基于時間序列和灰色模型的大廈基坑監測

魏瑤

（1.陜西鐵路工程職業技術學院，陜西 渭南 714099）

對于不同類型的基坑工程，應合理選擇不同形式的監測方案，可為優化施工方案設計和指導施工安全提供可靠依據[1]，對保證基坑安全、施工順利，保護環境具有重要作用[2]。基坑監測可及時提供施工監測信息，充分了解各方參與基坑工程的工程質量，掌握關鍵指標和所處的各個環節，及時并嚴謹的預測可能發生危機的周邊安全環境問題，確保基坑和周圍環境安全[3]。

20世紀初，基坑工程通常具有工程小、面積小的特征，且監測設備還沒有發展完全，很少采用儀器監測基坑的開挖與運行情況[4]。隨著國內外大量高樓的建造，一些基坑工作開始采用儀器進行監測，20世紀80年代初在奧斯陸和墨西哥開始全面采用儀器進行深度基坑監測，經過多年的發展，國外已出現了監測計算機數據采集系統，實現了監測自動化。我國深基坑工程綜合監測始于20世紀90年代初，經過多年的研究，基坑工程監測技術取得了長足進步和發展[5]。目前，基坑監測主要采用儀器（如全站儀、水準儀等）進行測量，精度要求較高。基坑觀測時應采用同一套測量儀器，不可更換儀器，且需定期檢校儀器精度，減小誤差[6]。

本次基坑水平位移監測采用極坐標法，選取了4個穩固可靠的工作基準點，每次監測前對基準點按一級導線精度要求進行聯測，以工作基點（遠點）為定向點，利用極坐標法對位移監測點進行觀測，水平角觀測兩測回，讀數至0.5″；距離觀測兩測回，讀數至0.1 mm，同樣在全站儀內部進行溫度氣壓改正并記錄溫度、氣壓。本文以某大廈基坑為例，將現場工作情況與查閱的資料相結合，對基坑的支護樁頂水平位移與沉降、周邊道路沉降、地下水位、深層水平位移等項目進行了監測，分析了基坑水平位移與沉降的變化規律，并對可能發生的變化進行了預測。

1 基坑監測

1.1 支護結構頂部沉降監測

基坑工程監測點必須布設在能反映基坑狀態和基坑變化的內力和變形關鍵特征點上，需要滿足監控要求[7]。基坑工程監測點的布設不能干擾監測對象平時的工作，還需減少對基坑的不利影響。監測標志監測點的布設應避開障礙物，方便施工人員觀測[8]。

1.2 支護頂部水平位移監測

在護坡上每隔約20 m布設一個監測點，基坑各邊中部、端部和陽角等相對危險的位置應為首選，監測點共計12個。監測點采用在護坡上埋設帶有對中標志鋼釘的形式布設，與沉降點共用監測點。在工地影響范圍之外，視線沒有阻礙的地方布設3個基準點，在基坑的4個角均布設一個工作基點，使基準點和工作基點組成基準網[9]。

1.3 深層水平位移監測

點位布設采用埋孔法，先在土層中預鉆孔，孔的直徑略大于選定的傾斜管外徑，再將傾斜管的底部封閉，底部被逐段地組裝到孔中。為了避免測斜管縱向旋轉，連接管段時上下管段的斜槽必須嚴格對齊。同時，測斜管內應注滿水，以防止其漂浮，直至達到預定水平。調整并保持一對與待測量位移相同方向的十字凹槽（通常在垂直于基坑邊緣的方向上），以便細砂（水泥和粘土攪拌）可在傾斜儀和鉆孔之間的空間中回填，固定傾斜儀。在測斜管固定或澆筑混凝土后，利用干凈的水沖洗測斜管，確保導向槽內無異物并可用。鋪設好測斜管后，需檢查測斜管導管的方向，管口的坐標和高程，還需及時做好保護工作[10-11]。

1.4 周邊建筑物、道路沉降監測

在基坑邊緣外1～3倍深度范圍內，對需要保護的周圍環境布設沉降點。根據監測部分，基坑周圍的垂直位移監測點應位于基坑中部或其他代表性部位[12]。監測部分應與基坑垂直，數量根據具體情況確定。

