基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

孫敬秋 馮 樷 馮雙喜

(1.中建二局第三建筑工程有限公司，湖南 長沙 410201；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009； 3.天津國土資源和房屋職業(yè)學(xué)院，天津 300270)

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基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

孫敬秋1馮 樷2馮雙喜3

(1.中建二局第三建筑工程有限公司，湖南 長沙 410201；2.河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 南陽 473009； 3.天津國土資源和房屋職業(yè)學(xué)院，天津 300270)

構(gòu)建了軟土深基坑風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，利用小波分析，對(duì)某工程深基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行了去噪處理，并通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，評(píng)價(jià)了深基坑施工的風(fēng)險(xiǎn)因素，提出了減小深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的建議。

深基坑，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，施工風(fēng)險(xiǎn)，灰色關(guān)聯(lián)度

0 引言

隨著高層建筑的興建，深基坑開挖規(guī)模不斷加大，開挖深度加深，基坑自身的穩(wěn)定性引起了專家廣泛關(guān)注。再加之，高層、超高層建筑物以及城市軌道交通工程往往在中心城區(qū)進(jìn)行，這勢(shì)必會(huì)給周圍環(huán)境帶來影響，尤其是在深基坑施工過程中周圍建筑物和周圍管線的沉降預(yù)測(cè)問題。這都對(duì)深基坑施工安全提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

1 軟土深基坑風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系的構(gòu)建

將風(fēng)險(xiǎn)管理理論引入深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究中，風(fēng)險(xiǎn)管理的本質(zhì)是利用最小的成本保證施工安全的管理方法，其步驟主要包括風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估、風(fēng)險(xiǎn)響應(yīng)和風(fēng)險(xiǎn)控制[1]。本文結(jié)合天津地鐵六號(hào)線紅旗南路換乘站，收集深基坑施工過程中的相關(guān)資料，確定了風(fēng)險(xiǎn)控制的指標(biāo)體系。

深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括：人員因素、施工材料及機(jī)械設(shè)備性能、施工方法以及周圍環(huán)境因素。人員素質(zhì)從管理人員管理水平、施工人員的素質(zhì)、監(jiān)理人員能力、施工人員的能力等方面進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；施工材料及機(jī)械主要從施工材料質(zhì)量、機(jī)械設(shè)備性能兩個(gè)方面考慮風(fēng)險(xiǎn)因素；將施工方法風(fēng)險(xiǎn)分成三個(gè)三級(jí)指標(biāo)，分別是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)的防水、地面沉降的控制等。環(huán)境因素主要考慮到地下水位的變化、地下管線和文物、周圍建筑物、自然災(zāi)害等。

2 工程分析

結(jié)合指標(biāo)體系，對(duì)管理人員管理水平、施工人員素質(zhì)、監(jiān)理人員能力、施工人員的技術(shù)水平、施工材料質(zhì)量、接卸設(shè)備性能、結(jié)構(gòu)防水性能、自然災(zāi)害進(jìn)行專家打分，并對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性中監(jiān)測(cè)主筋內(nèi)力、地面沉降監(jiān)測(cè)、周圍道路、管線、地下水位變化和周圍建筑變化進(jìn)行小波去噪處理，并確定其監(jiān)測(cè)變化代表值，最后利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

假定將施工過程分為三個(gè)階段，2013年8月10日～2013年9月10日為第一個(gè)階段；2013年9月11日～2013年10月10日為第二階段；2013年10月11日～2013年11月10日為第三個(gè)階段。將第一個(gè)階段和第二階段數(shù)據(jù)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)階段，并對(duì)第三階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

利用小波分析，對(duì)能夠監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪處理，并找出最大的監(jiān)測(cè)值作為其代表值。小波去噪分為三個(gè)步驟，分別是信號(hào)分解、閾值的選擇、小波重構(gòu)，并將去噪之后的信號(hào)和專家打分信號(hào)作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入層。

2.1 閾值的選擇

深基坑的監(jiān)測(cè)信號(hào)可能包含尖峰或者突變，并且噪聲信號(hào)不是平穩(wěn)的白噪聲，對(duì)這種信號(hào)進(jìn)行去噪處理時(shí)，小波能同時(shí)在時(shí)域內(nèi)對(duì)信號(hào)進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)非平穩(wěn)信號(hào)的過濾，閾值的選擇影響降噪的效果。

