城市道路盾構隧道全壽命周期信息平臺設計

王剛

(上海市政工程設計研究總院(集團)有限公司，上海市 200092)

0 引言

在盾構隧道建設和運營維護過程中，人們往往需要處理大量的設計、施工、檢測、運營和養(yǎng)護的數(shù)據(jù)信息。通常人們有幾種數(shù)據(jù)獲取方式：紙質(zhì)文件歸檔、單機或局域網(wǎng)內(nèi)建立數(shù)據(jù)庫等，然而在大型或復雜盾構隧道管理過程中，從這些數(shù)據(jù)中迅速得到有用的信息卻并非易事。同時，這些數(shù)據(jù)在行業(yè)內(nèi)尚沒有通用而標準化的處理方式，往往不同隧道的管理內(nèi)容也相差甚遠，甚至同一隧道的不同管理部門都使用不同的數(shù)據(jù)記錄形式，因此數(shù)據(jù)無法進行有效的交流與共享。在信息化技術飛速發(fā)展的今天，人們在盾構隧道的建設和運營過程中已在不斷尋求更高效、更便捷的數(shù)據(jù)管理方式，從而將數(shù)據(jù)解放出來，服務于全過程、全行業(yè)。

建立可推廣使用的標準化數(shù)據(jù)首先需要統(tǒng)一盾構隧道全壽命周期的數(shù)據(jù)標準格式，早在1988年，Greenwood就論述了建立地下工程數(shù)據(jù)交換標準格式的必要性與可能性[1]。此后，美國前副總統(tǒng)A.Gore于1998年提出了“數(shù)字地球”的概念，勾繪出了信息時代人類在地球上生存、工作、學習和生活的時代特征[3]?；诖耍旌先A提出了“從數(shù)字地球到數(shù)字地層”的概念，闡述了地下空間工程數(shù)字化的的應用前景，具體應用包括地層的可視化探查、地層數(shù)據(jù)庫信息系統(tǒng)的建立以及擾動地層的信息反饋系統(tǒng)和實時仿真模擬[4]。如今，很多學者提出了地下工程的標準化數(shù)據(jù)格式，例如王長虹等通過歸納總結地下空間與工程研究數(shù)據(jù)特點，提出了數(shù)字地下空間與工程數(shù)據(jù)分類與編碼方案[5]，對整個地下空間工程的數(shù)據(jù)標準化具有指導意義。

在盾構隧道工程中，有效的數(shù)據(jù)管理需要建立一個基于標準化數(shù)據(jù)的信息平臺。數(shù)據(jù)平臺有多種形式，包括依賴于操作平臺的單機或局域網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，如Excel即可滿足人們簡單的數(shù)據(jù)記錄與分析處理需求，也有一些龐大的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)，如加拿大Regina市采用的市政給排水管網(wǎng)數(shù)據(jù)管理平臺[2]，該平臺由政府推動，采用統(tǒng)一數(shù)據(jù)標準模型，不同部門所獲取的數(shù)據(jù)均存儲在這個數(shù)據(jù)平臺中，同時也可便捷地了解到整個市政給排水管網(wǎng)系統(tǒng)中其他信息。

本文在國內(nèi)外已有的研究基礎上，以上海市迎賓三路隧道與長江西路隧道為工程背景，依據(jù)現(xiàn)有的上海市隧道建設與檢測養(yǎng)護的相關規(guī)范以及相關具有一定認同度的盾構隧道數(shù)據(jù)記錄表格，建立了盾構隧道建養(yǎng)一體化信息平臺，初步實現(xiàn)了隧道全壽命周期信息的數(shù)字化，并可滿足一些隧道病害智能化檢測與健康評估等需求。

1 信息化平臺數(shù)據(jù)傳輸關系

平臺總體設計采用一個獨立的、可移植的、多用戶的、安全的和基于標準的企業(yè)級平臺，從而簡化企業(yè)應用的開發(fā)、管理和部署。這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用。簡單來說，整個平臺的數(shù)據(jù)傳輸關系見圖1。

