隧道施工监控量测数据挖掘及其变形预测论文.pdf

学校代号 10 5 3 6 学号 0 9 2 0 2 0 6 2 6 l 密级 公开 长沙理工大学硕士学位论文 隧道施工监控量测数据挖掘及其 变形预测 学位申请人姓名易焘强 导9 币姓名及职称凌回堡麴援 培养单位蓬迦理王太堂 专 业 名称建筮皇 丕王程 论文提交日期2 q l 生垒目 论文答辩日期2 q 生5 旦 答辩委员会主席 一奎铀 m o n i t o ra n dm e a s u r i n gd a t am i n i n ga n dt h ed e f o r m a t i o n p r e d i c t i o no ft u n n e l b y y i z h i q i a n g b e h u n a nc i t yu n i v e r s i t y 2 0 0 9 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 t h e s i so fe n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o n c i v i le n g i n e e r i n g 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 rl i n g t o n g h u a a p r i l 2 011 一 咖4洲0 i l 帅4洲8删8 iiiii l舢y 长沙理工大学 一 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 易享 苏e l 期 2 口 i 年 月u e l 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 l 保密口 在年解密后适用本授权书 2 不保密口 请在以上相应方框内打 4 作者签名 男 乏多友 日期 2 j c f 年岁 月2 夕日 导师签名 五i 码吁日期 山f 年 厂月 日 摘要 随着隧道工程施工技术和设计理论的快速发展 公路隧道的修建也越来越 多 在目前公路隧道的施工中 新奥法的应用相当广泛 隧道监控量测作为新奥 法的重要组成部分 已逐步成为隧道工程设计的项目和确保工程施工安全的重要 手段 且监测技术也从中得到了飞跃性的发展 并直接影响到隧道的结构形式 施工方法 支护参数 造价 工期等 但由于监测手段以及后期数据处理分析方 法的不完善 信息反馈不够及时等问题 致使监测数据在验证事前设计和指导事 后施工方面还远未发挥其应有的作用 针对上述问题 本文作者提出了隧道监控 量测数据挖掘及隧道变形预测的研究课题 并基于大量的现场监测数据和地质资 料 在已有研究成果基础上进行了深入系统的研究 首先 针对现场所得监测数据存在杂乱性 重复性 不完整性等问题 采用 了数据挖掘理论中的数据预处理系统分别对监测数据进行了数据清理 变换 集 成 规约等处理 大大提高了数据挖掘模式的质量 降低了后续挖掘所需时间 其次 采用s p s s 软件在依据相关回归分析理论及相应隧道变形模型基础上 对经过预处理后的不同围岩断面的地表沉降 拱顶下沉和周边收敛等监测数据进 行回归分析 验证了s p s s 软件对庞大数据进行多元回归分析的有效性 根据所 得结果 可以初步计算隧道开挖后变形的极限值以及其达到稳定状态所需时间 为预留变形量的调整及后期工序的变更提供有力依据 再次 针对影响隧道围岩变形的因素具有复杂性 随机性 模糊性等特点 首次应用自适应神经模糊推理系统 a n f i s 并基于t a k a g 卜s u g e n o t s 模型 建立了隧道位移的预测模型 该预测模型具有收敛速度快 稳定性好 训练过程 可重复 预测精度高等特性 可有效地预测不同围岩下隧道变形的一般规律 本文所做研究工作 立足于学科前沿 采用最新数学计算方法和手段对隧道 监控量测数据挖掘及隧道变形预测进行了研究 具有较高的理论和应用价值 为 隧道监控量测数据的处理提供了一种新的有效分析手段 关键词 隧道监控量测 数据挖掘 数据预处理 多元回归分析 变形预测 a b s t r a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fc o n s t r u c t i o nt e c h n o l o g ya n dd e s i g nt h e o r yo f t u n n e le n g i n e e r i n g m o r ea n dm o r eh i g h w a yt u n n e l sa r ec o n s t r u c t e d n e wa u s t r i a n t u n n e l i n gm e t h o d n a t m i sw i d e l yu s e di nt h ec u r r e n tc o n s t r u c t i o no fh i g h w a y t u n n e l s a n dt h em o n i t o rm e a s u r i n