（地质工程专业论文）基于icbp神经网络与遗传算法深基坑监测信息动态预测研究.pdf

摘要 基坑监测与工程的设计、施工同被列为深基坑工程质量保证的三大基本要素。 动态设计、信息化施工理念越来越深入人心。其中利用前期工程监测数据进行后 期预测是该技术重要的环节。而传统的预测方法由于其自身的局限性以及施工过 程中不确定的因素较多，往往无法得到准确的数值解。神经网络具有良好的非线 性映射能力，特别适合于处理各种非线性问题。 文中采用在b p 神经网络基础上进行改进的i c b p ( i m p r o v e dc i r c u l a r b a c k p r o p a g a t i o n ) 神经网络进行基坑监测数据的预测分析。对于i c b p 神经网络 仍然存在隐含层单元数很难确定的问题，运用遗传算法加以确定，以达到对神经 网络结构的优化处理。应用经遗传算法优化的i c b p 神经网络建立了两种预测模 型，一是基于横向推广的预测模型，即利用已知数据建立各参数之间的非线性关 系；二是在考虑打折最小平方原理的基础上建立了基于时间序列的预测模型，即 利用前一时期信息来预测后一阶段系统的状态，同时运用多步滚动预测技术，实 现了预测精度较为理想的动态预测。 润扬大桥南汉南锚碇深基坑工程采用冻结排桩围护结构，在国内尚属首次，基 坑开挖过程中所受荷载情况复杂，监测信息分析预测是工程安全的重要保障。文 中将上述两种预测模型应用于基坑的监测信息分析预测中，主要对基坑监测的支 护结构的变形、孔隙水压力以及支撑轴力等监测信息分别进行了动态预测，结果 表明两种预测模型都是可行的。监测信息动态预测表明，南锚碇深基坑在修改设 计进行加固处理后，一直处于稳定状态。 关键词：深基坑神经网络遗传算法监测 动态预测时间序列 a b s t r a c t m o n i t o r i n g ，d e s i g na n dc o n s t r u c t i o na r et h et h r e eb a s i cf a c t o r so fg u a r a n t e e i n g f o u n d a t i o np i t ss a f e t y d y n a m i cd e s i g na n di n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o nm e t h o db e c o m e m o r ea n dm o r eu n i v e r s a l t h ek e yo f t h i st e c h n o l o g yi st h ep r e d i c t i o no f t h ef o l l o w i n g w h i c h u s i n gt h ep r o p h a s ec o n s t r u c t i o ni n f o r m a t i o n i ti so f t e nu n a b l et og e ta c c u r a t e n u m e r i c a ls o l u t i o n sb yt r a d i t i o np r e d i c t i o nm e t h o df o ri t so w l ll i m i t a t i o na n dt h e u n c e r t a i nf a c t o r si nt h ec o u r s eo fc o n s t r u c t i n g n e t w o r kn e u r a li sf i tf o rd e a l i n gw i t h n o n l i n e a rp r o b l e m s e s p e c i a l l yf o r i t sg o o da b i l i t yf o rn o n l i n e a r m a p p i n g i c b p ( i m p r o v e d c i r c u l a r b a c k p r o p a g a t i o n ) n e u r a l n e t w o r kw h i c hw a s a d v a n c e db a s e do nt h eb pn e u r a ln e t w o r ki sa p p l i e dt of o r e c a s ta n a l y s i s i no r d e rt o i m p r o v et h es t r u c t u r eo fi c b pn e u r a ln e t w o r k , g e n e t i ca l g o r i t h mi sa p p l i e d t w o f o r e c a s tm o d e l sa r es e tu pb a s e do nt h ei c b pn e u r a ln e t w o r ka n dg e n e t i ca l g o r i t h m o n ei sb a s e do nt h el a n d s c a p eo r i e n