（大地测量学与测量工程专业论文）地铁深基坑近邻地表沉降监测及预测分析.pdf

t h em o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i o na n a l y s i so fg r o u n d s e t t l e m e n to fd e e pf o u n d a t i o np i to fs u b w a y b y l iy i z h a n b e ( c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y ) 2 0 0 8 at h e s i ss u b m i t t e di np a r t i a ls a t i s f a c t i o no ft h e r e q u i r e m e n t sf o rt h ed e g r e eo f m a s t e ro fe n g i n e e r i n g i n g e o d e t i cs u r v e y i n ga n ds u r v e y i n ge n g i n e e r i n g l n c h a n g s h au n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y s u p e r v i s o r p r o f e s s o rh ey u e g u a n g m a r c h ，2 0 11 长沙理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行 研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本 论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作者签名： 日期：o , oc ，年 i 7 月俨日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权长沙理工大学可以将本学位 论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 本学位论文属于 1 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密囹。 ( 请在以上相应方框内打“”) 作者签名： 套境 b 凝：“年f 具忙日 铷签名：2 往1 日恸，年r 月，夕日 摘要 随着我国城市建设的发展，出现了越来越多的深基坑工程。特别是近年来各 大城市掀起的地铁建设高潮，形成的地铁车站深基坑工程规模和难度日益增大。 深基坑开挖必然引起各种变形，深基坑工程变形的监测和预报作为信息化施工的 关键，是深基坑工程中的重要研究课题之一。 论文以某地铁车站深基坑工程为研究对象，开展基坑近邻地表安全监测和基 坑变形规律研究。在总结和归纳基坑变形特征和监测方法的基础上，研究的主要 内容为： l 、详细阐述深基坑开挖对近邻地表的影响，总结深基坑近邻地表变形特征， 分析影响近邻地表变形的因素及变形机理。结合工程实例，制定合理的监测方案。 在介绍深基坑各监测项目实施的基础上，判断变形控制量，并对原始数据进行分 析处理，得出地表变形的时空间规律。 2 、深基坑变形预测是一个复杂的非线性问题，人工神经网络处理非线性问题 具有优越性。为进行基坑开挖变形预测，在b p 网络的特征及其学习算法的基础 上，分析深基坑变形的时空规律，建立深基坑变形预测的网络模型，编制训练程 序，通过b p 网络的架构、各参数的选择、网络的训练，实现基坑沉降变形的时 间序列预测。同时对b p 网络模型内部由不同隐含层节点个数和不同训练函数建 立的模型进行对比，选择其中仿真效果和预测结果好的一组模型与r b f 网络模型 进行网络优化选择，寻求理想的网络模型，为深基坑工程监测提供参考。 论文通过分析深基坑工程近邻地表变形特征和监测现状，结合某地铁车站深 基坑监测资料，开展神经网络地表沉降预测模型研究，通过不同模拟结果与实测 数据的对比分析，探讨预测结果的误差因素，其成果对城市地铁深基坑开挖工程 中近邻地表及建筑物的监测具有一定的参考价值。 