盾構(gòu)施工信息化管理系統(tǒng)的建立

文｜中國(guó)交通建設(shè)股份有限公司軌道交通分公司 朱霆軒

引言

目前，我國(guó)正處于經(jīng)濟(jì)高速增長(zhǎng)的階段，城市人口不斷增加，地上交通也日漸擁堵，為緩解日益緊張的地面通行，地鐵憑借其“用地資源少、節(jié)能環(huán)保、準(zhǔn)點(diǎn)到達(dá)”等諸多優(yōu)點(diǎn)，在各大城市掀起一股地鐵建設(shè)熱潮。正因?yàn)槠浔憷?，地鐵建設(shè)往往需要穿越城市繁華的商業(yè)地段、大型社區(qū)等人口密集區(qū)域，從而導(dǎo)致施工周期長(zhǎng)，風(fēng)險(xiǎn)大，技術(shù)要求高，安全質(zhì)量管理難度大等多種難題。

尤其是在建設(shè)一條地鐵線路過(guò)程中，往往存在幾臺(tái)甚至十幾臺(tái)盾構(gòu)同時(shí)作業(yè)的情況，這時(shí)就需要建立完善的盾構(gòu)信息化管理系統(tǒng)，對(duì)不同單位，不同類型盾構(gòu)進(jìn)行集中管控，使不同層級(jí)管理單位可以較快速獲取盾構(gòu)施工參數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)等信息，集中分析，做出指令，對(duì)做好盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)管控是必不可少的措施之一。

1 盾構(gòu)施工信息化管理系統(tǒng)的組成

1.1 系統(tǒng)的初始劃分

組建一套完整的盾構(gòu)信息化管理系統(tǒng)首先需要?jiǎng)澐侄軜?gòu)的類型。

盾構(gòu)機(jī)根據(jù)地質(zhì)、環(huán)境條件的限制及施工方法的選取不同，按平衡開挖面方法分類為土壓平衡盾構(gòu)和泥水平衡盾構(gòu)；按地質(zhì)條件分類為軟土盾構(gòu)、復(fù)合盾構(gòu)、硬巖盾構(gòu)；按盾構(gòu)外觀形狀分類為單圓盾構(gòu)、雙圓盾構(gòu)、矩形盾構(gòu)。

不同類型的盾構(gòu)機(jī)，掘進(jìn)施工過(guò)程中的主要參數(shù)，機(jī)電設(shè)備，信息采集復(fù)雜程度存在較大差異，在組建信息化管理系統(tǒng)過(guò)程中要先根據(jù)盾構(gòu)類型，預(yù)設(shè)相關(guān)功能及主要參數(shù)，在系統(tǒng)初始界面上進(jìn)行劃分，以在下一級(jí)系統(tǒng)中設(shè)置針對(duì)性界面進(jìn)行操作。

1.2 系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成

系統(tǒng)的構(gòu)成首先要考慮不同使用者的需求，盾構(gòu)施工過(guò)程中的技術(shù)管理需求分析為以下幾類：

管理需求：工程投資方、監(jiān)理單位、施工總承包單位、施工單位從多角度，多層級(jí)的方式對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)行管理。

施工需求：采用不同類型的盾構(gòu)機(jī)，選取不同類型的施工工藝，對(duì)信息管理系統(tǒng)的施工、設(shè)備參數(shù)、預(yù)警體系等顯示要求也不盡相同。

操作需求：盾構(gòu)司機(jī)需要隨時(shí)掌握盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的各項(xiàng)施工參數(shù)：例如開挖面壓力數(shù)值、液壓系統(tǒng)壓力大小、泡沫系統(tǒng)發(fā)泡率等參數(shù)；區(qū)間測(cè)量人員要掌握盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)與控制軸線的趨近程度等參數(shù)。

