中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下大型地下通道施工的安全信息化管控技術(shù)

蘇 勇

上海建工集團(tuán)股份有限公司總承包部 上海 200080

近年來(lái)，我國(guó)城市市政基礎(chǔ)交通發(fā)展迅猛，在城市建設(shè)浪潮中受到極大關(guān)注。然而，由于市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有投資大、施工周期長(zhǎng)、施工技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見(jiàn)因素多和對(duì)社會(huì)環(huán)境影響大等特點(diǎn)，其安全風(fēng)險(xiǎn)居高不下，主要表現(xiàn)為地面沉降及塌陷、地下管線嚴(yán)重變形及斷裂、鄰近建筑物傾斜與開(kāi)裂、基坑大面積變形與坍滑、支護(hù)失穩(wěn)及工程結(jié)構(gòu)物破壞等。特別是在中心城區(qū)，市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的空間受到極大制約，處于“見(jiàn)縫插針”式的建造狀態(tài)，工程周邊既有建筑物、地下公共設(shè)施眾多，使得工程施工的安全控制難度極大。尤其是經(jīng)過(guò)多年的軌道交通建設(shè)、地下空間開(kāi)發(fā)建設(shè)和大型市政管網(wǎng)改造建設(shè)，維持城市有效運(yùn)轉(zhuǎn)的地鐵網(wǎng)絡(luò)、大型原水管、干線供電系統(tǒng)、城市防汛系統(tǒng)等城市生命線更是星羅棋布，如果市政工程建設(shè)稍有不慎，將會(huì)造成災(zāi)難性后果。因此，中心城區(qū)的市政基礎(chǔ)設(shè)施開(kāi)發(fā)建設(shè)，施工風(fēng)險(xiǎn)尤為突出，安全控制和風(fēng)險(xiǎn)管理至關(guān)重要[1-3]。

1 工程概況

1.1 工程總體概況

北橫通道新建工程Ⅰ標(biāo)由4個(gè)區(qū)段組成，自西向東分別是：北虹路立交段、中山公園工作井及江蘇路匝道段、長(zhǎng)壽路橋改建段、海寧路隧道段（圖1）。

圖1 北橫通道新建工程Ⅰ標(biāo)總平面示意

北虹路立交為北橫通道與中環(huán)線互通立交，包括主線高架（主線N、主線S）、7條匝道（編號(hào)EN、ES、NE、SE、EE、WEX、EWS）和FEI人非橋。

中山公園井位于長(zhǎng)寧區(qū)中山公園內(nèi)，工作井東西向長(zhǎng)74.5 m，南北向?qū)?4.2～26.1 m，含2個(gè)挖深31 m的盾構(gòu)井；江蘇路匝道沿長(zhǎng)寧路方向，途經(jīng)華陽(yáng)路、江蘇路，至長(zhǎng)寧支路與長(zhǎng)寧路口接地，總長(zhǎng)1 550 m，里程樁號(hào)Z6K0＋00.00～Z6K1＋550.00。

長(zhǎng)壽路改建工程為長(zhǎng)壽路跨蘇州河中幅橋重建橋梁，起點(diǎn)樁號(hào)K0＋135，終點(diǎn)樁號(hào)K0＋375，橋梁長(zhǎng)度240 m，橋梁寬度16 m，橋梁面積3 840 m2。

海寧路隧道采用單層雙室明挖地道形式，西起晉元路，向東穿越吳淞路后接地，地道長(zhǎng)約2.45 km。

1.2 項(xiàng)目技術(shù)特點(diǎn)及重大風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

1）中心城區(qū)、長(zhǎng)距離、大體量、綜合性項(xiàng)目工程組織要求高。項(xiàng)目位于長(zhǎng)寧、普陀、靜安、虹口等中心城區(qū)，人口密集，交通繁忙。從北虹路立交起始點(diǎn)至通道九龍路接地點(diǎn)，全長(zhǎng)逾13 km，跨度范圍極長(zhǎng)。工程為包含橋梁、深基坑、盾構(gòu)隧道等工程的綜合性施工項(xiàng)目，挖土量超過(guò)900 000 m3，混凝土使用量超過(guò)250 000 m3，綜合體量極大。因此，如何在中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工程的精細(xì)化管理成為科學(xué)、合理、高效地組織好施工的重中之重。

