基于數據驅動的盾構施工拱頂沉降研究

摘要：在城市地鐵盾構法施工過程中，盾構機姿態較難控制， 文章依托深圳地鐵某工程，將數據驅動運用到土木工程領域，挖掘數據中蘊含的工程價值，整理了襯砌管片變形監測數據，再將工程數據做可視化處理，分析變形量的最大值，得到了整個區段凈空收斂和拱頂沉降的規律和特點，分析區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據近似相等，在曲線趨勢上呈現一致性的變化規律。橫向對比地質條件接近的左、右線的襯砌變形數據，可知同類項的地層下，凈空收斂和拱頂沉降變形的三值接近，并無明顯差異。文章根據盾構穿越的不同地層，分析凈空收斂和拱頂沉降的規律，得到整個區間凈空收斂和拱頂沉降變形的規律和特點， 同時發現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，并提出了在盾構施工穿越風化花崗巖、風化含礫粗砂巖和中粗砂時，適合當前施工和量測技術水平的襯砌變形中凈空收斂和拱頂沉降的建議控制值。

關鍵詞：盾構施工;數據驅動;拱頂沉降;凈空收斂

中圖分類號：TU94 文獻標志碼：A

0 引言

2020年國務院印發了《中共中央國務院關于構建更加完善的要素市場化配置體制機制的意見》，將數據作為與土地、勞動力、資本、技術并列的第五類生產要素。可見，數據的價值日益凸顯，人們正逐漸從流程驅動走向一個由數據驅動的商業變革的全新時代。2022年，高永等[1]通過現場實測數據的分析研究，在盾構隧道方面， 給出設計、施工相關建議，為該類保護區外部作業及保護工作提供參考。袁夢等[2]采用數據驅動挖掘技術對盾構施工時，對10余項監測參數進行分析與研究，并解釋典型關聯結果，最終驗證已有的規律、修正人們的誤解以及發現潛在未知的規律。高會中等[3]基于大數據分析技術提出新的盾構風險防控方法，建立了輔助施工單位立體綜合的盾構施工風險防控體系，可以有效地降低盾構施工中發生風險的概率。2023年， 帥志勇等[4]結合盾構施工中各項參數的數據結構關系，設計了一種包含多領域全過程的智慧盾構信息平臺。隨著數據處理和分析技術的創新發展，數據驅動也開始逐漸運用到實際的建筑施工工程中，識別數據的潛在隱性特征，挖掘海量數據中蘊含的價值，從而驅動施工向著更有利、更高效的方式進行。

1 工程領域數據驅動

數據驅動決策有4個優點：客觀性、精確性、一致性、可預見性。數據驅動決策依賴于實證數據，通過分析可以得到更精確的信息，有助于更準確地預測趨勢和結果。

現有的技術預見和路線圖包括探索性預見和規范性預見兩種。探索性預見基于數據對現有態勢和路徑進行識別與挖掘，用顯性信息表征知識偏重工具主義;過于強調現有路徑外推，忽略技術本身的高度不確定性、跨域延展性和顛覆性。規范性預見過度依賴專家經驗進行未來情景的規范價值判斷，識別影響技術路線的隱性特征;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。將大數據驅動引入技術預見和路線圖，挖掘數據的隱性特征，再結合數據的顯性特征分析，得出大數據驅動下的智能預見與路線圖框架，如圖1所示。

本文基于數據驅動方法， 收集整理現場監測數據，建立數據倉庫，選取襯砌的拱頂沉降和凈空收斂數據為研究對象，提出一種在盾構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施工提供參考。

2 拱頂沉降凈空收斂監測數據研究

本文以深圳地鐵某工程為背景，盾構穿越地層如圖2所示，在整個區間，開挖面大致可以分為穿越3類地層：風化花崗巖、風化粗砂巖和中粗砂。為了簡化描述，將其依次命名為Ⅰ類、Ⅱ類、Ⅲ類地層。力學參數如表1所示。根據這3類地層， 以現場監測數據為基礎，對隧道變形監測中具有代表性的拱頂沉降和水平收斂變形值展開研究。

在區間內，左線 ZDK20+113～ ZDK22+610和右線 YDK19+789～ YDK22+603范圍內， 間隔50 m 布置一個測點組，分別將左51個測點組和右線57個測點組的最大凈空收斂和拱頂沉降數值，按盾構掘進方向整理成圖3。整個區間斷面測點組監測到的凈空收斂和拱頂沉降數值均處在0.2～9.4 mm 范圍內，未發生超過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。通過結合曲線變化和測點數據最值特點，從而得到區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據以及襯砌數據和其他數據的關系。