go fh i g h w a yt u n n e l h a sg r a d u a l l yb e c o m ea p r o je c to ft u n n e le n g i n e e r i n gd e s i g na n da ni m p o r t a n tm e a nt oe n s u r et h es a f e t yo f c o n s t r u c t i o na sa ni m p o r t a n tc o m p o n e n to fn a t m m o n i t o r i n gt e c h n o l o g yh a sa l s o b e e nd e v e l o p e d q u i c k l y a n d i th a sad i r e c t i m p a c t o nt h et u n n e l s t r u c t u r e c o n s t r u c t i o nm e t h o d s u p p o r t i n gp a r a m e t e r s c o s t d u r a t i o n e t c b e c a u s eo ft h e i m p e r f e c tm o n i t o r i n gt o o l s p o s t p r o c e s s i n ga n a l y s i so fd a t a i n f o r m a t i o nf e e d b a c k n o ti nt i m ea n do t h e rp r o b l e m s t h em o n i t o r i n gd a t ac a nn o tp l a yi t sd u er o l ei nt h e v e r i f i c a t i o na s p e c t so fp r e d e s i g na n df o l l o w u pc o n s t r u c t i o n a c c o r d i n gt ot h e m e n t i o n e d p r o b l e m sa b o v e t h e a u t h o r p u t f o r w a r dt h er e s e a r c h s u b je c t o f m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n td a t am i n i n ga n dd e f o r m a t i o np r e d i c t i o no fat u n n e l a n d c o n d u c t e dt h et h o r o u g hs y s t e mb yu s i n gt h ee x i s t i n gr e s e a r c hr e s u l t sb a s e do nt h e o n s i t em o n i t o r i n gd a t aa n dg e o l o g i c a ld a t ai nt h es t u d y f i r s to f a l l a c c o r d i n g t ot h e c h a r a c t e r i s t i c s c l u t t e r r e p e a t a b i l i t y a n d n o i n t e g r i t y o ft h em o n i t o r i n gd a t a d a t ac l e a n i n g t r a n s f o r m a t i o n i n t e g r a t i o n p r o t o c o l sa n do t h e rp r o c e s s i n gw e r ec a r r i e do u tb yt h ed a t ap r e p r o c e s s i n gs y s t e mo f d a t am i n i n g t h ep r o c e s sh a sg r e a t l yi m p r o v e dt h eq u a l i t yo fd a t am i n i n gm o d e l sa n d r e d u c e dt h et i m er e q u i r e df o rs u b s e q u e n tm i n i n g s e c o n d l y a c c o r d i n gt or e g r e s s i o nt h e o r ya n dt h ec o r r e s p o n d i n gd e f o r m a t i o n m o d e lo fat u n n e l t h es u r f a c es u b s i d e n c eo fs o i ls e c t i o n t h ec r o w ns