基于數(shù)據(jù)驅(qū)動的盾構(gòu)施工拱頂沉降研究

摘要：在城市地鐵盾構(gòu)法施工過程中，盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)較難控制， 文章依托深圳地鐵某工程，將數(shù)據(jù)驅(qū)動運(yùn)用到土木工程領(lǐng)域，挖掘數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的工程價值，整理了襯砌管片變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，再將工程數(shù)據(jù)做可視化處理，分析變形量的最大值，得到了整個區(qū)段凈空收斂和拱頂沉降的規(guī)律和特點(diǎn)，分析區(qū)段凈空收斂和拱頂沉降最大值、最小值和平均值以及曲線走勢，得到凈空收斂和拱頂沉降在同一斷面位置上的數(shù)據(jù)近似相等，在曲線趨勢上呈現(xiàn)一致性的變化規(guī)律。橫向?qū)Ρ鹊刭|(zhì)條件接近的左、右線的襯砌變形數(shù)據(jù)，可知同類項(xiàng)的地層下，凈空收斂和拱頂沉降變形的三值接近，并無明顯差異。文章根據(jù)盾構(gòu)穿越的不同地層，分析凈空收斂和拱頂沉降的規(guī)律，得到整個區(qū)間凈空收斂和拱頂沉降變形的規(guī)律和特點(diǎn)， 同時發(fā)現(xiàn)隧道在穿過不同地層時，凈空收斂和拱頂沉降變形量會與地層有關(guān)，并提出了在盾構(gòu)施工穿越風(fēng)化花崗巖、風(fēng)化含礫粗砂巖和中粗砂時，適合當(dāng)前施工和量測技術(shù)水平的襯砌變形中凈空收斂和拱頂沉降的建議控制值。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工;數(shù)據(jù)驅(qū)動;拱頂沉降;凈空收斂

中圖分類號：TU94 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

2020年國務(wù)院印發(fā)了《中共中央國務(wù)院關(guān)于構(gòu)建更加完善的要素市場化配置體制機(jī)制的意見》，將數(shù)據(jù)作為與土地、勞動力、資本、技術(shù)并列的第五類生產(chǎn)要素?？梢?，數(shù)據(jù)的價值日益凸顯，人們正逐漸從流程驅(qū)動走向一個由數(shù)據(jù)驅(qū)動的商業(yè)變革的全新時代。2022年，高永等[1]通過現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)的分析研究，在盾構(gòu)隧道方面， 給出設(shè)計、施工相關(guān)建議，為該類保護(hù)區(qū)外部作業(yè)及保護(hù)工作提供參考。袁夢等[2]采用數(shù)據(jù)驅(qū)動挖掘技術(shù)對盾構(gòu)施工時，對10余項(xiàng)監(jiān)測參數(shù)進(jìn)行分析與研究，并解釋典型關(guān)聯(lián)結(jié)果，最終驗(yàn)證已有的規(guī)律、修正人們的誤解以及發(fā)現(xiàn)潛在未知的規(guī)律。高會中等[3]基于大數(shù)據(jù)分析技術(shù)提出新的盾構(gòu)風(fēng)險防控方法，建立了輔助施工單位立體綜合的盾構(gòu)施工風(fēng)險防控體系，可以有效地降低盾構(gòu)施工中發(fā)生風(fēng)險的概率。2023年， 帥志勇等[4]結(jié)合盾構(gòu)施工中各項(xiàng)參數(shù)的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)關(guān)系，設(shè)計了一種包含多領(lǐng)域全過程的智慧盾構(gòu)信息平臺。隨著數(shù)據(jù)處理和分析技術(shù)的創(chuàng)新發(fā)展，數(shù)據(jù)驅(qū)動也開始逐漸運(yùn)用到實(shí)際的建筑施工工程中，識別數(shù)據(jù)的潛在隱性特征，挖掘海量數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的價值，從而驅(qū)動施工向著更有利、更高效的方式進(jìn)行。

1 工程領(lǐng)域數(shù)據(jù)驅(qū)動

數(shù)據(jù)驅(qū)動決策有4個優(yōu)點(diǎn)：客觀性、精確性、一致性、可預(yù)見性。數(shù)據(jù)驅(qū)動決策依賴于實(shí)證數(shù)據(jù)，通過分析可以得到更精確的信息，有助于更準(zhǔn)確地預(yù)測趨勢和結(jié)果。