在本工程中，選用Penalized軟閾值，THR=wbmpen(C,L,sigma,ALPHA)，THR通過給定的規(guī)則計(jì)算得到小波系數(shù)，選擇使用Birge-Massart的處罰算法。[C，L]是進(jìn)行去噪信號(hào)的小波分解結(jié)構(gòu)；sigma為零均值的高斯白噪聲的標(biāo)準(zhǔn)偏差；ALPHA是處罰的調(diào)整參數(shù)，是一個(gè)大于1的實(shí)數(shù)，典型值為2，本工程采用ALPHA=2。

設(shè)t*為crit(t)=-sum(c(k)^2,k<=t)+2*sigma^2*t*(ALPHA+log(n/t))的最小值，其中，c(k)為按絕對(duì)值從大到小排列的小波系數(shù)；n為系數(shù)的個(gè)數(shù)。

2.2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)

輸入層中的輸入信號(hào)矩陣為:

輸出層中的輸出信號(hào)矩陣為：

根據(jù)Kolmogorov定理[2]，來確定網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。采用一個(gè)N×2N+1×M的四層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為深基坑施工安全的評(píng)價(jià)模型，其中，N為輸入信號(hào)矩陣的階數(shù)；M為狀態(tài)分類數(shù)。為了簡(jiǎn)化網(wǎng)絡(luò)，(1，1)代表深基坑施工安全評(píng)價(jià)等級(jí)為一級(jí)，(1，0)代表深基坑施工安全評(píng)價(jià)等級(jí)為二級(jí)，(0，1)代表深基坑施工安全評(píng)價(jià)等級(jí)為三級(jí)，(0，0)代表深基坑施工安全評(píng)價(jià)等級(jí)為四級(jí)。故可以在網(wǎng)絡(luò)中，只設(shè)計(jì)兩個(gè)輸入神經(jīng)元表示這4種狀態(tài)類別。按一般的設(shè)計(jì)方案，為了更好的滿足深基坑施工安全現(xiàn)狀的評(píng)價(jià)輸出要求，中間層的傳遞函數(shù)為S型正切函數(shù)，輸出層神經(jīng)元的傳遞函數(shù)為S型對(duì)數(shù)函數(shù)。

通過訓(xùn)練后，網(wǎng)絡(luò)誤差達(dá)到設(shè)定的最小值。并可以看出，本次訓(xùn)練是明顯收斂于零，并能用來指導(dǎo)工程實(shí)踐。將第三階段的施工數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型中，結(jié)果為(0.991 1,0.001)，顯然其結(jié)果趨近(1,0)，所以安全評(píng)價(jià)等級(jí)為很好。

2.3 灰色關(guān)聯(lián)度理論分析過程

利用灰色聚類原理[3]，不難發(fā)現(xiàn)“圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性”“地下水位”“周圍道路及建筑物沉降”是影響施工安全較大的風(fēng)險(xiǎn)因素。通過灰色關(guān)聯(lián)度理論來分析上述三個(gè)因素與深基坑施工安全的關(guān)聯(lián)性。討論灰色絕對(duì)關(guān)聯(lián)度、灰色相對(duì)關(guān)聯(lián)度和灰色歸一關(guān)聯(lián)度對(duì)于深基坑施工安全的影響程度。利用MATLAB7.0[4]進(jìn)行編寫相應(yīng)的程序，結(jié)果如表1所示。

通過灰色關(guān)聯(lián)度的分析，可以看出來影響深基坑施工安全的最相關(guān)的因素是圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。地下水位、周圍道路和建筑物的沉降對(duì)深基坑施工安全影響較小，關(guān)聯(lián)性大體上是一致的。因此在考慮深基坑施工安全時(shí)，應(yīng)該首先考慮圍護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性因素。

3 減少深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的對(duì)策建議

結(jié)合分析可知，地下連續(xù)墻穩(wěn)定性是引起深基坑施工安全的重要原因，另外，基坑降水的施工方法、承壓水位動(dòng)態(tài)變化會(huì)影響墻后土層的主固結(jié)沉降、次固結(jié)沉降；地下連續(xù)墻的側(cè)移在某種程度上對(duì)深基坑周圍建筑物沉降和基坑自身有一定影響。因此從設(shè)計(jì)、施工兩個(gè)角度來提出深基坑施工安全的具體措施[5]。