t a t i o ne x t e n dt h e o r yw h i c hs e tu pu n l i n e dr e l a t i o n a m o n gp a r a m e t e r su s i n gk n o w nd a t e s ，t h eo t h e ri sb a s e do nt h et i m es e r i a lt h e o r y w h i c hc o n s i d e r i n gd i s c o u n t e dl e a s ts q u a r e s ( d l s ) t h e o r y , i e s y s t e ms t a t el a t e rp h a s e i sf o r e c a s tb yf o r m e ri n f o r m a t i o n a tt h es a m e t i m e ，t h em u f t i s t e pp r e d i c t o ri sa p p l i e d t oa c h i e v ed y n a m i c p r e d i c t i o n f r e e z i n ga n dr o l e - p o l em e t h o di su s e di nr u n y a n gb r i d g en a n c h as o u t hd e e p f o u n d a t i o n p i tf w s t l y i nc h i n a t h el o a di s c o m p l e xd u r i n gt h ep i te x c a v a t i o n a n a l y s i sa n dp r e d i c t i o no fm o n i t o r i n gi n f o r m a t i o ni st h ei m p o r t a n tg u a r a n t e ef o r e n g i n e e r i n gs a f e t y t w om o d e l sa r eb o t ha p p l i e di nt h ep i t sf o r e c a s t i n ga n a l y s i s t h e d i s p l a c e m e n to fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e ，t h ep o r ew a t e rp r e s s u r ea n dt h es u p p o r t i n gf o r c e a r ea l lf o r e c a s t e d a n dt h er e s u l t ss h o wt h a tt h em e t h o di sv i a b l e a c c o r d i n gt ot h e d y n a m i cp r e d i c t i o no f t h em o n i t o r i n gi n f o r m a t i o n ，t h en a o m a o d e e pf o u n d a t i o np i ti s s t a b l ea l lt h et i m ea f t e rb e i n gr e i n f o r c e d k e yw o r d ：d e e pf o u n d a t i o np i tn e t w o r kn e u r a l m o n i t o r i n g t i m es e r i e s d y n a m i cp r e d i c t i o n g e n e t i ca l g o r i t h m 第一章绪论 第一章绪论 1 1 问题的提出 近年来，随着我国国民经济的快速发展和人民生活水平的显著提高，各项建 设工程正以前所未有的规模和速度发展，在很大程度上改变了我国的城乡面貌。 城市的数量、规模以及城市人1 ：3 都有了巨大的增长。作为城市化的产物之一 高层建筑不仅在数量上越来越多，而且在高度上越来越高。同时随着城市现代化 建设的发展，人们对地下空间的利用越来越普遍，城市地下空间的开发利用已成 为当前城市建设中的一项重大课题。这些都会带来大规模基坑工程的开挖与支护 。另一方面，随着我国经济与社会的发展，特别是长江三角洲、珠江三角洲和京 滓唐三角洲等经济发达地区的经济发展与合作越来越密切，急需发展城市之间的 交通网络体系，使这些城市连成一体。道路和大型桥梁工程的兴建，需要解决大 量的地质工程问题，特别是超深基坑工程问题。总之，基坑向深度大、面积大方 向发展已成为必然趋势“1 。 基坑工程是集地质工程和结构工程等多学科于一体的系统工程，具有强烈的 地域性、综合性、实践性和风险性”。基坑工程不仅存在基坑本身的安全与稳定问 题，而且还存在因土方开挖引起的周围地层移动而危及相邻建筑物、地下管线网 和城市市政设施的正常使用等问题。近年来，由于各种复杂的原因，我国基坑工 程事故发生率较高，尤其是东南沿海开放城市，其中有的城市较大的发生事故的 基坑数目竞占基坑总数的l 3 左右。