盾構(gòu)施工信息化管理研究與應(yīng)用

陳先智，劉 鋒，李開華

(1.中鐵開發(fā)投資集團(tuán)有限公司，昆明 650118；2.中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，成都 611731)

近年來，隨著地下空間的不斷開發(fā)，盾構(gòu)技術(shù)得到了快速發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用在軟土層地鐵，隧道，市政管道等工程建設(shè)中。常見的盾構(gòu)施工方法有擴(kuò)徑盾構(gòu)施工法、球體盾構(gòu)施工法、多圓盾構(gòu)施工法、H&V盾構(gòu)施工法、變形斷面盾構(gòu)施工法、行星切削式盾構(gòu)施工法、箱型盾構(gòu)施工法等。隨著新技術(shù)不斷研發(fā)，盾構(gòu)投入的規(guī)模越來越大、盾構(gòu)穿越區(qū)域施工條件多樣化、盾構(gòu)機(jī)品類繁多且各單位盾構(gòu)掘進(jìn)技術(shù)參差不齊等，管理者面臨著較大的管理壓力，建立一套有效的管理方式對盾構(gòu)施工全生命周期進(jìn)行管理顯得尤為重要[1]。

信息化作為管理輔助性增強(qiáng)工具，運用得當(dāng)將會大大提升工程項目建設(shè)管理水平。廖少明，侯學(xué)淵[2]依據(jù)軟土盾構(gòu)法隧道的基本原理、工程技術(shù)和工程經(jīng)驗，提出了控制盾構(gòu)在施工過程中施工質(zhì)量的關(guān)鍵因子和信息因子，為巖土工程信息化控制提供了理論依據(jù)。王陽利，張孟喜[3]針對上海中路隧道工程建設(shè)過程中機(jī)械和設(shè)備形式過多，研發(fā)了盾構(gòu)施工設(shè)備管理系統(tǒng)。張合沛，陳饋等[4]等為了解決盾構(gòu)施工過程遠(yuǎn)程監(jiān)控問題，提出了盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程監(jiān)控軟件。周文波，胡珉[5]通過與上海隧道股份有限公司的實際情況，構(gòu)建了盾構(gòu)隧道信息化施工智能管理系統(tǒng)。王承山[6]為了解決泥水盾構(gòu)在復(fù)雜環(huán)境下到達(dá)的施工難題，總結(jié)了泥水盾構(gòu)到達(dá)信息化施工技術(shù)。然而，這些系統(tǒng)在盾構(gòu)施工實際應(yīng)用中仍存在不足，體現(xiàn)在盾構(gòu)監(jiān)控系統(tǒng)較為分散孤立，與其他業(yè)務(wù)系統(tǒng)數(shù)據(jù)沒有實現(xiàn)互聯(lián)互通、資源沒有得到最大程度的共享、業(yè)務(wù)間沒有有效協(xié)同，信息化輔助決策管理的功能未得到最大程度的利用。

目前建設(shè)單位轄區(qū)范圍內(nèi)在建盾構(gòu)隧道項目日益增多，建設(shè)單位以及下轄線路指揮部如何高效安全的進(jìn)行管理成為亟待解決的問題。工程信息化技術(shù)的合理利用將會提高管理效率、降低管理成本、緩解管理人員緊張的問題。經(jīng)過不斷的探索，踐行方式從分散轉(zhuǎn)向集約、從孤立封閉轉(zhuǎn)向共享開放，實現(xiàn)全面聯(lián)網(wǎng)、業(yè)務(wù)協(xié)同、智能應(yīng)用，本文提出了盾構(gòu)施工信息化管理的思路，在此過程中開發(fā)了相應(yīng)的盾構(gòu)施工信息化管理系統(tǒng)。

1 盾構(gòu)施工信息化管理理念

盾構(gòu)施工信息化主要是達(dá)到規(guī)范參建單位日常行為目的，滿足各級管理人員對所有盾構(gòu)實施遠(yuǎn)程監(jiān)管、可視監(jiān)管的信息化管理要求，實現(xiàn)復(fù)雜的地下工程透明化。