在確定系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)滿足的需求后，在盾構(gòu)機(jī)上設(shè)置下位機(jī)PLC 采集盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中的各項(xiàng)參數(shù)，將數(shù)據(jù)傳輸至盾構(gòu)機(jī)上的PC 端進(jìn)行顯示，以滿足盾構(gòu)作業(yè)施工單位人員的操作需求；再將盾構(gòu)機(jī)PC 上顯示的數(shù)據(jù)通過(guò)有線網(wǎng)絡(luò)上傳至地面PC，滿足地面管理人員的監(jiān)控需求；地面PC 可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)將數(shù)據(jù)集成至總部盾構(gòu)監(jiān)控中心，以此滿足必要的應(yīng)急指揮及進(jìn)度分析需求。盾構(gòu)系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成如圖1。

圖1 系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成

2 信息化管理體系的建立

在對(duì)盾構(gòu)機(jī)類型和不同人員使用需求按照上述要求進(jìn)行初始分類后，建立完整的盾構(gòu)信息化管理系統(tǒng)還需要考慮建立管理系統(tǒng)組織架構(gòu)和與之匹配的預(yù)警響應(yīng)及消警機(jī)制。

2.1 信息化管理組織架構(gòu)

由前述系統(tǒng)的基礎(chǔ)構(gòu)成分析可知，在滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需求的情況下，組織架構(gòu)由上至下可劃分為三個(gè)層級(jí)：管理監(jiān)督層面、服務(wù)監(jiān)管層面、執(zhí)行層面?，F(xiàn)就各層面相關(guān)職能由下至上做進(jìn)一步的分析：

執(zhí)行層面：應(yīng)起到數(shù)據(jù)采集、實(shí)施應(yīng)用、信息上報(bào)的作用。該角色一般由施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部擔(dān)任，對(duì)所屬各工點(diǎn)的盾構(gòu)掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集，集成到項(xiàng)目經(jīng)理部PC 的盾構(gòu)信息化系統(tǒng)上顯示，參考預(yù)設(shè)的各類閾值，對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)施工進(jìn)行管理。

服務(wù)監(jiān)管層面：應(yīng)起到數(shù)據(jù)分析、技術(shù)支持、信息上報(bào)的作用。該角色一般由施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部的上一級(jí)單位（以下簡(jiǎn)稱三級(jí)公司）、施工總承包單位、盾構(gòu)信息化管理平臺(tái)維護(hù)服務(wù)單位共同擔(dān)任。共同對(duì)施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部的異常掘進(jìn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，監(jiān)管糾偏過(guò)程。維護(hù)服務(wù)單位做好不同工點(diǎn)的人員及賬號(hào)分配、管理及平臺(tái)上各項(xiàng)工作流程的設(shè)置及簡(jiǎn)單處理。

管理監(jiān)督層面：應(yīng)起到數(shù)據(jù)挖掘、決策分析的作用。該角色一般由總公司盾構(gòu)管理部門擔(dān)任，對(duì)下設(shè)所有三級(jí)公司的盾構(gòu)施工項(xiàng)目部盾構(gòu)施工異常參數(shù)及預(yù)警進(jìn)行分析處理，緊急情況下進(jìn)行指揮及決策。

2.2 預(yù)警及消警機(jī)制的建立

對(duì)組織架構(gòu)進(jìn)行分析后，重要的是設(shè)計(jì)相匹配的預(yù)警響應(yīng)及消警機(jī)制，這對(duì)盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)管控及進(jìn)度控制起到至關(guān)重要的作用。結(jié)合安全風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)管理及預(yù)警預(yù)報(bào)體系，可將盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)劃分為Ⅰ級(jí)（極高風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅱ級(jí)（較高風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅲ級(jí)（一般風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅳ級(jí)（低風(fēng)險(xiǎn)），施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部根據(jù)所屬工點(diǎn)各區(qū)間施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方案將所屬工點(diǎn)盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)按Ⅰ級(jí)～Ⅳ級(jí)進(jìn)行分級(jí)后，即可進(jìn)行預(yù)警閾值的設(shè)置。

