数为4阶时 随机一致性指标RI = 0. 89。一致性指标CI = (λmax- n)/(n - 1)=(4. 1981 - 4)/(4 - 1)= 0. 066, 则一致性比率CR = 0. 066/0. 89 = 0. 0742 < 0. 1, 通过一致性检验。 29爆 破 2017年9月 万方数据 图5 层次结构模型图 Fig. 5 Hierarchical model diagram 将4个方案针对4个准则分别进行两两对比, 即可得到4个方案关于4个准则的判断矩阵。 (1) 对最大拉力 将表2中4种拆除方案下计算出的对应的剩余 模型中最大拉力两两相减, 并将结果进行排序, 根据 排序结果定义其对上一准则层的重要性分别赋值 2、3、4、5、6、7, 共计n(n -1)/2个, 如表2。 根据表2, 构造判断矩阵如下 B( 3) 1 = 1576 1/5142 1/71/411/3 1/61/ I I I K X I I I 231 表2 四个方案所对应最大拉力值的差值及排序 Table 2 Difference and order of maximum tensile force corresponding to four schemes 差值 方案1 排序差值 方案2 排序差值 方案3 排序差值 方案4 排序 方案100. 151440. 278960. 19225 方案20. 1514400. 127530. 04081 方案30. 278960. 1275300. 08672 方案40. 192250. 040810. 086720 (2) 同理, 对最大压力、 最大位移U1、 最大位移 U2可分别构造如下判断矩阵 B( 3) 2 = 131/51/4 1/311/71/6 5712 461/ I I I K X I I I 21 B( 3) 3 = 1725 1/711/61/3 1/2614 1/531/ I I I K X I I I 41 B( 3) 4 = 11/251/4 2161/3 1/51/611/7 I I I K X I I I 4371 求得各属性的最大特征值和相应的特征向量如 下表3。 表3 各属性的最大特征值及CI和CR值 Table 3 The maximum eigenvalue of each attribute and the CI and CR values 特征值 最大拉力 对最大 压力 最大位移 U1 最大位移 U2 λmax4. 15394. 09924. 09924. 1539 CI0. 05130. 03310. 03310. 0513 CR0. 05760. 03720. 03720. 0576 由表4可知, 均通过一致性检验, 相应的特征向 量如下 W( 3) = 0. 94290. 11050. 50920. 1586 0. 27330. 05300. 05300. 2492 0. 08250. 50920. 32730. 0479 0. 17160. 32730. 11050. I I I K X I I I 5444 2. 1. 4 层次总排序及一致性检验 W = W( 3)W(2) = 0. 94290. 11050. 50920. 1586 0. 27330. 05300. 05300. 2492 0. 08250. 50920. 32730. 0479 0. 17160. 32730. 11050. I I I K X I I I 5444 0. 5495 0. 2476 0. 1293 0. I I I K X I I I 0736 = 0. 6230 0. 1885 0. 2173 0. I I I K X I I I 2297 0.6230 >0.2297 >0.2173 >0.1885, 即应选择方案 一( 先拆除A区域) 作为本次拆除的拆除顺序方案。 2. 2 确定预拆除的第二部分 在拆除A部分后, 预拆除B、C、D部分, 现对B、 C、D部分拆除顺序进行计算, 计算得出模型所受最 大轴力和模型最大位移U1和U2如表4所示。 其中方案3( 拆除AD部分) 的模型最大位移U1 为42. 73 mm大于30 mm, 因此该方案应舍弃。建 立层次结构模型同2. 1中层次结构模型。此时方案 39第34卷 第3期 谢先启, 钟冬望, 贾永胜, 等 基于AHP的深基坑支撑梁爆破拆除顺序研究 万方数据 层仅有2个方案 方案一为拆除A后紧接着拆除B; 方案二为拆除A后紧接着拆除C。子准则层对准则 层的判断矩阵同2. 1。 