2 系統(tǒng)架構及程序開發(fā)工具的分析與選取

盾構隧道全壽命周期數(shù)據(jù)包含隧道設計、施工、檢測、養(yǎng)護、管理等多方面數(shù)據(jù)，涉及管理單位對數(shù)據(jù)的需求和習慣也不盡相同，本文基于可能出現(xiàn)的用戶訪問量和使用需求，針對性地選取了幾個程序設計工具，以Java語言為載體，克服了不同操作平臺的差異性，并對程序架構體系作了分析和研究。

圖1 數(shù)據(jù)傳輸示意圖

2.1 系統(tǒng)體系架構

（1）J2EE標準

J2EE這種Browser/Server架構克服了傳統(tǒng)Client/Server模式的弊病，為應用Java技術開發(fā)服務器端應用提供一個平臺獨立的、可移植的、多用戶的、安全的和基于標準的企業(yè)級平臺，從而簡化企業(yè)應用的開發(fā)、管理和部署。這種模式統(tǒng)一了客戶端，將系統(tǒng)功能實現(xiàn)的核心部分集中到服務器上，簡化了系統(tǒng)的開發(fā)、維護和使用?？蛻魴C上只要安裝一個瀏覽器（Browser），如Netscape Navigator或 Internet Explorer，服務器安裝 Oracle、Sybase、Informix或SQL Server等數(shù)據(jù)庫。瀏覽器通過Web Server同數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)交互。這樣就大大簡化了客戶端電腦載荷，減輕了系統(tǒng)維護與升級的成本和工作量，降低了用戶的總體成本(TCO)。

（2）Bootstrap、Structs2、Spring框架

Bootstrap是Twitter推出的一個開源的用于前端開發(fā)的工具包。它由Twitter的設計師Mark Otto和Jacob Thornton合作開發(fā)，是一個CSS/HTML框架。Bootstrap提供了優(yōu)雅的HTML和CSS規(guī)范，它即是由動態(tài)CSS語言Less寫成。

Apache Struts2是一個優(yōu)雅的，可擴展的JAVA EE web框架?？蚣茉O計的目標貫穿整個開發(fā)周期，從開發(fā)到發(fā)布，包括維護的整個過程。

服務端使用Spring框架，服務端中包括數(shù)據(jù)庫、實體對象、業(yè)務邏輯對象、控制器對象以及視圖對象，所有這些對象都使用Spring來管理和控制，盡量實現(xiàn)出一個松耦合的，易測試的和易維護的系統(tǒng)。Spring是一個開源框架，是為了簡化企業(yè)級系統(tǒng)的開發(fā)而設計的。使用Spring，能夠方便的編寫和部署Java對象，Spring提供容器，使得開發(fā)人員容易獲得一個Java Bean并使用它；它在Web層提供了MVC的開發(fā)框架，而在持久層上支持Hibernate框架，我們利用了它的這些特點。

2.2 數(shù)據(jù)庫軟件選取

MySQL是一個開放源碼的小型關聯(lián)式數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。目前MySQL被廣泛地應用在Internet上的中小型網(wǎng)站中。由于其體積小、速度快、總體擁有成本低，尤其是開放源碼這一特點，不僅僅許多中小型網(wǎng)站為了降低網(wǎng)站總體擁有成本而選擇了MySQL作為網(wǎng)站數(shù)據(jù)庫，很多大型互聯(lián)網(wǎng)公司都使用了MySQL作為存儲數(shù)據(jù)庫。

系統(tǒng)架構見圖2。

圖2 系統(tǒng)構架圖

3 平臺設計

3.1 客戶端操作及其權限設置

系統(tǒng)充分考慮了隧道管理的特點與需求，針對各個模塊制定了相應的權限設置功能，可創(chuàng)建具有任意權限的用戶，見圖3。例如，盾構段檢測人員可以被賦予盾構段模塊的數(shù)據(jù)管理權限，包括詳情管理、數(shù)據(jù)編輯、新增、刪除等，而其他模塊的數(shù)據(jù)管理功能可不對其完全開放，從而做到責任具體到個人。