关键词：深基坑工程；地表沉降；b p 网络；变形预测 一一 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fu r b a nc o n s t r u c t i o ni n c h i n a ，t h e r eh a sb e e n a n1 n c r e a s i n gn u m b e ro fd e e pf o u n d a t i o n p i t s e s p e c i a l l yi nr e c e n ty e a r s n ec l i m a xo fs u b w a yc o n s t r u c t i o ni nm a j o r c i t i e s ，t h es i z ea n dd i f f i c u i t vo f t h ed e e pf o u n d a t i o np i ti ns u b w a ys t a t i o na r eg r o w i n g t h e d e e pf o u n d a t i o n p i ti n e v i t a b l yl e a dt oav a r i e t yo fd e f o r m a t i o n ，s o d e e pp i td e f o r m a t i o n m o n i t o r i n ga n dp r e d i c t i o na st h ek e yo ft h ei n f o r m a t i o nc o n s t r u c t i o n i s o n eo fi m p o r t a n tr e s e a r c ht o p ic si nd e e pf o u n d a t i o np i t s t h ep a p e rb a s e do nas u b w a ys t a t i o nd e e pf o u n d a t i o np i t sc a r r yo u tt h e s a f e t ym o n i t o r i n ga n dt h es t u d yo ff o u n d a t i o nd e f o r m a t i o nl a w b a s e do n t h e s u n m m ya n di n d u c t i o no ff o u n d a t i o nd e f o r m a t i o na n d m o n i t o r i n g m e t h o d s ，t h em a i nr e s e a r c hc o n t e n ti sa sf o i l o w s ： 1 、e l a b o r a t e di nd e t a i lt h ei m p a c to ft h ea d ja c e n tg r o u n di nd e e p p i t ， s u m m i e dt h eg r o u n ds e t t l e m e n td e f o r m a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s ，a n a l y z e dt h e f a c t o r so ft h ea d ja c e n tg r o u n dd e f o r m a t i o na n dd e f o r m a t i o nm e c h a n i s m s c o m b i n i n gw i t he n g i n e e r i n gc a s e st o d e v e l o par e a s o n a b l em o n i t o r i n g p r o g r a m o nt h eb a s eo fi n t r o d u c i n gt h em o n i t o r i n gp r o je c ti m p l e m e n t a t i o n o fd e e pf o u n d a t i o n p i t ，d e t e r m i n e dt h ec o n t r o lv o l u m eo fd e f o r m a t i o n a n a l y z e da n dp r o c e s s e dt h eo r i g i n a ld a t a ，g e tt h et i m e s p a c el a wo ft h e g r o u n ds e t t l e m e n t 2 、d e f o r m a t i o np r e d i c t i o no f d e e pf o u n d a t i o np i t si sac o m p l e xn o n l i n e a r p r o b l e m ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r kh a sa d v a n t a g e si nd e a l i n gw i t hn o n l i n e a r p r o b l e m a i mt oa c h i e v et h ed e f o r m a t i o np r e d i