巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析

王偉才

上海地礦工程勘察有限公司，上海 200072

1 基坑工程剖面變形數(shù)據(jù)處理

某地鐵車站外包長325.7m，寬19.7m（標(biāo)準(zhǔn)段處）；開挖深度約18m，設(shè)置1道混凝支撐，3道φ609mm鋼管支撐。測斜管深度與800mm厚的地下連續(xù)墻等深，地表沉降斷面覆蓋寬度為46m，約2.5倍挖深范圍。土建工程完成后，獲取最終變形監(jiān)測數(shù)據(jù)（均為累計量），基坑工程剖面數(shù)據(jù)綜合分析圖如圖1所示。

圖1 基坑工程剖面數(shù)據(jù)綜合分析圖

理論上，在有內(nèi)支撐的情況下，圍護(hù)結(jié)構(gòu)頂部的水平位移比較小[1]。圍護(hù)墻上的深層水平位移呈現(xiàn)出“內(nèi)凹”型的變形特點。實際監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示趨勢與理論上相同，但并沒有理論計算的平滑，究其原因，有以下三個方面：（1）受施工場地影響，布置在場地內(nèi)的監(jiān)測點及其監(jiān)測點周圍難免受到工程車輛的碾壓、臨時用料的堆載、人為破壞等，對實際觀測值造成干擾；（2）在實際基坑工程施工中，從工藝到組織均與設(shè)計方案有一定差距，實際觀測值與理論值的差別一定程度上也反映了施工與設(shè)計之間的距離；（3）監(jiān)測點的布置位置與設(shè)計位置不一致，測量設(shè)備的誤差等，都是實際觀測值與理論值并不完全一致的原因。

2 單點累計變量與次變量的關(guān)系

若累計量可以用某一函數(shù)描述，則可以用單次分量來描述次變量的函數(shù)。文章以G26管線監(jiān)測點近1年的沉降觀測數(shù)據(jù)為例進(jìn)行闡述。函數(shù)關(guān)系如圖2所示，由圖2可知，對于單點而言，次變量的變化趨勢表現(xiàn)為一根Y=0的直線。累計變量的變形曲線細(xì)部變化與次變量變形曲線相同，通過累加后，逐漸呈現(xiàn)出非線性特征。由此可見，次變量本身的大小與時間因素之間并不相關(guān)，其大小主要在于其他誘發(fā)因素，而由次變量累加獲得的累計變量與時間因素相關(guān)。支撐數(shù)據(jù)峰值特征由圖3所示，由圖3可知，該數(shù)據(jù)為同一剖面上的由上至下3道支撐的軸力變形歷時曲線。次變量的變形特征上，在第四道支撐拆除時，第三道支撐出現(xiàn)一次峰值；在第三道支撐拆除時，第二道支撐出現(xiàn)一次峰值。若將次變量中的峰值與施工行為相關(guān)聯(lián)，通過大量的數(shù)據(jù)統(tǒng)計分析，能準(zhǔn)確找出峰值產(chǎn)生的直接原因。

圖2 函數(shù)關(guān)系

圖3 支撐數(shù)據(jù)峰值特征

3 監(jiān)測數(shù)據(jù)分析及預(yù)測

3.1 基坑工程引發(fā)變形的關(guān)鍵因素

（1）基坑圍護(hù)滲漏水，導(dǎo)致坑外水位下降，引起地面沉降；（2）基坑開挖、卸載引起坑底隆起、立柱隆起、墻頂位移、地表沉降等，若嚴(yán)格按設(shè)計要求施工，一般可控；（3）支撐架設(shè)不及時，引起變形加??；（4）土方開挖順序安排不合理；（5）場地布置不合理，由堆載、動載引起的局部變形增大；（6）支撐安裝質(zhì)量問題，包括支撐截面與圍護(hù)墻面貼合不良、支撐桿件偏向、預(yù)加應(yīng)力不足等；（7）基坑開挖面暴露時間過長，各參數(shù)相互疊加，引起持續(xù)變形[2]。

3.2 面狀數(shù)據(jù)建模

文章以某盾構(gòu)區(qū)間的出洞段為例進(jìn)行建模，并提取縱斷面上的沉降量。某盾構(gòu)區(qū)間，采用直徑為6.2m的土壓平衡盾構(gòu)施工，出洞段10m范圍為加固區(qū)，在50環(huán)范圍內(nèi)每5環(huán)布置一排監(jiān)測斷面，每斷為11點。先施工左線，再施工右線，左右線貫通后，對地表沉降重復(fù)的擾動，通過人工監(jiān)測，可獲得地表沉降數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 盾構(gòu)施工地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù) 單位：mm

（1）先將以上數(shù)據(jù)按X=64490∶5∶64550；Y=42870∶5∶42930間隔將數(shù)據(jù)格網(wǎng)化；（2）利用表1中的數(shù)據(jù)，計算格網(wǎng)點相對應(yīng)的沉降量值；（3）將格網(wǎng)坐標(biāo)與沉降量值組成三維坐標(biāo)進(jìn)行三維曲面繪制；（4）在建立的網(wǎng)格化數(shù)據(jù)模型中輸入平面坐標(biāo)，提取相應(yīng)坐標(biāo)上的沉降量，如圖4、圖5所示。由圖4、圖5可知，盾構(gòu)由車斜路向星湖街方向推進(jìn)。出洞段內(nèi)，前3排監(jiān)測斷面位于加固區(qū)內(nèi)，變形較小；出加固區(qū)后，沉降量逐步增大，在盾構(gòu)第二次經(jīng)過后，產(chǎn)生了二次擾動的疊加效應(yīng)，形成了較為明顯的沉降槽，且范圍略大。