平臺具有完整的增、刪、改、查、批量導入、批量刪除等功能，平臺左側(cè)以隧道的實體結構設計了樹狀按鈕，用戶可以選取擬維護的數(shù)據(jù)模塊，在右側(cè)點選數(shù)據(jù)維護方式，例如，當需要維護襯砌環(huán)縱斷面變形數(shù)據(jù)時，即可在左側(cè)樹狀圖中點擊“隧道信息-盾構段-襯砌環(huán)-病害檢測”，在菜單中選擇“縱斷面變形”，在右側(cè)選擇“新增”、“導入”、“編輯”、“添加”、“刪除”，即可進行相應操作。

對于某些可能存在大量數(shù)據(jù)錄入的情況，平臺依據(jù)設定好的數(shù)據(jù)驗證模塊，設計了批量導入的功能，例如，在縱斷面變形數(shù)據(jù)維護時，點擊“導入”按鈕，平臺可以給出數(shù)據(jù)批量導入的樣式及說明，見圖4，用戶可以在電腦中將標準化的Excel表格直接導入到系統(tǒng)中。

3.2 盾構隧道數(shù)據(jù)存儲、查詢、分析

本文選取上海市迎賓三路隧道做了部分數(shù)據(jù)存儲與分析的測試。迎賓三路隧道西起SN6路、沿規(guī)劃迎賓三路向東下穿七莘路、北橫徑港、虹橋機場南側(cè)、101鐵路線并沿現(xiàn)有迎賓三路出地面，止于A20公路。工程共分2段明挖隧道、2個工作井和1段盾構隧道3部分。隧道全長約3.1 km，主線結構長約2.9 km，盾構段長約1.9 km。最小豎曲線半徑900 m，最小平曲線半徑200 m，最大縱坡5.5%。

其中，盾構隧道外徑：13.95 m，采用通用管片，管片厚度0.6 m，環(huán)寬2.0 m。每環(huán)襯砌由9塊管片拼裝而成，錯縫拼裝，管片間采用斜螺栓連接，見圖5。

隧道幾何數(shù)據(jù)可在數(shù)據(jù)平臺中的襯砌環(huán)模塊中進行編輯，并將現(xiàn)有的襯砌環(huán)的一系列檢測數(shù)據(jù)從后臺輸入到系統(tǒng)中，平臺在輸入的時候做了相應的數(shù)據(jù)驗證，并當輸入數(shù)據(jù)存在異常時會給出建議，見圖6，當輸入某一環(huán)某次的環(huán)縫張開時，系統(tǒng)檢測到該數(shù)據(jù)較上次變化較大，即會在“備注信息”欄提示“本次測值變化較大，建議加密測量頻率”。

圖3 用戶權限管理

圖4 數(shù)據(jù)導入方式

圖5 盾構管片剖面圖

圖6 檢測數(shù)據(jù)檢入時提出檢測建議

后臺數(shù)據(jù)輸入之后，前臺即可顯示隧道的服役狀態(tài)，用戶可以通過查詢具體某一環(huán)的信息，見圖7。根據(jù)《盾構法隧道結構服役性能鑒定規(guī)范》（上海市地方規(guī)范，以下簡稱《服役性能鑒定規(guī)范》）[5]，整個盾構隧道從小范圍到大范圍依次分為結構構件服役狀態(tài)、結構區(qū)段服役狀態(tài)、隧道結構整體服役狀態(tài)，每一層次均以正常、退化、劣化、惡化、危險五種等級來衡量，并以不同編號進行編碼，例如，結構構件服役狀態(tài)用 a、b、c、d、e分別表示五種等級，在圖7中，襯砌環(huán)每一塊的每項檢測指標均顯示為相應的等級。

