地鐵盾構(gòu)施工安全作業(yè)支持系統(tǒng)研究

曾鐵梅1 許恒誠2, 3 趙 龍4 陳 健

(1.武漢地鐵集團(tuán)有限公司總工程師辦公室，武漢 430070； 2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，武漢 430074； 3.湖北省數(shù)字建造與安全工程技術(shù)研究中心，武漢 430074； 4.上海隧道工程有限公司，上海 200032)

1 引言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，各大中城市均把發(fā)展軌道交通作為解決城市空間擁擠、交通堵塞等問題的重要途徑。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，到2020年時，我國地鐵的運(yùn)營里程將達(dá)到6 600km，地鐵建設(shè)仍處于快速發(fā)展階段[1]。鑒于盾構(gòu)法具有適應(yīng)性好、安全性和自動化水平高、施工進(jìn)度快等優(yōu)點(diǎn)，是修建地鐵區(qū)間隧道的主要工法[2-4]。

盾構(gòu)法的核心施工設(shè)備是盾構(gòu)機(jī)。盾構(gòu)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)的安全穩(wěn)定，是保證隧道項目進(jìn)度、質(zhì)量、成本與安全的基礎(chǔ)。一般而言，城市進(jìn)行大規(guī)模的地鐵隧道建設(shè)活動，需要大量的盾構(gòu)機(jī)投入施工。因此，如何有效地對多臺不同種類、不同品牌的盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行遠(yuǎn)程監(jiān)控，并挖掘分析盾構(gòu)機(jī)參數(shù)中的信息指導(dǎo)施工管理，成為了地鐵工程建設(shè)單位的亟待解決的難題。

通常盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠商都會開發(fā)一套盾構(gòu)機(jī)實(shí)時監(jiān)控管理系統(tǒng)，用于施工現(xiàn)場輔助盾構(gòu)機(jī)操作人員掌控施工參數(shù)。然而，大多數(shù)系統(tǒng)只能實(shí)現(xiàn)簡單的本地數(shù)據(jù)顯示，或直連地面項目部，不支持多用戶訪問，更無法通過互聯(lián)網(wǎng)快捷地遠(yuǎn)程登錄監(jiān)控。加之不同盾構(gòu)機(jī)品牌廠商的系統(tǒng)又無法兼容，因此無法實(shí)現(xiàn)多臺盾構(gòu)的集中監(jiān)控。另外，當(dāng)前眾多盾構(gòu)機(jī)參數(shù)管理系統(tǒng)仍采用了Client/Server(C/S)架構(gòu)，使用時需提前安裝客戶端，不利于系統(tǒng)的更新和維護(hù)。表1總結(jié)了當(dāng)前常見的三種盾構(gòu)機(jī)參數(shù)監(jiān)控管理系統(tǒng)的優(yōu)劣勢。綜合以上，研究認(rèn)為研發(fā)一套基于B/S架構(gòu)的盾構(gòu)施工安全作業(yè)支持系統(tǒng)十分必要。

2 Browser/Server架構(gòu)

Browser/Server(B/S)架構(gòu)，即瀏覽器/服務(wù)器架構(gòu)，是對于C/S架構(gòu)的一種革新。在B/S模式下，任意智能終端運(yùn)行瀏覽器軟件，瀏覽器以超文本HTTP格式向Web服務(wù)器發(fā)出請求以訪問云端數(shù)據(jù)庫，而Web服務(wù)器接受服務(wù)端請求后，將這個請求自動轉(zhuǎn)化為SQL查詢語句，并傳遞給數(shù)據(jù)庫服務(wù)器。數(shù)據(jù)庫服務(wù)器得到請求后，驗(yàn)證其合法性，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，然后將處理后的結(jié)構(gòu)返回給Web服務(wù)器，Web服務(wù)器再將一次得到的結(jié)果轉(zhuǎn)化為HTML文檔形式，通過瀏覽器頁面以友好的Web頁面顯示出來，其結(jié)構(gòu)原理如圖1所示[11]。B/S網(wǎng)絡(luò)構(gòu)架具有客戶端軟硬件要求低，維護(hù)、升級便捷以及更適應(yīng)移動互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展趨勢等優(yōu)勢[12]，因此本系統(tǒng)開發(fā)決定采用B/S模式。