c t i o no f t h ed e e pf o u n d a t i o n p i te x c a v a t i o n ，b a s e do nt h ec h a r a c t e r i s t i c sa n di t s s e l f - l e a r n i n ga l g o r i t h m o ft h eb pn e t w o r k ，t oa n a l y s i st h et i m e s p a c el a wo f d e e pf o u n d a t i o np i t d e f o r m a t i o n ，t oe s t a b l i s ht h en e t w o r km o d e l ，t o c o m p i l et h et r a i n i n g p r o g r a m ，t ou t i l i z et h eb pn e t w o r ka r c h i t e c t u r e ，t h ec h o i c eo fp a r a m e t e r s n e t w o r kt r a i n i n g ，t oa c h i e v et h et i m es e r i e sp r e d i c t i o no f d e e pp i tg r o u n d s e t t l e m e n t a tt h es a m et i m e ，c o m p a r i n gt h em o d e l sb ya d o p t i n g d i f f e r e n t n u m b e ro ft h eh i d d e nl a y e rn o d ea n dd i f f e r e n t t r a i n i n gf u n c t i o ni nb p n e t w o r k ，s e l e c t i n go n eo ft h eb e s tm o d e l st oc o m p a r ew i t hr b fn e t w o r k m o d e la i mt of i n dt h ei d e a ln e t w o r km o d e l ，p r o v i d i n gr e f e r e n c ef o rd e e p f o u n d a t i o nm o n i t o r i n g t h ep a p e rr e l i e so nad e e ps u b w a yf o u n d a t i o np i ta n da n a l y s i st h e d e f o r m a t i o nf e a t u r ea n dm o n i t o r i n gs t a t u sq u oo ft h ea d ja c e n tg r o u n di n d e e pf o u n d a t i o np i t s ，c a r r i e so u tt h er e a s e a r c ho fn e u r a ln e t w o r km o d e lf o r g r o u n ds e t t l e m e n tp r e d i c t i o n ，c o m p a r e st h es i m u l a t i o nr e s u l t so fd i f f e r e n t p a r a m e t e rw i t ht h em e a s u r e dd a t a ，p r o b e si n t ot h ee r r o rf a c t o ro fp r e d i c t i o n r e s u l t t h ea c h i e v e m e n tc a np r o v i d es o m er e f e r e n c ef o rt h em o n i t o r i n go f a d ja c e n tg r o u n da n db u i l d i n g si nt h eu r b a ns u b w a yd e e pf o u n d a t i o np i t k e yw o r d s ：d e e pf o u n d a t i o np i t s ；s u r f a c es e t t l e m e n t ；b pn e t w o r k ； d e f o r m a t i o np r e d i c t i o n 目录 摘要i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文主要研究工作5 第二章地铁深基坑近邻地表变形特征 