0引言
隨著我國(guó)城市交通的發(fā)展和地下空間的利用，城市重要地段的交通擁堵問(wèn)題亟待解決。地下交通的開發(fā)和利用將越來(lái)越普遍，地下工程的數(shù)量不斷增加使地面的交通更加暢通，提高了城市交通的效率，因此，修建地下交通環(huán)廊已成為我國(guó)城市現(xiàn)代化發(fā)展趨勢(shì)[1]。
地下交通環(huán)廊主要由環(huán)形的主隧道貫通和多條輔助匝道連接。地下交通環(huán)廊通常位于城區(qū)中心的繁華地帶，為了節(jié)省地面空間和土地資源，地下交通環(huán)廊的埋深一般超過(guò)10m，在地下遂道深基坑開挖過(guò)程中，受施工擾動(dòng)的影響，土體應(yīng)力、應(yīng)變及其力學(xué)性狀都會(huì)發(fā)生或多或少的變化，進(jìn)而導(dǎo)致基坑的變形。當(dāng)基坑變形量達(dá)到一定程度時(shí)就會(huì)出現(xiàn)基坑失穩(wěn)的問(wèn)題。為了保證基坑的安全，為了避免經(jīng)濟(jì)損失，在基坑開挖過(guò)程中需對(duì)其進(jìn)行變形觀測(cè)和數(shù)據(jù)處理。所以，可以建立地下交通環(huán)廊監(jiān)測(cè)模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑變形的預(yù)測(cè)分析。
1國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀分析
19世紀(jì)后伴隨著土木工程的發(fā)展，大量高層建筑以及地下工程的出現(xiàn)，基坑的數(shù)量越來(lái)越多，基坑安全就是目前的一個(gè)研究熱點(diǎn)。許多學(xué)者已開始對(duì)基坑工程安全監(jiān)測(cè)工作進(jìn)行研究。基坑監(jiān)測(cè)技術(shù)是在基坑開挖施工或建成運(yùn)行過(guò)程中，用科學(xué)儀器、設(shè)備和手段對(duì)支護(hù)系統(tǒng)、周邊環(huán)境，如基坑邊土體、建筑物、道路、地下管線等的水平和垂直位移、傾斜、應(yīng)力、開裂、基底隆起及地下水位的動(dòng)態(tài)變化、土層孔隙水壓力變化等進(jìn)行的綜合監(jiān)測(cè)[2]。
20世紀(jì)中期，Terzaghi和Peek等人研究巖土工程問(wèn)題而提出的預(yù)估挖方穩(wěn)定程度和支撐荷載大小的總應(yīng)力法[3]，經(jīng)過(guò)后來(lái)改進(jìn)和修正的理論沿用至今。在50年代，Junemim和Eide經(jīng)過(guò)努力得到了深基坑坑底隆起的分析方法。到了60年代，在挪威首都奧斯陸和墨西哥首都黑西哥城開始對(duì)軟粘土深基坑使用儀器監(jiān)測(cè)。歷經(jīng)30年的發(fā)展，到20世紀(jì)90年代，國(guó)外已應(yīng)用計(jì)算機(jī)在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)中，實(shí)現(xiàn)了信息化監(jiān)測(cè)。此時(shí)，我國(guó)的深基坑全方位監(jiān)則剛起步。
近幾十年以來(lái)，我國(guó)建筑行業(yè)蓬勃發(fā)展，信息化施工及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)技術(shù)開始興起，國(guó)內(nèi)許多學(xué)者對(duì)深基坑監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)技術(shù)進(jìn)行了更深入的研究。現(xiàn)在常用的深基坑預(yù)測(cè)方法模型有灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)法、模糊數(shù)學(xué)預(yù)測(cè)法、實(shí)時(shí)建模預(yù)測(cè)法以及神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)法。2000年，在李宏義的基坑變形灰色預(yù)警系統(tǒng)[4]中，從基坑位移影響因素和位移特征著手，建立了灰色預(yù)測(cè)預(yù)警模型，總結(jié)出了灰色預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)模型有較好的擬合度和預(yù)測(cè)的可靠性，能提前預(yù)測(cè)位移和變形速率。2001年，胡友健研究了集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理、圖形繪制與管理、變形預(yù)測(cè)及險(xiǎn)情判斷等多功能于一體的深基坑監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)系統(tǒng)[5]，總結(jié)出了該系統(tǒng)對(duì)深基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行管理，利用灰色系統(tǒng)理論建立變形預(yù)測(cè)模型。