視頻化信息反饋系統在軌道交通工程建設中的應用

湯憲高，李 南，趙寶華

(1.中鐵隧道集團有限公司，河南洛陽 471009;2.北京鐵路局地下直徑線指揮部，北京 100045;3.中鐵隧道集團技術中心，河南洛陽 471009)

0 引言

北京鐵路樞紐北京站至北京西站地下直徑線工程是北京市重點工程，被稱為“北京市風險最大工程之一”。工程采用大直徑泥水盾構施工，這在北京城區尚屬首次。由于盾構在北京繁華城區砂卵石地層中長距離掘進，周邊環境異常復雜。軌道交通工程施工環境有效監控和信息快速反饋，是軌道交通工程信息化施工成敗的基礎和關鍵，當前主要的問題在于:面對繁雜的監測信息及眾多復雜的影響因素，軌道交通施工過程信息反饋以往只注重于施工監測反饋，信息反饋單一，抽象且不能與現場施工緊密結合［1－8］，這樣的狀況是難以真正高效地為軌道交通工程信息化施工服務的。因此，開展以GIS為技術平臺，通過勘察、設計、施工、環境和監測等多源信息的統一集成，建立一個既能夠直觀反映工程與周邊環境、地層之間相互關系，同時又集成大量施工安全信息的圖形平臺和信息可視化監測系統，為北京鐵路地下直徑線工程和其他軌道交通工程施工安全提供高效快速的信息技術服務，具有重要的研究意義與工程實用價值。

1 工程概況

北京站至北京西站地下直徑線工程位于北京市中心區，隧道線路大致呈東西走向，隧道東起崇文門大街路口東側，在崇文門站—長椿街站間與既有環線地鐵大致平行，往西經西便門橋、天寧寺橋、白云路橋北側，斜穿白云路橋下至小馬廠附近出地面。

本隧道盾構區間全長5 175 m，采用1臺全新的直徑12.04m泥水平衡盾構機。隧道線路平面示意圖見圖1。

盾構隧道主要穿越砂礫(卵)石地層，粉砂、細砂、中－粗砂地層和粉土－黏土地層3種典型地層，一般粒徑為20～40 mm，大于20 mm的顆粒含量約占總質量的65%。地下水為層間潛水，埋深為23.10～ 25.6 m［9－10］。

2 視頻化信息反饋集成系統架構

北京地下直徑線信息化施工視頻反饋集成由監測可視化預警系統、視頻監控系統、門禁系統、盾構掘進參數控制系統、施工監測反饋系統5部分組成，系統組成及現場應用見圖2和圖3。

圖1 隧道線路平面示意圖Fig.1 Plan of tunnel alignment

圖2 信息化系統結構圖Fig.2 Structure of videolized information feedback system

圖3 信息化系統現場效果圖Fig.3 Effect of videolized information feedback system

3 視頻化信息反饋集成系統的創建與應用

3.1 監測可視化預警系統的創建與應用

本系統平臺包括2大部分:一是基于GIS組件Supermap Objects的監測信息可視化平臺系統，即施工監測電子地圖;二是施工監測數據庫管理系統。

監測信息可視化平臺系統創建包括施工監測電子地圖的制作、施工監測信息的創建維護、實現監測數據的計算功能、信息的查詢功能、預測預警功能等。

施工監測數據庫系統主要服務于日常監測工作，具有獨立的監測項目、測點、工程數據和環境數據庫創建和編輯功能，能夠完成日常數據的計算、存儲、查詢、統計、預測與預警功能，同時，提供日常監測工作中所常用的數據圖形繪制和報表生成等工具。施工監測數據庫管理系統功能結構圖見圖4。

圖4 施工監測數據庫管理系統的基本功能結構Fig.4 Basic functions of management system of construction monitoring database

監測可視化預警系統現場圖見圖5。通過本系統可以直觀的看到隧道與周邊環境的位置關系、隧道周邊環境情況、隧道施工進度、工程地質、各種監測項目測點布置及沉降值數值、沉降歷時曲線并設置有三級預警等功能。能直觀快速地反映施工對周邊環境的影響，實現科學、準確、快速的信息反饋。

圖5 監測可視化預警系統現場圖Fig.5 Pictures of videolized warning system

3.2 視頻監控系統的創建與應用

視頻監控系統主要是對施工場地內重要部位的事態、人流等動態狀況進行宏觀監視、控制，以便對各種異常情況進行實時取證、復核及校正，達到及時處理的目的。嵌入式監控對現場設備進行集中監視、控制和管理，使這些設備得以安全、可靠、高效地運行，最大限度地發揮智能管理的作用。監控系統設計原理如圖6所示。