e t t l e m e n ta n d t h es u r r o u n d i n gc o n v e r g e n c eo fd i f f e r e n ts u r r o u n d i n gr o c ks e c t i o n sa r ea n a l y s e db y u s i n gr e g r e s s i o na n a l y s i st h r o u g hs p s ss o f t w a r e a n di tv e r i f i e dt h ee f f e c t i v e n e s so f u s i n gm u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i st op r o c e s sh u g ed a t ai ns p s ss o f t w a r e o nt h e b a s i so ft h er e s u l t s w ec a np r e l i m i n a r yc a l c u l a t et h el i m i to fd e f o r m a t i o na f t e rt h e t u n n e lw a se x c a v a t e da n d t h et i m en e e d e df o rs t a b i l i z a t i o ns t a t e a n di ta l s oc a n p r o v i d e a s t r o n g b a s i sf o rt h ed e f o r m a t i o n a d j u s t m e n t a n d p o s t p r o c e s s i n g a r r a n g e m e n t l a s t l y f o rt h ei n f l u e n c ef a c t o r s c o m p l e x i t y r a n d o m n e s s f u z z i n e s s o ft h e s u r r o u n d i n gr o c kd e f o r m a t i o nd i s p l a c e m e n t b a s e do nt h et a k a g i s u g e n o t s m o d e l i i a d a p t i v en e u r o f u z z y i n f e r e n c e s y s t e m a n f i s i sa d o p t e di n t h ef i r s tt i m et o e s t a b l i s hap r e d i c t i o nm o d e lo ft h et u n n e l d i s p l a c e m e n t b e c a u s e t h ef a s t c o n v e r g e n c er a t e g o o ds t a b i l i t y r e p e a t a b i l i t yo ft h et r a i n i n gp r o c e s s a n dh i g h p r e d i c t i o na c c u r a c yo ft h i sf o r e c a s tm o d e l t h eg e n e r a lr u l eo ft u n n e ld e f o r m a t i o ni n d i f f e r e n ts u r r o u n d i n gr o c kc a np r e d i c t e de f f e c t i v e l y t h er e s e a r c hw o r ki nt h i sp a p e r b a s e do nf o r e f r o n ts u b je c t a d o p t e dt h el a t e s t m a t h e m a t i c sc a l c u l a t i o nm e t h o da n dm e a n st os t u d yt h em o n i t o r i n gm e a s u r e m e n t d a t am i n i n ga n dd e f o r m a t i o np r e d i c t i o no fat u n n e l i ti sv a l u a b l eb o t hi nt h e o r i e s a n dt h ea p p l i c a t i o n sf o rp r o v i d i n gan e we f f e c t i v em e t h o dt o p r o c e s st u n n e l m o n i t o r i n gm e a s u r e m e n td a t a k e y w o r d s m