2 1 深基坑近邻地表变形诱因7 2 2 地铁深基坑近邻地表变形特征9 2 3 本章小结1 1 第三章某地铁车站深基坑监测 3 1 工程概况1 2 3 2 施工监测内容1 6 3 3 变形预警值确定2 7 3 4 监测数据处理和分析30 3 5 本章小结3 8 第四章神经网络基本原理及工程应用 4 1 神经网络的发展4 0 4 2 神经网络模型4 1 4 3 地表沉降仿真预测模型50 4 4 不同模型结果与实测数据对比55 4 5 误差因素和工程应用7 0 4 6 本章小结7 2 第五章结论与展望 5 1 总结7 3 5 2 展望7 3 参考文献7 5 致谢7 9 附录( 攻读硕士期间发表论文及参与项目) 8 0 目录 摘j 1 2 兽i a b s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究目的和意义1 1 2 国内外研究现状2 1 3 论文主要研究工作5 第二章地铁深基坑近邻地表变形特征 2 1 深基坑近邻地表变形诱因7 2 2 地铁深基坑近邻地表变形特征9 2 3 本章小结1 l 第三章某地铁车站深基坑监测 3 1 工程概况1 2 3 2 施工监测内容1 6 3 3 变形预警值确定2 7 3 4 监测数据处理和分析30 3 5 本章小结3 8 第四章神经网络基本原理及工程应用 4 1 神经网络的发展4 0 4 2 神经网络模型4 l 4 3 地表沉降仿真预测模型50 4 4 不同模型结果与实测数据对比55 4 5 误差因素和工程应用7 0 4 6 本章小结7 2 第五章结论与展望 5 1 总结7 3 5 2 展望7 3 参考文献7 5 致谢7 9 附录( 攻读硕士期间发表论文及参与项目) 8 0 f 1 1 研究目的和意义 第一章绪论弟一早珀下匕 1 8 6 3 年世界上第一条地下铁道线路在英国伦敦建成通车，此后世界上许多城 市郡在建设地下铁道。特别是近年来，城市人口迅速增加，车辆增多，给城市带 来了交通拥挤、环境污染和能源危机等一系列问题。面对这些问题，单单依靠增 加地面交通能力是远远不够的，因此人们通过开发地下空间，修建地下铁路来解 决城市地面交通问题。目前我国地铁建设进入到一个蓬勃发展的阶段，已经有一 大批城市已建、在建或计划建设各自的城市轨道交通n 1 。而我国城市轨道交通车 站建设采用最多的是明挖基坑法。 基坑工程是土力学基础工程中一个传统课题，同时也是一个综合性的岩土工 程问题，既涉及土力学中典型的强度、稳定和变形问题，同时也涉及土与支护结 构的共同作用问题。这些将随着土力学理论、测试技术、计算技术以及施工机械、 施工技术的发展而进步。 自2 0 世纪9 0 年代以来，我国城市基坑工程发展较为迅猛，深基坑开挖和支 护技术得到了前所未有的发展。目前，我国基坑开挖深度越来越深旺1 ，已发展到 2 0 m 以上，近年来在桥梁建设中出现了一些超深基坑，深度达到了5 0 - - - 6 0 m 。如润 扬长江公路大桥北锚碇基础基坑平面尺寸为6 9 m x 5 0 m ，深度达到5 0 m ；江阴长江 公路大桥北锚碇基础工程基坑平面尺寸为6 9 m x 5 1 m ，沉井下沉深度达5 8 m 。由于 深基坑开挖面积大，长度与宽度达数百米，工程的规模日益增大给支撑系统带来 了难度，特别是在软弱土层中开挖深基坑1 ，会对周边产生较大的位移和沉降， 对周边建筑物、市政设施和地下管线造成影响。基坑四周已建成或在建高大建筑 物密集或紧靠重要市政设施，不仅要确保基坑本身稳定，更不能危及周边h 3 ，因 此对深基坑稳定性和位移控制要求很严。岩土性质的千变万化，地质条件和水文 条件的复杂性，造成勘察所得的数据离散度很大，难以代表土层的总体情况，给 深基坑工程的设计和施工增加了难度。深基坑工程施工场地狭窄，施工条件差， 而且相邻场地施工中，打桩、降水、挖土及基础浇筑混凝土等工序会相互制约与 影响，增加协调工作的难度。深基坑施工周期长，从开挖到完成地面以下的全部 工程，需要经历多次降水、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哺1 。 城市基坑工程的复杂性和对场地及施工过程的依赖性，以及对周边环境影响 的严重性，使基坑工程变形与稳定的相关理论和实践技术水平得到迅速的发展和 提高。首先在分析模型和计算方法上，要尽可能的贴近实际k ，其中数值模型 和计算机辅助设计发挥了重要的作用。其次，现场监测作为确保施工安全的有效 手段，对验证设计或局部调整、积累数据、总结经验、改进和提高设计水平具有 实际指导意义。 在基坑的实际监测过程中会发现实际变化状态与设计预估值存在定的差 距，其原因为1 ：( 1 ) 基坑工程所处地层性质存在相当的变异性和离散性。地质 勘察所获得的数据很难准确代表土层的总体情况，钻探取样对土体的扰动和应力 释放也会造成一定的试验误差。( 2 ) 基坑设计与变形预估时，所做的分析模型、 构筑计算、简化假定以及参数选用等，与实际工况存在一定差异。