深基坑监测数据的处理与分析

深基坑监测数据的处理与分析

曾荡1，孔晓宇1

（1.江西省建筑设计研究总院集团有限公司，江西 南昌  330000）

摘要：随着城市快速的发展，越来越多的工程建设在不断赶进，基坑开挖作为各个工程建设环节之一，起着重要的作用。为了保障工程质量及施工安全有效的进行，需要进行基坑监测。基坑监测以多源监测数据采集及处理为基坑的安全预警提供了数据基础。由于监测仪器、人员、监测环境的影响，使得采集的数据存在一定的噪声，为了使采集的数据更能体现基坑变形情况，本文以江西南昌华章天地的基坑监测为例，利用小波变换与奇异谱分析进行基坑监测数据的处理与分析。

关键词：基坑监测；小波变换；噪声；奇异谱分析；华章天地

Processing and Analysis of Monitoring Data for Deep foundationPit

Zeng Dang1,KONG Xiaoyu1

(1. Jiangxi Provincial Architectural Design and Research Institute Group Co., Ltd., Nanchang, Jiangxi 330000)

Abstract：With the rapid development of cities, more and more engineering construction is constantly advancing. As one of the various construction links, foundation pit excavation plays an important role. In order to ensure the quality of the project and the safe and effective progress of construction, it is necessary to conduct monitoring of foundation pit. Monitoring of foundation pit provides a data foundation for the safety warning of foundation pits through the collection and processing of multi-source monitoring data. Due to the influence of monitoring instruments, personnel, and the monitoring environment, there is a certain level of noise in the collected data. In order to better reflect the deformation situation of the foundation pit, This article takes the monitoring of foundation pits in Huazhang Tiandi, Nanchang, Jiangxi as an example, and uses wavelet and singular spectrum analysis to process and analyze the monitoring data of foundation pits.

Keyword：monitoring of foundation pit ;wavelet; noise; singular spectrum analysis; Huazhang Tiandi

0引言

基坑工程作为工程建设必不可少的部分，其不仅影响着建筑的基础稳定性，也影响着工程建设的安全性。为了更好的进行地下基础的建设，需要对基坑及其周边环境进行变形量的监测，其中主要包括周边建筑物的沉降观测、建筑物的挠度监测、周边道路的沉降监测、周边管线的沉降监测、周边地表的沉降监测、基坑坡顶或桩顶的水平位移监测或沉降监测、土体或桩体的深层水平位移的监测、锚索轴力监测、坑外水位监测等[1-3]。

国内有许多基坑监测案例，其中刘修桥以某地铁站深基坑开挖为例，结合工程地质与水文条件提出了基坑监测方案，并对深基坑的监测数据进行分析，研究表明在不同的开挖时间，基坑周边沉降量是不一样的[4]；席称心研究了不同地质条件下基坑监测范围探析，结果表明土质条件下基坑开挖深度2倍的距离下沉降量比较大[5]；赵伟男以包头万科中央公园南区项目为例，提出了结合工程地质及水文条件提出合理的监测方案是基坑监测的核心，并表明该项目水平位移监测278次，沉降监测了272次，累计变化量均未超限[6]。

在除工程基坑监测提出合理的监测方案外，还需合理有效的监测数据处理与分析，其中王世纪提出了小波分析应用于基坑监测数据处理，结果表明Daubechies小波分析可以有效的剔除噪声，保留有效的低频系数，可以更有效的分析监测数据

[7]；魏瑶提出了基于时间序列的基坑监测分析及预测，结果表明采取较多的实验样本GM（1，1）模型预测效果会更好[8]；杨月恒提出了基于时间序列预测模型的基坑监测数据分析与处理，结果表明以某建筑基坑周围地表沉降作为实验数据，采用三次指数平滑更能准确地拟合基坑沉降数据的时间序列[9]。本文结合了小波变换与奇异谱分析的特点将基坑监测数据进行重构，从而获得去噪后的监测数据。

1方法与原理

1.1小波变换

小波分析是继傅里叶变换后的一种时序分析方法，其可以在时域与频域之间的进行交换，克取了全局傅里叶变换的缺点，小波变换公式为：

小波的时间序列为：

(1)

式中的a为缩放因子、b为平移因子。

离散小波的序列为：

(2)

连续小波变换为：

(3)

其对应的小波逆变换为：

(4)

1.2奇异谱分析

奇异谱重构是在一维时间序列通过选择窗口矩阵M，来得到轨迹矩阵D。

(5)