襯砌環(huán)整體的服役狀態(tài)由兩部分構成：構件狀態(tài)與連接狀態(tài)，構件狀態(tài)即通過檢測襯砌環(huán)中單片管片的綜合情況來評估得到的等級，包括保護層剝落厚度、鋼筋混凝土表面裂縫條數(shù)與寬度、表面是否有滲漏水等；連接狀態(tài)則是檢測管片與管片之間的連接狀態(tài)，包括接縫張開量（縱縫張開量與環(huán)縫張開量）、錯臺（縱縫錯臺與環(huán)縫錯臺）。

襯砌環(huán)的服役狀態(tài)可根據(jù)該環(huán)各個管片構件的檢測指標進行綜合評價，并在系統(tǒng)中用不同顏色顯示，依據(jù)《服役性能鑒定規(guī)范》，分別為正常（綠色）、退化（藍色）、劣化（黃色）、惡化（橙色）、危險（紅色），并進一步統(tǒng)計計算出一段隧道、乃至整段隧道的服役狀態(tài)[5]，用不同顏色顯示，見圖8、圖9。

本文設計的數(shù)據(jù)平臺允許用戶直接在隧道段、襯砌環(huán)中點選查詢，例如在圖8所示的隧道整體圖形中，用戶可直接點擊盾構段，即可查詢該盾構段所有的襯砌環(huán)的服役狀態(tài)，如圖9所示，從而很直觀地看出隧道哪里有問題，問題有多嚴重，并可以再點擊進入某一環(huán)進行查看，瀏覽該襯砌環(huán)的詳細信息。

3.3 數(shù)據(jù)分析、統(tǒng)計、圖表功能顯示

在圖7所示的襯砌環(huán)服役狀態(tài)頁面，可在左側(cè)樹狀查詢按鈕中點擊某一項具體指標查詢，例如點擊“環(huán)向張開”，可以查詢隧道的指定環(huán)的歷史環(huán)向張開量發(fā)展趨勢，見圖10，從圖10中可以看出，環(huán)向張開量在剛開始兩個月內(nèi)發(fā)展較快，隨后即趨于平緩，達到變形穩(wěn)定，在這段時間內(nèi)，通過觀察檢測數(shù)據(jù)發(fā)展趨勢，當變化超過預期時，可按系統(tǒng)提示加密檢測頻率。

圖7 襯砌環(huán)各項檢測數(shù)據(jù)

圖8 隧道整體服役狀態(tài)

圖9 隧道各環(huán)服役狀態(tài)一覽

圖10 某隧道某一環(huán)環(huán)縫張開量發(fā)展趨勢

3.4 盾構隧道全壽命周期數(shù)據(jù)的可視化顯示

由于城市道路隧道不同于地鐵隧道與礦山法公路隧道，隧道內(nèi)表面有多種墻板、裝飾板、設備等物體，這些給隧道檢測帶來了很多不便因素，即使是隧道斷面掃描儀也很難避開所有的遮蓋物而測出整個隧道環(huán)向變形。根據(jù)城市道路盾構隧道的特點，本文選取未完全遮蓋的上海市長江西路隧道作為檢測對象，見圖11，該隧道的圓隧道采用外徑15.00 m，內(nèi)徑13.70 m的橫斷面。圓隧道建筑限界上方設置風機、可變情報板、照明燈具等設備，車道側(cè)布置設備箱、CCTV、水霧噴頭等設備上層空間為重點排煙道；車道板下設置安全通道、電纜通道。

利用隧道斷面掃描儀對可以測的圓弧形部位進行測量，假定隧道變形后為橢圓，將測出的數(shù)值按橢圓形進行插值擬合，得出每一環(huán)變形后的最大與最小變形、橢圓偏轉(zhuǎn)角，在數(shù)據(jù)平臺中繪制出隧道的斷面變形圖，見圖12。