預(yù)警閾值可按照預(yù)警等級(jí)（紅、橙、黃）來(lái)設(shè)置三級(jí)數(shù)值，預(yù)警閾值設(shè)置應(yīng)采用審核的方式，可采取以下方式：Ⅳ級(jí)（低風(fēng)險(xiǎn)）盾構(gòu)施工預(yù)警閾值設(shè)置可由施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部盾構(gòu)施工管理部門擬定，項(xiàng)目經(jīng)理進(jìn)行審批后實(shí)施；Ⅲ級(jí)（一般風(fēng)險(xiǎn)）及以上的閾值設(shè)置由三級(jí)公司及施工總承包單位進(jìn)行審批后實(shí)施。

經(jīng)審批后的預(yù)警閾值在信息化管理平臺(tái)上設(shè)置完成后，即可進(jìn)一步分析不同級(jí)別的預(yù)警應(yīng)推送的對(duì)象、采取的處置措施及預(yù)警消除的方式。

黃色預(yù)警：當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)的主要控制參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)的黃色預(yù)警閾值時(shí)，信息化管理平臺(tái)上顯示黃色預(yù)警，并將信息推送至施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部主要管理人員。項(xiàng)目經(jīng)理部組織召開預(yù)警分析會(huì)，確定下一步的糾偏措施，在盾構(gòu)完成糾偏，參數(shù)正常后，將風(fēng)險(xiǎn)處置措施和過(guò)程影像材料在系統(tǒng)上進(jìn)行填報(bào)，由項(xiàng)目經(jīng)理進(jìn)行審批，完成消警流程。

橙色預(yù)警：當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)的主要控制參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)的橙色預(yù)警閾值時(shí)，信息化管理平臺(tái)上顯示橙色預(yù)警，并將信息推送至施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部、三級(jí)公司、施工總承包單位相關(guān)管理人員，由施工總承包單位或三級(jí)公司相關(guān)負(fù)責(zé)人組織召開預(yù)警分析會(huì)，制定風(fēng)險(xiǎn)處置措施并督促落實(shí)。糾偏完成后，經(jīng)施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部項(xiàng)目經(jīng)理確認(rèn)后，將風(fēng)險(xiǎn)處置措施和過(guò)程影像材料在系統(tǒng)上進(jìn)行填報(bào)，由三級(jí)公司、施工總承包單位相關(guān)負(fù)責(zé)人進(jìn)行審批，完成消警流程。

紅色預(yù)警：當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)的主要控制參數(shù)超過(guò)預(yù)設(shè)的紅色預(yù)警閾值時(shí)，信息化管理平臺(tái)上顯示紅色預(yù)警，并將信息推送至施工單位項(xiàng)目經(jīng)理部、三級(jí)公司、施工總承包單位、總公司盾構(gòu)管理部門相關(guān)管理人員，由總公司盾構(gòu)管理部門相關(guān)負(fù)責(zé)人組織召開預(yù)警分析會(huì)，制定風(fēng)險(xiǎn)處置措施并監(jiān)督實(shí)施。糾偏完成后，經(jīng)三級(jí)公司、施工總承包單位相關(guān)盾構(gòu)管理人員確認(rèn)后，將風(fēng)險(xiǎn)處置措施和過(guò)程影像材料在系統(tǒng)上進(jìn)行填報(bào)，總公司盾構(gòu)管理部門負(fù)責(zé)人進(jìn)行審批，完成消警流程。

2.3 信息化管理系統(tǒng)人機(jī)界面的設(shè)計(jì)原則

人機(jī)界面設(shè)計(jì)是指信息化管理系統(tǒng)的各個(gè)控制界面的設(shè)計(jì)以及控制界面之間的邏輯關(guān)系。控制界面設(shè)計(jì)主要包括靜態(tài)操作界面的繪制以及界面中各個(gè)元素與變量列表的連接。界面的邏輯關(guān)系設(shè)計(jì)主要包括各個(gè)組態(tài)界面之間的層次關(guān)系以及界面之間連接關(guān)系的設(shè)計(jì)。