葉亞林等用曲線擬合模型、GM（1，1）模型和BP網(wǎng)絡(luò)模型對(duì)基坑位移變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模擬合及仿真[6]，結(jié)果表明BP網(wǎng)絡(luò)模型的仿真值及精度最高。賀可強(qiáng)根據(jù)深基坑變形的特征，用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了深基坑變形的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)模型，編寫了基坑監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)程序[7]。
2地下交通環(huán)廊的支護(hù)形式
武漢王家墩商務(wù)區(qū)核心區(qū)地下交通環(huán)廊工程一標(biāo)段商務(wù)東路段基坑工程位于王家墩商務(wù)區(qū)核心區(qū)東側(cè)，基坑深度約8.0~11.4m。基坑工程的重要性等級(jí)為一級(jí)。
地下交通環(huán)廊主環(huán)為單向三車道，匝道為兩車道，設(shè)計(jì)車行速度為20km/h，服務(wù)于中小型客車；地下交通環(huán)一線（暗埋）長(zhǎng)568.52m，四條匝道（暗埋+敞口）長(zhǎng)411.37m.綜合管溝利用主環(huán)止方結(jié)構(gòu)空腔設(shè)置，與交通環(huán)廊風(fēng)道平行設(shè)置，斷面尺寸為4.8m（寬）×2.0m（高）。地下交通環(huán)廊及綜合喬遷之喜溝采用明挖法施工。
基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用φ850和φ1000厚型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法樁），墻深16.5~25.0m，內(nèi)設(shè)一道砼支撐，二、三道為鋼管撐。匝道基坑深度約0.67~10.2m，匝道段基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)根據(jù)開挖嘗試分別采用放坡，水泥土攪拌樁擋墻、650和850厚型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法樁），內(nèi)設(shè)一道砼支撐，一~二道鋼管撐。放坡開挖段坡比為1：2，采用100厚噴射濁、混凝土加φ8@150×150鋼盤網(wǎng)支護(hù)，頂部和底部設(shè)置截水溝。交叉口區(qū)域1基坑采用850厚型鋼水泥土攪拌墻（SMW工法樁），墻深16.3~25.0m。內(nèi)設(shè)一道砼支撐，二、三道鋼管撐。
基坑設(shè)置第一道支撐為混凝土支撐，混凝土支撐撐在頂圈梁。第二、三道支撐為φ609×16鋼管支撐。
3監(jiān)測(cè)模型分析
由于施工環(huán)境的復(fù)雜性和影響因素的多樣性，且隨著觀測(cè)數(shù)據(jù)的不斷增加，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)中包含的變形信息和各種誤差逐漸增加；如果預(yù)測(cè)模型不能正確區(qū)分變形信息和誤差，將很難準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)后期的變形趨勢(shì)；因此，需要找到一種能夠考慮各種變形影響因素的預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)方法。在諸多的變形監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)方法中，灰色系統(tǒng)預(yù)測(cè)模型、馬爾可夫鏈模型、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)模型是應(yīng)用效果較好的預(yù)測(cè)模型。
灰色預(yù)測(cè)模型是一個(gè)能處理貧信息的系統(tǒng)。灰色系統(tǒng)建模有獨(dú)特的條件，其常用的數(shù)據(jù)有科學(xué)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)、生產(chǎn)數(shù)據(jù)、決策數(shù)據(jù)，而后序列的生成數(shù)據(jù)是建立灰色模型的基礎(chǔ)，一般生成的非負(fù)序列累加生成后，得到準(zhǔn)光滑序列，對(duì)于滿足光滑條件的序列，即可建立GM微分模型。模型精度可以通過(guò)不同的灰數(shù)生成方式，數(shù)據(jù)的取舍，序列的調(diào)整、修正以及不同級(jí)別的殘差GM模型補(bǔ)充得到。而后灰色系統(tǒng)理論采用殘差大小檢驗(yàn)、關(guān)聯(lián)度檢驗(yàn)、后驗(yàn)差檢驗(yàn)三種方法檢驗(yàn)、判斷模型的精度。
