地鐵深基坑變形數(shù)據(jù)的挖掘分析與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

1、地鐵深基坑變形數(shù)據(jù)的挖掘分析與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別摘要：基坑工程的隱患開展成工程事故之前兆，必定表如今監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)某些特征的異常變化，此時(shí)假設(shè)據(jù)此及時(shí)采取相應(yīng)的措施，便可以以很小的代價(jià)防止或降低工程風(fēng)險(xiǎn)。以地鐵基坑工程的大量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為根底，通過(guò)數(shù)據(jù)挖掘方法尋找工程風(fēng)險(xiǎn)和變形數(shù)據(jù)特征變化值之間的內(nèi)在聯(lián)絡(luò)和相關(guān)規(guī)律，以形成量化的評(píng)判指標(biāo)來(lái)識(shí)別和評(píng)價(jià)工程的危險(xiǎn)程度，從數(shù)據(jù)分析的角度提供了一種發(fā)現(xiàn)和控制工程風(fēng)險(xiǎn)的方法。關(guān)鍵詞：地鐵深基坑；風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別；數(shù)據(jù)挖掘0前言大量工程理論說(shuō)明，基坑工程發(fā)生的工程事故和工程隱患與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的某種波動(dòng)具有很強(qiáng)的相關(guān)性。基坑在施工過(guò)程中表現(xiàn)的各種性態(tài)本質(zhì)上由其內(nèi)在的力學(xué)規(guī)律所驅(qū)動(dòng)，可以斷定

2、通過(guò)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的挖掘分析完全能找到表象數(shù)據(jù)所隱含的規(guī)律。因此以系統(tǒng)搜集的數(shù)據(jù)為根底，研究基坑在施工過(guò)程中的變形規(guī)律，采用先進(jìn)合理的數(shù)據(jù)分析手段，發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)特征和工程危險(xiǎn)之間的聯(lián)絡(luò)，對(duì)于控制今后工程的施工風(fēng)險(xiǎn)，是一項(xiàng)非常必要的工作。數(shù)據(jù)挖掘dataining是一個(gè)很好的理念：從大量的、不完全的、有噪聲的、模糊的、隨機(jī)的數(shù)據(jù)中提取隱含在其中的、人們事先不知道的或無(wú)視的、但又是潛在有用的信息和知識(shí)的過(guò)程。隨著信息技術(shù)的高速開展，人們積累的數(shù)據(jù)量急劇增長(zhǎng)，動(dòng)輒以bytes計(jì)，如何從海量的數(shù)據(jù)中提取有用的知識(shí)成為當(dāng)務(wù)之急。數(shù)據(jù)挖掘就是為順應(yīng)這種需要應(yīng)運(yùn)而生開展起來(lái)的數(shù)據(jù)處理技術(shù)，是知識(shí)發(fā)現(xiàn)knledge

3、disveryindatabase的關(guān)鍵步驟1。計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)最早源于人工智能學(xué)習(xí)，于20世紀(jì)80年代末逐漸開場(chǎng)開展，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用都獲得良好的成果。它是目前解決海量數(shù)據(jù)分析、歸納、總結(jié)的有效途徑之一。它的根本過(guò)程如圖1所示。在數(shù)據(jù)挖掘的準(zhǔn)備階段，需要完成數(shù)據(jù)的選擇和采樣、挖掘目的確實(shí)定；在數(shù)據(jù)挖掘的施行階段，需要根據(jù)挖掘的目的進(jìn)展數(shù)據(jù)的預(yù)處理和變換成易于挖掘的指標(biāo)，以形成形式或模型；在數(shù)據(jù)挖掘的驗(yàn)證階段，需要用數(shù)據(jù)驗(yàn)證挖掘得到的知識(shí)的可靠性和適用性。同時(shí)，數(shù)據(jù)挖掘是風(fēng)險(xiǎn)分析的數(shù)據(jù)根底，數(shù)據(jù)挖掘可以得到直接用于風(fēng)險(xiǎn)定量分析的大量數(shù)據(jù)，使風(fēng)險(xiǎn)判斷更為科學(xué)準(zhǔn)確。1數(shù)據(jù)挖掘的概念和方法1.1數(shù)