o n i t o ra n dm e a s u r i n go fh i g h w a yt u n n e l d a t am i n i n g d a t a p r e p r o c e s s i n g m u l t i p l er e g r e s s i o na n a l y s i s d e f o r m a t i o np r e d i c t i o n i i i 目录 摘善暮 i a s t r a c t i i 第一章绪论 1 1 研究背景 1 1 2 国内外研究现状 2 1 2 1 变形监测技术及其进展 2 1 2 2 变形监测数据的分析技术 5 1 2 3 隧道变形预测分析方法 7 1 3 本文研究的主要内容 8 第二章隧道施工监控量测技术 2 1 前言 9 2 2 监测量测的主要任务及目的 9 2 3 现场监控量测项目的选择 1 0 2 4 监测项目及频率 1 1 2 4 1 地表沉降 1 l 2 4 2 拱顶下沉 1l 2 4 3 周边位移 1 2 2 4 4 监测频率 1 3 2 5 监测数据的应用 1 3 2 5 1 极限位移值施工管理 1 3 2 5 2 位移速率施工管理 1 4 第三章原始监控量测数据的采集与预处理 3 1 前言 15 3 2 监测数据的采集与整理 1 5 3 3 数据预处理的重要性 1 6 3 4 数据预处的主要流程 1 6 3 4 1 数据清理 1 7 3 4 2 数据集成 1 8 3 4 3 数据变换 18 3 4 4 数据归约 1 9 3 5 数据预处理在隧道监控量测中的应用 2 0 3 5 1 工程概括 2 0 3 5 2 实例分析 2 1 第四章基于s p s s 的隧道变形数据挖掘分析 4 i 前言 2 8 4 2s p s s 运算流程 2 8 4 3s p s s 软件的特点 2 8 4 4 依据的挖掘理论 2 9 4 4 1 多元线性回归 2 9 4 4 2 曲线回归 3 2 4 5 回归模型 3 3 4 5 1 地表沉降回归模型 3 3 4 5 2 拱顶下沉回归模型 3 4 4 5 3 周边收敛回归模型 3 5 4 6 实例分析 3 5 4 6 1 数据输入 3 5 4 6 2s p s s 求解过程 3 6 4 6 3 分析结果解读 3 8 4 7 本章小结 4 7 第五章基于模糊神经网络的隧道变形预测 5 1 前言 4 9 5 2 隧道岩体变形性质 4 9 5 3 隧道变形预测模型 5 1 5 3 1 灰色理论预测模型 5 i 5 3 2a r m a 时间序列预测模型 5 3 5 3 3b p 神经网络预测模型 5 3 5 4 模糊神经网络在隧道变形中的应用 5 4 5 4 1t a k a g i s u g e n o t s 模糊模型 5 4 5 4 2 自适应神经模糊推理系统 a n f i s 5 5 5 4 3 算例及结果分析 5 6 5 5 结论与 参考文 致谢 附录 本章小结 展望 献 6 6 6 8 7 0 7 4 7 5 1 1 研究背景 第一章绪论 我国地域相当辽阔且多山岭重丘 山区的公路建设任务非常繁重 在过 去铺设的大部分山区公路中 通常的做法是修筑盘山道路 几乎很少看见穿 山隧道 特别是在崇山峻岭 深渊峡谷 地形高差变化较大的线形婉蜒地区 路线经常根据山的走势而选择盘山绕行 从改善交通运输条件 线形 缩短 公路里程 保护国土环境和提高车速各方面来看 修建隧道穿行才是最合理 的方案 我国在上世纪8 0 年代的公路修建过程中 由于许多外在因素及经 济条件的影响 修建的隧道相当少 原本修建一个短距离隧道就能穿过的越 岭路段 取而代之的是高难度的较大纵坡的盘山路去翻越垭口 这样不但降 低了路线技术等级以及增加了公路里程 与此同时还大大的增加了运输费用 和公路养护费 2 l 因此 目前在山岭重丘地区所修建的高等级公路 为了缩 短公路里程 改善线形以及保护环境 昔日的那种 逢山尽量绕着走 的做法 将会逐渐被公路隧道来代替 3 隧道既可以保障最佳道路线形便利行车 又 可以有效地防止山地陡坡的泥石流 滚石等突发的自然灾害 同时还提高了 行车的安全性以及可靠性 能够和当地环境相协调及保全附近的自然景观 大约在我国隋末唐初时 我国的民间科学家孙思邈所编著的 丹经 中 详细的说明了如何制造黑火药 伊斯兰等国家在1 2 2 5 年以后学习了此火药 的制法 此后奥地利的工业家在l7 世纪首次在矿山开采中运用了火药技术 自18 6 6 年诺贝尔发明黄色炸药后 炸药技术就不断运用到许多运河隧道的 施工中 伴随着铁路逐渐成为新的交通运输工具以及铁路运输事业的迅速发 展 修建的隧道也越来越多 在18 9 5 l9 0 6 年期间已经出现了穿越阿尔卑 斯山长达1 9 7 3 k m 的最大铁路隧道 目前代表铁路隧道建设水平的有全长 5 0 5 0 k m 连接英国与法国的穿过英吉利海峡的海底隧道以及全长5 3 8 5 k m 横 跨日本津轻海峡的青函隧道 目前我国最长的铁路隧道有全长l9 4 5 k m 的西 安安康铁路秦岭隧道 4 随着我国高等级公路的飞速发展公路隧道也将越来 越多 隧道工程施工技术和隧道工程设计理论的快速发展 隧道工程的变形监 