道路工程施工期風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

韓尚宇，田其煌，洪寶寧

(1.南昌航空大學(xué) 土木建筑學(xué)院，江西 南昌 330063;2.福州市勘測(cè)院，福建 福州 350003;3.河海大學(xué)巖土工程科學(xué)研究所，江蘇 南京 210098)

工程建設(shè)過程中，受設(shè)計(jì)理論不完善、土性參數(shù)不準(zhǔn)確以及其他一些難以掌控因素的影響，工程設(shè)計(jì)狀態(tài)與實(shí)際情況常存在一定偏差，如設(shè)計(jì)安全系數(shù)滿足要求但在實(shí)際工程中仍出現(xiàn)穩(wěn)定性問題，實(shí)際沉降量與設(shè)計(jì)值差異過大等等［1－2］.對(duì)此，如何避免異常狀況對(duì)控制指標(biāo)的影響，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工并及時(shí)預(yù)報(bào)險(xiǎn)情，降低工程事故的發(fā)生概率，已為越來越多的學(xué)者所關(guān)注.實(shí)踐證明，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)一直是建設(shè)單位了解工程事件狀態(tài)的有效手段.但是，盡管目前工程中采用的監(jiān)測(cè)體系可在一定程度上反映工程的實(shí)際情況，但由于該體系存在監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇主要憑借專家經(jīng)驗(yàn)、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)靠人工傳送、數(shù)據(jù)趨勢(shì)預(yù)測(cè)模型準(zhǔn)確度低等問題，致使現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)的經(jīng)濟(jì)效益低難以有效發(fā)揮作用.

工程實(shí)踐表明，風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)并不是單純的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量，而是包括影響因素分析、監(jiān)測(cè)體系設(shè)置、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)申報(bào)和成果分析的復(fù)雜系統(tǒng).本文結(jié)合佛山一環(huán)工程實(shí)際情況，借助風(fēng)險(xiǎn)分析理論和Internet網(wǎng)絡(luò)開發(fā)技術(shù)，對(duì)工程建設(shè)期風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)相關(guān)問題進(jìn)行研究，建立了一套較為完善的風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)監(jiān)測(cè)信息系統(tǒng)，系統(tǒng)示意圖見圖1.

圖1 風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)Fig.1 Risk monitoring system

1 工程概況

佛山一環(huán)工程地處廣東省珠江三角洲地區(qū)，全長(zhǎng)約99.2 km，沿線軟弱地層發(fā)育，軟土層主要是沖淤積形成的淤泥和淤泥質(zhì)土層，以厚層和夾層形式存在.從物理力學(xué)指標(biāo)上看，軟土層具有廣東珠江三角洲地區(qū)軟土的典型特征，即含水量高、滲透系數(shù)低、壓縮性大、強(qiáng)度低.含水量高、滲透系數(shù)低預(yù)示著軟土層排水緩慢、固結(jié)時(shí)間和沉降穩(wěn)定周期長(zhǎng);壓縮性高說明軟土層易發(fā)生較大的變形，反映在路堤填筑過程中瞬時(shí)沉降量占的比重大;強(qiáng)度低說明軟土層承載能力差，不利于路堤穩(wěn)定.

地基處理的基本方案是橋頭過渡路段、含結(jié)構(gòu)物路段、低路堤路段及特殊路段采用復(fù)合地基處理;一般路段采用等載或超載預(yù)壓+排水固結(jié)法處理.由于不同地基處理方式在加固機(jī)理、有效加固深度、施工組織等方面存在較大差異，在這樣的設(shè)計(jì)條件下進(jìn)行高等級(jí)公路建設(shè)，極易出現(xiàn)路堤失穩(wěn)、沉降不均勻、工后沉降過大等工程質(zhì)量問題.因此，為確保工程建設(shè)目標(biāo)的順利實(shí)現(xiàn)，及時(shí)對(duì)可能發(fā)生的穩(wěn)定性、差異沉降等問題做出預(yù)警，必須充分發(fā)揮監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的作用.

2 監(jiān)測(cè)體系設(shè)置

目前用于道路施工期質(zhì)量監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目很多［3］，不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)費(fèi)用及監(jiān)測(cè)成果準(zhǔn)確度存在較大差異.為充分發(fā)揮風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的作用，所設(shè)置的監(jiān)測(cè)體系應(yīng)滿足如下兩方面的要求:一是監(jiān)測(cè)費(fèi)用與未能檢測(cè)出異常狀況可能帶來的損失之和最小;二是能夠反映施工階段路堤狀況和變化趨勢(shì)，及時(shí)預(yù)報(bào)險(xiǎn)情.