( 3 ) 基坑开挖 和建设过程中，随着开挖标高变化和支撑体系的安装与拆除，围护结构的受力处 于动态变化状况，诸如挖掘机的撞击、地面堆载等突发和偶然因素，使得结构荷 载作用时间和影响范围难以预料。 因此，基坑工程的设计预测能够大致描述正常施工条件下，围护结构与周边 环境的变化规律和受力范围，但必须加强在基坑开挖和施筑期间的现场监测。通 过现场监测工作，可以达到以下目的哺1 ：( 1 ) 及时发现不稳定因素。土体的不均 匀性、各向异性及不连续性，加上自然环境因素的不可控影响，人们在土体认知 上存在局限性，必须借助监测手段进行必要的补充，以便及时采取补救措施，确 保基坑稳定安全，减少和避免不必要的损失。( 2 ) 验证设计、指导施工。通过监 测可以了解土体的实际变形和应力分布，验证设计与实际符合程度，掌握周边建 筑物、土体和地下管线的变化趋势，据此为施工提供有价值的指导性意见。( 3 ) 保障业主及相关社会利益。通过对周边建筑物、地下管线监测数据的分析，调整 施工参数、施工工序、重车出入及停靠位置，确保建筑物和地下管线的正常运行， 有利于保障业主及相关社会利益。( 4 ) 分析区域性施工特征。通过对围护结构、 周边建筑物和周边地下管线等监测数据的分析、整理和再分析，了解监测对象的 实际变形情况及对周边环境影响程度，分析区域性施工特征，为同区域类似工程 累积经验。 1 2 国内外研究现状 深基坑工程是岩土工程的一个重要组成部分。随着城市的建设发展，每年都 会有大量的深基坑工程开工建设，但是伴随着一些工程的失事，人们对基坑工程 的施工变形问题更加关注。y a oj t p 于1 9 7 2 年首次提出土建工程施工控制的概 念，它的基本思想是依靠结构物与控制系统间的优化匹配共同抵御工程及其他外 荷载，进而控制其变形位移在允许的限值以内。 在我国，2 0 世纪9 0 年代才开始基坑工程施工变形控制的研究，主要是围绕 东部沿海城市深基坑开挖引起土工公害的环境效应而展开的，以上海市饱和软粘 2 土为地质背景的施工控制为重点，对深基坑工程支护结构的设计经历了强度控制、 变形控制和系统控制三个设计阶段。其中变形控制是地下工程施工的关键，其基 本思想是要求支护结构在满足强度及结构稳定的前提下，能满足控制变形位移的 使用要求，也即，基坑工程施工中既要保证其结构安全，又要对周围环境的影响 不超出允许变形限值。系统控制主要指应用系统的观点将施工环境看成一个由地 质、工程及环境相互作用而又相互依赖的统一体，进而应用控制论、系统论和信 息论等理论和方法达到系统控制的目的。目前在基坑工程变形控制方面尤其是系 统控制方面的研究尚显不足，有很大的研究空间。 目前，无论是国内还是国外，大型基坑变形预测与控制仍是岩土工程领域的 研究热点之一。施工变形的研究方法经历了早期的土压力理论和板桩理论到二维、 三维有限元分析和反分析再到系统论和控制论的各个理论发展阶段，主要有安全 系数法、经验公式法、数值方法、地层损失法、系统分析方法等。变形预测的方 法可分为理论计算法和基于实测数据的分析法。 理论计算法主要以p e c k 理论为代表而不断发展、完善的经验理论法以及有限 元法为主的数值预测法。p e c k 于1 9 6 9 年在墨西哥举行的土力学及地基基础工程 国际会议上，首次提出了地表预测曲线近似呈正态分布曲线的概念。a t t e w e l l 于 1 9 8 1 年提出最大地表预测量，1 9 8 2 年日本学者藤田研究了不同盾构式对地层的影 响，并且给出了最大地表沉降的预测值及其误差。同济大学岩土工程系对上海饱 和软土和软粘土进行试验并提出考虑固结因素的p e c k 修正公式口一1 。数值预测法 主要包括有限元法，半解析方法和边界元法等。f i n n e 和c l o u g h 采用二维平面应 变法模拟美国旧金山某工程施工中地层沉降情况。i t o 和h i s a t a k e 采用三维常量 边界元法分析均质线弹性地层的地表变形情况。国内也有学者进行了这方面的研 究，刘红洲，李强等利用三维有限元分析盾构隧道引起的地面沉降问题。孙均等 用三维弹塑性有限元分析了上海地区地表受隧道开挖引起的地表变形问题，对土 体各参数根据实测值进行了不同程度的折减处理口1 。 岩土体研究存在客观上的不确定性，也有主观上的非确定性。客观上的非确 定性包括随机性、模糊性、信息的不完备性和信息处理的不确定性。综合客观因 素和对岩土体变形机理的认识不清，导致了理论分析和模拟主观上的非确定性。 因此针对岩土工程中的非确定性，许多问题都要作出全局性、综合性系统分析。 因而，系统分析方法已显示出广阔的应用前景。刘建航院士提出了基坑开挖的时 空效应理论，全面阐述了上海地铁车站施工环境预测与控制的方法，并提出了“分 层、分步、对称、平衡、限时的软土地区基坑开挖的总体方针。同时，包括灰 色系统理论、时间序列分析、分数维理论、混沌理论、随即介质理论以及人工神 经网络理论等在内的许多新理论、新方法也被引入到岩土工程中来。 