(6)

根据公式（6）计算各个主成分(特征值)的贡献率。

(7)

然后根据特征值和特征向量计算时间主成分：

(8)

式（7）与（8）中的特征值，E特征向量，求出重构后的时间序列RC:

(9)

2工程实例

本文以江西南昌华章天地的基坑监测为例。其主楼层数为36层，裙楼高4层，整体有二层地下室，每层地下室层高约为4.8m。建筑物拟采用框筒结构，桩基础形式。本基坑工程采用上部土钉墙+排桩+锚索+三轴搅拌桩（止水）等支护方式。综合基坑开挖深度和周边环境，本基坑安全等级为一级，监测等级为二等。

2.1现场地质条件

拟建场地较平整，场地标高约23.50m。按岩土层的成因类型、岩性结构、工程地质特征等，自上而下可依次划分为：①素填土、②耕植土、③细沙、④粗砂、⑤砾砂、⑥强风化泥质粉砂岩、⑦中风化泥质粉砂岩、⑧中风化泥岩、⑨微风化泥质粉砂岩等9个单元层。

现将场地各岩、土层的组成及分布情况自上而下叙述如下：

①素填土：黄色，松散状态。场地内均有分布，层厚2.3～5.7米。

②耕植土：灰色，松散状态，高压缩性。层厚0.3～2.4米。

③细砂：灰黄色、黄色，稍密状态；场地内均有分布，层厚3.8～7.0米。

④粗砂：黄色，稍密～中密状态。层厚2.5～6.5米。

⑤砾砂：黄色，中密状态，均为饱和，场地内均有分布，厚度4.5～9.9米。

⑥强风化泥质粉砂岩：紫红色，泥质胶结。风化作用强烈，裂隙较发育，裂隙面上铁锰质充填。层厚0.9～2.5米，岩体基本质量等级为Ⅴ类。

⑦中风化泥质粉砂岩：紫红色, 泥质胶结。岩质较好，裂隙一般发育，裂隙面上铁锰质渲染。层厚1.3～6.4米，岩体基本质量等级为Ⅳ类。

⑧中风化泥岩：灰色，泥质胶结。层厚0.4～2.0。岩石坚硬程度为极软岩，岩体基本质量等级为Ⅴ类。

⑨微风化泥质粉砂岩：紫红色，泥质胶结。主楼区域钻孔揭露厚度均大于6.0米，地下室及裙楼的钻孔揭露厚度大于2米，层顶标高-6.58～-1.08米，层顶埋深25.0～30.5米。岩石坚硬程度为软岩，岩体基本质量等级为Ⅳ类。

2.2监测报警值

监测控制标准表

3监测数据分析

为了去除因仪器、观测条件等所带来的观测噪声，利用了Daubechies小波DB5进行数据的分解与重构，得到去除噪后的各监测项时间序列，再利用SSA重构DB5重构后的时间序列，得到了小波+SSA双重去噪的时间序列，其中基坑围护桩水平位移、竖向位移、围护桩深层水平位移监测、坑外地下水位监测数据处理结果如下所示：

3.1基坑围护桩顶水平位移监测

本基坑围护桩顶水平位移监测点共布设24个（WY1-WY24）。从位移量进行分析，对基坑围护桩顶水平位移监测点WY1-WY24的位移变化情况进行曲线拟合，见下图1与图2：

图1 WY1-WY12水平位移量-时间曲线图

图2  WY13-WY24水平位移量-时间曲线图

从图1和图2可以看出，水平位移变化情况呈先递增后递减并趋于零态势。在土方开挖期间，变形量随着土方开挖深度的增加呈加快趋势。基坑底板浇筑完成后位移变形速率开始放缓，至底板浇筑完，基坑地下室施工完毕，位移变形速率趋于零态势，说明基坑达到稳定阶段。在基坑开挖过程中，由于土方开挖顺序和位置的不同，各位移监测点的变形情况呈现出有所不同，但变形趋势基本相同。从监测点累计变形值变化情况可以看出，维护桩冠梁中部变形相对较大，与设计相吻合。

3.2基坑围护桩顶竖向位移监测

本基坑围护桩竖向位移监测点和水平位移监测点共点，共计布设24个竖向位移监测点（WY1-WY24）。从沉降量进行分析，现对基坑围护桩顶沉降监测点WY1-WY24的累计竖向位移进行曲线拟合，如下图3和图4所示：

