房屋建筑深基坑開挖過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析與應(yīng)用

苗方輝 莫 林

廣西建工集團(tuán)第一建筑工程有限責(zé)任公司 廣西 南寧 530001

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的深入，房屋建筑體量不斷增大，而房屋建筑基礎(chǔ)也向著“大”和“深”的方向發(fā)展，這無(wú)疑給深基坑施工帶來(lái)了更大的挑戰(zhàn)[1-2]。深基坑開挖過程中，地貌水體的巨大變動(dòng)會(huì)引起周邊環(huán)境的改變，為保護(hù)周邊環(huán)境安全與深基坑作業(yè)安全，基坑監(jiān)測(cè)成為深基坑開挖過程中一個(gè)非常重要的工程環(huán)節(jié)[3-4]。在基坑監(jiān)測(cè)過程中，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降和水平位移對(duì)施工的正常進(jìn)行有較大影響[5]，另外，現(xiàn)階段施工單位單純被動(dòng)地接收基坑變形數(shù)據(jù)，而所接收的數(shù)據(jù)僅作為資料存檔使用，不能全面了解基坑的動(dòng)態(tài)變形趨勢(shì)，這顯然已無(wú)法滿足工程實(shí)際需求[6]。因此，在深基坑開挖過程中有必要對(duì)深基坑實(shí)行動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)管理，并同時(shí)對(duì)深基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中的圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降和水平位移2項(xiàng)數(shù)據(jù)進(jìn)行重點(diǎn)分析與預(yù)測(cè)，通過合適的數(shù)值分析模型進(jìn)行基坑監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)與滾動(dòng)處理，進(jìn)而利用分析預(yù)測(cè)結(jié)果指導(dǎo)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(jié)構(gòu)，設(shè)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(zhǎng)220 m，基坑底面積約2 500 m2，基坑安全等級(jí)為一級(jí)，基坑類別為一級(jí)，支護(hù)形式為地下連續(xù)墻＋內(nèi)支撐。

基坑開挖前在地下連續(xù)墻冠梁頂部布置基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共13個(gè)，在每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)同時(shí)獲取基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和沉降數(shù)據(jù)（圖1）?；颖O(jiān)測(cè)工作委托第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)，文中所用原始數(shù)據(jù)均源自第三方檢測(cè)機(jī)構(gòu)出示的檢測(cè)報(bào)告。

圖1 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)位置示意

2 數(shù)值預(yù)測(cè)模型

2.1 回歸分析模型

回歸分析模型也叫相關(guān)分析法，是處理多個(gè)變量之間相互關(guān)系的一種數(shù)學(xué)方法，其模型是基于變形和產(chǎn)生變形的原因，根據(jù)已有歷史數(shù)據(jù)，通過分析得出能表達(dá)變量間變化關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式，進(jìn)而對(duì)變量進(jìn)行結(jié)果預(yù)測(cè)[7]。

本文擬解決深基坑開挖過程中監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析與應(yīng)用問題，而基坑在開挖過程中，其圍護(hù)結(jié)構(gòu)沉降與水平位移處于變形早期發(fā)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(duì)深基坑開挖階段圍護(hù)結(jié)構(gòu)的累積水平位移和累積沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)。

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(shù)。

式中：xi，yi——測(cè)點(diǎn)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(yù)測(cè)模型，輸入歷史監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，即可獲取回歸方程，并利用回歸方程對(duì)基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)測(cè)。

2.2 灰色預(yù)測(cè)模型GM(1,1)

GM(1,1)模型是通過對(duì)歷史數(shù)據(jù)分析，利用其潛在的內(nèi)部規(guī)律達(dá)到預(yù)測(cè)和分析的目的[8]，其建立過程如下：

1）設(shè)時(shí)間序列X(0)有n個(gè)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(yīng)的微分方程為：dX(1)/dt＋dX(1)=u，a'稱為發(fā)展灰數(shù)，u稱為內(nèi)生控制灰數(shù)。

考慮到原始時(shí)間序列步長(zhǎng)過長(zhǎng)反而影響預(yù)測(cè)效果[5]，同時(shí)考慮深基坑開挖過程中的監(jiān)測(cè)頻率，在本文數(shù)據(jù)分析過程中，原始數(shù)列僅取監(jiān)測(cè)點(diǎn)5期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)即可。回歸分析數(shù)據(jù)樣本個(gè)數(shù)與灰色預(yù)測(cè)模型一致。

3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證

該深基坑開挖期間圍護(hù)結(jié)構(gòu)累積水平位移及累積沉降監(jiān)測(cè)頻率為5 d，基坑開挖工期90 d，隨機(jī)抽取其中一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與驗(yàn)證（表1）。

表1 J11監(jiān)測(cè)點(diǎn)累積水平位移與累積沉降

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)J11累積水平位移數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證