盾構(gòu)施工信息化管理體系采用自下而上的方式實現(xiàn)了對盾構(gòu)機(jī)實時參數(shù)監(jiān)控、盾構(gòu)區(qū)間視頻監(jiān)控、盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)控量測、盾構(gòu)區(qū)間隱患排查、盾構(gòu)產(chǎn)值進(jìn)度等數(shù)據(jù)高效整合，以“一張圖”可視化的方式進(jìn)行集中呈現(xiàn)，真正意義上滿足了各級管理人員全局管理和分專業(yè)管理的需求。同時，盾構(gòu)施工信息化管理體系還將無紙化信息采集、數(shù)據(jù)互聯(lián)互通、可視化展示、專業(yè)信息化等技術(shù)進(jìn)行數(shù)據(jù)融合，一是采用24小時自動采集(如盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的實時采集技術(shù))+人機(jī)定時測存(如盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)控量測中的無線采集技術(shù))的數(shù)據(jù)采集方式；二是將海量的盾構(gòu)監(jiān)控數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一規(guī)劃存儲和綜合智能分析與處理后，載入工程GIS或輕量化模型，直接展示出與現(xiàn)場實際里程(位置)相符的相關(guān)監(jiān)控信息、數(shù)據(jù)，及時呈現(xiàn)該里程(位置)處有無異?；蝾A(yù)警等。

2 盾構(gòu)施工信息化管理思路

要實現(xiàn)盾構(gòu)施工全過程的信息化管理，根據(jù)需求分析將盾構(gòu)施工信息化管理劃分為盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理和其他管理。其中盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理主要為盾構(gòu)機(jī)實時參數(shù)監(jiān)控管理；其他管理主要包括盾構(gòu)區(qū)間視頻監(jiān)控管理、盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)控量測管理、盾構(gòu)區(qū)間隱患排查管理等，并通過信息化技術(shù)設(shè)計了與之對應(yīng)的信息化模塊，包括盾構(gòu)監(jiān)控模塊、視頻監(jiān)控模塊、監(jiān)控量測模塊、隱患排查模塊等，圖1為盾構(gòu)施工信息化管理架構(gòu)圖。本文主要針對盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理及其他管理進(jìn)行介紹，并對它們之間的融合管理進(jìn)行分析。

圖1 盾構(gòu)施工信息化管理架構(gòu)圖

2.1 盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理

構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理主要為盾構(gòu)機(jī)實時參數(shù)監(jiān)控管理，該管理依托于盾構(gòu)監(jiān)控模塊，主要包括遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)和智能分析預(yù)警兩部分組成，通過對遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)的管理實現(xiàn)盾構(gòu)在推進(jìn)過程中的各項數(shù)據(jù)，包括軸線控制、土體壓力、出土量、掘進(jìn)速度等都能實時上傳至地面盾構(gòu)監(jiān)控模塊，各級項目管理人員無論是在公司、項目部還是外地出差，通過網(wǎng)絡(luò)就能掌控當(dāng)前盾構(gòu)詳細(xì)的施工情況。同時對盾構(gòu)施工參數(shù)設(shè)置預(yù)警范圍，通過盾構(gòu)監(jiān)控模塊所具備的實時監(jiān)控、統(tǒng)計分析、形象進(jìn)度、風(fēng)險集成等特點，能夠智能分析預(yù)警，便于管理人員對盾構(gòu)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行把控，減少災(zāi)害的發(fā)生。圖2為盾構(gòu)監(jiān)控模塊功能圖。

圖2 盾構(gòu)監(jiān)控模塊功能圖

通過對盾構(gòu)機(jī)實時參數(shù)的管理設(shè)計了盾構(gòu)監(jiān)控模塊，該模塊主要展現(xiàn)出盾構(gòu)機(jī)機(jī)型全面兼容和盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控功能詳盡兩個特點。