2.1 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目評(píng)選方法

根據(jù)貝葉斯理論［4］和道路工程特點(diǎn)，綜合考慮與風(fēng)險(xiǎn)事件影響因素樣本X=［x1，x2，…，xn］T有關(guān)的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目費(fèi)用、發(fā)生異常后損失、防治費(fèi)用等因素影響，得到損失函數(shù)如下:

式中:λ(di，cj)表示在狀態(tài)cj下，采取di監(jiān)測(cè)組合時(shí)的損失函數(shù);C={c1，c2，…，cm}為風(fēng)險(xiǎn)源狀態(tài)空間;D=為決策空間分別表示當(dāng)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目組合為di時(shí)能夠判斷出狀態(tài)cj和不能判斷出狀態(tài)cj的概率;m(cj)和m(cj)為相應(yīng)的決策損失;m(di)為監(jiān)測(cè)項(xiàng)目組合在di時(shí)的監(jiān)測(cè)費(fèi)用.

引入損失的概念后［5］，對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)事件影響因素樣本X，若采取決策di，則相應(yīng)條件期望損失為

2.2 評(píng)選方法應(yīng)用

2.2.1 費(fèi)用分析 根據(jù)工程實(shí)際情況，軟基路段現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容包括表面沉降監(jiān)測(cè)、孔隙水壓力、分層沉降監(jiān)測(cè)評(píng)價(jià)土體的沉降變形規(guī)律、固結(jié)規(guī)律，通過深層觀測(cè)路堤水平向位移發(fā)展趨勢(shì)，判斷地基的穩(wěn)定性.采用問卷調(diào)查、資料統(tǒng)計(jì)分析的方法，確定各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目能準(zhǔn)確判斷出質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)狀態(tài)的概率及相應(yīng)費(fèi)用見表1.表中綜合監(jiān)測(cè)費(fèi)用包括監(jiān)測(cè)設(shè)備材料費(fèi)、埋設(shè)及后期監(jiān)測(cè)費(fèi)用.

考慮到道路工程的工程事故特點(diǎn)，本文取200 m長(zhǎng)的典型路段作為風(fēng)險(xiǎn)事件處治費(fèi)用的分析基礎(chǔ)，施工沉降量異常采取的防治措施是采用橫向不均勻預(yù)壓，補(bǔ)救措施是路面結(jié)構(gòu)預(yù)拋高0.3 m;工后沉降量過大的防治措施是將超載預(yù)壓高增加1 m，補(bǔ)救措施是路面結(jié)構(gòu)預(yù)拋高0.3 m;路堤穩(wěn)定性的補(bǔ)救措施是路堤坡腳壓重1 m，并在路堤填土內(nèi)加鋪土工格柵，補(bǔ)救措施是失穩(wěn)后重新填筑并分層加鋪土工格柵.損失計(jì)算情況見表2和3.

表1 各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置費(fèi)用分析Tab.1 Cost analysis of monitoring systems

表2 路段工程事故損失估算Tab.2 Loss estimation of engineering accidents

表3 單一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目損失計(jì)算Tab.3 Loss calculation of a single monitoring project 元

2.2.2 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)損失計(jì)算 根據(jù)上述計(jì)算成果，采用式(2)和(3)計(jì)算各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)損失見表4.

表4 監(jiān)測(cè)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)損失計(jì)算Tab.4 Risk loss calculation of monitoring system 元

顯然，當(dāng)考慮施工沉降量異常、工后沉降量、路堤穩(wěn)定性3方面風(fēng)險(xiǎn)事件時(shí)，本典型路段采用表面沉降、分層沉降、水平位移組合的風(fēng)險(xiǎn)損失為32 640+47 000+169 750=249 390元，小于單一監(jiān)測(cè)項(xiàng)目以及其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目組合的風(fēng)險(xiǎn)損失，可作為該路段的最優(yōu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目組合.

根據(jù)上述分析過程，對(duì)佛山一環(huán)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，確定佛山一環(huán)的具體監(jiān)測(cè)項(xiàng)目見表5.

表5 監(jiān)測(cè)體系設(shè)置情況Tab.5 Monitoring system establishment 元

上述監(jiān)測(cè)體系覆蓋了所有地質(zhì)、施工和處理方式等情況，滿足了路堤填筑施工期間對(duì)穩(wěn)定性控制和沉降分析的要求.從監(jiān)測(cè)費(fèi)用來看，上述監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的期望監(jiān)測(cè)損失為1 805萬(wàn)元，大于現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)費(fèi)用785萬(wàn)元，故監(jiān)測(cè)費(fèi)用是可以接受的.從應(yīng)用情況來看，由于該監(jiān)測(cè)體系設(shè)置合理，質(zhì)量控制措施得當(dāng)，避免了填筑過程中多處穩(wěn)定性問題的發(fā)生.