表1 盾構(gòu)施工管理信息系統(tǒng)類別及優(yōu)缺點(diǎn)比較[5-10]
Tab.1 Types and advantages and disadvantages of shield construction management information system

3 系統(tǒng)框架

本系統(tǒng)從結(jié)構(gòu)上可以劃分為盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)和盾構(gòu)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程管理子系統(tǒng)。盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)用于采集隧道項目的盾構(gòu)機(jī)數(shù)據(jù)，包括盾構(gòu)機(jī)實(shí)時數(shù)據(jù)和人工填報數(shù)據(jù)。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器安裝在盾構(gòu)施工項目部地面監(jiān)控室內(nèi)，數(shù)據(jù)采集服務(wù)器與盾構(gòu)機(jī)的可編程控制器(PLC)采用光纖進(jìn)行通信，保證信號的傳輸效率和質(zhì)量。數(shù)據(jù)采集客戶端通過OPC server與盾構(gòu)機(jī)PLC進(jìn)行數(shù)據(jù)交換，是一種開放的、與應(yīng)用程序無關(guān)的系統(tǒng)接口標(biāo)準(zhǔn)，因此可以實(shí)現(xiàn)從不同的品牌盾構(gòu)機(jī)的PLC中讀取數(shù)據(jù)。

盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集客戶端通過專用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送到數(shù)據(jù)中心的接收客戶端，數(shù)據(jù)接收客戶端將收到的數(shù)據(jù)寫入數(shù)據(jù)庫實(shí)時存儲。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器具有緩存功能，能在因特網(wǎng)斷開連接時實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的緩存，當(dāng)通訊回復(fù)后，再將數(shù)據(jù)傳回數(shù)據(jù)中心，保證采集盾構(gòu)數(shù)據(jù)的連續(xù)性和完整性。人工數(shù)據(jù)主要包括盾構(gòu)隧道相關(guān)的人工監(jiān)測數(shù)據(jù)，如地面沉降、施工時間記錄表等。此類數(shù)據(jù)由工程師在盾構(gòu)施工時進(jìn)行記錄，本系統(tǒng)也開發(fā)了相應(yīng)的數(shù)據(jù)填報系統(tǒng)，可以在當(dāng)班時直接通過平板電腦錄入，省去了過去先紙質(zhì)記錄、后將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)錄的流程，實(shí)現(xiàn)了線上、線下數(shù)據(jù)一體化填報。

通過盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)得到的數(shù)據(jù)，可以經(jīng)由遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)進(jìn)行訪問，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)參數(shù)數(shù)據(jù)展示和分析的功能。用戶可以通過PC機(jī)、平板電腦或手機(jī)等任意具有上網(wǎng)功能的智能終端設(shè)備瀏覽器進(jìn)行盾構(gòu)數(shù)據(jù)的訪問。同時，系統(tǒng)也根據(jù)用戶的權(quán)限進(jìn)行分級管理，每一級用戶都有相應(yīng)的讀、寫數(shù)據(jù)的權(quán)限，便于項目管理，其系統(tǒng)框架如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)施工安全作業(yè)支持系統(tǒng)Fig.2 Metro Shield Safe Construction Support System Framework

4 系統(tǒng)開發(fā)與案例應(yīng)用情況

為促進(jìn)信息共享和項目管理決策，本文以武漢地鐵7號線三陽路越江隧道為研究與應(yīng)用對象，開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的越江泥水盾構(gòu)安全作業(yè)支持系統(tǒng)。