1)全面兼容。為了滿足不同盾構(gòu)機(jī)生產(chǎn)廠商，針對盾構(gòu)監(jiān)控模塊研發(fā)了工程中設(shè)備通訊數(shù)據(jù)解析轉(zhuǎn)譯技術(shù)，實現(xiàn)了中鐵裝備、海瑞克、中船重工、中交天河等主流盾構(gòu)機(jī)單方向數(shù)據(jù)的安全實時接入，解決了不同規(guī)格型號盾構(gòu)機(jī)所自帶功能呈現(xiàn)的兼容性問題,為模塊應(yīng)用奠定了堅實的業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

2)功能詳盡。①能夠采集、存儲盾構(gòu)施工過程中的重要數(shù)據(jù)，包括施工參數(shù)數(shù)據(jù)、設(shè)備數(shù)據(jù)、故障報警信息等；②能夠?qū)⒉杉降亩軜?gòu)數(shù)據(jù)實時傳輸?shù)椒?wù)器；③具有數(shù)據(jù)續(xù)傳功能，當(dāng)傳輸線路中斷或其他故障導(dǎo)致數(shù)據(jù)無法上傳，在傳輸線路恢復(fù)正?；蚬收吓懦螅瑧?yīng)具有數(shù)據(jù)續(xù)傳功能，能將中斷時間段內(nèi)的數(shù)據(jù)恢復(fù)上傳至服務(wù)器；④盾構(gòu)施工參數(shù)實時顯示和歷史查詢功能，能夠?qū)崟r顯示盾構(gòu)施工參數(shù)(刷新時間間隔在30s以內(nèi))，并可以進(jìn)行制定環(huán)數(shù)歷史掘進(jìn)過程回放查詢；⑤具有預(yù)警功能，可以對盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置預(yù)警范圍，當(dāng)施工參數(shù)超過范圍時，能夠自動預(yù)警；⑥歷史預(yù)警查詢功能，能夠?qū)v史參數(shù)預(yù)警信息進(jìn)行查詢，清晰了解參數(shù)預(yù)警發(fā)生的時間和級別；⑦數(shù)據(jù)分析功能，能夠?qū)Χ軜?gòu)施工的主要參數(shù)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并自動生成曲線，還可提供參數(shù)的相關(guān)性分析，能實現(xiàn)單環(huán)和多環(huán)分析，便于用戶分析施工中的主要問題。充分滿足了施工管理人員盾構(gòu)管理的需求。

2.2 其他管理

盾構(gòu)施工信息化管理以盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理為主，以其他管理為輔。其中其他主要包括盾構(gòu)區(qū)間視頻監(jiān)控管理、盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)控量測管理、盾構(gòu)區(qū)間隱患排查管理等，主要是輔助盾構(gòu)隧道施工，保證盾構(gòu)施工的安全與進(jìn)度，規(guī)范現(xiàn)場作業(yè)，為盾構(gòu)施工的安全和進(jìn)度保駕護(hù)航。

2.2.1 盾構(gòu)區(qū)間監(jiān)控量測管理

監(jiān)控量測是盾構(gòu)施工安全的保障措施之一，在施工過程中必須按要求進(jìn)行此項工作，并將結(jié)果做系統(tǒng)處理后及時反饋指導(dǎo)工作。盾構(gòu)區(qū)間的監(jiān)控量測主要監(jiān)測項目包括：地表隆起、土體內(nèi)部位移、管片內(nèi)力和變形、土層壓應(yīng)力等[7]。通過在盾構(gòu)隧道施工中實時監(jiān)控量測，其目的在于掌握盾構(gòu)周邊環(huán)境的動態(tài)，對周邊環(huán)境穩(wěn)定性作出評價；為確定支護(hù)形式、支護(hù)參數(shù)和支護(hù)時間提供依據(jù)；了解支護(hù)結(jié)構(gòu)的受力大小和應(yīng)力分布；評價支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和安全性，為施工提供指導(dǎo)，以確保施工運營的安全。監(jiān)控量測管理主要是基于無線通訊技術(shù)、移動通訊技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)等信息化手段開發(fā)了監(jiān)控量測信息化模塊，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集、運算、處理、分析、預(yù)警、消警的閉合管理[8]。