通過安裝在施工作業面等重要部位的各類攝像機監控施工現場，能夠對盾構主控室、盾構入倉、4號井底部、CRD二次襯砌施工等關鍵施工部位、工序及重大風險源進行24 h監控，實時掌握各監控部位現場施工、人員狀態，及時發現、糾正及制止現場不符合標準的行為;同時做到及時準確的規劃統籌人員、物資的調配，最大限度地提高生產效率，通過錄像回放功能，能夠做到各種施工過程有據可查。視頻監控系統現場應用圖見圖7。

3.3 門禁系統的創建與應用

3.3.1 門禁系統組建

門禁系統主要由門禁控制主機、中心管理主機、視頻采集系統、顯示終端以及附件5部分組成。數據采集子系統為基于RFID感應卡技術，全球唯一卡號，不易仿制，安全性高。

3.3.2 門禁系統應用

門禁系統可以實時顯示記錄隧道內管理人員、監理人員、施工人員以及來賓數量、出入隧道區域、出入時間等信息;同時通過安裝在洞口的攝像頭可以顯示人員出入隧道的影像資料，及時糾正不符合規定的行為。門禁系統現場應用圖見圖8。門禁系統的應用有效解決了施工現場的人員管理問題，有助于內部的有序化管理。

3.4 盾構掘進參數控制系統的創建與應用

3.4.1 系統組建

掘進參數控制系統主要是指將盾構主控室的控制面板通過光纖和網絡傳輸到監控調度指揮中心及項目內部網絡的控制系統。

3.4.2 系統功能與應用

通過盾構掘進參數控制系統，地面人員能隨時掌握盾構實時操作情況，如泥水壓力、扭矩、盾構推力、掘進速度、油缸行程等主要參數，發生異常時能夠及時對盾構主控室操作發出指令，實現盾構主控室和調度控制中心的聯動，確保盾構的安全掘進。掘進參數控制現場應用見圖9。

3.5 施工監測反饋系統創建及應用

3.5.1 施工監測系統的創建

施工監測系統主要包括現場數據采集、監測信息反饋2方面。

現場數據采集中常規監測項目采用人工進行數據采集，對于重點建筑物采用“靜力水準－電子水平梁”遠程自動化監測系統進行實時監測。遠程自動化監測系統見圖10。

圖10 遠程自動化監測系統構成圖Fig.10 Structure of remote automatic monitoring system

監測信息分析反饋是將現場采集的數據進行處理、分析、總結，通過監測日報、周報、月報等形式及時準確地反饋給相關部門，指導施工。

3.5.2 施工監測系統的應用

通過施工監測系統總結了不同地層沉降、沉降發展過程規律、施工橫向影響范圍、建筑物沉降規律以及泥水壓力、注漿壓力、注漿量等掘進參數與地層沉降之間的對應關系，通過優化掘進參數有效地控制了地表和周邊環境的變化，順利通過各種風險源。

4 系統應用效果和評價

1)常規監測系統與盾構參數控制系統的結合建立了掘進參數與沉降的控制關系，通過掘進參數設定較好地控制掘進對周邊環境的影響范圍和程度。圖11反映了泥水壓力與地表前期沉降、累計沉降的關系。通過對泥水壓力合理的調整，對前期沉降的控制效果顯著。

圖11 隧道軸線地表累計隆沉、前期隆沉與泥水壓力關系曲線圖Fig.11 Curves of relationship among accumulated ground surface heave/settlement and primary heave/settlement along tunnel axis and slurry pressure

2)施工監測反饋系統與監測預警系統的集成，達到了隧道施工對周邊環境影響的實時顯示，三級預警的功能，順利通過了護城河、天寧寺橋、西便門橋、西便門東、西里建筑群等風險源，確保周邊環境安全。

3)視頻監控系統與門禁系統的有效結合，實現了項目對施工現場的施工質量、施工安全管理有效控制。

4)項目首次實現了監測預警系統、視頻監控系統、盾構掘進參數控制系統、監測反饋系統的有機集成、應用。形成了全方位、立體化、實時性的施工信息反饋集成系統，為項目安全施工、質量控制提供了及時有效的信息，科學系統地落實信息化標準化管理。

5 結論

北京直徑線工程通過將多種信息反饋系統有機集成、應用，達到了實時、形象、準確、與施工現場結合緊密的信息反饋效果，很好地指導了施工，確保了工程施工安全。視頻化信息反饋系統仍然有造價高、數據更新繁瑣等缺點，將在今后的工作中不斷改善和提高。

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