三陽路越江隧道是國內(nèi)首條公鐵合建穿越長江的隧道，左右線均長2 590m。隧道外徑15.2m，內(nèi)徑13.9m，管片環(huán)寬2m，厚度為650mm。隧道最大縱坡2.8%，最小轉(zhuǎn)彎半徑1 200m，最大覆土深度39.5m，最小覆土深度8.4m。根據(jù)本工程隧道所穿越地層的特點(diǎn)，選用了2臺德國海瑞克公司生產(chǎn)的直徑15.76m復(fù)合式泥水氣壓平衡式盾構(gòu)機(jī)進(jìn)行施工。該型泥水平衡盾構(gòu)機(jī)，后臺各類監(jiān)控與控制參數(shù)達(dá)900余種，遠(yuǎn)程參數(shù)采集與監(jiān)控具有相當(dāng)?shù)碾y度。本系統(tǒng)以Java Development Kit(JDK)為開發(fā)平臺，以MyEclipse為開發(fā)工具，以Java為程序設(shè)計語言，并選擇SQL Server 2008為數(shù)據(jù)庫。本系統(tǒng)從功能上由三個模塊組成，分別為：盾構(gòu)參數(shù)管理模塊、數(shù)據(jù)展示模塊以及分析模塊。

4.1 數(shù)據(jù)管理模塊

數(shù)據(jù)的創(chuàng)建、導(dǎo)入、保存、管理和維護(hù)由數(shù)據(jù)管理模塊負(fù)責(zé)。本系統(tǒng)提供了項目數(shù)據(jù)導(dǎo)入的兩條途徑，用于處理不同類型的信息。

(1)盾構(gòu)參數(shù)實(shí)時采集

三陽路越江隧道的海瑞克泥水盾構(gòu)，其自動采集的數(shù)據(jù)存儲于盾構(gòu)機(jī)的PLC里，使用光纖作為傳輸介質(zhì)，把數(shù)據(jù)傳輸至地面的數(shù)據(jù)采集服務(wù)器。數(shù)據(jù)采集服務(wù)器通過VPN專用網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，寫入數(shù)據(jù)庫加以存儲，供程序調(diào)用。

(2)施工日志填報

施工日志填報用于采集人工測量數(shù)據(jù)(如沉降監(jiān)測、盾尾間隙、刀具磨損等)以及項目進(jìn)度和管理信息。為便于數(shù)據(jù)的存儲和調(diào)用，該模塊采用結(jié)構(gòu)化存儲設(shè)計，使用WBS將盾構(gòu)隧道分解為分部分項，獨(dú)立填報。傳統(tǒng)施工中，施工單位會將盾構(gòu)掘進(jìn)記錄填報在紙質(zhì)表格作為項目資料加以存儲，使用時須將數(shù)據(jù)重新錄入計算機(jī)加以計算分析，十分繁瑣。三陽路越江隧道項目中，現(xiàn)場工程師通過便攜式智能終端(智能手機(jī)、平板電腦等設(shè)備)直接將數(shù)據(jù)錄入系統(tǒng)(圖3)，一鍵式生成統(tǒng)計分析報表(圖4)，顯著提高了數(shù)據(jù)的抽取與利用效率。

4.2 數(shù)據(jù)顯示模塊

數(shù)據(jù)可視化模塊基于瀏覽器展示，主要分為企業(yè)級和盾構(gòu)機(jī)級的數(shù)據(jù)展示。

4.2.1 企業(yè)級管理

該管理層級系統(tǒng)整合了企業(yè)(可為武漢地鐵集團(tuán)或上海隧道工程有限公司等)在全局范圍內(nèi)的所有的盾構(gòu)項目信息，以實(shí)現(xiàn)對企業(yè)在建項目的分布以及盾構(gòu)機(jī)實(shí)時工作狀態(tài)的遠(yuǎn)程監(jiān)控。此模塊有兩種項目的展現(xiàn)形式，一種為匯總表模式，另一種為全網(wǎng)圖模式。

(1)匯總表模式

圖3 盾構(gòu)施工記錄線上填報Fig.3 Shield construction record online reporting system

圖4 三陽路越江隧道的盾構(gòu)施工記錄時間統(tǒng)計報表Fig.4 Shield construction record time statistics