2）明挖通道上跨運(yùn)營(yíng)軌交隧道保護(hù)要求高。明挖通道段在西藏北路、河南北路處分別上跨軌道交通8號(hào)線、10號(hào)線，結(jié)構(gòu)底標(biāo)高與軌道交通盾構(gòu)間距分別為6.2、4.8 m（圖2、圖3）。根據(jù)《上海市軌道交通管理?xiàng)l例》的要求：保護(hù)范圍為地下車(chē)站與隧道外邊線外側(cè)50 m內(nèi)。其變形控制要求為：最大沉降隆起量≤10 mm，保護(hù)要求極高。

圖2 明挖通道段上跨穿越軌道交通8號(hào)線平、剖面示意

圖3 明挖通道段上跨穿越軌道交通10號(hào)線平、剖面示意

3）中心城區(qū)地下工程施工對(duì)周邊建（構(gòu)）筑物、管線保護(hù)要求高。工程地處市中心，江蘇路匝道位于長(zhǎng)寧路上，明挖通道段位于海寧路上，工程沿線近鄰相對(duì)重要的建筑共98棟，其中35棟建筑需動(dòng)拆遷，在基坑影響范圍內(nèi)需保護(hù)的建筑有63處，22處建筑在1倍基坑挖深范圍內(nèi)，最近距離6.4 m，需要重點(diǎn)保護(hù)（圖4）。

圖4 明挖通道段周邊環(huán)境平面示意

4）中心城區(qū)大跨城市高架橋高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高。北虹路立交跨中環(huán)線及蘇州河橋梁跨度大、斜交角度大，周邊條件復(fù)雜，難度大，施工極富挑戰(zhàn)性。其中跨越中環(huán)線鋼結(jié)構(gòu)施工，高空作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、工作量大，EE、主線N、S上跨中環(huán)線，跨徑達(dá)72.24 m，為3～4層立交，與中環(huán)線凈空5～10 m（圖5）。中環(huán)線為城市骨架路，具有車(chē)速快、車(chē)流量大的特點(diǎn)，中環(huán)線鋼結(jié)構(gòu)安裝施工期間要保證中環(huán)線的暢通，施工風(fēng)險(xiǎn)大，對(duì)中環(huán)線保護(hù)要求高。跨蘇州河水上施工涉及水上支架搭設(shè)及鋼箱梁安裝，跨蘇州河鋼箱梁跨徑達(dá)148.76 m，水上作業(yè)周期長(zhǎng)，蘇州河屬6級(jí)航道，施工期間船舶正常通行，水上施工安全風(fēng)險(xiǎn)高（圖6）。

圖5 跨越中環(huán)線鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場(chǎng)現(xiàn)狀

圖6 跨蘇州河水上施工現(xiàn)狀

2 北橫通道施工安全信息化安全管控技術(shù)

2.1 多項(xiàng)目環(huán)境下基于精細(xì)化協(xié)同管理的施工風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程智能管控平臺(tái)

根據(jù)北橫通道新建工程Ⅰ標(biāo)長(zhǎng)距離、大體量、高綜合性的特點(diǎn)，創(chuàng)新建立了基于精細(xì)化協(xié)同管理的多項(xiàng)目環(huán)境下施工風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程智能管控平臺(tái)，通過(guò)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)技術(shù)、信息化數(shù)據(jù)管理和智能預(yù)警技術(shù)的深度融合，構(gòu)建了項(xiàng)目綜合信息管理平臺(tái)，建立了復(fù)雜施工環(huán)境下結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)與智能預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了多項(xiàng)目環(huán)境下施工安全風(fēng)險(xiǎn)的“及時(shí)評(píng)估、超前預(yù)判及快速反饋”。該平臺(tái)主要集成的功能模塊如下：數(shù)據(jù)異常管理、CAD圖紙管理、監(jiān)測(cè)配置、預(yù)報(bào)警事件、重置個(gè)人密碼、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)管理、異常監(jiān)測(cè)項(xiàng)目設(shè)置、視頻設(shè)備管理、首頁(yè)后臺(tái)管理、工程配置、安全評(píng)估管理、地圖模塊、文檔系統(tǒng)、施工工況等（圖7）。

圖7 系統(tǒng)功能模塊

多項(xiàng)目環(huán)境下基于精細(xì)化協(xié)同管理的施工風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程智能管控平臺(tái)，借助施工監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)自動(dòng)或人工錄入、數(shù)據(jù)無(wú)線遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)后臺(tái)快速整理將施工現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)源監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)匯總至施工遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的快速傳遞、匯總與分析；實(shí)現(xiàn)對(duì)各建設(shè)階段安全風(fēng)險(xiǎn)排查、評(píng)估、預(yù)報(bào)與報(bào)警信息的及時(shí)發(fā)布；實(shí)現(xiàn)對(duì)工程勘察、設(shè)計(jì)、施工技術(shù)文檔的網(wǎng)絡(luò)集中管理與共享，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)施工數(shù)據(jù)管理信息化、安全評(píng)估智能化、預(yù)警反饋即時(shí)化，保證數(shù)據(jù)第一時(shí)間傳輸至工程管理人員，便于工程管理決策。