灰色預(yù)測(cè)模型采用的是生成系列，只要求較短的觀測(cè)資料即可，具有明顯上升趨勢(shì)的數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)效果更好，這和時(shí)間序列分析，多元分析等概率統(tǒng)計(jì)模型要求較長(zhǎng)資料很不一樣。因此，對(duì)于較少量觀測(cè)數(shù)據(jù)的項(xiàng)目來(lái)說(shuō)，灰色預(yù)測(cè)是一種有用的預(yù)測(cè)工具。
馬爾可夫是對(duì)一個(gè)隨機(jī)變化的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)進(jìn)行研究的預(yù)測(cè)理論，系統(tǒng)將來(lái)所處的狀態(tài)只與現(xiàn)在系統(tǒng)狀態(tài)有關(guān)，而與過(guò)去所處狀態(tài)無(wú)關(guān)，根據(jù)狀態(tài)之間的轉(zhuǎn)換概率預(yù)測(cè)一個(gè)系統(tǒng)將來(lái)的發(fā)展態(tài)勢(shì)，常利用該模型確定工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、經(jīng)濟(jì)等狀態(tài)的轉(zhuǎn)移規(guī)律。馬爾可夫鏈的初始假設(shè)條件[8-9]規(guī)定：馬爾可夫鏈研究對(duì)象的狀態(tài)轉(zhuǎn)移只與事物的近期狀態(tài)有關(guān)，與過(guò)去狀態(tài)無(wú)關(guān)，即無(wú)后效性，且時(shí)間和狀態(tài)均為離散；在預(yù)測(cè)期間狀態(tài)個(gè)數(shù)不變，TPM逐期保持不變，即具有平穩(wěn)分布的過(guò)程。
BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是一種多層前向網(wǎng)絡(luò)，它具備神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的普遍優(yōu)點(diǎn)，但它卻不是非常完美的。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)常用三層網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，它具有：從一個(gè)輸入到輸出的非線性映射能力；高度自學(xué)習(xí)和自適應(yīng)能力；將學(xué)習(xí)成果應(yīng)用于新知識(shí)的能力，即泛化能力；系統(tǒng)在受到局部損傷時(shí)還可以正常工作的容錯(cuò)能力。BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)也有自身的局限性，它的每個(gè)節(jié)點(diǎn)和權(quán)值都會(huì)影響輸出，且適應(yīng)過(guò)程和全局逼近過(guò)程比較耗時(shí)，導(dǎo)致收斂速度較慢；同時(shí)BP網(wǎng)絡(luò)是屬于梯度下降的非凸問(wèn)題，容易陷入局部極小值，導(dǎo)致錯(cuò)誤的工作模式；隱含層的數(shù)目及其單元的選取尚無(wú)理論上的指導(dǎo)，因而BP網(wǎng)絡(luò)一般具有很大的冗余性[10]
4小結(jié)
本文介紹了國(guó)內(nèi)外基坑工程監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)研究現(xiàn)狀，闡述了地下交通環(huán)廊深基坑支護(hù)的方法，分析了地下交通環(huán)廊面臨的信息化問(wèn)題，通過(guò)分析地下交通環(huán)廊監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，將預(yù)測(cè)模型與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)信息化監(jiān)測(cè)預(yù)測(cè)，并在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)信息的存儲(chǔ)、處理、分析、查詢、預(yù)測(cè)、預(yù)警以及成果輸出的自動(dòng)化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各類監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相關(guān)信息的快速準(zhǔn)確采集及科學(xué)分析與反饋將是今后的發(fā)展趨勢(shì)。
基金項(xiàng)目：中國(guó)密碼學(xué)會(huì)2013年教育教學(xué)改革項(xiàng)目（No.CACR2013E01）。
作者簡(jiǎn)介：
董文寶（1985-），碩士研究生，研究方向：巖土工程。