表4 预拆除AB/ AC/ AD部分轴力和位移对比 Table 4 Axial force and displacement comparison of partially removed AB/ AC/ AD 拆除顺序 模型最大拉力/ 107N 模型最大压力/ 107N 模型最大位移 U1/ mm 模型最大位移 U2/ mm 方案1 拆除AB部分后0. 98701. 409020. 9210. 40 方案2 拆除AC部分后0. 77761. 248010. 2618. 42 方案3 拆除AD部分后0. 47781. 065042. 7313. 34 通过2个方案关于4个准则的判断矩阵, 求得 各属性的最大特征值均为0, 一致性良好。相应的 特征向量如下 W( 3) = 0. 44720. 44720. 44720. 8944 0. 89440. 89440. 89440. CJ 4472 则 W=W( 3)W(2)= 0.44720.44720.44720.8944 0.89440.89440.89440. CJ 4472 (0. 5495,0. 2476,0. 1293,0. 0736) T W = 0. 4801 0. CJ 8615 0. 8615 >0. 4801, 则应选择方案二作为本次拆 除的拆除顺序方案。即在拆除过程中拆除A部分 后应拆除C部分。 2. 3 确定预拆除的第三部分 在拆除A和C部分后, 需要对B/ D两部分拆除 顺序进行计算, 模型所受最大轴力和模型最大位移 U1和U2如表5所示。 表5 拆除ACB/ ACD部分轴力和位移对比 Table 5 Removal of partial axial force and displacement contrast of ACB/ ACD 拆除顺序 模型最大拉力/ 107N 模型最大压力/ 107N 模型最大位移 U1/ mm 模型最大位移 U2/ mm 拆除ACB部分后0. 20010. 238053. 1212. 73 拆除ACD部分后0. 19850. 23859. 8112. 70 根据表5, 拆除ACB后出现了53. 12 mm的最 大位移U2, 该拆除方案应该排除, 即在拆除AC后接 着应拆除D部分, 最后拆除B部分, 即A、B、C、D四 部分的拆除顺序为ACDB。 2. 4 确定预拆除的第5部分 在拆除A、B、C、D四部分后, 现对E、F两部分 拆除顺序进行建模讨论, 模型所受最大轴力和模型 最大位移U1和U2如表6所示。 表6 拆除ACDBE/ ACDBF部分后轴力和位移对比 Table 6 Remove part of ACDBE/ ACDBF rear axle force and displacement contrast 拆除顺序 模型最大拉力/ 107N 模型最大压力/ 107N 模型最大位移 U1/ mm 模型最大位移 U2/ mm 拆除ABCDE部分后0. 048150. 101423. 1010. 85 拆除ABCDF部分后0. 069600. 172631. 7010. 10 根据表6, 拆除ACDBF后出现了31. 70 mm的 最大位移U1, 该拆除方案应该排除, 即在拆除ACDB 后接着应拆除E部分, 最后拆除F部分, 即整体拆 除顺序为ACDBEF。 综合以上分析, 故整体拆除顺序应为AC DBEF。根据以上分析结果对武汉光谷广场 综合体项目基坑支撑梁进行爆破拆除施工, 基坑支 撑梁未出现失稳、 坍塌, 周边建筑物、 管线等安全完 好, 符合施工要求。 3 结论 (1) 拆除顺序对基坑支撑梁爆破拆除施工安全 性具有重要意义, 在确定拆除方案时应充分考虑支 撑梁自身强度及稳定性的要求、 拆除方案对工期及 效益对整体工程的影响、 施工对周边环境的影响等 因素。 (2) 层次分析法(AHP)作为一种多因素定性和 的决策方法, 能够很好的应用在基坑支撑梁爆破拆 49爆 破 2017年9月 万方数据 除施工顺序确定中。此外, 结合数值计算分析结果, 将其融入AHP分析方法中的判断矩阵中, 使得判断 矩阵更具有客观性, 增加了AHP在使用过程中的定 量效果。 (3) 将优化的AHP应用于武汉某广场综合体 项目基坑支撑梁爆破拆除项目, 在仅考虑安全因素 的条件下得出了其整体拆除顺序, 施工证明了该方 法的准确性, 可供同类施工做参考。 参考文献(References) [1] 张兆龙.复杂环境下基坑支撑梁爆破拆除[J].爆破, 2015,32(4) 94-98. 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