房屋建筑深基坑開挖過程中監測數據分析與應用

苗方輝 莫 林

廣西建工集團第一建筑工程有限責任公司 廣西 南寧 530001

隨著我國城市化進程的深入，房屋建筑體量不斷增大，而房屋建筑基礎也向著“大”和“深”的方向發展，這無疑給深基坑施工帶來了更大的挑戰[1-2]。深基坑開挖過程中，地貌水體的巨大變動會引起周邊環境的改變，為保護周邊環境安全與深基坑作業安全，基坑監測成為深基坑開挖過程中一個非常重要的工程環節[3-4]。在基坑監測過程中，基坑圍護結構沉降和水平位移對施工的正常進行有較大影響[5]，另外，現階段施工單位單純被動地接收基坑變形數據，而所接收的數據僅作為資料存檔使用，不能全面了解基坑的動態變形趨勢，這顯然已無法滿足工程實際需求[6]。因此，在深基坑開挖過程中有必要對深基坑實行動態監測和數據管理，并同時對深基坑監測數據中的圍護結構沉降和水平位移2項數據進行重點分析與預測，通過合適的數值分析模型進行基坑監測數據的連續與滾動處理，進而利用分析預測結果指導基坑開挖施工。

1 工程概況

背景工程位于南寧市友愛南路，擬建上層建筑包括1棟20層的綜合樓及11層的附屬結構，設置3層地下室，地下室底板埋置深度約15.00 m，基坑開挖深度為17.10 m，基坑周圍長220 m，基坑底面積約2 500 m2，基坑安全等級為一級，基坑類別為一級，支護形式為地下連續墻＋內支撐。

基坑開挖前在地下連續墻冠梁頂部布置基坑監測點，共13個，在每一監測點同時獲取基坑圍護結構水平位移和沉降數據（圖1）?；颖O測工作委托第三方檢測機構，文中所用原始數據均源自第三方檢測機構出示的檢測報告。

圖1 基坑監測點布設位置示意

2 數值預測模型

2.1 回歸分析模型

回歸分析模型也叫相關分析法，是處理多個變量之間相互關系的一種數學方法，其模型是基于變形和產生變形的原因，根據已有歷史數據，通過分析得出能表達變量間變化關系的數學表達式，進而對變量進行結果預測[7]。

本文擬解決深基坑開挖過程中監測數據的分析與應用問題，而基坑在開挖過程中，其圍護結構沉降與水平位移處于變形早期發展階段，基本符合線性回歸模型條件，因此可以利用一元線性回歸模型對深基坑開挖階段圍護結構的累積水平位移和累積沉降進行預測。

一元線性回歸模型如式（1）所示：

式中：xt——第t期自變量的值；

a、b由式（2）求得：

yt——第t期因變量的值；

a、b——一元線性回歸模型的參數。

式中：xi，yi——測點i的位移值和沉降值。

將a、b代入一元線性回歸模型則可以建立預測模型，輸入歷史監測數據，即可獲取回歸方程，并利用回歸方程對基坑監測項目進行預測。

2.2 灰色預測模型GM(1,1)

GM(1,1)模型是通過對歷史數據分析，利用其潛在的內部規律達到預測和分析的目的[8]，其建立過程如下：

1）設時間序列X(0)有n個觀察值，X(0)={X(0)(1),X(0)(2),…,X(0)(n)}，通過累加生成新序列，X(1)={X(1)(1),X(1)(2),…,X(1)(n)}，則GM(1,1)模型相應的微分方程為：dX(1)/dt＋dX(1)=u，a'稱為發展灰數，u稱為內生控制灰數。

考慮到原始時間序列步長過長反而影響預測效果[5]，同時考慮深基坑開挖過程中的監測頻率，在本文數據分析過程中，原始數列僅取監測點5期監測數據即可。回歸分析數據樣本個數與灰色預測模型一致。