基坑工程事故给国家经济和人民生命财产造 成不同程度的损失，小到一场惊吓，大到造成直接经济损失达数千万元人民币， 伤亡数人，延误工期十多个月，同时也给周围的居民生活、城市建设和企业形象 造成了不良影响。所以，基坑工程是当前大家十分关一1 5 的地质工程热点，也是技 术复杂、综合性很强的难点，同时它又是提高工程质量、减少工程事故的重点”。 基坑设计与施工涉及地质条件、岩土性质、场地环境、工程要求、气候变化、 地下水动态、施工程序和方法等许多相关的复杂性问题，是理论上尚待完善、成 熟和发展的综合技术学科。1 。由于复杂的工程地质因素和深基坑物理性态的力学机 制至今还无法完全查明和准确表述，因此，试图通过建立完全正确的力学模型进 行数值分析是困难的。因此，在基坑施工过程中，想通过上述方法提前预知下一 步开挖时的基坑性状是很困难的。 当前，基坑监测与工程的设计、施工同被列为深基坑工程质量保证的三大基 本要素。在基坑的开挖过程中，监测所得的数据中蕴涵着系统演化的丰富信息。 近年来，一些学者提出动态设计信息化施工法，即利用施工过程中监测信息来预 知可能引起局部或整体破坏的先兆，并反馈于原设计，以弥补其不足，从而避免 翌塑查兰堡圭兰垒堡兰一 事故的发生，保证施工安全。其中利用前期工程监测数据进行后期预报是该技术 最关键的环节。至今后期预报所采用的方法仍依赖于传统的概率算法。由于该方 法的局限性以及施工过程中不确定的因素较多，并且随着时间的推移t 有些因素 还在不断的变化，用这种方法往往无法得到准确的数值解，因此需要寻找更好的 解决方法。 人工神经网络具有良好的非线性映射能力、自学习性能、容错性、自适应性 等优点，特别适合于处理各种非线性问题。它可以通过大量样本的学习来抽取隐 含在样本中的因果关系，是一种功能模拟方法。b p 神经网络以其良好的非线性映 射能力而成为应用最为广泛的一种神经网络模型。但其自身还存在着缺点与不足： 在时间序列基础上进行预测时，存在不能考虑时间序列自身特点的缺点，本文将 对如何改进b p 神经网络以及如何建立考虑时间序列自身特点的模型和建立基于 变量因果关系的模型这三个方面进行探讨。并用于解决润扬大桥南汉南锚碇深基 坑的监测信息动态预测问题。 1 2 基坑监测研究进展 与地质体有关的工程的安全与监测起步较晚，它是随着工程的失事为人们提供 教训后，不断地寻求稳定分析和监控手段而逐步发展起来的。2 0 世纪5 0 年代以来， 工程界逐步认识到大坝和上部结构的失事多是因为地基失稳引起的，边坡工程、 地下工程的事故也是岩土体失稳所致，于是稳定分析与监测工作逐步受到重视。 由于岩土体复杂，岩土力学尚属半经验半理论的性质，在时间上和空间上对地质 工程的安全度作出准确的判断还有很大困难，通过稳定分析与监测可以保证工程 的施工、运行安全，同时又可以验证设计，优化设计和提高设计水平。2 0 世纪7 0 年代以来，对监测项目的确定、仪器的选型、仪器的布置、仪器的埋设技术与观 测方法、观测资料的整理分析等项目的研究工作逐步加深。2 0 世纪8 0 年代以来， 监测设计和监测方法不断地改进，相继提出了一些考虑地质地貌条件、岩土体工 程技术性质、工程布置、监测空间和时间连续性的要求等因素的安全监测布置原 则和方法。2 0 世纪9 0 年代以来，监测范围不断扩大，数据处理、资料分析、安全 预报系统不断完善，安全监测逐步发展为稳定分析与安全监控，并成为提供设计 依据、优化设计和可靠度评价不可缺少的手段，成为工程设计、施工质量控制的重要 手段 在工业民用建筑方面，由于地下工程的受力特点及其复杂性，自5 0 年代以来， 国际上就开始通过对地下工程的量测来监视围岩和支护的稳定性，并逐渐应用现 场量测结果来校正和修改设计。国内深基坑工程的全方位监测于2 0 世纪9 0 年代 才开始起步，经过多年来大量的研究工作，基坑工程监测技术得到了很大的进步 篓= 垩堡垒 和发展。一是监测方法及仪器本身的进步。二是监测内容的不断扩大与完善。监 测技术的进步与发展又为基坑工程信息化旖工得以实施提供强有力的物质基础和 技术保障”1 。 刘利民( 1 9 9 5 ) 在分析了深基坑开挖监测时，埋设于基坑边缘土体和埋设于支 护结构中! i 9 1 4 斜管量测结果的特点的基础上，指出埋设于支护结构中测斜管的量测 结果更能真实地反映基坑的水平位移。姚伯金( 1 9 9 6 ) “。针对现有基坑水平位移的监 测方法的弊端提出了一种新的施测方法。黄立人( 1 9 9 7 ) “”针对现行规范中规定的 监测方法、精度和监测的内容已不能适应深基坑施工的要求，介绍了变形监测的 一些进展。t 克胜( 1 9 9 7 ) ”详细介绍了深基支护结构的信息化施工，且认为这是一 种既安全可靠，又经济实惠的深基坑施工方法。 吴京生( 1 9 9 8 ) “总结了深基坑工程当前存在的问题、事故原因、深基坑支护结 构的选型和信息化施工并进行展望，主张加强监测工作，实行信息化施工。邵现 成( 1 9 9 8 ) ”详细介绍了基坑围护工程的监测内容及项目、监测的目的和作用、监测 方法、测量测试设备的应用以及基坑围护结构总体监测方案的确定。郭栋( 2 0 0 0 ) 。 详细介绍了在高层建筑地下室的基坑开挖过程中的监测一反馈技术，动态控制基 坑围护结构的安全。