富水砂層盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)管控信息化系統(tǒng)研究及應(yīng)用

包洪，任璐，錢嘉偉，羅茜，施燁輝

（1.南通城市軌道交通有限公司，江蘇南通 226007；2.江蘇省地質(zhì)隧道與地下工程科技有限公司，南京 210041）

1 引言

南通市軌道交通1 號(hào)線一期工程均采用地下敷設(shè)方式，全線共有27 個(gè)盾構(gòu)區(qū)間，均采用土壓平衡式盾構(gòu)暗挖施工。

由于南通市軌道交通1 號(hào)線一期盾構(gòu)工程主要穿越地層為富水砂層，具有承壓水水頭較高、土層結(jié)構(gòu)松散的特點(diǎn)，而且盾構(gòu)區(qū)間位于中心城區(qū)，地下管線眾多、周邊建筑物密集、地面路橋車流量大，周邊環(huán)境復(fù)雜，導(dǎo)致土壓平衡盾構(gòu)施工存在較大的沉降、塌方[1]、涌水涌砂[2]等安全風(fēng)險(xiǎn)。因此，利用工程安全風(fēng)險(xiǎn)信息化管控技術(shù)對(duì)盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行信息化管控、優(yōu)化工藝參數(shù)[3]，可以極大地提高安全風(fēng)險(xiǎn)管控工作的及時(shí)性和完備性，完善地鐵盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警防控機(jī)制[4]，從而有效保障盾構(gòu)工程中人員、周邊環(huán)境、設(shè)備資產(chǎn)的安全。

工程安全風(fēng)險(xiǎn)信息化管控技術(shù)的核心是能夠?qū)Π踩L(fēng)險(xiǎn)信息進(jìn)行采集、匯總、呈現(xiàn)的大數(shù)據(jù)系統(tǒng)[5]以及包含巡查上報(bào)、風(fēng)險(xiǎn)分析、預(yù)警、消警的信息化管控工作流程體系[6]。

黃宏偉等[7]在風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)采集和專家經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上搭建了盾構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。賈俊峰等[8]利用施工步分解及層次分析法對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)的量化辨識(shí)進(jìn)行了方法搭建和數(shù)據(jù)計(jì)算。葉新豐等[9]系統(tǒng)總結(jié)了安全風(fēng)險(xiǎn)信息化管控系統(tǒng)在北京地鐵施工中的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)和使用成效。

文獻(xiàn)研究表明，目前已經(jīng)研發(fā)或應(yīng)用的工程安全風(fēng)險(xiǎn)信息化管控技術(shù)在信息采集、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、動(dòng)態(tài)分析、監(jiān)測(cè)預(yù)警等主要方面已經(jīng)有了一定的成果積累。但針對(duì)南通地區(qū)土壓平衡盾構(gòu)穿越富水砂層安全風(fēng)險(xiǎn)管控響應(yīng)時(shí)間短、事故危害等級(jí)高、周邊環(huán)境影響大的特殊環(huán)境，在動(dòng)態(tài)響應(yīng)、分級(jí)管控等方面還存在一定的局限。所以，為了進(jìn)一步完善風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警管控處理機(jī)制，依托南通市軌道交通工程建設(shè)，研發(fā)基于云系統(tǒng)技術(shù)的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息化管控系統(tǒng)，并編制與系統(tǒng)平臺(tái)配套的分級(jí)響應(yīng)預(yù)警風(fēng)險(xiǎn)管控流程，實(shí)現(xiàn)反應(yīng)快速、推送及時(shí)、責(zé)任清晰的盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息化管控，保障南通軌道交通建設(shè)安全。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

2.1 系統(tǒng)架構(gòu)

盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息化管控系統(tǒng)是基于WEB 的大數(shù)據(jù)信息融合及分析處理平臺(tái)，網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)采用B/S 模式，技術(shù)架構(gòu)邏輯層次依次由數(shù)據(jù)交互層、外部接口層、數(shù)據(jù)庫層、工具及引擎層、功能模塊層以及客戶端等層次組成，如圖1 所示。