圖3 監(jiān)測預(yù)警流程示意圖

2.2.2 盾構(gòu)區(qū)間視頻監(jiān)控管理

盾構(gòu)區(qū)間視頻監(jiān)控管理是盾構(gòu)安全防范模塊的重要組成部分，在現(xiàn)場施工中扮演著比較重要的角色。包括前端攝像機(jī)、傳輸線纜、視頻監(jiān)控模塊。其中前端攝像機(jī)布置在盾構(gòu)機(jī)出土口、吊裝井口、盾構(gòu)尾端、管片拼裝區(qū)、吊裝運輸區(qū)、盾構(gòu)機(jī)操作室，根據(jù)前端攝像機(jī)的布置，主要針對出土安全、監(jiān)控吊裝安全和洞門施工、監(jiān)控開倉與刀具更換和盾尾安全、管片吊裝和拼裝安全、盾構(gòu)隧道施工運輸和軌行區(qū)施工安全、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行視頻監(jiān)控管理[9]。管理人員可利用視頻監(jiān)控模塊對盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行監(jiān)控，通過遠(yuǎn)程可視化管理措施，借助模塊促進(jìn)和提高安全文明施工的管理效果，達(dá)到進(jìn)一步提升盾構(gòu)施工現(xiàn)場安全質(zhì)量管理水平的目的。

2.2.3 盾構(gòu)區(qū)間隱患排查管理

利用先進(jìn)的業(yè)務(wù)流程管理理念，根據(jù)企業(yè)梳理的隱患排查條目和管理辦法定制開發(fā)了盾構(gòu)隧道隱患排查模塊，部分排查內(nèi)容如表1所示。該模塊的實施，能有效推進(jìn)工程項目建設(shè)全過程安全管理，實現(xiàn)隱患排查監(jiān)控的科學(xué)化、規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化，做到全員參與、動態(tài)管理，減少和杜絕安全事故，實現(xiàn)建設(shè)單位各層級對項目建設(shè)全過程安全隱患排查、記錄、治理的閉環(huán)管理，為項目安全隱患排查和治理進(jìn)行科學(xué)考核、分析提供技術(shù)保障。

表1 盾構(gòu)施工隱患部分排查表

2.3 盾構(gòu)施工信息化融合管理

通過將盾構(gòu)施工信息化管理分為盾構(gòu)管理和其他管理，再將它們之間進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，不僅豐富了盾構(gòu)施工信息化的方式，確保了盾構(gòu)施工的安全和進(jìn)度，還解決了建設(shè)單位施工項目多，不便管理的難題。

以某盾構(gòu)區(qū)間地表沉降超限處置事件為例，如圖4所示，管理人員首先登入系統(tǒng)確認(rèn)預(yù)警發(fā)生的具體里程段及沉降影響范圍，然后在GIS地圖界面確認(rèn)當(dāng)前盾構(gòu)所處的實際位置，查看盾構(gòu)位置與沉降部位的相互關(guān)系；為查明原因，進(jìn)入盾構(gòu)監(jiān)控詳情界面，查看盾構(gòu)當(dāng)前掘進(jìn)參數(shù)的實時狀態(tài)，并就沉降發(fā)生部位通過多環(huán)分析調(diào)取近十環(huán)土壓、注漿量、姿態(tài)、工序時長的歷史時態(tài)曲線圖表，為進(jìn)一步核實現(xiàn)場情況，直接切換至該區(qū)間視頻監(jiān)控，掌握渣土狀態(tài)及管片拼裝區(qū)情況；借助平臺管理人員已基本查明沉降產(chǎn)生的原因，經(jīng)核實現(xiàn)場情況與分析基本一致；管理人員隨即在平臺上作出相關(guān)批示，各單位及時響應(yīng)開展現(xiàn)場處置，借助手機(jī)APP管理人員可隨時查看包括現(xiàn)場隱患排查、沉降變形趨勢等后續(xù)處置情況，相關(guān)單位亦可將處置過程中的線下資料上傳至系統(tǒng)實現(xiàn)整個事件的閉合管理。