該模式下，系統(tǒng)以列表的形式匯總了企業(yè)在全局范圍內(nèi)盾構(gòu)項目的盾構(gòu)機(jī)實(shí)時工作狀態(tài)，每一條包含了該盾構(gòu)的若干信息，如項目所在地區(qū)、線路、盾構(gòu)機(jī)名稱、盾構(gòu)機(jī)實(shí)時施工參數(shù)等信息，并對盾構(gòu)機(jī)按照施工參數(shù)是否正常以及是否貫通進(jìn)行了統(tǒng)計。如圖5所示，三陽路越江隧道盾構(gòu)左線909與右線908在系統(tǒng)中為三陽路隧道項目下監(jiān)控的兩臺獨(dú)立的盾構(gòu)機(jī)。

圖5 區(qū)域項目匯總表Fig.5 Regional Project Summary

(2)全網(wǎng)圖模式

此模式下，以盾構(gòu)機(jī)圖標(biāo)在全局地圖標(biāo)注為展示形式，可以直觀了解企業(yè)在全局范圍內(nèi)的盾構(gòu)分布情況，并提供盾構(gòu)機(jī)概況查看和項目分布圖縮放漫游查看的功能?？梢圆榭炊軜?gòu)機(jī)概況、工作狀態(tài)報警、通信狀態(tài)報警。例如，將鼠標(biāo)移動至相應(yīng)圖標(biāo)位置，即可以浮動窗口的形式顯示該項目盾構(gòu)施工的概況信息，如項目名稱、盾構(gòu)機(jī)名稱、當(dāng)前施工環(huán)數(shù)、總環(huán)數(shù)以及施工狀態(tài)。另外，也可根據(jù)圖標(biāo)的變化，確定盾構(gòu)機(jī)的工作和通訊狀態(tài)是否正常。判斷規(guī)則為：盾構(gòu)圖標(biāo)顯示綠色表明該盾構(gòu)參數(shù)正常，紅色表明該盾構(gòu)參數(shù)超限、灰色表明該施工路線已貫通； 通過觀察盾構(gòu)圖標(biāo)上是否顯示感嘆號判斷盾構(gòu)機(jī)通信是否正常，盾構(gòu)圖標(biāo)上顯示感嘆號則表明盾構(gòu)通信異常。如圖6，即是三陽路越江隧道右線908號盾構(gòu)機(jī)在系統(tǒng)全網(wǎng)圖模式下的簡窗展示方式。

圖6 全國項目分布查詢管理Fig.6 National Project Distribution Query Management

圖7 盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控Fig.7 Shield remote monitoring of key parameters

4.2.2 盾構(gòu)機(jī)級管理

盾構(gòu)法施工中，對重要盾構(gòu)施工參數(shù)的實(shí)時監(jiān)控是保證工程順利推進(jìn)的關(guān)鍵。本模塊用于對盾構(gòu)機(jī)施工實(shí)時數(shù)據(jù)進(jìn)行監(jiān)控，頁面集成推進(jìn)、刀盤、導(dǎo)向、同步注漿、泥水平衡(適用于泥水平衡盾構(gòu))等四大系統(tǒng)的關(guān)鍵參數(shù)供工程技術(shù)人員實(shí)時查看。在三陽路越江隧道的兩臺超大直徑泥水盾構(gòu)的工程應(yīng)用中，各參建單位，在預(yù)先設(shè)置的瀏覽權(quán)限下，均可以利用瀏覽器隨時隨地對盾構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)遠(yuǎn)程監(jiān)控，掘進(jìn)狀態(tài)隨時把握，防患于未然，實(shí)現(xiàn)異地遠(yuǎn)程實(shí)時監(jiān)控，極大地拓展了現(xiàn)場工程師的工作時空范圍。

4.3 數(shù)據(jù)分析模塊

基于盾構(gòu)安全作業(yè)支持系統(tǒng)存儲的模型數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)提供了多個數(shù)據(jù)分析工具，用于支持盾構(gòu)施工決策。幾個主要分析功能包括：

(1)施工參數(shù)分析

該分析工具可以實(shí)現(xiàn)對盾構(gòu)參數(shù)在一環(huán)或多環(huán)連續(xù)施工過程中繪制曲線，可支持多種不同類型的參數(shù)(如壓力、行程、推進(jìn)速度)繪制在同一折線圖上，該曲線可以反映參數(shù)在所選環(huán)施工全過程中的變化情況，方便工程人員查看趨勢以及多參數(shù)交叉分析。