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)申報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在軟基監(jiān)控過程中，能否實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的及時(shí)報(bào)送和統(tǒng)計(jì)分析，對(duì)監(jiān)測(cè)體系的實(shí)用性影響很大.本文基于Internet網(wǎng)絡(luò)管理系統(tǒng)［6－8］，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)傳輸和監(jiān)測(cè)資料共享;同時(shí)，借助后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)來管理和處理現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提高了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析的自動(dòng)化程度.系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖2所示.

圖2 數(shù)據(jù)申報(bào)系統(tǒng)Fig.2 Data reporting system

網(wǎng)上申報(bào)系統(tǒng)采用功能模塊化的思想，將子任務(wù)分解為若干子模塊.主要功能模塊［9］包括:①數(shù)據(jù)錄入，即將參與觀測(cè)單位情況、斷面基本情況、現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)情況通過Internet錄入系統(tǒng)中;②數(shù)據(jù)查詢，參建單位通過網(wǎng)絡(luò)查詢各路段的監(jiān)測(cè)情況;③數(shù)據(jù)修改，由監(jiān)控單位根據(jù)施工、監(jiān)理單位的申請(qǐng)，并結(jié)合自身監(jiān)測(cè)情況對(duì)部分?jǐn)?shù)據(jù)進(jìn)行修正;④數(shù)據(jù)成圖，利用系統(tǒng)應(yīng)用程序和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，繪制各路段監(jiān)測(cè)量相關(guān)曲線;⑤發(fā)布公告，管理部門通過網(wǎng)絡(luò)將文件、通知以附件的形式傳遞到系統(tǒng)中，供參建單位查詢.

Internet監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)網(wǎng)上申報(bào)系統(tǒng)已成功應(yīng)用于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)申報(bào)、分析中，在很大程度上解決了觀測(cè)資料上報(bào)滯后、監(jiān)控不力等問題，有利于參建單位及時(shí)掌握監(jiān)控信息.

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

4.1 分析模型的建立

為更好地發(fā)揮風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的作用，及早發(fā)現(xiàn)警情并采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施，均需要準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)模型.本文基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的學(xué)習(xí)功能和小波網(wǎng)絡(luò)的去噪功能，通過確定各參加組合的模型預(yù)測(cè)結(jié)果與實(shí)際值之間的高度非線性映射關(guān)系，建立一非線性組合預(yù)測(cè)模型.利用小波基h(a，b，t)建立的非線性組合預(yù)測(cè)函數(shù)^φ(Y)形式如下:

式中:N為數(shù)據(jù)采樣點(diǎn)總數(shù).

4.2 模型準(zhǔn)確性驗(yàn)證

為驗(yàn)證上述預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確性，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，采用不同模型對(duì)斷面K3+600的變形情況進(jìn)行預(yù)測(cè)，結(jié)果見圖3.分析發(fā)現(xiàn)5種S型曲線預(yù)測(cè)的結(jié)果雖然都具有相同的趨勢(shì)，但與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)均有較大的誤差(平均絕對(duì)誤差均大于25 mm);而本文基于小波網(wǎng)絡(luò)的非線性組合預(yù)測(cè)曲線與實(shí)測(cè)曲線基本吻合(平均絕對(duì)誤差小于5 mm)，說明本模型的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度較高.

圖3 趨勢(shì)預(yù)測(cè)曲線對(duì)比Fig.3 Comparison of tendency prediction curves

5 結(jié)語(yǔ)

本文以佛山一環(huán)工程實(shí)際情況為背景，從道路施工期風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)的項(xiàng)目選擇、趨勢(shì)預(yù)測(cè)、數(shù)據(jù)申報(bào)等方面對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)體系進(jìn)行改進(jìn)，得到如下結(jié)論:(1)基于工程地質(zhì)情況、地基處理情況、環(huán)境情況、施工情況，從監(jiān)測(cè)項(xiàng)目費(fèi)用與由于異常狀況未被監(jiān)測(cè)出來所帶來的損失兩方面考慮，確定最優(yōu)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目組合的方法，在很大程度上提高監(jiān)測(cè)項(xiàng)目選擇的科學(xué)性.(2)基于Internet網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)申報(bào)系統(tǒng)，解決了觀測(cè)資料上報(bào)滯后，信息溝通困難等問題，對(duì)于推動(dòng)高速公路軟基監(jiān)控的信息化、智能化具有重要意義.(3)實(shí)例驗(yàn)算表明，基于小波神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的組合預(yù)測(cè)模型，可在一定程度上提高預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確度，且收斂速度快，泛化能力強(qiáng)，具有一定的推廣價(jià)值.

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