4、據(jù)挖掘的方法目前最常用的的數(shù)據(jù)挖掘方法有6種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，其缺點(diǎn)是“黑箱性，人們難以理解網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)和決策過(guò)程。遺傳算法，該算法較復(fù)雜，收斂于部分極小的較早收斂問(wèn)題尚未解決。決策樹方法，它的主要問(wèn)題是：復(fù)雜概念的表達(dá)困難；同性間的互相關(guān)系強(qiáng)調(diào)不夠；抗噪性差。粗集方法，由于粗集的數(shù)學(xué)根底是集合論，難以直接處理連續(xù)的屬性。而現(xiàn)實(shí)信息表中連續(xù)屬性是普遍存在的。統(tǒng)計(jì)分析方法,即利用統(tǒng)計(jì)學(xué)原理對(duì)數(shù)據(jù)庫(kù)中的信息進(jìn)展分析。模糊集方法,即利用模糊集合理論對(duì)實(shí)際問(wèn)題進(jìn)展模糊評(píng)判、模糊決策、模糊形式識(shí)別和模糊聚類分析。一般模糊集合理論是用隸屬度來(lái)刻畫模糊事物的亦此亦彼性的。由于本文是針對(duì)大量確定性數(shù)據(jù)進(jìn)展挖掘，因此

5、合適采用統(tǒng)計(jì)分析法。1.2數(shù)據(jù)挖掘目的確實(shí)定根據(jù)所采集的數(shù)據(jù)樣本大小，本文以基坑穩(wěn)定狀態(tài)與測(cè)斜監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)之間的相對(duì)關(guān)系作為數(shù)據(jù)挖掘的目的。以基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)判斷為目的，可分為以下3種不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)：(1)基坑放置期間的根本穩(wěn)定平衡狀態(tài)；(2)工程危險(xiǎn)時(shí)的不可控失穩(wěn)狀態(tài)；(3)介于前兩者之間的的危險(xiǎn)但可控狀態(tài)；其中根本穩(wěn)定平衡狀態(tài)最為常見，而工程危險(xiǎn)相對(duì)其它兩種狀態(tài)發(fā)生的概率較校1.3數(shù)據(jù)的選擇和采樣兼顧數(shù)據(jù)的代表性、普遍性及有效性，對(duì)系統(tǒng)采集到的17個(gè)工程共356個(gè)測(cè)斜管的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)匯總，剔除其中有效數(shù)據(jù)量小于26天和明顯無(wú)數(shù)據(jù)規(guī)律的測(cè)斜管數(shù)據(jù)，以余下的193孔共11811天次測(cè)斜管數(shù)據(jù)為供數(shù)據(jù)挖

6、掘的樣本數(shù)據(jù)。見表1所示。2基坑工程數(shù)據(jù)挖掘與風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別如上所述，基坑工程的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)兆與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的變化親密相關(guān)，通過(guò)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的挖掘分析，可以找到其內(nèi)在聯(lián)絡(luò)的量化指標(biāo)，從而及時(shí)識(shí)別基坑的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。從變形角度看，基坑的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)表現(xiàn)為以下幾種詳細(xì)形式：基坑坍塌、滑坡失穩(wěn)，擋土墻變形過(guò)大及踢腳等2。從系統(tǒng)角度來(lái)看，不同工程系統(tǒng)表現(xiàn)的失效形式或規(guī)律是不一樣的圖2所示。對(duì)基坑工程系統(tǒng)而言，失效前變形數(shù)據(jù)的加速變化被證實(shí)為風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)兆?；拥睦硐敕€(wěn)定狀態(tài)的特征可以采用其內(nèi)在的力學(xué)平衡狀態(tài)來(lái)表征。即以根本數(shù)據(jù)為根據(jù)，構(gòu)成原始尺度、比擬條件、設(shè)定條件、最優(yōu)方案，繼而構(gòu)成一個(gè)幾乎不發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)的系統(tǒng)，并組成一個(gè)理想的無(wú)風(fēng)

7、險(xiǎn)的系統(tǒng)模型。實(shí)際上它可以通過(guò)力學(xué)方法求得，如通過(guò)一般桿系有限元方法求得?；訉?shí)際發(fā)生的變形浮動(dòng)狀態(tài)相對(duì)于理論計(jì)算變形理想狀態(tài)的偏移可以看作對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的偏移如圖3所示。從大量工程理論來(lái)看，實(shí)際基坑工程對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)的偏移并不是以其絕對(duì)偏移數(shù)值來(lái)判斷，而是以偏移的速率即變形加速度來(lái)及時(shí)識(shí)別潛在風(fēng)險(xiǎn)的存在，這對(duì)于工程具有更大的實(shí)際意義。將評(píng)估對(duì)象的實(shí)測(cè)參數(shù)，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)挖掘轉(zhuǎn)化，構(gòu)成評(píng)估對(duì)象的浮動(dòng)狀態(tài)模型可調(diào)控的模型3。以基坑理想狀態(tài)的模型為主，以實(shí)際觀測(cè)到的浮動(dòng)模型為輔，對(duì)2個(gè)模型進(jìn)展誤差比照、誤差別離，可采用下式進(jìn)展：F(N1，N2，Nn-1)-f(n1，n2，nn+1)E(el，e2，en+l)，式