2.2 復(fù)雜區(qū)域環(huán)境下施工危險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)跟蹤智能安全監(jiān)管技術(shù)

北橫通道涉及橋梁、深基坑、盾構(gòu)隧道等工程，工程規(guī)模大、技術(shù)工藝復(fù)雜、現(xiàn)場(chǎng)安全監(jiān)管難度大。傳統(tǒng)的監(jiān)督方式由于監(jiān)督人力有限，同時(shí)缺乏先進(jìn)的輔助監(jiān)管設(shè)備，導(dǎo)致施工安全監(jiān)管效率低下、不及時(shí)、缺乏科學(xué)性和規(guī)范性，已經(jīng)不適應(yīng)新形勢(shì)下重大建設(shè)工程對(duì)安全監(jiān)控管理的要求。

為此，采用視頻監(jiān)控技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將施工中的人、物、環(huán)境等管理信息集成，建立了實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)跟蹤監(jiān)護(hù)、快速數(shù)據(jù)分析、及時(shí)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警的復(fù)雜區(qū)域環(huán)境下施工危險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)跟蹤智能安全監(jiān)管技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了集現(xiàn)場(chǎng)全方位監(jiān)控、全天候預(yù)警、管控于一體的目標(biāo)。

可視化監(jiān)控系統(tǒng)采用IPC（網(wǎng)絡(luò)攝像機(jī)）/手機(jī)端＋NVR（網(wǎng)絡(luò)硬盤(pán)錄像機(jī)）式的純數(shù)字視頻監(jiān)控模式，該模式基于發(fā)展成熟且無(wú)處不在的IP網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)部署。該系統(tǒng)具有監(jiān)控點(diǎn)位不受地域限制、施工簡(jiǎn)單快速、布線成本低廉、網(wǎng)絡(luò)傳輸自由、圖紙質(zhì)量無(wú)損等特點(diǎn)。可視化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括4個(gè)組成部分：前臺(tái)視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、后臺(tái)實(shí)時(shí)監(jiān)控及顯示系統(tǒng)、后臺(tái)存儲(chǔ)系統(tǒng)等。

2.3 復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)虛擬拼裝技術(shù)

北虹路立交跨中環(huán)線、蘇州河段為復(fù)雜空間線型的大曲率鋼箱梁，借助數(shù)字化虛擬拼裝方法和專(zhuān)項(xiàng)技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的無(wú)實(shí)體試拼裝，提前發(fā)現(xiàn)工程實(shí)際吊裝中存在的問(wèn)題與風(fēng)險(xiǎn)，提高工程建設(shè)效率，強(qiáng)化工程建設(shè)質(zhì)量管控，降低工程建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)。為此，基于虛擬建造理論，采用三維模型技術(shù)（如BIM），模擬復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)分段拼裝過(guò)程中構(gòu)件可能產(chǎn)生的變形和附加內(nèi)力，預(yù)演工程建設(shè)過(guò)程，及早發(fā)現(xiàn)工程中存在的問(wèn)題，超前實(shí)現(xiàn)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)拼裝過(guò)程虛擬化建造（圖8）。

圖8 北虹路立交BIM建模虛擬分析

2.4 基坑圍護(hù)變形智能控制技術(shù)

基坑圍護(hù)變形智能控制采用深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)變形控制自適應(yīng)支撐系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍護(hù)體結(jié)構(gòu)變形全程實(shí)時(shí)監(jiān)控。該系統(tǒng)主要通過(guò)圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移變形智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控圍護(hù)體系變形并反饋到軸力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)，軸力自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)通過(guò)液壓伺服裝置對(duì)鋼支撐施加軸力，從而有效控制和減小基坑的變形，確保高敏感環(huán)境下管線與建筑物的安全（圖9）。

圖9 基坑圍護(hù)變形智能控制系統(tǒng)支撐布置

以海寧路為例，隧道處于靜安、虹口市中心鬧市區(qū)，道路兩側(cè)建筑物林立，在基坑影響范圍內(nèi)的建筑約50處，部分建筑緊鄰基坑圍護(hù)外邊線，為此對(duì)基坑開(kāi)挖影響范圍內(nèi)的重要建筑/管線有針對(duì)性地布置基坑圍護(hù)自適應(yīng)支撐系統(tǒng)，降低基坑開(kāi)挖期間的圍護(hù)體系變形，減小因圍護(hù)體系變形引發(fā)的建筑地基變形，有效控制建筑的附加變形或者不可逆損傷等。

