地铁盾构区间监测数据预处理及分析方法

董海风

（中铁十五局集团城市轨道交通工程有限公司,河南 洛阳 471002）

0 引言

地铁盾构区间掘进过程中，需要及时对隧道管片结构、周围岩土体、周边环境进行水平、竖向位移，隧道收敛等进行监测，目前对于监测结果多以Excel表格汇总进行展示，而在地铁施工盾构区间掘进过程中监测量大、点位较多，通过表格展示的方式不利于管理人员、工作人员直观观察各部分沉降规律，数据利用率较低[1]。为了对区域内沉降数据进行统一的三维展示，根据隧道管片结构、周围岩土体、周边环境进行水平、竖向位移，隧道收敛等信息预处理，对沉降监测点添加平面位置信息，从而实现将一维变形监测数据到三维变形监测信息的转换[2]。

1 监测数据预处理及分析

1.1 传统处理及分析方法

隧道施工过程中，对盾构隧道区间规定范围进行地表沉降监测，并及时完成对监测数据的分析工作，监测数据分析是实施控制措施的前提。针对沉降数据的分析，主要是通过经验统计、理论分析以及数值模拟等方法制定标准规则，而进行沉降风险判断主要的指标则是监测数据所包含的单日沉降量和累计沉降量。以9号线绿博园站—滨江公园站盾构区间施工监测实施标准为例，设置单日沉降量控制值为±2.8 mm，累计沉降量控制值为+8/−28 mm。如表1所示，获取该区间右线某一监测断面6个监测点沉降数据，计算6个监测点每日沉降量均值并绘制沉降量曲线图，计算6个监测点每日沉降量均值并绘制沉降量曲线图，如图1、图2所示。

图1 单日沉降量图

图2 累计沉降量图

表1 各监测点沉降数据

通过该方法绘制该断面沉降量图可以直观看出在4月2日到5月16日单日沉降量大于1.1 mm，并于5月16日沉降趋于稳定。地铁施工地表沉降可大致包含由随机因素产生的正常波动和系统因素产生的趋势性变化，如果沉降仅受随机因素的影响则说明沉降稳定。虽然通过单日沉降与累计沉降量分析沉降规律的方法简单实用，能够直观地看出4月2日到5月16日的沉降发生了趋势性变化，但未考虑地铁施工地表沉降过程的动态随机性，对15日后的沉降数据分析难以判断是否包含了系统因素所产生的趋势性变化。

续表1 各监测点沉降数据

1.2 分析统计法

统计过程控制（Statistical Process Control，SPC）是利用统计技术对过程中各个阶段的评估和监控。在世界许多大公司，SPC应用于对产品的质量控制，Tukhas Shilul Imaroh采用该方法用于对棕榈油的质量控制；Guerra Andr通过SPC方法对生物治疗产品进行实时质量监控。在土木工程领域，该方法应用于对桥梁的健康诊断。在变形监测数据处理方面，首次提出通过SPC分析沉降数据的方法，并验证了该方法的可行性，以及推广应用的主要瓶颈和关键问题。该文为实现对沉降演化过程动态随机性的合理分析，引入SPC分析沉降数据。沉降数据分析的主要目的是发现产生的数据结果是包含系统因素导致。控制图作为SPC最重要的工具，主要包括均值−极差控制图、均值−标准差控制图、中位数−极差控制图等。由于沉降量监测是一个对大量监测点连续测量的过程，结合各个控制图的应用特点，选用均值−极差控制图，该控制图能够识别沉降是否受到系统因素的影响，从而判断是否处于稳定受控的状态，同时对过程出现不受控情况采取相应的控制措施。除此之外，通过计算过程能力指数可判断施工总体方案是否合理。

1.2.1 均值−极差控制图作图步骤

（1）确定数据分析的方案，包括采样间隔、测量数据期数、监测点个数n等。

（2）收集并整理相关沉降量数据。

式中，CLR、UCLR、LCLR，、、分别为R和控制图的中心线、上控制限和下控制限。——所有时间点沉降量极差的均值，——所有时间点沉降量均值的均值。其中D3、D2、A2为与监测点个数n有关的常数，可由统计过程控制技术得到。

1）存在点落于控制限之外。

2）连续7个或以上的点落于中心线一侧或呈现出上升、下降的趋势。

3）连续3个点有2个超出2δ警戒线。

4）连续8个点落在中心区（±δ）以外或连续15个点落在中心区内。

5）点的排列出现周期性。

（6）计算过程能力CPK，并结合表2分析过程能力是否满足。

式中，T——沉降量公差；M——公差中心；δ——样本标准差；d2——与监测点个数n有关的常数，可由统计过程控制技术[3]附表2得到。

表2 过程能力等级评定表

（7）沉降情况综合分析。

1.2.2 均值−极差控制图应用

采用地表控制图进行地表沉降量分析，通过选择盾构隧道右线某断面上6个点，包含该断面的整个监测周期23天的沉降量数据得到表1中的数据；建立（−R）控制图，如图3、图4所示。

图3 R控制图

图4 控制图

因此可以看出在该时间范围沉降趋势属于理想状态，总体符合标准，不予采取工程措施。

1.3 对比分析法

进行地表沉降分析，传统分析方法和统计过程控制分析方法存在着各自的优缺点[4]。采用沉降速率和累计沉降量与控制值的关系进行分析，较为简单实用，但是难以发现沉降是否仅受随机因素影响。统计过程控制分析方法能够弥补传统分析方法的不足，发现过程中受系统因素影响的部分，但也存在明显的缺点，需要保证数据的实时更新，使得分析过程变得复杂化[5-6]。要结合两种分析方法的优点，更加科学地指导施工，就需要开发相关的数据分析软件，使得数据分析过程更加便捷。

2 总结

该文主要讲述了地铁隧道盾构区间掘进中，对盾构隧道管片地面监测数据处理、地表沉降数据预处理的流程及相关监测数据处理及分析，通过案例分析表明该方法产生的最大误差计算小于0.11 mm。针对地表沉降规律的分析，对比传统分析方法和SPC分析方法的优缺点，其中SPC分析方法利于发现沉降过程中存在的系统因素，判断沉降过程是否稳定，为长江漫滩地区厚层淤泥软土复杂地质的盾构区间掘进提供依据，确保盾构隧道施工安全。