图3  WY1-WY12竖向位移量-时间曲线图

图4  WY13-WY24竖向位移量-时间曲线图

根据基坑围护桩顶竖向位移量—时间曲线图可看出：在基坑开挖初期，位移较小，随着基坑开挖的深度逐渐变深，位移量也随之增大，开挖到底之后位移量变小并逐渐趋于稳定。由上图可看出，各监测点竖向位移累计量均在允许范围内，围护桩竖向位移最大值为WY22监测点，累计变形值为14.2mm,小于允许值30mm。基坑属安全。从变形分布来开，基坑西南侧和西北侧竖向位移相对较大。分析原因，由于该段离核心筒较近，基坑开挖更深，且在开挖过程中由于地下水较丰富，坑内在持续降水所致。

根据基坑围护桩顶水平位移累计量-时间曲线图可看出：在基坑开挖初期，位移较小，随着基坑开挖的深度逐渐变深，位移量也随之增大，开挖到底之后位移量变小并逐渐趋于稳定。监测点WY1-WY24的位移量都在设计允许范围之内，坡顶位移量最大值为24.8mm(WY5)，小于预警值30mm，基坑属安全。下图为现场水平位移监测照片。

3.3围护桩深层水平位移监测

本基坑共布设围护桩深层水平位移监测点12个（ZCX1-ZCX12）对基坑围护桩深层水平位变化情况进行曲线拟合，见下图5：

图5  围护桩深层水平位移变化量—时间曲线图

从图5可以看出，围护桩深层水平移，在基坑开挖过程中变化迅速，到基坑底板浇筑完成后位移开始放缓，并慢慢趋于稳定。在整个基坑监测过程中，围护桩深层水平位移，均未达到报警值，位移最大值为21.6mm,小于报警值40mm,说明基坑支护体系是安全可靠的，基坑属安全。

3.4坑外地下水位监测

本基坑共布设坑外水位监测点8个（SW1-SW8），现对基坑坑外地下水位变化情况进行曲线拟合，见下图6：

图6 坑外地下水位-时间曲线图

从图6 可以看出，坑外地下水位总体变化呈一定规律，在基坑开挖阶段正处季节性枯水期，赣江水位在下降，由于基坑离赣江约200米，坑外地下水位受赣江水位下降影响，也呈现下降趋势，后赣江上升，基坑坑外水位也呈上升趋势。坑外水位变化整体未出现很大的起伏，始终在13到15米之间。

4结语

由于工程建设的地下基坑安全是施工安全体系重要组成部分,为了及时的发现基坑存在的问题，需要进行基坑及其周边变形监测工作，但由于监测过程中受外界环境、人为观测和仪器的影响使得监测数据存在噪声，为了更真实反应基坑变形情况，需要对监测数据进行去噪处理，本文利用小波变换与SSA重构进行数据的二次处理。利用处理后的监测数据更平滑，更能体现基坑变形情况。

参考文献

[1]袁东进. 深基坑工程安全监测的研究与应用:以南通大学城综合配套服务功能区为例[J].价值工程，2016，35(34):123-124

[2] 王中荣. 浅析深基坑施工对周边环境的影响和保护措施[J].城市建设，2010(1):43-44

[3] 楼楠. 深基坑工程的综合监测与安全预报[D]. 郑州:信息工程大学，2007

[4] 刘修桥.地铁深基坑开挖变形监测分析[J].技术与市场,2023,30(05):90-93+97.

[5] 席称心,林悦铭,何钦等.不同地质条件下基坑监测范围探析[J].广东土木与建筑,2023,30(04):27-31.DOI:10.19731/j.gdtmyjz.2023.04.008.

[6] 赵伟男.基坑监测测量在工程建设中的应用——以包头万科中央公园南区项目为例[J].西部资源,2023(02):47-48.DOI:10.16631/j.cnki.cn15-1331/p.2023.02.049.

[7] 王世纪.基于Matlab的小波分析在基坑监测数据处理中的应用[J].安徽地质,2022(S1):33-37.

[8魏瑶.基于时间序列和灰色模型的大厦基坑监测[J].地理空间信息,2022,20(09):90-94.

[9] 杨月恒,左帅.基于时间序列预测模型的基坑监测数据处理[J].江苏建筑职业技术学院学报,2022,22(02):14-18.DOI:10.19712/j.cnki.jsjyxb.2022.02.010.