對比同線路上的凈空收斂和拱頂沉降，可以發現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，發現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的三值接近。從圖3中的左、右線襯砌參數曲線看出，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據中的凈空收斂和拱頂沉降數據在區間表現出在數據和曲線一致性，可以認為兩者的變化是同趨勢、數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個測點組宏觀上觀察曲線，發現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、右線的地質情況接近的特點。

3 盾構穿越不同地層沉降、收斂分布規律

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

將凈空收斂和拱頂沉降進行橫向對比發現， 當盾構穿越Ⅰ類地層時，凈空收斂中78%的變形量發生在1.1～6.0 mm 范圍，拱頂沉降中83%的變形量發生在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，而剩下發生的變形發生在8.1～10.0 mm 范圍內，凈空收斂占比22%、拱頂沉降占比17%。因此，在該類地質條件下施工時，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%左右的概率會發生8～10 mm 的沉降。

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

當盾構穿越Ⅲ類地層時，如圖4（ c ）、圖5（ c ）所示，分布比較全，雖然數據量不如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。

從兩者監測數據的算數平均值來看，盾構在穿越第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 。這也是因為在Ⅰ、Ⅲ類地層中，雖然變形量依然集中在0～6 mm 內，但是會一定概率出現大于6 mm 的沉降， 因此提高了整體的算數平均值。Ⅱ類數據最多，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，但出現大沉降的概率小幅度提升25%。因此， 整個區間凈空、拱頂沉降60%～70%，都分布在0～6 mm，只有在穿過Ⅰ、Ⅲ類地層時，出現較大沉降， 但出現大沉降的概率維持在18%～28%。

根據盾構襯砌凈空收斂和拱頂沉降變形數據分布情況，可以給出盾構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分布于0～6 mm 范圍內，穿越Ⅰ、Ⅲ類地層時，重點分析集中程度高的數據，選取變形值前80%范圍內的數據進行分析，這一區間既包含了數據的集中區間，又消除了所占比例較低的高值區間的影響，故此區間內的數據具有一定代表性， 以區間最大值作為建議控制值，可以反映盾構在主要穿越三類地層（風化花崗巖、風化含礫粗砂巖和中粗砂）時，在現階段隧道施工技術水平和監控量測技術水平下的凈空收斂和拱頂沉降變形情況。

4 結論

本文先通過數據驅動對襯砌管片變形監測數據的進行統計分析，挖掘數據中蘊含的工程價值，得到了整個區間凈空收斂和拱頂沉降變形的規律和特點， 同時根據隧道穿越不同地層時，參數特點得出的主要結論如下：

（1）襯砌變形是一個整體的結構體系， 因此， 當盾構掘進導致拱頂沉降時，水平方向的凈空勢必會出現向外的延伸情況，導致凈空收斂的發生， 同一斷面位置上的凈空收斂和拱頂沉降在數據方面是近似相等，在曲線趨勢上是一致性變化。橫向對比地質條件接近的左、右線的襯砌變形數據，可知同類項的地層下，凈空收斂和拱頂沉降變形的三值接近，并無明顯差異。

（2）實測襯砌變形數據均小于10 mm，并呈現出一定的集中性，數據主要集中在0～6 mm 低值區間， 6～10 mm 高值區間數據較少。當盾構穿越風化含礫粗砂巖地層，變形數據全部集中于0～6 mm 內，并且沉降值以2.1～3.0 mm 居中，呈現正態分布趨勢。當盾構穿越風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，但相比對風化含礫粗砂巖地層，出現大沉降（6～10 mm ）的概率上升。因此，采用襯砌變形前80%區間內的數據進行變形量化評價指標分析更為合理，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

[1]高永，賴衍鵬.基坑上跨盾構隧道實測數據分析及保護研究[ J].城市道橋與防洪， 2022（1）：158-162，21.

[2]袁夢，張曉冰，胡振中.盾構實時監測數據分析與挖掘[J].隧道建設（中英文），2022（增刊2）：234-241.

[3]高會中， 李治國， 曾垂剛， 等.基于大數據分析的盾構施工風險防控研究[ J].建筑機械化，2022（6）：19-22.

[4]帥志勇，張昆峰， 張恒.基于盾構大數據的隧道施工狀態實時監測系統研制[ J].現代城市軌道交通， 2023（12）：68-73.

（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