在前述中，已經(jīng)對(duì)系統(tǒng)初始劃分以及使用人需求進(jìn)行了分析，并對(duì)系統(tǒng)至關(guān)重要的風(fēng)險(xiǎn)管控預(yù)警消警的相關(guān)功能進(jìn)行了闡述，但在系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)仍要充分考慮人機(jī)操作之間的協(xié)調(diào)性、便利性、高效性。因此在對(duì)盾構(gòu)信息化管理系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)設(shè)計(jì)時(shí)，要充分考慮以下內(nèi)容：（1）在滿足前述功能要求的基礎(chǔ)上，盡量減少操作界面的數(shù)量，以達(dá)到減少界面切換次數(shù)的目的，可以并行顯示的數(shù)據(jù)應(yīng)放在一個(gè)界面內(nèi)，方便使用人員進(jìn)行操作。（2）界面切換要便捷，常用界面僅需點(diǎn)擊一次就能切換到位。（3）界面各種顏色的使用要符合規(guī)范要求或行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

3 盾構(gòu)信息化管理系統(tǒng)的典型應(yīng)用

3.1 盾構(gòu)進(jìn)度管理功能

如圖2所示，對(duì)井下PLC 上采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱，可以橫向?qū)Ρ雀鞴^(qū)掘進(jìn)環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)，進(jìn)行工況分析，能有效發(fā)現(xiàn)個(gè)別工區(qū)盾構(gòu)掘進(jìn)工效上存在的問(wèn)題，對(duì)合理高效的安排生產(chǎn)起到很大作用。

圖2 掘進(jìn)環(huán)數(shù)統(tǒng)計(jì)

3.2 盾構(gòu)參數(shù)管理功能

如圖3、圖4所示，對(duì)項(xiàng)目經(jīng)理部所屬各工點(diǎn)盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)及盾構(gòu)姿態(tài)可以調(diào)出進(jìn)行查閱。通過(guò)分析盾構(gòu)掘進(jìn)實(shí)時(shí)參數(shù)、隧道內(nèi)有害氣體濃度、盾構(gòu)機(jī)目前姿態(tài)與設(shè)計(jì)軸線的對(duì)比，進(jìn)行施工風(fēng)險(xiǎn)管控，擺脫純經(jīng)驗(yàn)主義，以各項(xiàng)圖表作為支撐，更加精準(zhǔn)的對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)行精細(xì)化管理。

圖3 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)顯示界面

圖4 盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)顯示界面

4 結(jié)束語(yǔ)

盾構(gòu)施工信息化管理是城市地鐵施工管理的趨勢(shì)所在，策劃符合需求的信息化管理體系，構(gòu)建人機(jī)友好型信息化管理系統(tǒng)，使信息的傳遞更加高效、順暢，對(duì)地鐵施工的進(jìn)度管理及風(fēng)險(xiǎn)控制起到了極其重要的作用。使操作者，管理者，監(jiān)督者能在同一平臺(tái)上發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，解決問(wèn)題，填補(bǔ)了舊管理模式下的真空地帶。各級(jí)管理者能夠各司其職、充分發(fā)揮其管理職能。

但在實(shí)際構(gòu)建信息化管理系統(tǒng)過(guò)程中，除按照本文進(jìn)行初始劃分、需求分析、構(gòu)建組織架構(gòu)和預(yù)警預(yù)報(bào)體系外，更要結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際進(jìn)行完善，強(qiáng)調(diào)過(guò)程管理，才能使信息化管理系統(tǒng)化成為施工人的翅膀，更好的為城市地鐵建設(shè)助力。