現(xiàn)有的技術(shù)預(yù)見和路線圖包括探索性預(yù)見和規(guī)范性預(yù)見兩種。探索性預(yù)見基于數(shù)據(jù)對現(xiàn)有態(tài)勢和路徑進(jìn)行識別與挖掘，用顯性信息表征知識偏重工具主義;過于強(qiáng)調(diào)現(xiàn)有路徑外推，忽略技術(shù)本身的高度不確定性、跨域延展性和顛覆性。規(guī)范性預(yù)見過度依賴專家經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行未來情景的規(guī)范價值判斷，識別影響技術(shù)路線的隱性特征;但價值交互性、全面性無法避免，分析途徑單一，耗時長，效率低。將大數(shù)據(jù)驅(qū)動引入技術(shù)預(yù)見和路線圖，挖掘數(shù)據(jù)的隱性特征，再結(jié)合數(shù)據(jù)的顯性特征分析，得出大數(shù)據(jù)驅(qū)動下的智能預(yù)見與路線圖框架，如圖1所示。

本文基于數(shù)據(jù)驅(qū)動方法， 收集整理現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立數(shù)據(jù)倉庫，選取襯砌的拱頂沉降和凈空收斂數(shù)據(jù)為研究對象，提出一種在盾構(gòu)穿越相同地層下的拱頂沉降和凈空收斂建議控制值，為類似地層下的盾構(gòu)施工提供參考。

2 拱頂沉降凈空收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)研究

本文以深圳地鐵某工程為背景，盾構(gòu)穿越地層如圖2所示，在整個區(qū)間，開挖面大致可以分為穿越3類地層：風(fēng)化花崗巖、風(fēng)化粗砂巖和中粗砂。為了簡化描述，將其依次命名為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類地層。力學(xué)參數(shù)如表1所示。根據(jù)這3類地層， 以現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對隧道變形監(jiān)測中具有代表性的拱頂沉降和水平收斂變形值展開研究。

在區(qū)間內(nèi)，左線 ZDK20+113～ ZDK22+610和右線 YDK19+789～ YDK22+603范圍內(nèi)， 間隔50 m 布置一個測點(diǎn)組，分別將左51個測點(diǎn)組和右線57個測點(diǎn)組的最大凈空收斂和拱頂沉降數(shù)值，按盾構(gòu)掘進(jìn)方向整理成圖3。整個區(qū)間斷面測點(diǎn)組監(jiān)測到的凈空收斂和拱頂沉降數(shù)值均處在0.2～9.4 mm 范圍內(nèi)，未發(fā)生超過10 mm 凈空收斂和拱頂沉降。

整理出左、右線最大凈空收斂和拱頂沉降的三值（最大值、最小值和平均值），如表2所示，表格中“-”號代表沉降以及凈空的收斂變化。通過結(jié)合曲線變化和測點(diǎn)數(shù)據(jù)最值特點(diǎn)，從而得到區(qū)間拱頂沉降和凈空收斂的變化情況和最值情況，有利于更好地分析襯砌數(shù)據(jù)以及襯砌數(shù)據(jù)和其他數(shù)據(jù)的關(guān)系。

對比同線路上的凈空收斂和拱頂沉降，可以發(fā)現(xiàn)左線的凈空收斂和拱頂沉降最大值相等、最小值和平均值近似相等;而右線的凈空收斂和拱頂沉降最小值相等， 凈空收斂的最大值比拱頂沉降最大值小1.8 mm，凈空收斂的平均值比拱頂沉降平均值大0.34 mm 。對比凈空收斂、拱頂沉降在左、右線上的差異，發(fā)現(xiàn)凈空收斂的最大值在左線比右線大0.6 mm， 最小值小0.3 mm，平均值小0.66 mm;拱頂沉降的最大值在左線比右線小0.2 mm，最小值小0.2 mm，平均值小0.31 mm。

可以看出，除右線的凈空收斂和拱頂沉降最大值存在相對較大差異外，其他左、右線的凈空收斂和拱頂沉降對應(yīng)的三值接近。從圖3中的左、右線襯砌參數(shù)曲線看出，左線的凈空收斂和拱頂沉降曲線趨勢呈一致性，再結(jié)合上述對左線凈空收斂和拱頂沉降的三值分析，可以得到左線襯砌數(shù)據(jù)中的凈空收斂和拱頂沉降數(shù)據(jù)在區(qū)間表現(xiàn)出在數(shù)據(jù)和曲線一致性，可以認(rèn)為兩者的變化是同趨勢、數(shù)值上近似同變化量的。右線的凈空收斂和拱頂沉降曲線趨勢近似一致，雖然在第10個測點(diǎn)時凈空收斂為8.5 mm 和拱頂沉降為4.2 mm，兩者的曲線在該處有明顯差異，但是從右線的整體57個測點(diǎn)組宏觀上觀察曲線，發(fā)現(xiàn)曲線的整體趨勢也近似一致性。通過凈空收斂、拱頂沉降在左、右線上的對比可知，雙線在凈空收斂、拱頂沉降并沒有較大差異，這也符合左線、右線的地質(zhì)情況接近的特點(diǎn)。

