復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下地鐵盾構(gòu)施工智能監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

丁 飛 （中煤第三建設(shè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，安徽 合肥 230031）

1 概述

合肥地鐵5號線一期工程三孝口站～阜南路站～北一環(huán)盾構(gòu)區(qū)間，由南向北沿蒙城路敷設(shè)，線路出安慶路后沿蒙城路中穿行，路過安徽省博物館后，線路以R-800曲線側(cè)穿蒙城路商住樓，過霍邱路后以R-600曲線向北下穿壽春路下立交橋，以直線接至阜南路站，再經(jīng)過阜南路站穿越蒙城路橋后，至北一環(huán)路站到達(dá)終點(diǎn)，區(qū)間總長1456.998m，隧道為單線單洞，采用土壓平衡盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)，管片采用通用楔形環(huán)，兩區(qū)間分別在隧道中間位置各設(shè)置一座聯(lián)絡(luò)通道。

盾構(gòu)主要穿越地層為中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（最大天然抗壓強(qiáng)度3.56MPa）、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖（最大天然抗壓強(qiáng)度52.3MPa），基巖裂隙發(fā)育，且上部承壓水相互連通，透水性強(qiáng)，具有一定承壓性。

根據(jù)工程水文地質(zhì)、線路周邊環(huán)境情況及合肥軌道公司對盾構(gòu)機(jī)設(shè)備管理規(guī)定，綜合考慮區(qū)間風(fēng)險(xiǎn)控制和重難點(diǎn)施工的需要，經(jīng)研究決定：掘進(jìn)設(shè)備采用T6280土壓平衡盾構(gòu)機(jī)，最大總推力40000kN、額定扭矩6650kN·m，最大掘進(jìn)速度100mm/min；刀具采用“滾刀+刮刀”配置類型，其中刮刀112把、滾刀33把。

盾構(gòu)初期即出現(xiàn)“螺旋機(jī)噴涌、刀具嚴(yán)重磨損”等情況，每天施工僅為1～2環(huán)，嚴(yán)重制約了施工進(jìn)度。為保證工程目標(biāo)順利實(shí)現(xiàn)，項(xiàng)目在“優(yōu)化施工工序、調(diào)整推進(jìn)參數(shù)、調(diào)整渣土改良措施”的基礎(chǔ)上，同時(shí)采用了“地鐵盾構(gòu)施工智能化監(jiān)控系統(tǒng)”，該系統(tǒng)包括多個(gè)監(jiān)控單元以及指揮系統(tǒng)、移動(dòng)終端和車載終端。采用無線通信技術(shù)、視頻通信技術(shù)、交換技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，聯(lián)動(dòng)指揮。盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下掘進(jìn)時(shí)能獲得及時(shí)的信息化傳遞，當(dāng)圍巖應(yīng)力、土倉壓力、盾構(gòu)扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度等參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，可實(shí)現(xiàn)同步調(diào)整，面對日常突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)信息溝通，科學(xué)決策。

2 智能管理平臺系統(tǒng)構(gòu)成

地鐵隧道盾構(gòu)施工智能管理平臺系統(tǒng)構(gòu)成，主要包含：全自動(dòng)施工監(jiān)測系統(tǒng)和測控信息綜合指揮系統(tǒng)該系統(tǒng)分為三個(gè)子系統(tǒng)。

第一級：信息數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)。即將隧道內(nèi)各項(xiàng)盾構(gòu)施工參數(shù)，如推進(jìn)里程、密封艙壓力、圍巖應(yīng)力、土倉壓力、盾構(gòu)扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度等技術(shù)參數(shù)，通過埋設(shè)在盾構(gòu)機(jī)及管環(huán)各部位的探地雷達(dá)等信息傳感設(shè)備實(shí)現(xiàn)前方圍巖情況及盾構(gòu)設(shè)備的實(shí)時(shí)參數(shù)的快速化采集。

第二級：信息數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)?；跓o線局域網(wǎng)技術(shù)，通過有線傳輸和無線傳輸兩種方式聯(lián)合組成數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)，將傳感設(shè)備采集到的信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)蕉軜?gòu)機(jī)控制室，盾構(gòu)司機(jī)可以根據(jù)信息掌握盾構(gòu)姿態(tài)。同時(shí)，信息數(shù)據(jù)經(jīng)盾構(gòu)機(jī)控制室轉(zhuǎn)換后，再傳輸?shù)降孛嬷笓]系統(tǒng)。