吴泳川等( 2 0 0 1 ) “”介绍了在加内支撑支护结构的地下连续墙的 深基坑施工中，进行盆式挖土时，支护结构的监测情况及对监测中所发现各种异 常现象的分析与处理。 吴泳) 1 1 ( 2 0 0 1 ) ”回顾和综述了现场监测在深基坑工程中所发挥的安全预警作 用、对信息化施工的指导作用以及对支护结构设计的验证和完善作用，对在新兴 的基坑工程信息化监控设计与施工中，现场监测的重要意义和相关的要求进行了 展望。伍1 弛- ( 2 0 0 1 ) “介绍了信息化施工和工程监测之间的关系，指出工程监测是 信息化施工的基础。信息化旅工是现代施工新技术，是降低整个工程造价及保证 工程质量的前提。并以基坑工程为例，论述了基坑信息化施工中的工程监测技术。 金安石( 2 0 0 2 ) “”针对基础施工对环境影响的监测取值的传统处理方法的不足，从 理论的角度探讨了如何选取限值。 t 守贵( 2 0 0 2 ) ”“论述了现场监测在深基坑工程中所发挥的作用，对信息化施工 的指导作用及支护结构设计的验证和完善作用，并展望了在新兴的基坑工程信息 化监控设计和施工中，现场监测的重要意义和相关要求。李明峰，蒋辉f 2 0 0 3 ) ( 2 分析了基坑支护桩桩项水平位移监测和桩体深层水平位移监测数据的特性，将两 种监测数据进行联合处理，提出利用二次曲面函数构建基坑监测面变形模型的方 法，并将抗差估计应用于监测数据的粗差分析与处理中，通过选权迭代，能很好 地求得监测面的变形模型，从而准确地求解监测面各点的水平位移和分析监测面 的总体位移情况。杨新( 2 0 0 3 ) “探讨了在地下连续墙支护的深基坑中的监测技术， ! ! 塑盔兰堡主兰竺堡壅 对监测内容及监测结果进行了详细分析。董明钢，杨峰( 2 0 0 4 ) ”“在总结当前深基坑 工程的技术现状的基础上，提出了几个急待解决的问题，其中包括信息化施工的 应用问题。 基坑监控由于其重要性而倍受重视，基坑监控的理论和方法己日趋成熟。基坑 监测的内容己详细的写入中华人民共和国国家标准建筑地基基础设计规范 ( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 、中华人民共和国行业标准建筑基坑支护技术规程( j g j l 2 0 - - 9 9 ) ) ) 和中华人民共和国行业标准建筑基坑工程技术规范( y b 9 2 5 8 9 7 ) “。 等规范中，作为基坑工程中必不可少的一项工作。 1 3 神经网络在基坑工程中的应用 作为动态系统辨识、建模和控制的一种新的和令人感兴趣的工具，人工神经 网络( a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k s ，简称a n n ) 在过去2 0 年中得到大力研究并取得重 要进展，成为人工智能领域较为活跃的一个重要分支。由于它具有较强的非线性 大规模并行处理能力，从而引起了国内外学者的广泛关注，许多学者致力于将其 引入自己的专业研究领域。对于岩土工程领域的神经网络应用，许多学者也作了 积极的探索，并取得一些有意义的成果，获得了一些成功应用的实例，为本项研 究积累了经验。 y i c h e m gy e h ( 1 9 9 3 ) “”发表了基于神经网络进行桩身质量诊断的专家系统 一文，从而将神经网络逐步引入到岩土工程实践中来。1 9 9 4 年，g h a b o u s s i “撰文 较为系统地阐述了基于神经网络的岩土力学问题的处理，从而将神经网络在岩土 工程中的应用研究引向广泛和深入。近几年来，国外有关人工神经网络在岩土工 程中的应用文章出现增多的趋势。在1 9 9 5 年g o h 等人“”用b p 网络成功地预测了 软土基坑开挖中挡墙的最大位移，从而将人工神经网络应用到深基坑工程领域中 来。 在国内，张清教授可以说较早将神经网络引入到地下工程领域的先行者。1 9 9 2 年，张清等人“首次利用神经网络对岩石的力学行为进行了预测。之后有一些学 者逐步将神经网络用于围岩分类、边坡稳定性评价、变形预测、参数反演等方面， 从而在一定程度上推动了人工神经网络在地下工程领域的应用发展。 1 9 9 8 年1 2 月，孙海涛等”率先将b p 网络应用于深基坑工程的变形预报研究， 取得了初步的成功。此后，许多专家学者开始意识到b p 网络解决深基坑工程问题 的有效性和实用性，纷纷开展了这方面的研究工作。b p 网络在深基坑工程中的应 用越来越普遍，应用的范围也不断扩大。截止目前，b p 网络在国内深基坑工程中 主要应用于以下几个方面： 4 第一章绪论 ( 1 ) 支护结构选型 删( 2 0 0 1 ) 。”等根据大量工程实践确定了支( 围) 护方案选择的神经网络表 示方法，并用实例进行验证。麻风海等( 2 0 0 2 ) “。在综合考虑土体的物理力学性质指 标、基坑规模、地下水、工期等因素的基础上，采用人工神经网络中b p 模型来确 定深基坑工程桩基支护的方式结果与工程实际设计方式基本吻合。张海涛 ( 2 0 0 4 ) u “在分析目前多指标综合评价问题求解方法的基础上，利用b p 神经网络方 法解决了深基坑支护方案优选问题。 ( 2 ) 土体物理参数识别 葛增杰等、汤勇力等、周瑞忠等”1 。“对这一问题进行了深入的研究，取得 了较好的效果。