3 盾構(gòu)穿越不同地層沉降、收斂分布規(guī)律

不同地層條件下拱頂沉降、水平收斂的頻率直方圖，為簡化表述橫坐標(biāo)變形量區(qū)間的“-”已省略，如圖4—5所示。需說明，本文中的頻率指出現(xiàn)在該區(qū)間的數(shù)據(jù)量占整個監(jiān)測數(shù)據(jù)量的百分比。

將凈空收斂和拱頂沉降進(jìn)行橫向?qū)Ρ劝l(fā)現(xiàn)， 當(dāng)盾構(gòu)穿越Ⅰ類地層時，凈空收斂中78%的變形量發(fā)生在1.1～6.0 mm 范圍，拱頂沉降中83%的變形量發(fā)生在1.1～6.0 mm 范圍，如圖4（ a ）和圖5（ a ）所示，凈空收斂和拱頂沉降的變形量主要還是集中在1.1～6 mm 范圍，而剩下發(fā)生的變形發(fā)生在8.1～10.0 mm 范圍內(nèi)，凈空收斂占比22%、拱頂沉降占比17%。因此，在該類地質(zhì)條件下施工時，凈空收斂和拱頂沉降主要還是集中在1.1～6.0 mm 范圍，但也要考慮有20%左右的概率會發(fā)生8～10 mm 的沉降。

當(dāng)盾構(gòu)穿越Ⅱ類地層時，襯砌發(fā)生的凈空收斂和拱頂沉降都控制在6 mm 內(nèi)，如圖4（ b）、圖5（ b）所示，凈空收斂頻率直方圖是正態(tài)分布的， 變形量在2.1～3.0 mm 范圍內(nèi)占比最多為31%，依次向兩側(cè)分布范圍遞減;拱頂沉降的頻率直方圖也同樣符合正態(tài)分布的形狀。

當(dāng)盾構(gòu)穿越Ⅲ類地層時，如圖4（ c ）、圖5（ c ）所示，分布比較全，雖然數(shù)據(jù)量不如Ⅱ類多，但沉降分布全，0～10 mm，主要沉降仍然還是集中在0～6 mm， 占比78%，并且主要還是集中在1.1～4.0 mm 內(nèi)。

從兩者監(jiān)測數(shù)據(jù)的算數(shù)平均值來看，盾構(gòu)在穿越第Ⅱ類地層時也是最小的，凈空收斂和拱頂沉降分別為2.67 mm 和2.47 mm，而穿越第Ⅰ、Ⅲ類地層時，平均值變形量有小幅度增長，凈空收斂和拱頂沉降分別為4.36 mm 和4.19 mm 。這也是因?yàn)樵冖?、Ⅲ類地層中，雖然變形量依然集中在0～6 mm 內(nèi)，但是會一定概率出現(xiàn)大于6 mm 的沉降， 因此提高了整體的算數(shù)平均值。Ⅱ類數(shù)據(jù)最多，但全部集中在0～6 mm，無大沉降（大于6 mm ）。該地層比較穩(wěn)定，沉降變形量不會太大。Ⅰ類地層，沉降還是集中在0～6 mm，但逐漸開始形成8～10 mm 的大沉降， 占比20%。Ⅲ類地層， 沉降仍然還是集中在0～6 mm，但出現(xiàn)大沉降的概率小幅度提升25%。因此， 整個區(qū)間凈空、拱頂沉降60%～70%，都分布在0～6 mm，只有在穿過Ⅰ、Ⅲ類地層時，出現(xiàn)較大沉降， 但出現(xiàn)大沉降的概率維持在18%～28%。

根據(jù)盾構(gòu)襯砌凈空收斂和拱頂沉降變形數(shù)據(jù)分布情況，可以給出盾構(gòu)在三類地層下的建議控制值， 如圖6所示。

穿越Ⅱ類地層時變形量全部且正態(tài)分布于0～6 mm 范圍內(nèi)，穿越Ⅰ、Ⅲ類地層時，重點(diǎn)分析集中程度高的數(shù)據(jù)，選取變形值前80%范圍內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，這一區(qū)間既包含了數(shù)據(jù)的集中區(qū)間，又消除了所占比例較低的高值區(qū)間的影響，故此區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)具有一定代表性， 以區(qū)間最大值作為建議控制值，可以反映盾構(gòu)在主要穿越三類地層（風(fēng)化花崗巖、風(fēng)化含礫粗砂巖和中粗砂）時，在現(xiàn)階段隧道施工技術(shù)水平和監(jiān)控量測技術(shù)水平下的凈空收斂和拱頂沉降變形情況。