圖4 異常處置流程

通過盾構(gòu)施工信息化管理理念設(shè)計開發(fā)的對應(yīng)模塊，借助各個模塊的有機(jī)融合，在線上實現(xiàn)了多維關(guān)聯(lián)分析及流程化管理，較單一盾構(gòu)監(jiān)控模塊，管理者獲取數(shù)據(jù)的方式更為豐富快捷，呈現(xiàn)方式更為直觀高效，省去了現(xiàn)場核實情況和翻閱資料所耗費的時間，盾構(gòu)施工信息化管理系統(tǒng)為管理決策提供了有力支撐。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

昆明軌道交通4號線，從昆明西北的五華區(qū)普吉陳家營到昆明火車南站，經(jīng)過高新、五華、盤龍、官渡、經(jīng)開，再到呈貢。4號線穿越了主城核心區(qū)，并貫穿了昆明市西北至東南以及呈貢新區(qū)發(fā)展軸，它支持著城市西北—東南以及呈貢新區(qū)發(fā)展軸的形成，是繼首期工程支持城市南北發(fā)展軸、3 號線支持東西向發(fā)展軸形成后，對昆明市軌道交通線網(wǎng)建設(shè)和發(fā)展起著關(guān)鍵促進(jìn)作用的一條線路。線路全長43.5公里，共設(shè)車站29座。在大漾田和白龍?zhí)对O(shè)停車場，在跑馬山設(shè)車輛基地。規(guī)劃將形成較為密集的客流走廊，設(shè)計運載人數(shù)全網(wǎng)最多、換乘線路最多、線網(wǎng)規(guī)模最大。圖5是昆明軌道交通4號線線路走向示意圖。

圖5 昆明軌道交通4號線走向示意圖

通過提出的盾構(gòu)施工信息化管理思路，采用信息化手段開發(fā)了對應(yīng)的模塊，將各個模塊進(jìn)行深度集成到盾構(gòu)施工信息化系統(tǒng)，在一個系統(tǒng)下對盾構(gòu)施工過程進(jìn)行信息化管理，各個模塊之間協(xié)同工作，有效融合，并將盾構(gòu)施工信息化系統(tǒng)在昆明軌道交通四號線進(jìn)行應(yīng)用。

3.2 盾構(gòu)施工參數(shù)管理

以小菜園站—火車北站區(qū)間(簡稱小—火區(qū)間)為例，進(jìn)行盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理，主要包括土倉壓、推力、推進(jìn)速度、同步注漿、出土量等。此處僅展示該區(qū)間盾構(gòu)施工參數(shù)部分監(jiān)控分析結(jié)果。小—火區(qū)間西起小菜園站，出站后沿昆石米軌線路(目前已停運)敷設(shè)，在下穿小菜園立交橋后向東南方向偏移，橫穿盤龍江，在下穿萬華路后約300 m時區(qū)間左、右線豎向間距逐漸拉大，平面間距逐漸減小，最后以上下重疊(左上右下)的方式下穿火車北站隧道涵洞段及昆明地鐵2號線(已運營)，最后接入火車北站，圖6為小菜園站—火車北站區(qū)間總平面圖。