实践证明：基于b p 网络的土体物性参数识别方法简单实用所得 出的结果可以满足工程要求。刁心宏等( 2 0 0 2 ) “研究了用人工神经网络辨识岩石工 程岩体力学参数的基本原理、网络结构、网络训练样本的获取及网络训练方法， 提出了用人工神经网络辨识岩石工程岩体力学参数的方法和步骤。李文彪，刘东 梅( 2 0 0 0 ”以深基坑土体弹塑性位移反分析为基础，提出了深基坑开挖土性参数反 分析的人工神经网络法及利用网络输出的反演值对基坑围护结构的变形作预报， 并通过工程实例验证了深基坑工程利用该方法进行反分析是可行的。 ( 3 ) 预测预报 目前，b p 网络在深基坑工程的预测预报中的应用研究比较活跃。 孙海涛等( 1 9 9 8 ) 。“”提出了深基坑变形预报的神经网络法，将其引入到深基坑变 形的后期预报中。高沛峻等( 2 0 0 0 ) ”应用神经网络对内撑式人工挖孔桩支护结构的 水平位移进行了预测j 袁金荣等( 2 0 0 0 ) 1 针对深基坑工程变形监测的重要性，将神 经网络技术应用于深基坑工程的变形预测，并用v c + + 语言加以实现，最后用实 例论证了神经网络用于深基坑工程变形预测的可靠性和实用性。高浪等( 2 0 0 0 ” 将神经网络理论引入钉应力的预测中，建立了土钉应力预测的时间序列神经网 络模型，并用遗传算法改善b p 网络的局部极小值问题。 4 ( 2 0 0 1 ) ”“利用人工神经网络理论对城市深基坑支护结构的变形量进 行了分析和预测，建立了预测支护结构最大变形量的网络预测模型。张树光等 ( 2 0 0 0 ”“分析了基坑周围地表沉降的影响因素，结合人工神经网络原理，建立了基 坑周围地表沉降的人工神经网络预测模型。 ( 2 0 0 1 ) ”“针对非线性回归、时间序列系统、灰色系统分析等对监测数 据变化较复杂的序列处理效果较差的现状，应用响应面法处理技术和神经网络模 型处理这类复杂数据序列。袁金荣等( 2 0 0 1 ) 。利用神经网络理论，对基坑工程稳定 性的影响因素进行递阶分析，提取有效的稳定性影响因素；利用神经网络对岩土 力学参数进行反演辨识，结合有限元分析技术和监测数据，对基坑工程各施工工 河海大学硕士学位论文 况进行动态仿真模拟，进而对基坑工程进行稳定性分析和变形预报e 高广运等( 2 0 0 h 7 1 提出了神经网络的处理模型，用将遗传算法和b p 最优化方 法相结合所产生的一种高效率、高精度的算法来训练网络，比较了各类训练网络 方法的优缺点，并应用于基坑监测数据的处理中。韦立德等( 2 0 0 3 ) ”采用遗传算法 和误差反向传播算法相结合的混合算法来训练前馈人工神经网络，并将该方法应 用于预测基坑支护结构水平变形中。 赵其华等( 2 0 0 2 ) ”“结合北锚碇深基坑工程，提出并应用神经网络多步预测方法 来研究地连墙施工变形的预测问题，系统地介绍了基于时间窗口的神经网络多步 滚动预测技术，并详细讨论了输入输出层的设计、隐含层神经元结点数以及预测 时间步长等一些基本预测技术问题。( 2 0 0 3 ) 1 在对深基坑墙体位移时序规律 分析的基础上，提出了基于m a t l a b5 3 平台的神经网络多步预测模型，可以一 次预测多步施工的变形，达到及早调整基坑施工参数，完成变形控制的目的。 j ；( 2 0 0 2 ) 。“根据基坑变形的特点，建立了动态递归神经网络进行实时建 模预报，并采用一种改进的在线学习算法，较好地描述了基坑变形的动态特性。 曹红林，i 靖涛( 2 0 0 3 ) ”“将小波神经网络应用于深基坑周围地表沉降的预测，提出 了一种有效的预测方法，并构造了预测沉降的小波神经网络模型。张庆华，陈爱 云( 2 0 0 4 ) ”“针对地铁车站等深基坑开挖施工中监测数据处理极其复杂的问题，提出 了神经网络的处理模型。曾洪飞等( 2 0 0 4 ) 。“构造了预测基坑的墙体位移的r b p 神 经网络，比b p 神经网络更具有优越性。 ( 4 ) 其它方面的应用 人工神经网络除了成功地解决深基坑支护结构选型、多种预测预报、土体物 性参数识别等问题以外，还可以应用于施工控制。”、突涌分析嘞1 、工程造价预 测”、底板混凝土测温。等方面。 在上述研究成果中，应用神经网络进行基坑工程的预测工作时，一般有两种 预测方法：一种是按照变量的因果关系来进行预测的，一种是在时间序列的基础 上进行预测。而在时间序列基础上进行预测时，鲜有考虑时间序列自身的特点， 一般来说，预测点与其相距较近的观察点的相关性较强，而与其相距较远的观察 点相关性较弱，因此，在样本训练过程中，需要考虑不同的样本所起的作用是不 一样的，文中将采用打折最小平方原理来考虑这一点。 1 4 主要研究内容及研究思路 1 4 i 主要研究内容 ( 1 ) 在基坑工程实践中，工程的实际工作状态与设计预估值相比往往存在一 定的差异，设计预估值一般不能全面而准确地反映工程的各种变化，进行现场监 蔓二兰堕丝 测保障基坑工程的安全就显得十分重要。本文总结了基坑监测工作的进展、监测 布置的原则和监测内容以及监测资料的整理方法等。 ( 2 ) 采用神经网络进行基坑监测信息动态分析预测，选用在b p 网络基础上进 行改进的i c b p 神经网络，它克服了b p 神经网络的部分缺点。