地鐵盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析方法

董海風(fēng)

（中鐵十五局集團(tuán)城市軌道交通工程有限公司,河南 洛陽 471002）

0 引言

地鐵盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)過程中，需要及時(shí)對(duì)隧道管片結(jié)構(gòu)、周圍巖土體、周邊環(huán)境進(jìn)行水平、豎向位移，隧道收斂等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，目前對(duì)于監(jiān)測(cè)結(jié)果多以Excel表格匯總進(jìn)行展示，而在地鐵施工盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)過程中監(jiān)測(cè)量大、點(diǎn)位較多，通過表格展示的方式不利于管理人員、工作人員直觀觀察各部分沉降規(guī)律，數(shù)據(jù)利用率較低[1]。為了對(duì)區(qū)域內(nèi)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一的三維展示，根據(jù)隧道管片結(jié)構(gòu)、周圍巖土體、周邊環(huán)境進(jìn)行水平、豎向位移，隧道收斂等信息預(yù)處理，對(duì)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)添加平面位置信息，從而實(shí)現(xiàn)將一維變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)到三維變形監(jiān)測(cè)信息的轉(zhuǎn)換[2]。

1 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)預(yù)處理及分析

1.1 傳統(tǒng)處理及分析方法

隧道施工過程中，對(duì)盾構(gòu)隧道區(qū)間規(guī)定范圍進(jìn)行地表沉降監(jiān)測(cè)，并及時(shí)完成對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的分析工作，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析是實(shí)施控制措施的前提。針對(duì)沉降數(shù)據(jù)的分析，主要是通過經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)、理論分析以及數(shù)值模擬等方法制定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)則，而進(jìn)行沉降風(fēng)險(xiǎn)判斷主要的指標(biāo)則是監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)所包含的單日沉降量和累計(jì)沉降量。以9號(hào)線綠博園站—濱江公園站盾構(gòu)區(qū)間施工監(jiān)測(cè)實(shí)施標(biāo)準(zhǔn)為例，設(shè)置單日沉降量控制值為±2.8 mm，累計(jì)沉降量控制值為+8/?28 mm。如表1所示，獲取該區(qū)間右線某一監(jiān)測(cè)斷面6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)，計(jì)算6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每日沉降量均值并繪制沉降量曲線圖，計(jì)算6個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)每日沉降量均值并繪制沉降量曲線圖，如圖1、圖2所示。

圖1 單日沉降量圖

圖2 累計(jì)沉降量圖

表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)

通過該方法繪制該斷面沉降量圖可以直觀看出在4月2日到5月16日單日沉降量大于1.1 mm，并于5月16日沉降趨于穩(wěn)定。地鐵施工地表沉降可大致包含由隨機(jī)因素產(chǎn)生的正常波動(dòng)和系統(tǒng)因素產(chǎn)生的趨勢(shì)性變化，如果沉降僅受隨機(jī)因素的影響則說明沉降穩(wěn)定。雖然通過單日沉降與累計(jì)沉降量分析沉降規(guī)律的方法簡(jiǎn)單實(shí)用，能夠直觀地看出4月2日到5月16日的沉降發(fā)生了趨勢(shì)性變化，但未考慮地鐵施工地表沉降過程的動(dòng)態(tài)隨機(jī)性，對(duì)15日后的沉降數(shù)據(jù)分析難以判斷是否包含了系統(tǒng)因素所產(chǎn)生的趨勢(shì)性變化。

續(xù)表1 各監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降數(shù)據(jù)

1.2 分析統(tǒng)計(jì)法

統(tǒng)計(jì)過程控制（Statistical Process Control，SPC）是利用統(tǒng)計(jì)技術(shù)對(duì)過程中各個(gè)階段的評(píng)估和監(jiān)控。在世界許多大公司，SPC應(yīng)用于對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量控制，Tukhas Shilul Imaroh采用該方法用于對(duì)棕櫚油的質(zhì)量控制；Guerra Andr通過SPC方法對(duì)生物治療產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)時(shí)質(zhì)量監(jiān)控。在土木工程領(lǐng)域，該方法應(yīng)用于對(duì)橋梁的健康診斷。在變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理方面，首次提出通過SPC分析沉降數(shù)據(jù)的方法，并驗(yàn)證了該方法的可行性，以及推廣應(yīng)用的主要瓶頸和關(guān)鍵問題。該文為實(shí)現(xiàn)對(duì)沉降演化過程動(dòng)態(tài)隨機(jī)性的合理分析，引入SPC分析沉降數(shù)據(jù)。沉降數(shù)據(jù)分析的主要目的是發(fā)現(xiàn)產(chǎn)生的數(shù)據(jù)結(jié)果是包含系統(tǒng)因素導(dǎo)致。控制圖作為SPC最重要的工具，主要包括均值?極差控制圖、均值?標(biāo)準(zhǔn)差控制圖、中位數(shù)?極差控制圖等。由于沉降量監(jiān)測(cè)是一個(gè)對(duì)大量監(jiān)測(cè)點(diǎn)連續(xù)測(cè)量的過程，結(jié)合各個(gè)控制圖的應(yīng)用特點(diǎn)，選用均值?極差控制圖，該控制圖能夠識(shí)別沉降是否受到系統(tǒng)因素的影響，從而判斷是否處于穩(wěn)定受控的狀態(tài)，同時(shí)對(duì)過程出現(xiàn)不受控情況采取相應(yīng)的控制措施。除此之外，通過計(jì)算過程能力指數(shù)可判斷施工總體方案是否合理。