8、中，F(xiàn)項(xiàng)表示理想模型；f項(xiàng)表示浮動(dòng)模型；E項(xiàng)表示二者的誤差。圖3中的正誤差說(shuō)明基坑的浮動(dòng)模型正向偏離理想狀態(tài)模型的設(shè)定值，而負(fù)誤差那么說(shuō)明被基坑系統(tǒng)的浮動(dòng)模型超越了理想系統(tǒng)，基坑工程存在風(fēng)險(xiǎn)的可能性大，誤差值越大風(fēng)險(xiǎn)越大。2.1風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)確實(shí)定根據(jù)文獻(xiàn)、工程經(jīng)歷和工程危險(xiǎn)反映出的數(shù)據(jù)變化特征，本次研究以測(cè)斜的最大值、最大變形速率作為挖掘的主要指標(biāo)。2.2測(cè)斜最大絕對(duì)值的數(shù)據(jù)挖掘由于各個(gè)基坑的開挖深度不同，各個(gè)基坑之間不能直接用測(cè)斜的最大絕對(duì)數(shù)值進(jìn)展比擬。所以，根據(jù)?上海地鐵基坑工程施工規(guī)程?的對(duì)上海地鐵基坑工程平安控制指標(biāo)規(guī)定，提取樣本數(shù)據(jù)的歷史最大絕對(duì)變形量，將其歸一化為相對(duì)于開挖深度的無(wú)量綱

9、變形等級(jí)指標(biāo)，以考量基坑變形等級(jí)與工程危險(xiǎn)之間的關(guān)系。定義如下=1+(D-D1)/D1，(DD1)；=2+(D-D1)/(D2-D1)，(D1DD2)；=3+(D-D1)/(D3-D2)，(D2DD3)；=3+D/D3，(D3D)。式中D為測(cè)斜最大變形；D1為一級(jí)基坑測(cè)斜變形控制指標(biāo)；D2為二級(jí)基坑測(cè)斜變形控制指標(biāo)；D3為三級(jí)基坑測(cè)斜變形控制指標(biāo)。轉(zhuǎn)貼于論文聯(lián)盟.ll.將變形等級(jí)指標(biāo)數(shù)據(jù)見表2與發(fā)生工程危險(xiǎn)的事例對(duì)照，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生危險(xiǎn)的017工程的變形等級(jí)指標(biāo)反而小于未發(fā)生危險(xiǎn)的002工程；另外在施工過(guò)程和基坑放置兩種情況下，變形等級(jí)指標(biāo)同樣到達(dá)某一數(shù)值時(shí)，反映的工程危險(xiǎn)并不一樣，因此可以認(rèn)為，僅

10、用測(cè)斜最大值一項(xiàng)指標(biāo)并不能完全確定基坑的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)。2.3測(cè)斜最大變形速率的數(shù)據(jù)挖掘考察測(cè)斜的歷史最大變形速率，經(jīng)匯總得到表3。從表3中發(fā)現(xiàn)，發(fā)生工程危險(xiǎn)的017工程的04、05孔，正是歷史最大變形速率最大的兩個(gè)孔，由此可以認(rèn)為最大變形速率與基坑狀態(tài)之間，存在較為明顯的聯(lián)絡(luò)。此外，將樣本數(shù)據(jù)的測(cè)斜最大變形速率，以0.1/d為間隔，根據(jù)其發(fā)生的頻率繪制分布見圖4。從圖4中可以發(fā)現(xiàn)，測(cè)斜最大變形速率集中在0.3/d附近，而超過(guò)4/d的數(shù)據(jù)有218個(gè)，占總數(shù)據(jù)量的1.85%；超過(guò)5/d的數(shù)據(jù)有96個(gè)，占總數(shù)據(jù)量的0.81%；而超過(guò)10/d的數(shù)據(jù)僅有3例。這個(gè)統(tǒng)計(jì)結(jié)果與工程危險(xiǎn)相對(duì)工程平安狀態(tài)出現(xiàn)概率較