3 監測點數據分析與驗證

該深基坑開挖期間圍護結構累積水平位移及累積沉降監測頻率為5 d，基坑開挖工期90 d，隨機抽取其中一個監測點數據進行分析與驗證（表1）。

表1 J11監測點累積水平位移與累積沉降

3.1 監測點J11累積水平位移數據分析與驗證

3.1.1 ?一元線性回歸分析與驗證

利用Excel對J11監測點前5期累積水平位移觀測值進行回歸分析，獲取回歸方程為y=0.356x＋0.854，利用該回歸方程可分別計算得到各期回歸擬合值，同時，可預測6～8期擬合值，并與實測值進行對比驗證。線性回歸模型累積水平位移擬合結果檢驗如表2所示。

由上述回歸分析可知，利用線性擬合所得回歸方程相關系數R=0.979，擬合效果較好，同時，預測值與實際觀測值相對誤差符合工程實際需求。可見，在深基坑開挖過程中，利用線性回歸模型分析預測深基坑圍護結構累積水平位移具有較高的可靠性。

表2 線性回歸模型累積水平位移預測結果檢驗

3.1.2 ?GM(1,1)模型分析與驗證

利用MATLAB對J11監測點前5期累積水平位移觀測值進行灰色系統GM(1,1)模型分析，獲取此時的GM(1,1)預測模型為殘差序列與原始序列方差分別為：，模型后驗差C=S1/S2=0.21＜0.35，模型精度較好。另外，預測6～8期擬合值，并與實測值進行對比驗證?；疑到yGM(1,1)模型分析預測累積水平位移擬合結果檢驗如表3所示。

表3 GM(1,1)模型累積水平位移預測結果檢驗

由上述灰色系統GM(1,1)模型分析可知，利用灰色系統GM(1,1)模型對累積水平位移預測結果的誤差符合工程實際需求。在深基坑開挖過程中，為安全起見，可同時采用2種模型對深基坑累積水平位移進行分析預測。

3.2 監測點J11沉降數據分析與驗證

與3.1采用分析方法一致，利用Excel對J11監測點前5期累積沉降觀測值進行回歸分析，獲取回歸方程為y=0.136x＋0.29，利用回歸方程計算各期回歸擬合值，同時預測6～8期沉降擬合值。利用MATLAB對J11監測點前5期累積沉降進行GM(1,1)模型分析，獲取前5期擬合值并預測6～8期預測值，深基坑累積沉降分析結果如表4所示。

表4 深基坑累積沉降監測數據分析預測

由2種數值模型分析可知，圍護結構累積沉降與累積水平位移數據分析基本一致。在深基坑開挖過程中，可利用上述模型對監測數據進行分析與預測，進而有效指導基坑開挖施工。

4 深基坑開挖中的滾動預測應用

4.1 確定工況

根據工程特點與工期要求，制訂深基坑開挖方案，確定基坑分層開挖深度，并依據基坑分層開挖所需時間調整基坑監測頻率，收集基坑開挖各監測點的前數期累積水平位移和累積沉降數據。

4.2 分析數據

對所收集到的每一監測點前數期數據同時進行一元線性回歸分析和灰色GM(1,1)模型分析，獲取該工況下2種不同的數據模型。

4.3 滾動預測應用

利用所獲取的數據模型預測某一層開挖過程中的累積水平位移及累積沉降，比較預測值與監測項目控制值，預測值在控制值范圍內則按原方案正常開挖，確保開挖施工安全。該層開挖完成后，對照預測值與實際值，論證模型準確性。在下一層土體開挖時，更新預測模型原始監測項目數據，以最新一期的數據往前取值，重復上述分析、預測和對比步驟，即可對基坑開挖進行滾動預測和施工。

5 結語

在確定工況環境條件下，對基坑開挖的前期監測數據進行整理分析。利用一元線性回歸模型與灰色系統GM(1,1)模型對深基坑圍護結構累積水平位移與累積沉降進行預測，2種模型所得預測值與實測值的相對誤差均符合工程實際所需，可利用模型預測值對深基坑開挖進行指導施工。