3.1 地下連續(xù)墻合理配筋設(shè)置內(nèi)支撐

合理的配筋率不但能夠保證墻體具有一定承載能力和正常使用的功能，使其自身的側(cè)移減小，而且能保證深基坑施工對(duì)墻體后土體的影響范圍減小，確保施工安全。對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)的形式和尺寸進(jìn)行安全性設(shè)計(jì)時(shí)，可以適當(dāng)增大安全系數(shù)，可以有效的減小側(cè)向變形，例如增大支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度。僅僅對(duì)其結(jié)構(gòu)形式和尺寸設(shè)計(jì)往往不能滿足工程施工的要求，還應(yīng)考慮支撐的設(shè)計(jì)，增設(shè)支撐還有利于墻外側(cè)承受較均勻的主動(dòng)土壓力，能夠保證墻與土充分接觸，增加摩擦力和粘結(jié)力，從而達(dá)到提高土抗剪強(qiáng)度，確保深基坑施工安全。

3.2 采用合理施工開挖技術(shù)

中心島式挖土和盆式挖土是深基坑明挖法中的常見方法，本工程采用的是蓋挖逆作方法，即土方不能直接運(yùn)走，需要提升后裝車外運(yùn)，施工復(fù)雜。深基坑開挖過程中，土體受到擾動(dòng)，引起應(yīng)力場(chǎng)的改變，導(dǎo)致基坑發(fā)生工程事故，這就要求開挖深度和長度在一定合理范圍內(nèi)，否則會(huì)加速基坑自身的變形。土方開挖還應(yīng)與支撐密切配合，盡量做到“即挖即撐，隨挖隨撐”，避免由于施工不當(dāng)或者工期、工序安排不合理造成深基坑變形過大，以至于影響周圍建筑物的沉降。合理的施工開挖技術(shù)能有效確保深基坑施工安全。

3.3 減少施工風(fēng)險(xiǎn)的其他措施

采用先進(jìn)的施工工藝和施工技術(shù)，通過新的方法改善深基坑安全；加強(qiáng)人員素質(zhì)管理，提高管理人員的知識(shí)水平和管理水平；對(duì)深基坑工程運(yùn)用信息化監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)施工的辦法，依據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)施工監(jiān)測(cè)信息和監(jiān)測(cè)結(jié)果[6]，及時(shí)調(diào)整施工工序或者施工組織，減少深基坑施工過程中風(fēng)險(xiǎn)因素的影響。

4 結(jié)語

分別從人員因素、施工材料及機(jī)械、施工方法、環(huán)境因素四個(gè)角度建立了深基坑風(fēng)險(xiǎn)因素指標(biāo)體系,利用小波去噪特性，將有關(guān)監(jiān)測(cè)的數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪，能更好地幫助專家進(jìn)行打分；利用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行評(píng)價(jià)，將施工過程分為三個(gè)階段，并利用第一和第二階段為學(xué)習(xí)樣本進(jìn)行訓(xùn)練，將第三階段的專家打分?jǐn)?shù)據(jù)和去噪數(shù)據(jù)作為輸入層輸入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中，最終判斷該階段施工安全等級(jí)為較好,提出減小深基坑施工風(fēng)險(xiǎn)的措施，地下連續(xù)墻合理配筋設(shè)置內(nèi)支撐、采用合理的降水、排水施工技術(shù)、采用合理施工開挖技術(shù)等其他措施。

[1] 劉 瑢.基于風(fēng)險(xiǎn)管理的深基坑工程施工預(yù)警系統(tǒng)研究[D].南京:東南大學(xué),2006.

[2] 劉 戈,吳立新.基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法對(duì)地連墻后土體沉降預(yù)測(cè)分析——以天津地鐵施工為例[J].沈陽建筑大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2013(5):834-840.

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[7] 薛守義.高等土力學(xué)[M].北京:中國建筑工業(yè)出版社,2007.

[8] 盧廷浩,劉祖德.高等土力學(xué)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2006.

Research on risk assessment of deep foundation pit construction based on wavelet neural network

Sun Jingqiu1Feng Cong2Feng Shuangxi3

(1.TheThirdConstructionEngineeringLimitedCompanyofChinaConstructionSecondEngineeringBureau,Changsha410201,China; 2.HenanPolytechnicInstitute,Nanyang473009,China; 3.TianjinLandResourcesandHouseVocationalCollege,Tianjin300270,China)

The paper establishes soft-soil deep foundation risk indicator system, carries out denoising treatment for the deep foundation monitoring data, evaluates the deep foundation construction risk factors through neural network model, and finally puts forward suggestions of reducing deep foundation construction risks.

deep foundation, neural network, construction risk, grey relational grade

1009-6825(2016)24-0096-02

2016-06-15

孫敬秋(1987- )，男

TU478

A