1.2.1 均值?極差控制圖作圖步驟

（1）確定數(shù)據(jù)分析的方案，包括采樣間隔、測(cè)量數(shù)據(jù)期數(shù)、監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)n等。

（2）收集并整理相關(guān)沉降量數(shù)據(jù)。

式中，CLR、UCLR、LCLR，、、分別為R和控制圖的中心線、上控制限和下控制限。——所有時(shí)間點(diǎn)沉降量極差的均值，——所有時(shí)間點(diǎn)沉降量均值的均值。其中D3、D2、A2為與監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)n有關(guān)的常數(shù)，可由統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)得到。

1）存在點(diǎn)落于控制限之外。

2）連續(xù)7個(gè)或以上的點(diǎn)落于中心線一側(cè)或呈現(xiàn)出上升、下降的趨勢(shì)。

3）連續(xù)3個(gè)點(diǎn)有2個(gè)超出2δ警戒線。

4）連續(xù)8個(gè)點(diǎn)落在中心區(qū)（±δ）以外或連續(xù)15個(gè)點(diǎn)落在中心區(qū)內(nèi)。

5）點(diǎn)的排列出現(xiàn)周期性。

（6）計(jì)算過程能力CPK，并結(jié)合表2分析過程能力是否滿足。

式中，T——沉降量公差；M——公差中心；δ——樣本標(biāo)準(zhǔn)差；d2——與監(jiān)測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)n有關(guān)的常數(shù)，可由統(tǒng)計(jì)過程控制技術(shù)[3]附表2得到。

表2 過程能力等級(jí)評(píng)定表

（7）沉降情況綜合分析。

1.2.2 均值?極差控制圖應(yīng)用

采用地表控制圖進(jìn)行地表沉降量分析，通過選擇盾構(gòu)隧道右線某斷面上6個(gè)點(diǎn)，包含該斷面的整個(gè)監(jiān)測(cè)周期23天的沉降量數(shù)據(jù)得到表1中的數(shù)據(jù)；建立（?R）控制圖，如圖3、圖4所示。

圖3 R控制圖

圖4 控制圖

因此可以看出在該時(shí)間范圍沉降趨勢(shì)屬于理想狀態(tài)，總體符合標(biāo)準(zhǔn)，不予采取工程措施。

1.3 對(duì)比分析法

進(jìn)行地表沉降分析，傳統(tǒng)分析方法和統(tǒng)計(jì)過程控制分析方法存在著各自的優(yōu)缺點(diǎn)[4]。采用沉降速率和累計(jì)沉降量與控制值的關(guān)系進(jìn)行分析，較為簡(jiǎn)單實(shí)用，但是難以發(fā)現(xiàn)沉降是否僅受隨機(jī)因素影響。統(tǒng)計(jì)過程控制分析方法能夠彌補(bǔ)傳統(tǒng)分析方法的不足，發(fā)現(xiàn)過程中受系統(tǒng)因素影響的部分，但也存在明顯的缺點(diǎn)，需要保證數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)更新，使得分析過程變得復(fù)雜化[5-6]。要結(jié)合兩種分析方法的優(yōu)點(diǎn)，更加科學(xué)地指導(dǎo)施工，就需要開發(fā)相關(guān)的數(shù)據(jù)分析軟件，使得數(shù)據(jù)分析過程更加便捷。

2 總結(jié)

該文主要講述了地鐵隧道盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)中，對(duì)盾構(gòu)隧道管片地面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理、地表沉降數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程及相關(guān)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理及分析，通過案例分析表明該方法產(chǎn)生的最大誤差計(jì)算小于0.11 mm。針對(duì)地表沉降規(guī)律的分析，對(duì)比傳統(tǒng)分析方法和SPC分析方法的優(yōu)缺點(diǎn)，其中SPC分析方法利于發(fā)現(xiàn)沉降過程中存在的系統(tǒng)因素，判斷沉降過程是否穩(wěn)定，為長(zhǎng)江漫灘地區(qū)厚層淤泥軟土復(fù)雜地質(zhì)的盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)提供依據(jù)，確保盾構(gòu)隧道施工安全。