圖6 小菜園站—火車北站區(qū)間總平面圖

1)土倉壓力分析。在1 000環(huán)到1 100環(huán)區(qū)間土倉壓力與隧道埋深呈正相關(guān)。在該區(qū)間中，上土倉壓力約為2.6 bar，在掘進(jìn)過程中未發(fā)生沉降突然增大現(xiàn)象，如圖7所示，證明掌子面未發(fā)生明顯失穩(wěn)現(xiàn)象，故認(rèn)為在該埋深條件下上土倉壓力在2.6 bar左右比較合理。

圖7 1 000環(huán)到1 100環(huán)區(qū)間土倉壓力分析

2)推力分析。圖8為在1 000環(huán)到1 100環(huán)區(qū)間掘進(jìn)過程中的推力數(shù)據(jù)，由圖8可知，推力在22 500 KN左右，保證倉內(nèi)壓力正常、平穩(wěn)，盾構(gòu)姿態(tài)良好，并且地層變化不大，比較均一。對于下穿段，地層如果不發(fā)生較大變化，掘進(jìn)推力合理范圍可參該區(qū)間的結(jié)果。

3)推進(jìn)速度分析。由圖9可知，在1 000環(huán)到1 100環(huán)區(qū)間推進(jìn)過程中推進(jìn)速度在45 mm/min左右波動，波動范圍較小，可以保證倉內(nèi)壓力正常、平穩(wěn)，盾構(gòu)姿態(tài)良好。

圖8 1 000環(huán)到1 100環(huán)區(qū)間推力分析

圖9 1 000環(huán)到1 100環(huán)區(qū)間推進(jìn)速度分析

3.3 協(xié)同管理

通過設(shè)計的盾構(gòu)施工信息化管理系統(tǒng)，在一個系統(tǒng)下不僅可以對盾構(gòu)機(jī)實時參數(shù)監(jiān)控，還可以通過盾構(gòu)視頻監(jiān)控模塊對盾構(gòu)區(qū)間進(jìn)行視頻監(jiān)控，監(jiān)控量測模塊對盾構(gòu)區(qū)間的變形的情況進(jìn)行及時監(jiān)測并預(yù)警，盾構(gòu)隱患排查模塊對存在的安全隱患進(jìn)行排查，各個模塊的有機(jī)協(xié)同，共同為盾構(gòu)施工的安全，進(jìn)度等保駕護(hù)航，使信息化管理理念落地，最大限度的發(fā)揮信息化在盾構(gòu)施工中的作用。圖10為小—火區(qū)間盾構(gòu)監(jiān)控、視頻監(jiān)控，監(jiān)控量測、隱患排查模塊的應(yīng)用情況。

4 結(jié)語

本文通過對盾構(gòu)施工信息化管理研究，提出了盾構(gòu)施工信息化管理思路，主要分為盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控管理和其他管理，并設(shè)計了相應(yīng)的模塊，開發(fā)了盾構(gòu)施工信息化系統(tǒng)。通過盾構(gòu)施工信息化系統(tǒng)在昆明4號線盾構(gòu)管理中的應(yīng)用，方便了管理者對于盾構(gòu)的全過程管理工作。在盾構(gòu)施工中主要涉及盾構(gòu)機(jī)實時參數(shù)監(jiān)控管理、隧道周邊視頻監(jiān)控管理、盾構(gòu)隧道周邊監(jiān)控量測管理、盾構(gòu)隧道隱患排查管理等，它們的有機(jī)融合，實現(xiàn)了模塊之間數(shù)據(jù)共享。滿足了管理人員對現(xiàn)場管理的需求，達(dá)到實時、分級、回溯現(xiàn)場具體狀態(tài)；可利用各模塊之間的關(guān)系進(jìn)行綜合分析，提醒發(fā)現(xiàn)存在的問題，及時做好預(yù)處理方案、處置措施，進(jìn)一步減少安全事故的發(fā)生。

不僅如此，盾構(gòu)施工信息化系統(tǒng)具有很強(qiáng)的可移植性，可為其他的類似地下工程信息化作為服務(wù)和參考。

圖10 小—火區(qū)間協(xié)同管理