4 結(jié)論

本文先通過數(shù)據(jù)驅(qū)動對襯砌管片變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的進(jìn)行統(tǒng)計分析，挖掘數(shù)據(jù)中蘊(yùn)含的工程價值，得到了整個區(qū)間凈空收斂和拱頂沉降變形的規(guī)律和特點(diǎn)， 同時根據(jù)隧道穿越不同地層時，參數(shù)特點(diǎn)得出的主要結(jié)論如下：

（1）襯砌變形是一個整體的結(jié)構(gòu)體系， 因此， 當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)導(dǎo)致拱頂沉降時，水平方向的凈空勢必會出現(xiàn)向外的延伸情況，導(dǎo)致凈空收斂的發(fā)生， 同一斷面位置上的凈空收斂和拱頂沉降在數(shù)據(jù)方面是近似相等，在曲線趨勢上是一致性變化。橫向?qū)Ρ鹊刭|(zhì)條件接近的左、右線的襯砌變形數(shù)據(jù)，可知同類項(xiàng)的地層下，凈空收斂和拱頂沉降變形的三值接近，并無明顯差異。

（2）實(shí)測襯砌變形數(shù)據(jù)均小于10 mm，并呈現(xiàn)出一定的集中性，數(shù)據(jù)主要集中在0～6 mm 低值區(qū)間， 6～10 mm 高值區(qū)間數(shù)據(jù)較少。當(dāng)盾構(gòu)穿越風(fēng)化含礫粗砂巖地層，變形數(shù)據(jù)全部集中于0～6 mm 內(nèi)，并且沉降值以2.1～3.0 mm 居中，呈現(xiàn)正態(tài)分布趨勢。當(dāng)盾構(gòu)穿越風(fēng)化花崗巖和中粗砂地層時，主要沉降仍然還是集中在0～6 mm， 占比70%～80%，且主要還是集中在1.1～4.0 mm 內(nèi)，但相比對風(fēng)化含礫粗砂巖地層，出現(xiàn)大沉降（6～10 mm ）的概率上升。因此，采用襯砌變形前80%區(qū)間內(nèi)的數(shù)據(jù)進(jìn)行變形量化評價指標(biāo)分析更為合理，本文針對穿越不同地層提出了具體的變形建議控制值。

參考文獻(xiàn)

[1]高永，賴衍鵬.基坑上跨盾構(gòu)隧道實(shí)測數(shù)據(jù)分析及保護(hù)研究[ J].城市道橋與防洪， 2022（1）：158-162，21.

[2]袁夢，張曉冰，胡振中.盾構(gòu)實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)分析與挖掘[J].隧道建設(shè)（中英文），2022（增刊2）：234-241.

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（編輯 李春燕）

Data-driven study on vault settlement in shield construction

Wang Jiahuan

（ School of Civil and Architectural Engineering， Wuhan Polytechnic University， Wuhan 430023， China）

Abstract： In the construction process of urban subway shield method， the attitude of the shield machine is difficult to control， this paper relies on a project of Shenzhen Metro， applies the data - driven application to the field of civil engineering， excavates the engineering value contained in the data， sorts out the deformation monitoring data of the lining segment and visualizes the engineering data， analyzes the law and characteristics of the clearance convergence and vault settlement of the whole section， and analyzes the three values of the section clearance convergence and vault settlement and the trend of the maximum curve. It is concluded that the data of clearance convergence and vault settlement are approximately equal in terms of the same section position， and the curve trend is consistent with the change law. Moreover， when comparing the lining deformation data of the left and right lines with similar geological conditions， it can be seen that the three values of clearance convergence and vault settlement deformation are close under the strata of the same term， and there is no obvious difference. At the same time， it is found that when the tunnel passes through different strata， the clearance convergence and vault settlement deformation will be related to the strata， and the recommended control values of clearance convergence and vault settlement in the lining deformation of shield construction through weathered granite， weathered conglomerate coarse sandstone and medium coarse sand are suitable for the current construction and measurement technology level are proposed.

Key words： shield construction; data-driven; vault settlement; clearance convergence