圖4 盾構(gòu)施工沉降數(shù)據(jù)格網(wǎng)建模

圖5 地表沉降數(shù)據(jù)提取

3.3 監(jiān)測數(shù)據(jù)預(yù)測

（1）采用GM(1,1)單參數(shù)的對非負(fù)離散數(shù)列進(jìn)行預(yù)測。GM(1,1)模型是GM(1,N)模型的特殊形式，只有1個變量?；疑到y(tǒng)GM(1,1)模型處理的數(shù)據(jù)為非負(fù)離散數(shù)列，文章選用了某工地墻頂位移的監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行計算，變形監(jiān)測數(shù)據(jù)（非負(fù)離散數(shù)列）如表2所示，GM(1,1)模型單參預(yù)測分析如表3所示。

表2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)（非負(fù)離散數(shù)列）

表3 GM(1,1)模型單參預(yù)測分析表 單位：mm

可見，在短期的預(yù)測中，效果較好。隨著時間的延長，與實測結(jié)果差距較大，預(yù)測結(jié)果不可靠，可以采用新的觀測值，不斷完善模型，以提高預(yù)測的準(zhǔn)確性。

（2）采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行預(yù)測[3-4]。對于數(shù)據(jù)量較大的樣本，采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行訓(xùn)練，可以很好地進(jìn)行非線性擬合。Matlab新版本中，可使用feedforwardnet函數(shù)創(chuàng)建BP網(wǎng)絡(luò)，feedforwardnet函數(shù)具有數(shù)據(jù)規(guī)約化的能力，可以不進(jìn)行數(shù)據(jù)規(guī)約化處理。訓(xùn)練數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 feedforwardnet訓(xùn)練數(shù)據(jù) 單位：mm

表4中，為某點的累計沉降量，共91次數(shù)據(jù)。通過建立時間-沉降量之間的映射模型，并向模型中輸入需要測試的日期，可獲得相應(yīng)的預(yù)測沉降量，與實際測量所得沉降量進(jìn)行比較，評估模型的有效性。

后8項數(shù)據(jù)與預(yù)測值的差值計算過程如下：第一步，創(chuàng)建網(wǎng)絡(luò)。net=feedforwardnet(10)表示創(chuàng)建一個隱含層節(jié)點數(shù)為10的前向網(wǎng)絡(luò)；net.trainParam.goal=1e-4表示設(shè)置訓(xùn)練目標(biāo)；net.trainParam.lr=0.005表示設(shè)置學(xué)習(xí)率；net.trainParam.epochs=1000表示設(shè)置訓(xùn)練次數(shù)，在實際應(yīng)用時，當(dāng)訓(xùn)練值由趨于訓(xùn)練目標(biāo)轉(zhuǎn)向發(fā)散時，訓(xùn)練停止。第二步，建立映射模型。net=train(net,tx,vy)中，tx為輸入數(shù)據(jù)（表4中的91項日期數(shù)據(jù)）；vy為目標(biāo)數(shù)據(jù)（91項中的沉降量數(shù)據(jù)）。第三步，將tx作為仿真數(shù)據(jù)輸入，獲取相應(yīng)的仿真輸出數(shù)據(jù)。fz=sim(net,tx)表示仿真，fz為tx映射的仿真輸出數(shù)據(jù)。第四步，比較仿真輸出數(shù)據(jù)與目標(biāo)數(shù)據(jù)之間的差異，并進(jìn)行誤差計算，perf=perform(net,fz,vy)表示誤差計算。第五步，運用仿真，輸入需要預(yù)測的日期數(shù)據(jù)，獲取仿真值，即為預(yù)測值，fz2=sim(net,x2)中，x2為測試輸入數(shù)據(jù)；fz2則為仿真測試輸出數(shù)據(jù)。通過計算，feedforwardnet仿真數(shù)據(jù)分析如表5所示。

表5 feedforwardnet仿真數(shù)據(jù)分析表 單位：mm

由表5可知，經(jīng)過訓(xùn)練，相關(guān)性較好的映射關(guān)系比較接近真實值。

4 結(jié)束語

工程監(jiān)測數(shù)據(jù)是建設(shè)活動與資源環(huán)境互動，以量化形式反映的結(jié)果。工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的使用是一個分類搜集、歸類整理、長期積累、現(xiàn)實映射、深度挖掘、趨勢預(yù)測的過程。具有深度學(xué)習(xí)能力的必要條件之一是以數(shù)據(jù)為驅(qū)動引擎，工程監(jiān)測數(shù)據(jù)是資源環(huán)境承載力監(jiān)測預(yù)警的關(guān)鍵數(shù)據(jù)之一。綜上所述，在智能化、物聯(lián)網(wǎng)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)巖土工程監(jiān)測數(shù)據(jù)的分析、利用、價值挖掘，可為城市的安全建設(shè)提供數(shù)據(jù)支撐。