3.1.1 ?一元線性回歸分析與驗(yàn)證

利用Excel對(duì)J11監(jiān)測(cè)點(diǎn)前5期累積水平位移觀測(cè)值進(jìn)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(jì)算得到各期回歸擬合值，同時(shí)，可預(yù)測(cè)6～8期擬合值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證。線性回歸模型累積水平位移擬合結(jié)果檢驗(yàn)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(guān)系數(shù)R=0.979，擬合效果較好，同時(shí)，預(yù)測(cè)值與實(shí)際觀測(cè)值相對(duì)誤差符合工程實(shí)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(yù)測(cè)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)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(yù)測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)

3.1.2 ?GM(1,1)模型分析與驗(yàn)證

利用MATLAB對(duì)J11監(jiān)測(cè)點(diǎn)前5期累積水平位移觀測(cè)值進(jìn)行灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型分析，獲取此時(shí)的GM(1,1)預(yù)測(cè)模型為殘差序列與原始序列方差分別為：，模型后驗(yàn)差C=S1/S2=0.21＜0.35，模型精度較好。另外，預(yù)測(cè)6～8期擬合值，并與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比驗(yàn)證?；疑到y(tǒng)GM(1,1)模型分析預(yù)測(cè)累積水平位移擬合結(jié)果檢驗(yàn)如表3所示。

表3 GM(1,1)模型累積水平位移預(yù)測(cè)結(jié)果檢驗(yàn)

由上述灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型分析可知，利用灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型對(duì)累積水平位移預(yù)測(cè)結(jié)果的誤差符合工程實(shí)際需求。在深基坑開挖過程中，為安全起見，可同時(shí)采用2種模型對(duì)深基坑累積水平位移進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。

3.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)J11沉降數(shù)據(jù)分析與驗(yàn)證

與3.1采用分析方法一致，利用Excel對(duì)J11監(jiān)測(cè)點(diǎn)前5期累積沉降觀測(cè)值進(jìn)行回歸分析，獲取回歸方程為y=0.136x＋0.29，利用回歸方程計(jì)算各期回歸擬合值，同時(shí)預(yù)測(cè)6～8期沉降擬合值。利用MATLAB對(duì)J11監(jiān)測(cè)點(diǎn)前5期累積沉降進(jìn)行GM(1,1)模型分析，獲取前5期擬合值并預(yù)測(cè)6～8期預(yù)測(cè)值，深基坑累積沉降分析結(jié)果如表4所示。

表4 深基坑累積沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析預(yù)測(cè)

由2種數(shù)值模型分析可知，圍護(hù)結(jié)構(gòu)累積沉降與累積水平位移數(shù)據(jù)分析基本一致。在深基坑開挖過程中，可利用上述模型對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與預(yù)測(cè)，進(jìn)而有效指導(dǎo)基坑開挖施工。

4 深基坑開挖中的滾動(dòng)預(yù)測(cè)應(yīng)用

4.1 確定工況

根據(jù)工程特點(diǎn)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(jù)基坑分層開挖所需時(shí)間調(diào)整基坑監(jiān)測(cè)頻率，收集基坑開挖各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的前數(shù)期累積水平位移和累積沉降數(shù)據(jù)。

4.2 分析數(shù)據(jù)

對(duì)所收集到的每一監(jiān)測(cè)點(diǎn)前數(shù)期數(shù)據(jù)同時(shí)進(jìn)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(shù)據(jù)模型。

4.3 滾動(dòng)預(yù)測(cè)應(yīng)用

利用所獲取的數(shù)據(jù)模型預(yù)測(cè)某一層開挖過程中的累積水平位移及累積沉降，比較預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值，預(yù)測(cè)值在控制值范圍內(nèi)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(duì)照預(yù)測(cè)值與實(shí)際值，論證模型準(zhǔn)確性。在下一層土體開挖時(shí)，更新預(yù)測(cè)模型原始監(jiān)測(cè)項(xiàng)目數(shù)據(jù)，以最新一期的數(shù)據(jù)往前取值，重復(fù)上述分析、預(yù)測(cè)和對(duì)比步驟，即可對(duì)基坑開挖進(jìn)行滾動(dòng)預(yù)測(cè)和施工。

5 結(jié)語(yǔ)

在確定工況環(huán)境條件下，對(duì)基坑開挖的前期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理分析。利用一元線性回歸模型與灰色系統(tǒng)GM(1,1)模型對(duì)深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)累積水平位移與累積沉降進(jìn)行預(yù)測(cè)，2種模型所得預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值的相對(duì)誤差均符合工程實(shí)際所需，可利用模型預(yù)測(cè)值對(duì)深基坑開挖進(jìn)行指導(dǎo)施工。