1.5 地下水位觀測

地下水位觀測是指監測基坑開挖過程中的水位控制監測[13]。電子水位計由鋼尺、測頭、讀數和聽力報警裝置組成。慢慢降低已埋設的水位管中的水位表頭，當探頭接觸到水位時，啟動發聲器并讀取鋼尺的讀數，讀數是從地下水位到管口的深度。基坑開挖降水前，在天氣晴朗時連續測量2～3 d的水位，取其平均值為水位初始值。規定本次水位測試值與上次水位測試值之差為本次水位變化量，與初始值之差為水位累計變化量。

1.6 鋼絞線錨索軸力監測

錨桿的內力監測點應選在具有代表性的位置，監測點應布設在坑兩側中部、太陽拐角處和面積復雜的地質條件處[14]。鋼絞線錨索軸力監測，即每層選取8根錨桿（分為上下3層錨索支撐），計8組，每組每層各1只，共24只，編號為Li；其中基坑北側1組、東側3組、西側兩組、南側兩組。錨索軸力監測點埋設，即根據結構設計要求，安裝前先檢查錨索測力計是否正常，錨索測力計安裝在錨墊座與工作錨之間，安裝時鋼鉸線從錨索測力計中心孔穿過，安裝過程中應隨時對錨索測力計4個傳感器逐一進行監測，4個傳感器受力是否均勻，從錨索開始向周圍錨索逐步加載以防偏心受力或過載。當測得結果達到承載能力的70%時，應及時報警。

當測量的載荷作用在錨索測力計上時，將引起彈性圓柱體的變形并傳遞給振弦，進而轉變為振弦的振動，改變振弦頻率。電磁線圈激勵鋼絲繩并測量其振動頻率。頻率信號通過電纜傳輸到振弦讀取器，并可測量讀數頻率值，以計算作用在錨索測力計上的載荷值。

2 監測成果與分析

2.1 基坑監測數據預測模型

2.1.1 時間序列分析模型

建筑結算是一個時間變量，其特點可看作是趨勢項和隨機項的組合。建模和分析這兩種類型的變化，并將二者組合在一起可能會更好，顯示其變化特征，并最終預測和分析它。

2.1.2 GM（1，1）灰色理論預測模型

灰色理論預測模型以GM(m，n)模型為主，m為模型微分方程的階數，n為預測變量的個數。GM(m，n)模型是有且只有一個單一變量的一階微分方程模型，只要一個數列即可建模[15]。

2.1.3 預測模型

無論是單一模型還是組合模型，都有其預測適用的特定范圍，因此本文只選取了一種模型進行預測。

1）工程原始數據。工程位于某市某區永興大道南、幸福大道東，南側為市政道路，其余均為現狀地表。整個項目由一幢辦公樓和一幢立體車庫組成，其中辦公樓地下1層、地上16層。根據甲方委托，對地下室基坑進行變形監測，對辦公樓進行建筑物沉降觀測。工程±0.000相當于1985國家高程4.65 m，地下開挖深度為6.15 m，基坑東西長約100 m，南北寬約50 m，四周均采用放坡圍護。綜合周邊環境，該基坑側壁安全等級為二級。本文觀測數據只選取監測的一組數據（5號點），利用組合模型進行預報模型分析。5號點的原始數據如表1所示，共16期數據。

表1 5號監測點沉降觀測數據

2）灰色預測模型。GM（1，1）模型一般要求參與預測的原始數據不少于4個，這樣才可得到較好的預測效果。通過研究灰色模型的步長與預測效果之間的關系以及對比不同步長的預測結果發現，步長太長反而會影響預測精度，因此本文選擇7～12期的觀測數據作為原始數據來建立灰色模型，預測13～16期的沉降值。