除了前文講述的數(shù)據(jù)可視化顯示之外，平臺具有幾個重要功能：全壽命周期數(shù)據(jù)追溯、數(shù)據(jù)曲線規(guī)律、前攝性養(yǎng)護提醒與建議郵件提醒、健康狀態(tài)評估等。

3.5 盾構隧道前攝性預警系統(tǒng)的實現(xiàn)

圖11 長江西路隧道斷面設計圖

圖12 檢測數(shù)據(jù)圖表化顯示

所謂前攝性養(yǎng)護，即是在隧道尚未發(fā)生大的破壞時，提前發(fā)出預警，提醒隧道養(yǎng)護人員做出相關響應，避免隧道進一步劣化。

例如，在傳統(tǒng)的隧道中，可能發(fā)生“惡化”級別的地方會被認為是病害，繼而對該處進行修補，而在本文中，系統(tǒng)中用五種顏色來表示隧道各襯砌環(huán)不同的狀態(tài)，養(yǎng)護人員不僅可以看到各環(huán)的總體狀態(tài)，從而了解到隧道哪些地方有問題，哪些地方問題比較嚴重，也能看到每環(huán)的歷史狀態(tài)，從而分析哪些地方雖然尚未達到“惡化”級別，但可能即將發(fā)展成病害，并及早進行處理，從而避免隧道不良問題的進一步發(fā)展。

此外，數(shù)據(jù)平臺設計了郵件自動提醒的功能，系統(tǒng)內(nèi)部設置了“危險數(shù)據(jù)紅線”，將當隧道檢測數(shù)據(jù)錄入進去之后，系統(tǒng)將在內(nèi)部進行運算，并分析出整個隧道的服役狀態(tài)及各部分細項的基本情況，并定時向項目負責人發(fā)送郵件，而一旦當系統(tǒng)認為隧道服役狀態(tài)達到或超過“紅線”所規(guī)定的危險數(shù)值時，系統(tǒng)將立即向相關負責人發(fā)送郵件，并給出維護建議，見圖13。

圖13 系統(tǒng)郵件提醒功能

4 結論與展望

本文設計的盾構隧道建養(yǎng)一體化信息平臺，主要參照了相關盾構隧道的服役性能評價規(guī)范（地方規(guī)范），具有一定的應用意義；而平臺中記錄數(shù)據(jù)的方式參考了上海市長江隧道、迎賓三路隧道、長江西路隧道等多個城市道路盾構隧道，盡管目前尚未將本文中的數(shù)據(jù)記錄與編碼方式上升為標準性文件，但在現(xiàn)有的工程應用中得到了一定的認可，具有推廣價值。

盾構隧道建設與養(yǎng)護一體化平臺包含了盾構隧道管理全壽命周期的數(shù)據(jù)信息，這對工程建設與養(yǎng)護人員提供了更快捷的數(shù)據(jù)管理與查詢方式，可大大降低工程建設與養(yǎng)護費用；同時，盾構隧道建養(yǎng)一體化信息平臺的使用可在行業(yè)內(nèi)可進一步推動信息化，從而使不同部門、不同人員，乃至不同隧道之間實現(xiàn)數(shù)據(jù)交換與共享，從而建立更加高效的盾構隧道“數(shù)字化博物館”。

[1]J.R.Greenwood.Developments in computerized ground investigation data[J].Ground Engineering,Sept.1988,36-41.

[2]M.R.Halfawy.Municipal information models and federated software architecture for implementing integrated infrastructure management environments[J].Automation in Construction,2010(19):433–446.

[3]Gore A..The digital Earth:Understanding our planet in the 21st century[R].Los Angeles,California:California Science Center,1998.

[4]朱合華.從數(shù)字地球到數(shù)字地層—巖土工程發(fā)展新思維[J].巖土工程界,1998(12):15-17.

[5]王長虹.數(shù)字地下空間與工程數(shù)據(jù)管理核心技術研究及其應用[D].上海:同濟大學,2008.

[6]DGT J08-2123-2013，盾構法隧道結構服役性能鑒定規(guī)范[S].