3 工程應(yīng)用效果

目前，北橫通道新建工程Ⅰ標(biāo)中的北虹路立交段、中山公園工作井已開(kāi)建，通過(guò)以上安全信息控制技術(shù)的應(yīng)用，確保了工程建設(shè)的順利進(jìn)行，具體應(yīng)用效果如下：

1）多項(xiàng)目環(huán)境下基于精細(xì)化協(xié)同管理的施工風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程智能管控平臺(tái)的應(yīng)用，通過(guò)使用基于信息化集成平臺(tái)的安全管理系統(tǒng)，能夠有效掌握施工階段的安全信息，將工程安全監(jiān)控技術(shù)以業(yè)務(wù)流程為主線，以多項(xiàng)目環(huán)境下相關(guān)部門(mén)為單位，連結(jié)成為有機(jī)整體，使工程安全信息在不同業(yè)務(wù)和不同環(huán)節(jié)中得到快速、準(zhǔn)確的傳遞，避免信息在傳遞過(guò)程中的“失真”，杜絕出現(xiàn)安全“信息孤島”，消除安全隱患，實(shí)現(xiàn)了中山公園工作井和北虹路立交的安全建設(shè)。以中山公園工作井為例，順利實(shí)現(xiàn)了在鄰近周邊建筑、地層復(fù)雜多變環(huán)境下，71 m以深的超深地下連續(xù)墻施工，攻克了開(kāi)挖面穩(wěn)定、⑨層地下水安全降排難題（圖10）。

2）通過(guò)復(fù)雜區(qū)域環(huán)境下施工危險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)跟蹤智能安全監(jiān)管技術(shù)，能夠有效地監(jiān)控項(xiàng)目的施工安全狀態(tài)，對(duì)各個(gè)工程的不同施工階段能夠通過(guò)網(wǎng)絡(luò)信息平臺(tái)進(jìn)行查詢(xún)、監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了已開(kāi)工的中山公園工作井和北虹路立交安全施工的可視化管理。

3）通過(guò)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)虛擬拼裝技術(shù)的應(yīng)用，制訂了上跨中環(huán)線（跨徑72 m）及蘇州河（跨徑148 m）鋼結(jié)構(gòu)高空安裝方案，采用大跨度鋼箱梁懸臂拼裝跨越中環(huán)線可實(shí)現(xiàn)不設(shè)支架、不影響現(xiàn)有交通路網(wǎng)，完成最長(zhǎng)6 h內(nèi)大節(jié)段整體跨越中環(huán)線，有效避免施工對(duì)既有城市快速路的影響（圖11、圖12）。

圖10 中山公園71 m以深地下連續(xù)墻施工

圖11 北虹路立交跨越中環(huán)線鋼結(jié)構(gòu)虛擬拼裝

4 結(jié)語(yǔ)

圖12 北虹路立交跨蘇州河水上鋼結(jié)構(gòu)虛擬拼裝

以上海在建中心城區(qū)北橫通道新建工程Ⅰ標(biāo)為依托，針對(duì)長(zhǎng)距離、大體量、綜合性高、組織難度大、環(huán)境保護(hù)苛刻以及重大工程建造項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)大、預(yù)警嚴(yán)重滯后等難題，開(kāi)發(fā)了多項(xiàng)目環(huán)境下基于精細(xì)化協(xié)同管理的施工風(fēng)險(xiǎn)遠(yuǎn)程智能管控平臺(tái)，形成了復(fù)雜區(qū)域環(huán)境下施工危險(xiǎn)源動(dòng)態(tài)跟蹤智能安全監(jiān)管技術(shù)、復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)虛擬拼裝技術(shù)和基坑圍護(hù)變形智能控制技術(shù)[4-6]。通過(guò)安全監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)的獲取、施工過(guò)程中安全監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)的采集及傳輸方式的確定，建立了重大工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)智能化監(jiān)控成套技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了施工安全監(jiān)控信息化、遠(yuǎn)程化、風(fēng)險(xiǎn)即時(shí)評(píng)定及建筑企業(yè)協(xié)同管理模式，將帶動(dòng)建筑工程施工過(guò)程控制及安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警進(jìn)入信息化時(shí)代，開(kāi)啟建筑業(yè)信息化管理平臺(tái)，推動(dòng)建筑業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級(jí)。