由于常规的i c b p 神经网络存在隐含层单元数难以确定的问题，本文采用遗传算法来确定i c b p 神经 网络隐含层单元数，以达到对神经网络结构进行优化处理。 ( 3 ) 应用经遗传算法改进的i c b p 神经网络建立了基于横向推广的预测模型， 即利用已知数据建立各参数之间的非线性关系；同时在考虑打折最小平方原理的 基础上建立了基于时间序列的预测模型，即利用前一时期信息来预测后一阶段系 统的状态，同时运用多步滚动预测技术，实现预测精度较为理想的动态预测。 ( 4 ) 润扬大桥南汉南锚碇深基坑工程采用冻结排桩围护结构，在国内尚属首 次，基坑开挖过程中所受荷载情况复杂，监测信息分析预测是工程安全的重要保 障。将上述两种模型应用于基坑的监测信息动态分析预测中，对基坑监测的支护 结构的变形、孔隙水压力以及支撑轴力等分别进行预测。 1 4 2 本文的研究思路 动态预测预报目前仍依赖于传统的概率算法，由于其自身的局限性和基坑施工 过程中的不确定因素较多，可信度不高。神经网络具有良好的自适应和自学习能 力、较强的抗干扰能力，可以模拟高度的非线性关系。本文研究应用神经网络进 行监测数据的动态预测。 目前应用最为广泛的b p 神经网络存在着不少缺点和不足，采用在b p 神经网 络的基础上进行改进而得的i c b p 神经网络可以更好地解决实际问题。 i c b p 神经网络虽然克服了b p 神经网络的部分缺点和不足，但其仍存在隐含 层结点数难以确定的问题，采用遗传算法可以对神经网络的结构进行优化。 在工程实践中，有些参数非常莺要，但由于某些不可抗拒的因素而无法直接获 取，可以通过建立该参数与其它参数之间的非线性关系来求取。应用经遗传算法 优化的i c b p 神经网络可以建立基于横向推广的预测模型来解决这一问题。 目前应用的基于时间序列的神经网络预测模型通常无法考虑时间序列自身特 点，通过引进打折最小平方原理可以弥补这一缺点。 在润扬大桥南汉南锚碇深基坑工程是一个重大工程，基于横向推广的神经网络 预测模型和基于时间序列的神经网络预测模型可以用于基坑监测信息的动态预 测，为基坑安全分析提供帮助。 神经网络用于深基坑工程监测信息动态预测的流程图如图1 一l 所示。 河海大学硕士学位论文 1 数学建模 i c b p 神经网络模型 一 ，h 神经网络 输入输出层的确定_ _ 神经 网络 网络 训练 结构 的学 参数 应用遗传算法确定隐含层l 一 的确 习 的确 定 程序的编制与调试 i l 训练样本数据的收集及预处理 l j 使用样本对神经网络进行训练1 l l 深基坑工程的神经网络动态预测 l f 预测成果分析 图l l 深基坑监测信息动态预测流程图 8 第二章基坑工程监测方法 第二章基坑工程监测方法 2 1 基坑工程的特点 2 1 1 基坑工程分类 建筑基坑工程是指建筑物或构筑物地下部分施工时，需开挖基坑，进行施工降 水和基坑周边的围挡，同时要对基坑四周的建筑物、构筑物、道路和地下管线进 行监测和维护，确保正常、安全施工的一项综合性工程。 基坑工程可分为放坡开挖基坑和有支护基坑。它一般包括：勘察、支护结构设 计和施工、地基加固、土方开挖、降水工程、工程及环境监测等。 支护结构可分为自立式支护结构( 有围护结构，无支撑结构) 和有撑锚的支护 结构。如悬臂式桩墙和重力式水泥搅拌桩是自立式支护结构，而地连墙支护一般 带有内支撑或土锚，是具有撑锚的支护结构。 若按围护墙刚度分类，支护结构体系还可分为刚性和柔性两种。刚性支护在基 坑开挖过程变形很小( 但位移可能并不小) ，如重力式水泥搅拌桩支护：柔性支护 在基坑开挖过程中的变形较大，如地连墙支护和桩排式支护等。 较深的基坑工程一般采用有撑锚的柔性支护结构。 2 1 2 基坑工程的特点 基坑工程的主要特点有： ( 1 ) 基坑工程是与地质工程、结构工程以及施工技术相互交叉的学科，是多 种复杂因素( 如场地勘察，基坑设计、施工、监测，现场管理，相邻场地施工) 相互影响的系统工程，是理论上尚待发展的综合技术学科。 ( 2 ) 基坑工程正向深度大、面积大方向发展，有的长度和宽度多达百米，j 程规模同益增大。 ( 3 ) 随着旧城改造的推进，基坑工程经常在密集的建筑群中施工，场地狭窄， 邻近常有必须保护的永久性建筑和市政公用设施，不能放坡开挖，对基坑稳定和 位移控制的要求很严。 ( 4 ) 在软土、高水位及其它复杂条件下开挖基坑，很容易产生土体滑移、基 坑失稳、桩体变位、坑底隆起、支挡结构严重漏水、流土以致破损等病害，对周 边建筑物、地下构筑物及管线的安全造成很大威胁。 ( 5 ) 基坑工程具有很强的区域性，不同地区的工程地质条件和水文地质条件 都不同，且差别较大。 ( 6 ) 岩土性质千变万化，地质埋藏条件和水文地质条件的复杂性、不均匀性， 往往造成勘察所得的数据离散性很大，难以代表土层的总体情况，并且精确度较 低，给基坑工程的设计和施工增加了难度。 塑塑查兰堡主兰垡堡兰 ( 7 ) 基坑工程包含挡土、支护、防水、降水、挖土等许多紧密联系的环节， 其中的某一环节失效将会导致整个工程的失败。 ( 8 ) 相邻场地的施工，其打桩、降水、挖土等各项施工环节都会产生相互影 向与制约，增加事故诱发因素。 ( 9 ) 基坑工程造价较高，但又是临时性工程，安全系数一般较低。但是， 旦出现事故，处理十分困难，造成的经济损失和社会影响往往十分严重。 ( 1 0 ) 基坑工程施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部隐蔽工程，常需经 历多次降雨、周边堆载、振动、施工不当等许多不利条件，其安全度的随机性较 大，事故的发生往往具有突发性。 2 1 3 基坑工程的不确定性因素分析 鏊坑工程是面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行施工作业，还存在 以下一些不确定因素： ( 1 ) 外力的不确定性。作用在支护结构上的外力往往随着环境条件、施工方 法和施工步骤因素的变化而改变。 ( 2 ) 变形的不确定性。变形控制是支护结构设计的关键，但影响变形的因素 很多，围护墙体的刚度、支撑( 或锚杆) 体系的布置和构件的截面特性、地基土 的性质、地下水的变化、潜蚀和管涌以及施工质量和现场管理水平等等都是产生 变形的原因。 ( 3 ) 岩土性质的不确定性。地基岩土的非均质性( 成层) 和地基岩土的特性 不是常量，在基坑的不同部位、不同施工阶段岩土性质是变化的，地基岩土对支 护结构的作用或提供的抗力也随之而变化。 ( 4 ) 一些偶然变化所引起的不确定性。施工场地内土压力分布的意外变化、 事先没有掌握的地下障碍物或地下管线的发现以及周围环境的改变等等，这些事 前未曾预料的因素都会影响基坑工程的正常施工和使用。 由于存在以上这些不确定因素，很难对基坑工程的设计与施工定出一套标准 模式，或用一套严密的理论计算方法来把握施工过程中可能发生的各种变化。目 前只能采用理论计算与地区经验相结合的半经验、半理论的方法进行设计。要求 现场旌工技术人员具有丰富的工程经验和高度的责任感，能及时处理由于各种意 外变化所产生的不利情况，只有这样才能虽有效地防止或减少基坑工程事故的发 生。 信息化施工原理和环境效应问题被人们所注意、关心，以致被接受并付诸行动， 这不仅是工程技术本身的进步，更是工程界直至社会各方面在岩土体工程总体意 识上的更新、进步和延伸。 簦三兰墨塾三堡堕塑立堡 2 2 基坑工程监测的重要性和目的 2 2 1 概述 当前，基坑监测与工程的设计、施工同被列为深基坑工程质量保证的三大基 本要素。 所谓深基坑开挖监测是指在深基坑开挖旌工过程中，借助仪器设备和其它一 些手段对围护结构、周围环境( 土体、建筑物、构筑物、道路、地下管线等) 的 应力、位移、倾斜、沉降、开裂及对地下水位的动态变化、土层孔隙水压力变化 等进行综合监测。基坑工程环境监测是基坑工程信息化施工的基础，是检验设计 正确性和发展岩土工程理论的重要手段，又是及时指导正确施工、避免发生事故 必要措施。 在监测工作过程中，要根据前段开挖期间监测到土体变位动态等各种行为表 现，提取大量的岩土体信息，及时比较勘察、设计所预期的性状与监测结果的差 别，对原设计成果进行评价，并判断现行施工方案的合理性。通过智能预测方法 或通过反分析方法计算和修正岩土力学参数，预测下阶段施工过程中可能出现的 新动态，为优化和合理组织施工提供可靠信息，对后期开挖方案与开挖步骤提出 建议，对施工过程中可能出现的险情进行及时的预报。当有异常情况时，立即采 取必要的工程措施，将问题消灭于萌芽状态，以确保工程安全。 2 2 2 深基坑监测的意义 支护结构设计虽然根据地质勘察资料和使用要求进行了较为详细的计算，但 是在基坑工程实践中，工程的实际工作状态与设计预估值相比往往存在一定的差 异，设汁预估值还不能全面而准确地反映工程的各种变化，所以在理论分析指导 下有计划地进行现场工程监测就显得十分必要。 造成设计预估值与实际工作状态差异的主要原因有m o “_ “_ 6 ： ( 1 ) 地层性质存在着相当的变异性和离散性，地质勘察所获得的数据还很难 准确代表土层的全面总体情况。 ( 2 ) 对基坑围护结构进行设计和变形预估时，对土层和围护结构本身所作的 分析、模型构筑、计算简化假定，以及参数选用等，与实际状况相比存在一定的 近似性和相对误差。 ( 3 ) 基坑开挖和施筑过程，随着土层开挖标高变化和支撑体系的设置与拆除， 围护结构的受力处于经常性的动态变化状况，诸如挖机撞击、地面堆载等突发和 偶然随机因素，使得结构葡载作用时间和影响范围难以预料。 基于上述情况，可以认为，基坑工程的设计预估虽能够大致描述正常施工条 件下，围护结构与相邻环境的变形规律和受力范围，但必须在基坑开挖和支护施 ! ! 壅叁兰堡圭兰垡堡塞 筑期间开展严密的现场监测，以保证工程的顺利进行。 2 2 3 基坑监测的目的 归纳起来，开展基坑工程现场监测的目的主要为： ( 1 ) 检验设计所采取的各种假设和参数的正确性，指导基坑开挖和支护结构 的藏工。 基坑支护结构设计尚处于半理论半经验的状态，土压力计算大多采用经典的 侧向土压力公式，与现场实测值相比较有一定的差异，也还没有成熟的方法计算 基坑周围土体的变形。因此，在施工过程中需要知道现场实际的受力和变形情况。 基坑施工总是从点到面，从上到下( 或采用逆作法施工) 分工况局部实施，可以 根据由局部和前一工况的开挖产生的应力和变形实测值与预估值的分析，验证原 设汁和施工方案正确性，同时可对基坑丌挖到下一个施工工况时的受力和变形的 数值和趋势进行预测，并根据受力和变形实测和预测结果与设计时采用的值进行 比较，必要时对设计方案和施工工艺进行修正。 ( 2 ) 为基坑支护结构和周围环境进行及时、有效地保护提供依据。 在深基坑开挖与支护施筑过程中，必须在满足支护结构及被支护土体的稳定 性，避免破坏和极限状态发生的同时，不产生由于支护结构及被支护土体的过大 变形而引起邻近建筑物的倾斜或开裂，邻近管线的渗漏等。从理论上说，如果基 坑围护工程的设计是合理可靠的，那么表征土体和支护系统力学形态的一切物理 量都随时间而渐趋稳定，反之，如果测得表征土体和支护系统力学形态特点的某 几种或某一种物理量，其变化随时间不是渐趋稳定，则可以断定土体和支护系统 不稳定，支护必须加强或修改设计参数。在工程实际中，基坑在破坏前，往往会 在基坑侧向的不同部位上出现较大的变形，或变形速率明显增大。在2 0 世纪9 0 年代初期，基坑失稳引起的工程事故比较常见，随着工程经验的积累，这种事故 越来越少。但由于支护结构及被支护土体的过大变形而引起邻近建筑物和管线破 坏则仍然时有发生，而事实上大部分基坑围护的目的也就是出于保护邻近建筑物 和管线。因此，基坑开挖过程中进行周密的监测，在建筑物和管线的变形在正常 的范围内时可保证基坑的顺利施工，在建筑物和管线的变形接近警戒线时，有利 于采取对建筑物和管线本身进行保护的技术应急措施，在很大程度上避免或减轻 破坏的后果。 ( 3 ) 将监测结果用于反馈优化设计，为改进设计提供依据。 基坑工程设计方案的定量化预测计算是否真正反映了工程实际状况，只有在 方案实施过程中才能获得最终的答案，其中现场监测是取得上述验证的重要手段。 由于各个场地地质条件的不同、施i i 艺和周围环境的差异，设计计算中未曾计 入的各种复杂因素，都可以通过对现场的监测结果的分析、研究，加以局部的修 第一章基坑工程监测方法 改、补充和完善，因此，我们应将监测和信息反馈看作设计的一部分，将其作为 基坑工程后期设计的重要依据。 ( 4 ) 积累工程经验，为提高基坑工程的设计和施工的整体水平提供依据。 支护结构上所承受的土压力及其分布，受地质条件、支护方式、支护结构刚 度、基坑平面几何形状、开挖深度、施工工艺等的影响，并直接与侧向位移有关， 而基坑的侧向位移又与挖土的空间顺序、施工进度等时间和空间因素等有复杂的 关系，现行设计分析理论尚未完全成熟。基坑围护的设计和施工，应该在充分借 鉴现有成功经验和吸取失败教训的基础上，根据自身的特点，力求在技术方案中 有所创新、更趋完善。对于某一基坑工程，在方案设计阶段需要参考同类工程的 图纸和监测成果，在竣工后则为以后的基坑工程设计增添了一个工程实例。现场 监测不仅确保了本基坑工程的安全，在某种意义上也是一次i ：l 的实体试验，所 取得的数据是结构和土层在工程施工过程中的真实反应，是各种复杂因素影响和 作用下基坑系统的综合体现，因而也为该领域的科学和技术发展积累了第一手资 料。 2 3 监测系统设计原则 施工监测工作是一项系统工程，监测工作的成败与监测方法的选取及测点的布 设直接相关。监测系统的设计原则，可归纳为以下5 条”1 ： ( 1 ) 可靠性原则 可靠性原则是监铡系统设计中所要考虑的最重要的原则。为了确保其可靠， 必须做到：第一，系统需要采用可靠的仪器；第二，应在监测期间内保护好测点。 ( 2 ) 多层次监测原则 多层次监测原则的具体含义有3 点： a 在监测对象上以位移为主，但也考虑其它物理量监测。 b 在监测方法上以仪器监测为主，并辅以巡视的方法。 c 考虑分别在地表、基坑土体内部及邻近受影响建筑物与设施内布点以形成 具有一定测点覆盖率的监测网。 ( 3 ) 重点监测关键区的原则 据研究，在不同支护方法的不同部位，其稳定性是各不相同的。一般地说， 稳定性差的部位容易失稳塌方，甚至影响相邻建筑物的安全。因此，应将易出问 题而且一旦出问题就将带来很大损失的部分，列为关键区进行重点监测，并尽早 实施。 ( 4 ) 方便实用原则 塑塑查兰堡主主丝堡兰一 为了减少监测与施工之间的相互干扰，监测系统的安装和测读应尽量做到方 便实用。 ( 5 ) 经济合理原则 考虑到多数基坑都是临时工程，因此其监测时间较短。另外，监测范围不大， 量测者容易到达测点，所以在系统设计时应尽量考虑实用而价廉的仪器，不必过 分追求仪器的“先进性”，以降低监测费用。 2 4 基坑监测的内容及资料整理 2 4 1 基坑监测的内容 基坑工程的现场监测主要包括对支护结构的监测，对周围环境的监测和对岩 土性状受施工影响而引起变化的监测，其监测方法如下”“”。“。： ( 1 ) 支护结构顶部水平位移监测，这是最重要的一项监测。一般每间隔5 8 m 布设一个仪器监测点，在关键部位适当加密布点。基坑开挖期间，每隔2 3 天监测次，位移较大时每天监测1 2 次。 ( 2 ) 支护结构内部水平位移监测。根据支护结构受力及周边环境等因素，在 关键的地方钻孔布设测斜管，用高精度测斜仪定期进行监测，以掌握支护结构在 各个施工阶段的水平位移变化情况，及时提供支护结构深度一水平位移一时间的 变化曲线及分析计算结果。也可在基坑开挖过程中及时在支护结构侧面布设测点， 用光学经纬仪观测支护结构的内部水平位移。 ( 3 ) 支护结构沉降观测。可按常规方法用精密水准仪对支护结构的关键部位 进行沉降观测。 ( 4 ) 支护结构应力监测。用钢筋应力计对桩身钢筋和桩项圈梁钢筋中较大应 力断面处的应力进行监测，以防止支护结构的结构性破坏