测逐步成为隧道工程设计的项目 并已成为确保工程施工安全的重要手段 5 隧道施工监控量测工作已成为隧道建设实施阶段中必不可少的重要环节 由 此 隧道监测的基本方法和理论及技术在工程测量专业以及其专业知识体系 中显得越来越重要 隧道监测技术也慢慢地脱离传统的工程测量范畴而成为 1 一门独立的新学科 隧道监测技术是一门综合性相当强的技术 它主要依靠 岩土力学 工程测量学及工程设计理论和方法等学科 并且将计算机 传感 器 监测技术等相关知识作为辅助技术 同时还结合了工程建设的实践经验 和工程施工工艺所形成的一门向多学科渗透的技术 目前 隧道工程设计与施工都采用了科学化的经验方法与工程实践相结 合的信息化监控设计 施工手段 把地下工程开挖后工程支护结构系统以及 周边建筑物的力学性态变化和变形作为判断工程的稳定性和可靠性的主要 依据 6 将隧道施工中监测所获取的各项监测数据进行处理分析 同时与类 似工程的经验方法相结合 建立起必要而有效的评判标准 利用实测数据分 析结果 及时作出安全预报 隧道监测分析成果还可以作为调整和修改支护 设计的主要依据 在复合式衬砌的施工中 还可据此来确定二次衬砌的合理 施作时间 从而达到监测支护结构和围岩的变位与应力是否超过设计标准 进而借此对设计的合理性进行验证 对工程施工作出合理的决策 目前 在 我国一些相关的强制性的规范 建设法规中 已经将对隧道工程及其周围环 境进行监测纳其中 并作为一项强制性规定 1 2 国内外研究现状 1 2 1 变形监测技术及其进展 1 变形监测技术的必要性 由于受到各种主观和客观因素的影响 工程建筑物在施工和运营期间会 产生变形 假如变形超出了规定的限度 将影响建筑物的正常使用 严重的 时候还将危及到建筑物的安全 引起沉陷 坍塌 裂缝 滑坡 倾斜等灾难 性的后果 从而给人民的生活和社会带来巨大的损失n 1 随着现代工程建设 技术的飞速发展 变形监测技术不仅体现在建设的进程和速度上 同时还通 过建筑物的造形 精细程度及规模等一系列方面来反映 因此对依靠变形监 测所开展的安全评估工作提出了更高的要求 虽然在工程建筑物设计时为了能使其安全地承受所考虑的多种外荷载 影响 采取了一定的安全系数 但由于勘察或设计时不可能对工程附件的地 质条件 工作环境以及其承受能力做出完全准确的估计 况且施工质量也不 可能做到完美无缺 因此国内外不断有一些工程出现事故 例如 在1 9 6 3 年因坝体两边的大滑坡所导致的涌浪将意大利2 6 2 m 高的瓦依昂 v a j o n t 拱坝冲垮随1 法国6 7 m 高的马尔巴塞 m a l p a s s e t 拱坝于1 9 5 9 年突然垮塌 在1 9 6 2 年1 1 月6 日 安徽梅山连拱隧道右线发现大量漏水 其地表沉降达 到lo o m m 经分析后采取了有效措施 才避免了灾难的发生凹1 我国石漫滩 和板桥两座土坝在1 9 7 5 年由于洪水漫坝导致坝体垮塌n 叫 在1 9 7 6 年美国 一 0 2 9 3 m 高的提堂 t e t o n 土坝突然溃决 当前国内外许多桥梁都存在不同程度 的安全隐患 例如西方发达国家在经济腾飞时期所建造的大批桥梁 目前均 存在剩余寿命的评估问题 其中美国的6 9 万座公路桥梁中有一半以上的桥 梁已经使用超过5 0 年 另外其每年花费在桥梁维修上的费用超过了5 0 亿美 元 1 在国内 由于桥梁的质量控制远远滞后于桥梁的建设速度 因此倒塌事 故正在逐年的增加 例如在1 9 9 6 年1 2 月广东韶关特大桥梁突然坍塌 造成 5 9 人受伤及3 2 人当场死亡 重庆彩虹大桥在1 9 9 9 年的1 月倒塌 事故造成 4 1 人死亡 1 4 人受重伤n 另外 随着近几年铁路的不断提速 对于那些 设计最大时速只有1 2 0 k m 的铁路桥梁也是一个相当大的考验 其中在2 0 0 2 年6 月 陇海铁路西安段的一座铁路桥梁被洪水冲垮 造成铁路停运数日 给人们带来了严重的经济损失 1 9 8 5 年6 月12 日在长江三峡新滩 2 0 0 0 万 m 3 堆积土一起滑入江中 而险区居民早就提前撤出 这全靠了变形监测作出 了准确的预报凹1 上述所列出的正反例子充分说明 为了确保工程建筑物设 计的使用耐久性 安全性以及人们的安危 必须对工程建筑物进行变形监测 变形监测除了及时地反映建筑物的工作性态 确保其安全外 同时还有 多方面的必要性伯 美国垦务局认为 使用传感设备和测量仪器对建筑物进 行系统和长期的变形监测 是研究 预测 诊断以及法律等四个方面的需求 在研究需求方面 监测资料是建筑物受力状态的真实反映 其可以提供定量 信息给未来的设计 可以改进施工工法 同时还利于更新设计理念以及加深 对破坏机理的理解 在预测需求方面 通过运用长期积累下来的监测资料来 总结建筑物的变化规律 对建筑物未来的变形状态作出及时有效的预测 在 诊断需求方面 变形监测可以验证设计参数并且改进未来的设计 可以对新 的施工工艺的优越性进行合理的评估和改进 还可以对不安全迹象以及险情 进行诊断并采取有效的加固排险措施 在法律需求方面 面对那些由于工程 事故所引起的赔偿问题和责任 观测资料有助于查清其原因以及鉴定相关责 任 以便法庭作出正确的判决 2 变形监测技术的发展 