1 9 8 2 年，邓聚龙教授提出灰色系统理论n “1 。随后灰色系统得到广泛应用， 3 并逐渐引入到岩土工程监测领域。灰色系统是指部分信息已知而部分信息未知的 系统，有以下几个特点n 2 3 1 ：( 1 ) 系统结构层次不完全清晰；( 2 ) 系统要素不完 全掌握；( 3 ) 系统中各因素之间的关系不完全明确；( 4 ) 系统的运行机制与规律 状态不完全明白。因此工程中许多问题都可归为灰色系统研究范畴，这些问题用 常规的数理方法解决有时收效甚微，而应用灰色理论会变得容易且准确度高。基 坑工程受复杂地质构造、地应力、时效等因素的影响，监测分析工作中不可避免 地遇到部分已知部分未知的问题，表明存在灰色区域，通过分析相关数据，得到 变化规律及灰色预测方法。虽然灰色理论在岩土工程变形预测中有不少成功案例， 但也发现了一些问题。由于灰色建模要求非负时间序列的累加生成具有灰指数规 律，而许多观测值的累加生成不具有灰指数规律，造成预测误差较大，预测结果 不可靠。所以，许多专家学者建议在处理岩土工程时间序列问题时要慎用灰色系 统进行建模。 时间序列分析法则不需考虑影响监测数据的各种因素，而只分析监测数据的 统计规律，通过对统计规律的研究，拟合出这些规律的最佳数学模型并预报时间 序列后期数值，该方法在工程中也有广泛应用n 4 1 。t h e nz i y i n 将隧道围岩变形的 量测结果时序看作为一个随机过程样本，应用时间序列分析了新奥法施工中围岩 变形预报问题。李永盛等利用时间序列分析对边坡位移的发展趋势进行了预测。 陈惠康用时间序列方法分析预测了上海地面沉降浅层土体变形。赵其华n 胡等曾利 用滑坡监测资料的时序分析成果，应用数值方法成功开展了在水库水位变化过程 中滑坡的变形预报及失稳破坏方式的预测工作。 “混沌 是指一种貌似模糊而内部存在一定统计规律的过程。它研究的是非 线性系统，打破了确定论与随机论之间的界限。目前己成为系统理论的研究热点， 已有学者将其引入岩土工程。田野n 6 1 从观测到的滑坡蠕变数据着手，应用混沌理 论得出建立数学模型时至少要用2 个状态变量，为建立数学模型指出了新的途径。 黄建平、秦四清等提出了如何利用实测资料建立系统动态模式的具体方法。邱崇 践等还提出了预报动态模式的参数优化方法。w o l f 提出了如何依据单变量建立李 亚普诺夫指数谱的方法。吴中如n 刀等根据边坡变形实测资料分析得到系统演化的 李亚普诺夫指数，并由此作为边坡稳定性判断的依据。 分数维理论的产生与混沌理论相适应，可用于定量描述混沌这一复杂现象。 黄宏伟n 8 3 依据基坑开挖过程中的变形实测资料，分析了基坑系统维数，并得出了 基坑系统在演化发展过程中并不遵循固定的动态模式的结论。熊祚森n 钔利用非线 性动力学理论对基坑变形及其稳定性进行了反演分析。 阳军生乜“圳等将挤压式盾构施工隧道引起的地表移动视为一随机过程，应用 随机介质理论对地表移动和变形进行分析。黄宏伟利用随机介质理论对岩体变形 进行了研究。 4 于学馥等提出了“开挖系统的智能控制 的概念，指出智能控制既需要控制 理论依靠数学模型进行定量分析，又需要人工智能与知识工程依靠经验、专业、 常识等方面的知识，按“知识模型进行定性分析，并强调开挖系统的智能控制 既是理论需要，更是实际需要。刘维宁、张弥乜2 3 等运用系统论和控制论方法，通 过对城市隧洞及地下工程施工环境问题的各种影响因素的综合分析，提出了地下 工程环境动态最优控制策略制定程序。冯夏庭乜3 1 等应用人工智能和神经网络理 论，提出了地下工程力学综合集成智能的分析方法。 近年来，作为一种函数映射和预测工具，人工神经网络已成功应用于岩土工 程领域陋“2 引。神经网络模型是利用了对人脑模拟的神经网络原理而建立的模型。 神经网络在信息的分布式存储，数据的并行处理以及利用外来的信息进行自学习 的能力等方面都跟人脑相似，已经普遍应用于各个工程领域中心6 1 。国内外学者对 通过对神经网络的应用，提出了对神经网络各自的见解和认识，并对神经网络中 线性化、隐层设置以及模型类别进行了研究心卜3 。王伟等利用神经网络进行地震 预测方法的研究口射，1 9 9 5 年g o h 等人用b p 网络成功预测了软土基坑开挖中挡墙 的最大位移，是神经网络在深基坑工程领域的成功尝试。近几年，国内工程界才 逐渐将人工神经网络广泛应用于深基坑工程。1 9 9 8 年1 2 月，孙海涛b 3 1 等率先将 b p 网络应用到深基坑变形预报的初步研究，取得了成功。此后，许多专家学者， 工程技术人员开始意识到神经网络解决深基坑工程问题的有效性和实用性，纷纷 开展这方面的研究。神经网络在深基坑工程中的应用也越来越广泛，应用范围也 不断扩大。 1 3 论文主要研究工作 深基坑工程是一项极其复杂的工程，基坑的变形监测是基坑设计和施工的重 要组成部分。