(2)材料消耗管理

材料消耗管理可對指定的盾構(gòu)環(huán)數(shù)區(qū)間的關(guān)鍵施工材料消耗進(jìn)行統(tǒng)計。材料用量一方面對成本有較大影響，另一方面也是控制盾構(gòu)施工質(zhì)量和安全的重要依據(jù)。通過對施工材料消耗的統(tǒng)計分析，以表格和圖形的形式展示，可以輔助工程管理人員合理安排材料的采購和運(yùn)輸計劃，也可以進(jìn)行施工質(zhì)量和成本控制，還可以作為事故事后回溯分析的依據(jù)[13]。

(3)施工時間統(tǒng)計

圖8 三陽路越江隧道盾構(gòu)材料消耗統(tǒng)計Fig.8 Sample of shield material consumption statistics for Sanyang Rd Shield Tunnel

圖9 三陽路越江隧道盾構(gòu)施工時間統(tǒng)計Fig.9 Sample of shield construction time statisticsfor Sanyang Rd Shield Tunnel

盾構(gòu)隧道完成單環(huán)管片的施工時間可劃分為掘進(jìn)、拼裝和停工三部分。施工時間統(tǒng)計主要統(tǒng)計盾構(gòu)施工過程中拼裝、掘進(jìn)、停工三種狀態(tài)在總體工作時間中所占的比例，并以直方圖、扇形圖等形式直觀展示，為工程管理人員提供分析盾構(gòu)施工情況的依據(jù)，更加合理地進(jìn)行施工組織安排。

(4)盾構(gòu)機(jī)歷史數(shù)據(jù)查詢

圖10 盾構(gòu)機(jī)歷史數(shù)據(jù)查詢Fig.10 Shield machine historical data query

該功能用于查看特定盾構(gòu)機(jī)的歷史參數(shù)。首先在盾構(gòu)機(jī)瀏覽器中，根據(jù)省份、城市和線路信息選擇待查詢的盾構(gòu)機(jī)，可以查看到數(shù)據(jù)庫中有關(guān)該盾構(gòu)機(jī)的全部歷史參數(shù)，可根據(jù)“工作狀態(tài)”、“本地時間”和“環(huán)號”三個條件進(jìn)行查詢。

數(shù)據(jù)分析模塊是本系統(tǒng)的核心功能之一，是實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工安全作業(yè)的重要支撐。應(yīng)用于三陽路越江隧道項目的本系統(tǒng)已經(jīng)開發(fā)了施工參數(shù)分析、材料消耗管理、施工時間統(tǒng)計和盾構(gòu)數(shù)據(jù)導(dǎo)出四項功能，滿足了施工單位對項目質(zhì)量、成本和進(jìn)度管理的基本需求，實(shí)際中取得了較好的使用效果。此外，本系統(tǒng)模塊化的架構(gòu)設(shè)計，也可以根據(jù)工程現(xiàn)場新的需求，實(shí)現(xiàn)快速開發(fā)迭代，基于底層的盾構(gòu)數(shù)據(jù)庫，可根據(jù)項目施工管理的需要開發(fā)相應(yīng)的功能，擴(kuò)充整個系統(tǒng)，以服務(wù)于除三陽路越江隧道外的其它盾構(gòu)隧道工程。

5 結(jié)語

為了支持多工地實(shí)時管理，用信息技術(shù)支持地鐵盾構(gòu)安全施工，本研究從地鐵盾構(gòu)安全施工的實(shí)際工程需求出發(fā)，開發(fā)了基于B/S架構(gòu)的地鐵盾構(gòu)施工安全作業(yè)支持系統(tǒng)。本系統(tǒng)在武漢地鐵7號線三陽路越江隧道工程中的成功應(yīng)用，較好地滿足了隧道施工單位的實(shí)際需求，有力地支持了盾構(gòu)施工決策和項目管理，提高了工程項目的施工管理水平和效率，取得了較好的應(yīng)用效果，為擁有大規(guī)模的隧道建設(shè)項目群的企業(yè)提供了一種訪問便捷、功能實(shí)用的信息化技術(shù)管理手段。