工程变形监测技术可以分为外部变形监测和内部变形监测 外部变形监 测主要以大地测量为主 其常用的手段包括采用带测微装置的精密水准测 量 精密三角 三边或边角测量以及高精度自动化的全站仪监测系统 然而 对于局部的大型工程的变形监测 g p s 技术则有较广阔的应用前景 采取大 地测量的方法进行变形监测 其最大的特点为所测量的结果都是绝对位移 其监测精度较高 监测范围也比较广 但只能反应变形体外观的变形量 内 部变形监测则主要是采用传感器以及岩土工程中的一些监测仪器 如压力 盒 锚杆轴力计以及多点位移计等 其特点是能监测到岩体内部的变形分布 但其测量的范围较小 代表性也较差 因此对于较大型的工程建筑物 公路 隧道 大型边坡以及水坝则需要采用外部和内部相结合的监测手段 才能得 到较好的监测结果 1 2 常用的变形监测方法有以下几种 a 常规的地面测量方法 是指采用常规或现代化的量测仪器测量方向 或角度 高差 边长等来监测建筑物变形量的总称 是一般的地下工程 深基坑工程以及水坝等变形监测的主要手段u 引 伴随着测量机器人的出现以 及全站仪的普及 为工程变形的监测提供一种很好的技术手段 它可以实现 室内监测和自动化监测 且可达到亚毫米级的测量精度 由于变形监测相对 于常规测量要求更高的精度 因此 须选择较高精度测量仪器来监测变形 1 4 目前 测角精度最高可以达到o 5 例如徕卡的马达驱动自动跟踪型全站仪 t c a 2 0 0 3 以及工业测量型全站仪t d a 5 0 0 5 b 地面摄影测量技术 此技术在变形监测技术中应用比较早 具有不 需要接触被监测变形体 观测时间较短 可以同时测变形体上任意点的变形 信息等优点 但由于摄影距离不是很远以及其绝对精度相对较低的致密弱 点 使其应用具有很大的局限性 摄影测量主要有遥感 地面以及航空摄影 测量等三种方法 在过去的变形监测中仅大量应用于古建筑 高塔 烟筒 边坡体 船闸等构造物的变形监测 近几年发展起来的数字摄影测量和实时 摄影测量为地面摄影测量技术在变形监测中的深人应用开拓了非常广泛的 前景 c 自动监测技术 机 光 电技术的飞速发展 促进了一系列专用和 特殊的自动变形监测仪器的研制 其中包括倾斜测量 应变测量以及准直测 量 例如 遥测垂线坐标仪采用了自动读数设备 其分辨率可达到0 0 1 m m 而光纤传感器测量系统则将信号传输与信号测量合在一起 使其具有很强的 抗电磁干扰 抗雷击以及抗恶劣环境等能力 同时能更便利地组成遥测系统 从而实现在线分布式的变形监测 例如在l9 8 9 年美国m e n d e z 等人首先提出 了将光纤传感器埋入混凝土建筑和结构中 并且借此描述了实际应用中的一 些基本设想 在19 9 3 年加拿大的研究者率先在卡尔加里的贝丁顿特雷尔桥 上布置了光纤传感器进行桥梁的变形监测 并且该监测系统至今一直在运行 1 5 一 o d 断面激光扫描技术 激光扫描技术是非接触测量的重要手段 利用 激光扫描可以获得真实可靠的数据 能够最直接地反映客观事物真实的 实 时的 变化的形态特征 因此人们将激光扫描技术作为快速获取空间数据的 一种有效手段 激光扫描技术开始出现于2 0 世纪9 0 年代中期 的一项高新技 术 是继g p s 空间定位系统之后的又一项测绘技术的新突破 i 川 它可以通 4 过高速激光扫描的测量方法 大面积且高分辨率地快速获取被测对象表面的 三维坐标数据 同时还可以高精度 快速 大量的获取空间点的位移及其变 化信息 与传统的测量手段相比 激光扫描技术有其独特的优势 如其能全 天候的工作 获取数据快实时性强 精度高以及可以采集较大量的数据等优 点 激光扫描测量技术可以用于公路隧道 城市地铁等大型的地下工程 1 2 2 变形监测数据的分析技术 由于变形体变形的错综复杂 可以将其视作为一个复杂的系统 在这个 系统之中含有许多不确定因素 非线性关系以及在变形之间存在相互影响的 动力学现象 因此对采集到的变形监测数据进行处理具有相当大的难度 分 析方法除了采用统计方法中的参数估计和假设检验外 同时还可以采用回归 分析和相关分析的方法 运用其来分析2 维以及多维变量之间的关联性质 从而达到探求它们之间的数量关系的目的i l 酬 变形监测数据的分析包括各监 测点上某一种特定监测数据和监测网周期观测数据的分析 自2 0 世纪7 0 年 代到9 0 年代初期 几何学处于飞速发展阶段 促使几何变形分析研究采用 了较为完善的地面测量技术周期性静态模型 l7 此类模型通常采用表格 啦 线 散点图以及数学表达公式来表示各期变形量之间的关系 主要方法如下 1 作图法 人类都非常善于形象思维 因此将变形监测数据用图的形式表示往往会 收到良好的效果 况且通过将监测数据在图上表示出来不仅能够形象 直观 简便地显示出各监测变形量之间的相互关系 还可以很明显得出变形函数的 极值 拐点 突变或周期性等特征 同时 通过作图有助于发现测量中个别 的简单错误数据 虽然所作曲线不可能通过所有的数据点 但不在曲线上的 点都应靠近曲线才合理 假如某一个点偏离曲线太远 则可以认为这个监测 数据是错误的 同时要分析产生错误的原因 必要时还可以可重新监测或者 剔除该错误的监测数据 例如在处理隧道监控量测数据时 通常通过观测各 