第三級：測控信息綜合指揮子系統(tǒng)。經(jīng)隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)控制室轉(zhuǎn)換傳輸?shù)母黜?xiàng)盾構(gòu)施工參數(shù)最終匯集到地面監(jiān)控中心的指揮系統(tǒng)平臺上，項(xiàng)目技術(shù)人員對參數(shù)進(jìn)行分析與研究后作出調(diào)度指令，以指導(dǎo)隧道內(nèi)施工。通過對盾構(gòu)施工信息數(shù)據(jù)無線傳輸比較分析，確定最優(yōu)傳輸方式，采用VPN網(wǎng)絡(luò)防火墻確保關(guān)鍵信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)陌踩Ｃ?。該系統(tǒng)使設(shè)備的監(jiān)測更加便捷，同時(shí)又實(shí)現(xiàn)資源共享，保證了施工效率。

圖1 地鐵盾構(gòu)施工智能化監(jiān)控系統(tǒng)界面圖

系統(tǒng)平臺主要開發(fā)步驟及內(nèi)容如下。

首先，根據(jù)盾構(gòu)施工的實(shí)際工況，采用上、下位機(jī)類型的控制架構(gòu)采集盾構(gòu)機(jī)PLC(可編程邏輯控制器）中的數(shù)據(jù)，由隧道內(nèi)控制臺的服務(wù)器作為上位機(jī)、盾構(gòu)機(jī)內(nèi)置的監(jiān)控PLC作為下位機(jī)，通過計(jì)算機(jī)編程語言(Java）采集盾構(gòu)機(jī)監(jiān)控PLC中的數(shù)據(jù)，自動(dòng)采集的數(shù)據(jù)存儲在工控機(jī)中，并通過有線+無線傳輸相結(jié)合的方式，將這些監(jiān)測信息數(shù)據(jù)傳輸?shù)降孛嬷笓]系統(tǒng)平臺上。為了保證對多臺盾構(gòu)機(jī)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，需要對各類型盾構(gòu)數(shù)據(jù)格式進(jìn)行對比分析，確保各項(xiàng)信息數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確。

其次，通過不同的信息傳送方式，完成從隧道內(nèi)盾構(gòu)機(jī)控制臺到地面指揮中心系統(tǒng)，以及業(yè)主或其他監(jiān)管部門之間的數(shù)據(jù)傳輸。先實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的同步傳輸，完成隧道內(nèi)與地面的數(shù)據(jù)傳輸。地面監(jiān)控室再通過數(shù)據(jù)傳輸程序，將數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)專線傳輸?shù)街笓]控制中心的服務(wù)器中，從而實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)信息的遠(yuǎn)程傳輸。

系統(tǒng)的數(shù)據(jù)主要是由傳感器傳送到監(jiān)控PLC的各種參數(shù)構(gòu)成，由于數(shù)據(jù)要求實(shí)時(shí)性，必須與總部指揮系統(tǒng)的數(shù)據(jù)同步。又因?yàn)楦鞫軜?gòu)機(jī)型號的不同，獲取的施工信息方式和數(shù)據(jù)內(nèi)容都不相同，所以最后確定一個(gè)數(shù)據(jù)表，將所獲得的參數(shù)規(guī)范化、統(tǒng)一化。

3 盾構(gòu)施工智能化監(jiān)控技術(shù)

3.1 盾構(gòu)施工監(jiān)控流程

本工程盾構(gòu)區(qū)間多次穿越建（構(gòu)）筑物、河流、橋梁等重大風(fēng)險(xiǎn)源，為了降低穿越風(fēng)險(xiǎn)，必須針對盾構(gòu)施工進(jìn)行全程監(jiān)控。穿越時(shí)，主要對地面及建筑物沉降、位移進(jìn)行監(jiān)測，對隧道內(nèi)圍巖應(yīng)力、盾構(gòu)姿態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)不斷調(diào)整施工參數(shù)，從而確保施工安全可控，具體流程如圖2所示。