圖1 功能架構(gòu)邏輯層次

1）數(shù)據(jù)交互層：主要包括云服務(wù)器、路由設(shè)備及防火墻等。

2）外部接口：主要包括盾構(gòu)數(shù)據(jù)傳輸、巡查及治理信息填報(bào)流轉(zhuǎn)過程中的數(shù)據(jù)接口。

3）數(shù)據(jù)庫層：主要包括盾構(gòu)施工參數(shù)庫、視頻監(jiān)控信息數(shù)據(jù)庫、巡查及治理信息數(shù)據(jù)庫。

4）工具及引擎層：主要包括電話短信平臺(tái)、內(nèi)容管理引擎等通用性的工具和引擎。

5）功能模塊層：主要包括刀盤信息、螺旋輸送機(jī)信息、姿態(tài)監(jiān)控、異常狀態(tài)統(tǒng)計(jì)等模塊，涵蓋了盾構(gòu)工程安全風(fēng)險(xiǎn)管理的主要業(yè)務(wù)。

6）客戶端：包含PC 訪問端及移動(dòng)端App，遠(yuǎn)程訪問接口層采集的各實(shí)測(cè)參數(shù)以及功能模塊層統(tǒng)計(jì)分析得到的各類安全風(fēng)險(xiǎn)信息。

2.2 信息自動(dòng)采集及傳輸技術(shù)

盾構(gòu)動(dòng)態(tài)信息自動(dòng)采集設(shè)備，主要包括盾構(gòu)機(jī)端PLC 數(shù)據(jù)采集設(shè)備、數(shù)據(jù)處理及傳輸設(shè)備和遠(yuǎn)程訪問及控制組件。如圖2 所示，盾構(gòu)PLC 的OPC 服務(wù)器實(shí)時(shí)獲取盾構(gòu)機(jī)運(yùn)行的全部參數(shù)，并通過網(wǎng)線連接RJ-45 端口將實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)包發(fā)送給網(wǎng)絡(luò)芯片，網(wǎng)絡(luò)芯片將數(shù)據(jù)包發(fā)送給工控機(jī)CPU 進(jìn)行解譯處理，處理完成后的數(shù)據(jù)被保存到內(nèi)存RAM，并通過無線網(wǎng)卡及無線路由器通過帶防火墻的無線網(wǎng)絡(luò)發(fā)送至中心服務(wù)器，遠(yuǎn)程PC 端或移動(dòng)端App 通過互聯(lián)網(wǎng)經(jīng)無線路由、無線網(wǎng)卡接入工控機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)的訪問、采集、傳輸?shù)目刂?，現(xiàn)場人員可通過工控機(jī)LED 顯示屏查看盾構(gòu)動(dòng)態(tài)參數(shù)。

圖2 盾構(gòu)動(dòng)態(tài)信息自動(dòng)采集設(shè)備

3 系統(tǒng)主要功能模塊

3.1 刀盤信息功能模塊

如圖3 所示，刀盤信息功能模塊包含刀盤主驅(qū)動(dòng)、齒輪傳動(dòng)組、土倉壓力傳感器等前盾關(guān)鍵設(shè)備工作參數(shù)的動(dòng)態(tài)訪問端口，盾構(gòu)施工過程中的前盾參數(shù)在移動(dòng)端App 界面中均可動(dòng)態(tài)刷新與顯示。

圖3 刀盤信息功能模塊

3.2 螺旋輸送機(jī)信息

如圖4 所示，螺旋輸送機(jī)信息包含螺旋輸送機(jī)的扭矩、主軸轉(zhuǎn)速、端部土壓力等工作參數(shù)，以及密封油壓、泡沫系統(tǒng)、同步注漿系統(tǒng)等中盾、盾尾的關(guān)鍵設(shè)備工作參數(shù)的動(dòng)態(tài)顯示窗口。

圖4 螺旋輸送機(jī)信息

3.3 姿態(tài)監(jiān)控功能模塊

如圖5 所示，姿態(tài)監(jiān)控功能模塊包含盾構(gòu)刀盤中心與隧道設(shè)計(jì)軸線偏差的圖形展示窗口，以及偏差數(shù)值在空間水平、垂直、轉(zhuǎn)角上的精確計(jì)量值，實(shí)現(xiàn)在App 界面上全面、及時(shí)地查看盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)參數(shù)。