监测项目的变化速率时态曲线可以很明了的判断该断面的稳定性 2 统计分析法 统计分析法主要是把二大批看起来很杂乱的变形监测数据 结合某种具 体数学模型来进行归纳 从而得到一些简明的参数和系数 统计分析法通过 对研究对象的速度 规模 程度 范围等数量关系的分析研究 认识并揭示 事物之间的变化规律 相互关系以及发展趋势 借此达到对事物的正确解释 以及预测的一种研究方法 统计分析法主要运用数学方式 建立数学模型 通过对监测到的各种变形数据及资料进行数理统计和分析 最后形成定量的 结论 例如在2 0 世纪5 0 年代以前 意大利的t o n l a ld 把影响隧道变形的因 素分为掘进距离 覆盖深度以及时效等3 类 并利用变形和这3 类因素的监 测数据采取回归分析方法 从而建立了隧道变形和原因的回归方程 1 8 19 1 统 计分析方法是目前使用比较广泛的现代科学方法 是一种比较精确 科学以 及客观的测评方法 其具体应用的方法比较多 在实践中使用较多的是图表 测评法和指标评分法 3 回归分析法 所谓回归分析法 是指在掌握大量监测数据的基础上 利用数理统计方 法建立自变量与因变量之间的回归关系函数表达式 称回归方程 的方法 在回归分析中 如果研究的因果关系只涉及到一个因变量和自变量时 叫做 一元回归分析 如果研究的因果关系涉及到两个或两个以上的因变量和自变 量时 则称为多元回归分析 多元回归分析是一种比较经典的回归分析法 广泛应用于变形监测数据的处理当中 它是研究一个变量 因变量 与多个 因子 自变量 之间非确定关系 相关关系 的基本方法 并且它还是变形 监测数据分析中的一种静态模型 2 0 另外 在回归分析中 依据自变量与 因变量之间因果关系的函数表达式是线性的还是非线性的 可以将回归分析 分为线性和非线性两种 通常所见的线性回归分析法是最基本的回归分析方 法 非线性回归问题可以借助数学手段将其化为线性回归问题来进行处理 其通用的模式如下 z f t 0 q 1 1 其中r 为因变量 q 为回归常数项 f t 0 为根据不同的情况和假设可取 的不同形式的回归关系函数 p 代表某些特定参数 下面将给出几种比较典 型的回归函数 a 多项式回归函数 r 口l f 口2 r 2 广 1 2 b 对数回归函数 z a b i n t c 幂数回归函数 z a t 6 d 双曲线回归函数 z a b t e 逻辑斯蒂 l o g i s t i c 回归函数 r 击 f 龚伯茨 g o m p e r t z 回归函数 r l e x p f l e 一8 3 o 0 0 1 3 1 4 1 5 1 6 经验表明 事物的发展完全由随机动因的影响而变动 并且与过去的状 况毫无关系 完全不遵循任何可以认识的规律 这是非常少见的 因此在对 监测数据预处理之后可以通过多种函数对其回归 以便找出一种符合其规律 的函数 1 2 3 隧道变形预测分析方法 预测分析指根据客观对象已确定的信息来对事物在将来的某些特征 以及发展趋势的一种估计 测算过程 在此过程中通过运用各种定性和定 量的分析理论与方法 对事物未来发展的水平进行判断和推测 隧道变形 监测以及分析的中心问题在于对数据进行预测 并且对未来可能的变形进 行初步估计 是防灾减灾和工程设计的重要依据 2 1 1 隧道的变形受到许 多内外因素的复杂影响 要准确地进行变形预测或对灾害进行预报将会是 一个永恒的课题 目前 隧道变形预测的主要研究内容有 变形预测理论j 变形预测工具 变形预测模型等领域 2 2 2 4 变形预测的基础理论是各种 力学 即理论力学 材料力学 断裂力学等 以及与变形对象有联系的各 专业相关理论知识 由于变形系统的预测实质是根据事物的过去和现在来 估计未来 根据已知预测未知 因此其减少了对未来事物认识的不确定性 并且可以指导人们的决策行动 进而减少盲目决策 然而预测学的出现并 不是孤立的 它是在人类社会生产力以及科学技术逐步发达的基础上所应 运而生的 因此它与其它的各门学科诸如数学 经济学 统计学 系统工 程学 电子计算机技术等都有着十分密切的联系 预测分析理论是这些学 科理论的应用 延伸以及发展 它的方法很多是借助于其它早已成熟的学 科的成果 如预测理论中的混沌理论是由l o r e n ze n 在大气系统中发现得 到的 2 0 世纪6 0 年代 法国数学家t h o mr 在动态系统的分叉理论上研 究了多参数变化下系统行为的转化 提出了 c a t a s t r o p h e 理论 2 引 预测 分析法非常多 据不完全统计 大约有13 0 多种 常用的就有数十种 隧道变形预测模型大致可以分为基于变形时间序列的预报模型以及基 于变形原因的预报模型 2 6 1 两种 在隧道变形预测研究的早期 即2 0 世纪6 0 7 0 年代 常应用变形时间序列来拟合经验模型从而得到变形的预测模型 灰 色理论以及时间序列分析都提供了建立基于变形时间序列的预测模型方法 然而基于变形原因的预测模型 其主要是依靠由物理解释所建立的统计模 型 混合模型以及确定性模型等一系列的变形关系模型 同时隧道变形预测 是一个需要多学科的研究者开展合作研究的领域 从以前的研究历史可以得 出 单纯的依靠一种方法 一种理论 一个模型或者单纯的一种现象 一组 监测数据是很难对变形以及灾害做出可靠的预测 