虽然目前对基坑工程监测数据的分析研究和预测取得了一定的成果， 但是不管是理论计算法还是实测数据分析法上都有一定的局限性，但最终目的都 是寻求变形量与时间之间的关系。人工神经网络这种智能预测方法，凭借良好的 非线性映射能力、自适应性、自学习性、容错性等优点，为深基坑工程很多问题 的解决提供了一条新路。尤其是b p 网络在国内外都得到了广泛的重视和应用， 已经成功在基坑变形预测中得以应用，并取得了不错的效果。 论文以某地铁车站深基坑工程为依托，分析深基坑开挖对邻近地表变形的影 响。通过制定合理的监测方案获取可靠的、高精度的监测数据；然后，对监测数 据进行筛选，剔除不可靠数据和粗差数据，进行数据预处理，分析数据中隐含的 数学规律，为b p 神经网络提供优质的监测数据；最后利用m a t l a b 神经网络工具 箱构建b p 网络模型，通过反复的试验得出符合本工程的隐层节点数、训练参数、 传递函数和训练函数，找到比较理想的网络模型，实现预测目的。 5 论文的技术路线如图1 1 ： 编制监测方案 上 监测数据采集 上 剔除粗差和不可靠数据 上 数据预处理 上 l 利用m a t l a b 神经网络工具箱构建b p 神经网络模型 上 获取理想模型 上 网络预测 图1 i 技术路线图 6 第二章地铁深基坑近邻地表变形特征 基坑工程中基坑变形主要体现在三个部位，围护结构墙、坑底土体和基坑近 邻土体。三者是一个整体，基坑开挖所造成的影响不会完全体现在某一个单项的 变形上，它们三项变形共同表现开挖造成的整体影响，而它们之间的变形又是相 互影响，相互体现。基坑开挖引起的基坑近邻土体发生变形主要表现为地表沉降， 它是对基坑本身和基坑周边环境危害最大的因素之一。因此基坑近邻地表沉降一 直是国内外学者研究基坑工程变形的重点，虽然人们对近邻地表做了大量研究， 也取得了一些宝贵经验，但仍然有不少问题值得深入研究。 2 1 深基坑近邻地表变形诱因 基坑开挖工程就是基坑开挖面卸去土体荷载的过程，由于卸去土体荷载引起 坑底土体产生以向上为主的位移，同时也引起围护墙在两侧压力差作用下水平向 位移和墙外侧土体垂直向位移。同时，在基坑开挖过程中进行的施工降水会使围 护墙两侧产生水位差，这也是引起围护墙变形和周边地表沉降的原因之一口们。 2 1 1 坑底土体隆起 坑底隆起是垂直向荷载改变坑底土体原始应力状态的反应。在基坑开挖时， 由于失去了土体的重力，开挖面底部土体会产生回弹。开挖也会导致坑内外土体 产生水位差，引起坑底土体软化，加剧坑底土体隆起。 在开挖深度不大时，坑底土体在卸载后发生垂直向的弹性隆起，弹性隆起的 特征是坑底中部隆起最高，而且坑底隆起在开挖停止后很快就停止。当围护墙底 为良好的原状土或注浆加固土时，围护墙随土体回弹而抬高，这种坑底隆起基本 不会引起围护墙外侧土体向坑内移动。 随着开挖深度增加，基坑内外的土面高差不断增大，当开挖到一定深度，基 坑内外土面高差所形成的加载和地面各种超载的作用，就会使围护墙外侧土体产 生向基坑内移动，使基坑坑底产生向上的塑性隆起，隆起量也逐渐由中部最大转 变为两边大中间小的形式，同时在基坑周围产生较大的塑性区，并引起地面沉降。 2 1 2 围护结构墙变形 围护结构墙的变形分为水平向和垂直向变形。垂直向变形即围护结构墙竖向 位移，一般在基坑开挖时，墙会随土体开挖有所上下浮动。虽然会对基坑稳定产 生一定的影响，但危害性小，常常被忽视。而水平向变形是围护结构墙变形的关 7 注重点，也是基坑稳定和地表沉降变化的关键。 围护墙墙体变形从水平向改变基坑外围土体的原始应力状态而引起地层移 动。基坑开始开挖后，围护墙便开始受力变形。在基坑内侧卸去原有的土压力时， 墙外侧则受到主动土压力，而在坑底的墙内侧则受到全部或部分的被动土压力。 由于总是开挖在前，支撑在后，所以围护墙在开挖过程中，安装每道支撑以前总 是已发生一定的先前变形。围护墙的位移使墙体主动土压力区和被动土压力区的 土体发生位移。墙外侧主动压力区的土体向坑内水平位移，使背后土体水平应力 减小，以致剪力增大，出现塑性区，而在基坑开挖面以下的墙内侧被动压力区的 土体向坑内水平位移，使坑底土体加大水平向应力，以致坑底土体增大剪应力而 发生水平向挤压和向上隆起的位移，在坑底处形成局部塑性区。 围护墙墙体变形不仅使围护墙外侧发生地层损失而引起地面沉降，而且使围 护墙外侧塑性区扩大，因而增加了围护墙外土体向坑内的位移和相应的坑内隆起。 因此，同样地质和埋深条件下，深基坑周围地层变形范围及幅度，因围护墙体的 变形不同而有很大差别，围护墙墙体变形往往是引起周围地层移动的重要原因。 2 1 3 基坑施工降水 土体是由土粒、孔隙水和气体所组成的三相体，对于饱和含水土层，土中孔 隙完全被水填充，可认为是土粒和孔隙水组成的两相体。由基坑施工降水引起地 面沉降原理解释：土体的粘聚力c 越大，土的粘聚性越强；内摩擦角巾越大，土 粒表面越粗糙，粒面排列越密实，相应地土粒间摩擦力越大。c 、由值越大，则主 动土压力越小，被动土压力越大，基坑发生的变形和位移就越小。