11、少的情況相符。參照施工工況的相關(guān)數(shù)據(jù)和工程危險(xiǎn)事例，發(fā)現(xiàn)基坑在放置階段，變形速率最大不超過(guò)1/d；危險(xiǎn)情況下，變形速率大于10/d；對(duì)于根本穩(wěn)定平衡、正常施工的危險(xiǎn)可控狀態(tài)和具有工程危險(xiǎn)征兆的不可控失穩(wěn)狀態(tài)，這3種基坑的狀態(tài)對(duì)應(yīng)的最大變形速率存在量級(jí)的區(qū)別。由此，可以建立最大變形速率和基坑狀態(tài)的直接聯(lián)絡(luò)。3數(shù)據(jù)挖掘成果及風(fēng)險(xiǎn)閥值確實(shí)定根據(jù)前面數(shù)據(jù)挖掘的成果，在一定變形等級(jí)下，采用測(cè)斜最大變形速率比采用測(cè)斜最大變形值來(lái)判斷基坑的危險(xiǎn)更加準(zhǔn)確。但是，對(duì)測(cè)斜最大變形速率，選取什么樣的控制指標(biāo)來(lái)作為基坑風(fēng)險(xiǎn)判斷的閥值，以及控制指標(biāo)的實(shí)用性顯得非常重要，還必須作進(jìn)一步分析。假如以10/d作為控制指標(biāo)，樣

12、本數(shù)據(jù)中僅發(fā)生3例，起不到前期預(yù)警和控制工程風(fēng)險(xiǎn)的作用；而且，假如測(cè)斜最大變形速率未到達(dá)控制指標(biāo)，但是出現(xiàn)持續(xù)增長(zhǎng)、有加速變形的趨勢(shì)時(shí)，采用較大的控制指標(biāo)不利于工程風(fēng)險(xiǎn)的控制。于是，對(duì)各工程出現(xiàn)最大變形速率持續(xù)超過(guò)3，4，5/d的情況做了統(tǒng)計(jì)，如表4所示。從表4中可以看出007、011、015、017工程均出現(xiàn)了較多的圍護(hù)墻變形持續(xù)增長(zhǎng)的情況。其中007工程的Q10孔，出現(xiàn)連續(xù)13d超過(guò)3/d持續(xù)開展的變形。將變形最大值位置、最大變形速率和最大變形速率位置，繪制成圖5。從圖5中不難看到，最大變形速率的位置在40d之前，根本位于最大變形位置之下，雖然變形速率持續(xù)增長(zhǎng)，但是未到達(dá)10/d，而且最大

13、變形速率的位置持續(xù)變大，說(shuō)明該孔所在的圍護(hù)墻內(nèi)的土體被持續(xù)開挖，然而在有效支撐的情況下，該處仍處于正常施工的狀態(tài)，這說(shuō)明測(cè)斜最大變形速率超過(guò)控制值，并不一定意味著工程事故，這和工程詳細(xì)的施工控制狀態(tài)和變形控制等級(jí)范圍的親密相關(guān)。因此，對(duì)于地鐵一、二級(jí)基坑，用45/d作為測(cè)斜最大變形速率控制指標(biāo)較為適宜。4結(jié)語(yǔ)通過(guò)對(duì)某軌道交通線的大量基坑工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)展了數(shù)據(jù)挖掘，發(fā)現(xiàn)測(cè)斜最大變形速率比測(cè)斜的最大值能更好地反映基坑的狀態(tài)，并且在測(cè)斜最大變形速率的控制指標(biāo)上作了定量化的討論，可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)基坑工程的危險(xiǎn)自動(dòng)判斷。工程理論及研究說(shuō)明，對(duì)于軟土深基坑工程，變形控制等級(jí)為一、二級(jí)時(shí)，采用45/d作為測(cè)斜

14、最大變形速率控制指標(biāo)較為適宜。本次研究盡管是從大量數(shù)據(jù)中進(jìn)展數(shù)據(jù)挖掘，采用的還是依靠人工干預(yù)的驗(yàn)證驅(qū)動(dòng)式數(shù)據(jù)挖掘方法，通過(guò)查詢和統(tǒng)計(jì)的手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。對(duì)于今后海量規(guī)模的超大數(shù)據(jù)庫(kù)的數(shù)據(jù)挖掘，需要用發(fā)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)式數(shù)據(jù)挖掘的計(jì)算機(jī)智能數(shù)據(jù)挖掘方法。而巖土工程在這一領(lǐng)域，目前還是一片空白，缺乏相關(guān)的研究。參考文獻(xiàn):1彭木根.數(shù)據(jù)倉(cāng)庫(kù)技術(shù)與實(shí)現(xiàn).北京:電子工業(yè)出版社，2002.(PENGu-gen.Dataarehusetehnlgyanditsipleentatin.BEijing:hinaEletrniIndustryPublishingHuse,2002.)2劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊(cè).北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,1997.(LIUJian-hang,HUXue-yuan.Handbkfexavatinengineering.BEIjing:hinaArhi