例如隧道某个断面变形较 大 必须依靠岩土力学 断裂力学 以及混凝土设计原理等学科结合起来并 7 且借鉴以往所修隧道类比分析才能取得较理想的效果 因此隧道预测需综合 多学科的理论与方法 基于多种监测手段所获取的现场数据及资料 才能提 高预测的精度以及可靠性 然而要将这些理论及方法综合起来需要一定的工 具支持 例如在工程地质方面 崔政权提出了系统工程地质的思想 并依靠 这类思想致力于构造一种集成多学科的信息和方法的预测系统 27 1 但目前尚 无真实意义上的集多学科知识 方法经验 信息于一体的比较完善 并能够 进行隧道变形自动分析和预测的系统工具 1 3 本文研究的主要内容 随着我国大型隧道工程的不断修建 对公路隧道施工阶段监控量测的要 求也变得越来越高 因此急需提高我国施工阶段的监控量测技术以及后期的 数据处理和应用技术 本文以将军山隧道以及葵坝路工程隧道为依托 针对 现场所采集到的监测数据进行数据处理 挖掘分析以及对隧道的变形进行了 相应的预测等研究工作 具体如下 1 对隧道施工阶段的监控量测技术进行了系统分析 阐述了隧道监控 量测的主要任务以及目的 着重介绍了监控量测各监测项目的主要方法以及 监测频率 同时根据相关规范和资料总结出了三种监测数据判断隧道是否稳 定以及二次衬砌何时施作的准则 2 应用数据挖掘中数据预处理论 对现场所采集到的伴有杂乱性 重 复性 不完整性的原始监测数据进行了数据清理 数据集成 数据变换和数 据归约等一系列的预处理 经过预处理后的数据不但剔除了错误的信息 同 时也方便了后序的挖掘分析和变形预测 3 运用数据挖掘分析软件s p s s 对预处理后的不同围岩条件下的隧 道施工监测数据进行回归分析 探索了岩溶 土质以及硬岩隧道施工的变形 规律 4 在模糊神经网络和模糊推理系统的基础上 基于t a k a g i s u g e n o t s 模型自适应神经模糊推理系统 a n f i s 建立了隧道变形的预测模型 通过 对预测模型的预测值与实测值进行对比来判断预测模型的稳定性 验证了采 用自适应神经模糊推理系统预测隧道变形的精确性 5 将监测数据挖掘分析所得结果与隧道变形预测所得规律进行了综合 分析 使得对隧道变形规律有了更深入的了解 同时还得出土质断面比硬岩 断面的隧道变形更依赖与时间 地表沉降量大于拱顶下沉量等结论 8 2 1 前言 第二章隧道施工监控量测技术 隧道监控量测是新奥法施工的精髓 旨在收集可反映施工过程的围岩动 态信息 以此判断围岩的稳定性状态 同时确定支护结构参数以及确保施工 的合理性 28 1 其包括隧道施工阶段的监控量测及营运阶段的控制量测 在隧 道施工阶段 监控量测主要使用各种测量仪表以及工具 对隧道衬砌结构的 受力状态以及隧道位移的变化情况进行测量 以便掌握隧道位移变化率和衬 砌结构的工作状态等监测信息 从而避免险情事故的发生 同时在隧道复合 式衬砌的施工过程中 通过参照监测数据可以合理安排二次衬砌的施作时 间 确保衬砌结构位移及受力没有超过设计标准 因此 现场监控量测中存 在的最主要问题是确定以什么信息为准 显然 这些信息须直接地反映围岩 和支护结构的力学性态 同时 在技术上又可以较容易实现 具体可理解为 量测元件和仪器便于在开挖面附近设置 量测方法务必简单易行 可靠并具 有一定的精确度 数据容易导出且量测结果较易于实现反馈 从而便于进一 步对监测数据进行处理及挖掘分析 2 2 监测量测的主要任务及目的 1 现场一般规定 采用新奥法设计和施工的隧道 应该将现场监控量测项目列入到设计文 件 并且在施工中实施 目前 随着隧道理论的发展 我国公路隧道的设计 和施工越来越多地采用了新奥法对隧道的复合式衬砌进行设计 为了掌握施 工中围岩的稳定性程度以及支护结构受力 变形的力学动态和信息 以判断 设计与施工的安全性与经济性 从而确定施工工序 保证施工安全 必须将 现场监控量测项目列人设计文件和施工组织计划 并在施工中认真执行 为 了使隧道现场监控量测能充分发挥技术经济效益 要求隧道设计以及施工单 位编制切实可行的量测计划 并在施工当中认真的组织并按照实施方案及规 范执行l 引 2 现场计划的制定 隧道现场监控量测计划 即测试方案和实施计划 应根据隧道的工程地 质 水文地质 地形条件 支护类型和参数 施工方法以及其他有关条件进 行制定 具体有以下内容 a 现场量测的主要手段 量测仪表和工具及其选用 测量项目以及方 9 法的确定 b 施测部位和测点布置以及测量人员的组织 c 测试方案和实施计划的制订 d 测量数据的处理与应用及测量现场管理等 3 监测的目的 现场量测达到以下目的 a 提供监控设计的依据和信息 主要包括掌握围岩力学形态的变化和 规律及掌握支护的工作状态并且需及时反馈达到指导施工作业的效果 b 预报以及监测突发险情 主要包括工程预报 确定施工对策和措施 同时监测险情 以确保施工的安全性 c 校核地下工程理论的计算结果 完善工程的类比方法 主要包括为 理论的解析 数值分析提供计算数据与对比指标 为工程类比方法提供参数 指标 为地下工程设计以及完善施工经验提供资料 d 为隧道营运期间的监控提供参照资料 主要包括掌握隧道营运期间 的安全状况 以便隧道营运阶段能够及时发现支护衬砌结构的险情 从