重度y 越大， 基坑发生的变形和位移越大。液性指数i 。反映土的软硬状态，硬性粘土i 。较小， 土的抗剪破坏性强；若为淤泥质土和软弱粘土i 。较大，土体的抗剪破坏性弱，容 易引起大的滑移和变形口5 1 。土体的泊松比| i 和变形模量e 对基坑的变形也有较大 的影响。e 越大，基坑的变形也就越大口们。李云安研究发现土体的变形模量e 、 泊松比p 和内摩擦角巾对基坑变形的影响较为显著，而粘聚力c ，重度y 的影响 要小些，且强度参数和变形参数是相互匹配的口7 1 。 工程降水引起地下水位变化使土中的有效应力增加，于是土体产生压缩或固 结，造成地表沉降。支护结构中水土流失也引起地层损失，基坑内外的水位差或 基坑下部有承压水时引起的流砂或管涌等现象，不仅能造成基坑周边地层的大范 围移动，而且可能有基坑本身安全的重大稳定性问题。降低基坑地下水水位，既 能保证基坑开挖在干燥的环境下进行，改善施工环境；又能影响岩土体的c ，由 值，从而增加了基坑稳定性，保证施工的顺利进行。 2 1 4 周围地层位移 随着围护结构形式不同，以及基坑开挖的施工工艺不同，基坑的变形形态也 8 不同。国内外一些专家学者对围护结构墙后土体位移模式的特征进行了大量的深 入研究，认为墙后土体位移模式主要有块体现象和土拱作用。 块体现象是指由于基坑墙后土体发生位移后，会沿一潜在的脆弱面形成破裂 面，即滑移面。在该破裂面以内土体具有整体性，虽然可能存在较大的位移，但 应变不大，较大的应变产生于破裂面附近，实际监测中的最大差异沉降和变形也 多出现在破裂面处。在土体变形的影响域边界将形成一个狭窄的最高应变梯度区 域，在该域与围护结构墙之间，只有较小的应变产生，土体以一种刚性块体的形 式移动，而高应变区域形成破裂面。 土拱作用是指支撑刚度较大而围护结构刚度较小时，墙后土压力局部增大的 现象。局部土体产生移动，而其余部分保持原来位置不动，土中的这种相对运动 受到土体抗剪强度的阻抗，使移动部分土体的压力减小，而不动部分的压力增加。 2 1 5 基坑平面形状 在基坑施工之前，基坑的平面形状、开挖深度、平面尺寸等空间因素往往在 基坑设计时就确定了。有学者通过大量深基坑工程实例的研究分析，发现在同区 域地质条件、施工工艺等相差无几的情况下，条形基坑的变形要比方形基坑变形 大，也就是说基坑变形大小与基坑平面形状存在内在联系口引。 一个好的基坑平面形状即可以改善基坑的应力布局，减小基坑的位移，也可 以改善基坑的位移布局，节省基坑支护费用。大量实测结果表明：类圆形平面结 果基坑是一种最优的基坑平面形状。类圆形平面结构基坑是指短长半径比i i 0 6 7 7 2 的椭圆型和圆形平面结构基坑，类圆形 平面结构基坑，矩形平面结构基坑长宽比越大 2 1 6 其他因素 周边环境因素对基坑变形的影响不容忽视 动荷载、地表水、上下水管的渗漏等。静荷载 动荷载指基坑周边机动车辆行驶和施工机械的 质量对基坑变形也存在影响。例如，在地下连 起地面沉降；坑内支撑拆除，由于换撑刚度不 填土不密实，导致外侧土层向内变形。 2 2 地铁深基坑近邻地表变形特征 基坑开挖所引起的近邻地表变形与基坑支 支护结构体系的变形趋势，必然在基坑近邻地 据大量的基坑工程实测资料，结合各种经验公 9 提出了多种典型的近邻地表沉降曲线形式：指数曲线、上海经验分布曲线、抛物 线和三角形曲线等。 对开挖深度大或工程等级高的基坑，一般采用带内支撑的支护结构体系，然 其墙体变形多是组合型曲线，深基坑的第一道支撑多接近于地表，且大多数的测 斜数据都是在第一道支撑施工完成之后开始采集，测斜曲线其悬臂部分的位移较 小。随着支撑的架设，墙顶水平位移不变或是逐渐向基坑外移动，墙体腹部向基 坑内突出，墙后地表沉降量最大位置出现在距离基坑一定位置处，而不是出现在 紧靠基坑支护结构处，则沉降曲线称为指数曲线类型，图2 1 ( a ) ； 上海地区是我国深基坑工程较多的地区之一，由于上海的地质条件原因，上 海地区也是我国较早开展深基坑工程监测的地区。人们在众多深基坑工程中总结 了大量的监测经验，并总结分析了上海地区地表沉降实测资料，得出了上海经验 曲线，图2 1 ( b ) 。 对开挖深度不大或工程等级低的基坑，多采用悬臂式支护结构，随着基坑开 挖深度的不断增大，支护结构不断受到墙外侧主动土压力的压迫，不断的呈现出 向基坑内侧倾斜的趋势，墙后土体的表现为靠近基坑支护结构的地方即墙顶位置 沉降量最大，整个基坑周边地表沉降曲线呈抛物线形，图2 1 ( c ) ； 对悬臂式支护结构基坑的墙后地表沉降变形，部分学者发表不同于抛物线形 的见解，认为墙后土体在压力作用下整体呈三角形水平位移或平行刚体位移，则 墙后土体的地步沉降为三角形分布，图2 1 ( d ) 。 1 7 ；。”一二二；一 吒弋捂磊曲线 一7 - = = ，一一。一一 ，弋抛物线犁曲线 ，- 一，- - 一 一_ _ 一，一 上海经验曲线 二二专氦荔荔 图2 1 地表变形的几种类型 1 0 2 3 本章小结 本章首先介绍了基坑开挖中引起