圖5 姿態(tài)監(jiān)控功能模塊

3.4 異常狀態(tài)統(tǒng)計(jì)功能模塊

系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置了關(guān)于刀盤系統(tǒng)、土倉壓力控制系統(tǒng)、出渣系統(tǒng)、注漿系統(tǒng)等關(guān)鍵子系統(tǒng)的工作參數(shù)預(yù)警判別程序，實(shí)現(xiàn)了自動(dòng)對(duì)比動(dòng)態(tài)采集的參數(shù)并判定異常狀態(tài)，以及對(duì)異常狀態(tài)的自動(dòng)統(tǒng)計(jì)、短信推送，如圖6 所示。

圖6 異常狀態(tài)統(tǒng)計(jì)界面

3.5 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控功能模塊

如圖7 所示，盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息化管控系統(tǒng)App 具備遠(yuǎn)程訪問盾構(gòu)內(nèi)部各網(wǎng)絡(luò)攝像頭的功能，具備視野調(diào)焦、亮度調(diào)節(jié)、視線調(diào)節(jié)的功能，方便查看盾構(gòu)實(shí)際工作狀態(tài)。

圖7 遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控界面

3.6 風(fēng)險(xiǎn)巡查隱患治理功能模塊

如圖8 所示，App 端的風(fēng)險(xiǎn)巡查隱患治理功能具備巡查及治理各方責(zé)任人在線圖文上傳、審批、流轉(zhuǎn)的功能，方便管理人員及時(shí)上傳、處置、審批盾構(gòu)作業(yè)中的風(fēng)險(xiǎn)和隱患。

圖8 風(fēng)險(xiǎn)巡查隱患治理界

4 系統(tǒng)運(yùn)行機(jī)制

盾構(gòu)施工過程中，盾構(gòu)動(dòng)態(tài)信息自動(dòng)采集設(shè)備自動(dòng)采集盾構(gòu)各子系統(tǒng)產(chǎn)生的大量工作參數(shù)，同時(shí)管理人員在巡查過程中也會(huì)產(chǎn)生安全風(fēng)險(xiǎn)相關(guān)的圖文信息，這兩方面的信息數(shù)據(jù)分別通過系統(tǒng)的網(wǎng)絡(luò)路由和移動(dòng)端App，從接口層融合于盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息化管控系統(tǒng)，通過系統(tǒng)內(nèi)置的分析、預(yù)警程序進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分，將觸發(fā)預(yù)警的風(fēng)險(xiǎn)、隱患事件通過電話短信、系統(tǒng)信息的方式推送至客戶端，管理人員接收到預(yù)警推送信息后按照自身角色進(jìn)行相應(yīng)的處置作業(yè)，同時(shí)將分級(jí)處置情況利用系統(tǒng)客戶端進(jìn)行圖文上報(bào)，由參建各方在系統(tǒng)中根據(jù)自身權(quán)限、責(zé)任進(jìn)行處置情況審批復(fù)核，從而完成盾構(gòu)施工全流程安全風(fēng)險(xiǎn)信息化管控工作。

5 結(jié)語

盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息化管控系統(tǒng)架構(gòu)合理、信息采集設(shè)備工作可靠，具有遠(yuǎn)程進(jìn)行刀盤、螺旋輸送機(jī)、掘進(jìn)姿態(tài)、異常狀態(tài)、遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控、風(fēng)險(xiǎn)巡查隱患治理各類信息訪問及流程操作功能，實(shí)現(xiàn)了在App 端的風(fēng)險(xiǎn)巡查隱患治理全流程閉合，實(shí)現(xiàn)了各方在線協(xié)同、隨時(shí)隨地、及時(shí)高效地進(jìn)行盾構(gòu)施工全流程安全風(fēng)險(xiǎn)信息化管控，有效保障了南通市軌道交通1 號(hào)線一期工程盾構(gòu)施工的安全生產(chǎn)工作。