圖2 盾構(gòu)施工監(jiān)控流程圖

3.2 監(jiān)控量測

3.2.1 監(jiān)控內(nèi)容及測點(diǎn)布置

根據(jù)盾構(gòu)施工引起變形機(jī)理，主要開展如下監(jiān)測內(nèi)容。

①地表隆沉

縱向監(jiān)測點(diǎn)沿隧道中心線布置，始發(fā)和接收段監(jiān)測點(diǎn)間距為10m，其余地段監(jiān)測點(diǎn)間距為20 m～30m；橫向監(jiān)測斷面垂直于隧道軸線布置，監(jiān)測斷面間距80 m～100m，主要影響區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)間距3 m～5m，次要影響區(qū)的監(jiān)測點(diǎn)間距5 m～10m，每橫向斷面監(jiān)測點(diǎn)數(shù)量為7個(gè)～11個(gè)。

②建（構(gòu)）筑物、橋梁沉降/差異沉降

建筑物沿外墻每10m～15m處或每隔2～3根柱基上布設(shè)一組監(jiān)測點(diǎn)，沉降縫、伸縮縫、新舊建筑物或高低建筑物接壤處的兩側(cè)各布設(shè)一組監(jiān)測點(diǎn)，同時(shí)每一建筑物不得少于4個(gè)監(jiān)測點(diǎn)。在橋梁每墩臺橫橋向各布設(shè)5個(gè)沉降及水平位移監(jiān)測點(diǎn)，其中2個(gè)沉降及水平位移監(jiān)測點(diǎn)位于隧道軸線正上方。

③隧道結(jié)構(gòu)變形

隧道結(jié)構(gòu)變形監(jiān)測點(diǎn)按每5環(huán)一個(gè)斷面布設(shè)，每個(gè)斷面布設(shè)拱頂沉降、隧底隆起、凈空收斂共計(jì)3個(gè)點(diǎn)位，分別位于監(jiān)測斷面的拱頂、拱底或兩側(cè)拱腰處。

3.2.2 監(jiān)測頻率

為確保施工安全，監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)意義在于全面且及時(shí)獲得各項(xiàng)施工信息，監(jiān)測頻率必須滿足服務(wù)需求，監(jiān)測工作根據(jù)現(xiàn)場工況以及監(jiān)測內(nèi)容的變化，將采取“定時(shí)+跟蹤”相結(jié)合的辦法進(jìn)行。地表及建筑物沉降1次/1d，隧道拱頂沉降、隧道隆起、凈空收斂2次/1d，監(jiān)測周期為盾構(gòu)開始掘進(jìn)前7天到隧道結(jié)構(gòu)貫通后不少于6個(gè)月，直至監(jiān)測點(diǎn)變形達(dá)到相對穩(wěn)定為止。

3.2.3 監(jiān)測報(bào)警值

地表沉降報(bào)警值為30mm，變化速率為4mm/d；建(構(gòu))筑物沉降報(bào)警值為15mm，變化速率為1mm/d；拱頂沉降報(bào)警值為10mm，變化速率為2mm/d；隧底隆起報(bào)警值為20mm，變化速率為2mm/d；凈空收斂報(bào)警值為12mm，變化速率為3mm/d；橋梁結(jié)構(gòu)豎向沉降報(bào)警值為5mm，差異沉降量為2.1mm。盾構(gòu)施工智能化監(jiān)控系統(tǒng)以及時(shí)、全面掌握掌子面及周邊實(shí)時(shí)情況、盾構(gòu)姿態(tài)為目的，達(dá)到及時(shí)監(jiān)控，集中管理的目的，該系統(tǒng)采用技術(shù)路線如下：

圖3 盾構(gòu)機(jī)操作系統(tǒng)界面圖

圖4 盾構(gòu)導(dǎo)向系統(tǒng)操作界面圖

①隧道內(nèi)部工作環(huán)境比較惡劣，所以系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定是首要考慮的，設(shè)備軟硬件應(yīng)達(dá)到防爆、防潮標(biāo)準(zhǔn)，信號傳輸接收采用有線光纜+無線APP相結(jié)合模式，相互補(bǔ)充，確保系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定性；

②系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)操作方便，便于維護(hù)，操作界面采用LED電子液晶顯示器配合觸摸屏設(shè)計(jì)，系統(tǒng)要采用模塊化設(shè)計(jì)，便于二次升級維護(hù)；

③系統(tǒng)需滿足一定兼容性和開放性，系統(tǒng)采用Windows10系統(tǒng)，數(shù)據(jù)庫采用MYSQL，并開放數(shù)據(jù)庫、開放外接端口，方便連接BIM系統(tǒng)、智慧工地等系統(tǒng)，增加系統(tǒng)的通用性；

④遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳遞采用高等級加密信號，如互聯(lián)網(wǎng)+VPN網(wǎng)絡(luò)防火墻模式，實(shí)現(xiàn)信息的及時(shí)有效傳輸，提高決策層效率。

3.3 監(jiān)控視頻及門禁系統(tǒng)布設(shè)

在施工現(xiàn)場安裝視頻監(jiān)控設(shè)施，建立完善的施工信息化管理平臺，與合肥地鐵總公司的監(jiān)控中心通過專用網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，實(shí)時(shí)將站點(diǎn)的視頻，門禁考勤、辦公數(shù)據(jù)傳送到智慧中心。施工現(xiàn)場大門設(shè)置門禁系統(tǒng)，并接入IFA人臉識別系統(tǒng)，加強(qiáng)對出入施工現(xiàn)場人員及車輛的管理，如圖5所示。

圖5 現(xiàn)場監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)示意圖

施工現(xiàn)場門禁系統(tǒng)用于進(jìn)入施工作業(yè)區(qū)人員監(jiān)控，能實(shí)時(shí)顯示出施工作業(yè)區(qū)的人員信息，隨時(shí)掌握進(jìn)入施工區(qū)人員信息。門禁系統(tǒng)設(shè)在辦公、生活區(qū)和施工作業(yè)區(qū)之間，主要由三輥閘、門禁控制器、控制器電源及鐵箱、人員卡、讀卡器、門禁管理主機(jī)、門禁攝像機(jī)、LED屏幕、交換機(jī)等組成?，F(xiàn)場施工、監(jiān)理人員利用門禁卡進(jìn)出施工作業(yè)區(qū)，業(yè)主及外賓采用臨時(shí)卡進(jìn)出。有效控制人員進(jìn)出入，并記錄所有進(jìn)出的詳細(xì)情況，實(shí)現(xiàn)出入口的安全管理。

4 結(jié)論

①地鐵盾構(gòu)施工智能化監(jiān)控系統(tǒng)具有自動(dòng)實(shí)時(shí)采集盾構(gòu)推進(jìn)時(shí)的各類傳感數(shù)據(jù)，包含盾構(gòu)土倉壓力、刀盤扭矩、推進(jìn)速度、盾構(gòu)姿態(tài)等，并完成數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程通信、數(shù)據(jù)處理、圖表顯示、信息存貯、報(bào)表打印、檢索等功能。該系統(tǒng)繼承并發(fā)展了當(dāng)前盾構(gòu)施工信息監(jiān)測技術(shù)的最新成果，在PLC數(shù)據(jù)采集速度、可靠性、傳輸保密上有明顯提升。

②地鐵盾構(gòu)施工智能化監(jiān)控系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計(jì)，集成了安全風(fēng)險(xiǎn)模塊、現(xiàn)場視頻、門禁系統(tǒng)、人員管理，并開放了外接端口，與BIM系統(tǒng)、生產(chǎn)調(diào)度系統(tǒng)、智慧工地系統(tǒng)等相互連接，增加了資源的有效協(xié)調(diào)，實(shí)現(xiàn)了對監(jiān)測數(shù)據(jù)的管理與統(tǒng)計(jì)分析、重大風(fēng)險(xiǎn)源管理、安全預(yù)警管理，達(dá)到可視化的效果。

“地鐵盾構(gòu)施工智能化監(jiān)控系統(tǒng)”的開發(fā)與應(yīng)用，高效實(shí)時(shí)監(jiān)控盾構(gòu)設(shè)備的掘進(jìn)過程，特別采用無線局域網(wǎng)技術(shù)、視頻通信技術(shù)、交換技術(shù)等，實(shí)現(xiàn)信息資源共享，聯(lián)動(dòng)指揮。盾構(gòu)機(jī)在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下掘進(jìn)時(shí)能獲得及時(shí)的信息化傳遞，當(dāng)圍巖應(yīng)力、土倉壓力、盾構(gòu)扭矩、刀盤轉(zhuǎn)速、推進(jìn)速度等參數(shù)發(fā)生異常時(shí)，可實(shí)現(xiàn)同步調(diào)整，面對日常突發(fā)事件，實(shí)現(xiàn)信息溝通，科學(xué)決策，經(jīng)濟(jì)和社會效益明顯。