首先確定原始數據列，代入7～12期的原始數據，則有：

再對原始數據列進行一次累加，即

然后構造矩陣B和矩陣Y，則有：

將原始觀測數據代入，則有：

通過Matlab計算得到的參數為：

其中P為對角矩陣，即

最后建立GM（1，1）模型，求得5號點的預測方程式為：

沉降擬合結果如表2、圖1所示，可以看出，灰色模型對5號點的預測較理想，預測點位趨勢基本符合實測的變形趨勢。

表2 GM（1，1）模型沉降擬合檢測表

圖1 GM（1，1）模型沉降擬合對比圖/mm

通過GM（1，1）模型對13～16期的沉降數據進行預測，結果如表3、圖2所示，可以看出，結果并不理想，說明灰色模型在步長的選擇上非常關鍵，步長過長將影響預測精度。通過計算對比發現，本工程中的灰色模型適合短期預測。

表3 GM（1，1）模型沉降預測檢測表

圖2 GM（1，1）模型沉降預測對比圖/mm

2.2 基坑監測頻率與成果

2.2.1 基坑監測頻率

根據基坑開挖深度、基坑面積以及現場土方開挖工期要求，結合設計確定的監測頻率，本文將監測次數設置為10次（其中道路監測4次，首次、中間兩次、末次），具體間隔日期可根據現場基坑的施工工期進行調整，遇特殊情況加密監測。基坑監測點設置和觀測頻次如表4所示。

表4基坑監測點設置與觀測頻次明細表

根據不同的天氣和人為情況，對觀測次數進行調整，當基坑或周圍環境位移變形較大以及基坑出現險情時，隨時監測；若連續6 d變形不大，可適當減少監測頻率。

2.2.2 報警值

當出現下列情況時，必須立即對基坑進行報警；若情況較嚴重，應立即通知施工單位停止施工，并對基坑支護結構和周邊的保護對象采取應急措施：①監測數據達到報警值；②基坑支護結構或周邊土體位移出現異常情況；③基坑圍護樁體系出現過大變形、壓屈、斷裂、松弛或拔出等跡象；④周邊地面出現可能發展的變形裂縫或較嚴重的突發裂縫；⑤根據項目負責人經驗判斷，出現其他必須報警的情況。

報警報告由達到報警值的相應監測點的具體監測數據、監測點點位圖以及情況說明構成。各項目報警值如表5所示。

表5 各項目報警值統計

2.2.3 監測統計表

某大廈基坑變形監測數據統計如表6所示，某大廈基坑變形監測最大變形量統計如表7所示，其中水平位移變化量的正值表示測點向基坑內偏移，負值表示向基坑外偏移；垂直位移和周邊道路的負值表示下沉，正值表示上升；地下水位的正值表示水位上升，負值表示水位下降。

表6 某大廈基坑變形監測數據統計表

表7 某大廈基坑變形監測最大變形量統計表

由該項目監測數據統計表和各測項曲線圖可知，基坑監測期間某大廈基坑內部曲線緩和，施工期間圍護體頂部水平與垂直位移、周邊道路各期監測成果穩定，日變化量和累計變化量均未超過報警值，基坑處于可控狀態；地下水位井共觀測兩次，由于現場不合理降水，S2點和S7點的累計變化量報警，經及時提醒和施工控制，未對基坑安全造成影響。

3 結語

本文以某大廈基坑監測工程為研究對象，對基坑監測技術進行了初步研究，得到以下結論：

1）對基坑監測方案設計中的監測目的、監測方法與儀器、監測數據處理、監測成果分析等進行了較詳細的論述，并采用多種數學方法對監測數據進行分析與評價，指出在基坑監測中應根據實際情況多方面考慮后選取合適的監測項目。

2）基坑監測為基坑安全施工提供了可靠保障。實踐證明，該基坑監測設計方案和分析過程合理可靠。

隨著高層建筑的不斷涌現，一般的監測內容和方法已不能滿足建設的需求，在基坑開挖和支護的過程中，為保證支護結構和建筑物的安全應進行全面監測。基坑深度在不斷加深，基坑的設計和施工技術已取得很大進步。一方面，應對不同的基坑進行不同的設計，優化其設計結構；另一方面，應加強基坑監測，為改進建筑設計和研究提供有效數據。