隧道盾構施工風險信息系統研究

張 靜 施燁輝 盧 浩 黃 牧 王 寧

隧道盾構施工風險信息系統研究

張 靜 施燁輝 盧 浩 黃 牧 王 寧

摘 要：為了有效管理和控制盾構施工過程中出現的風險，應用計算機技術和互聯網技術，開發了隧道盾構施工風險信息系統，系統包括盾構實時監控子系統、三維地質信息子系統、風險評估子系統。該系統可實時查看盾構施工信息和地質數據，對盾構施工過程中出現的各種風險因素進行遠程實時分析，對隧道盾構施工作出工風險評估和管理。

關鍵詞：隧道；盾構；施工風險；信息系統

張 靜：南京地鐵建設有限責任公司，高級工程師，江蘇南京 210017

0　引言

隧道場地水文地質條件復雜，工程規模大，使得盾構施工存在大量風險，若處置不當，將產生災難性的后果。因此，有必要在隧道盾構施工中全面考慮其施工風險狀況，采用科學先進的技術控制手段來進行風險管理，減小工程事故災害發生率，有效地管理和控制盾構施工質量和進度，保障隧道順利建成。由于隧道的建設和施工管理難度高，研發盾構信息、地質信息和風險信息三位一體化盾構施工風險信息系統具有重要意義。

1　盾構施工風險辨識與評估

1.1風險辨識

施工風險辨識是指根據工程條件、施工方法等因素，對施工風險進行評估和整理，確定施工風險等級，提出施工風險控制措施建議，并對重大施工風險提出規避措施和事故預案。在盾構施工階段，施工風險包括工程自身安全風險和環境安全風險。

盾構施工風險主要按照盾構始發、掘進、到達3個階段來描述：①盾構始發階段風險主要有盾構出洞偏離軸線大、基座變形損壞、后靠變形損壞、洞口水土大量流失、洞門破除時掌子面坍塌、泥水平衡建立困難等；②盾構掘進階段主要風險有工作面失穩、刀盤刀具磨損、大軸承斷裂、主軸承密封件防水失效、千斤頂推進系統事故、盾構掘進偏離軸線過大、盾構吸泥倉吸泥口堵塞、盾尾密封失效、管片接頭漏水漏漿、管片損壞或拼裝不準、管片上浮過大、注漿管堵塞、注漿效果差、盾構下穿既有建構筑物等；③盾構到達階段主要風險有盾構到達偏離軸線過大、洞口水土大量流失、洞門破除時掌子面坍塌等。

1.2風險評估

目前，風險評估有很多方法，可分為定性分析方法、定量分析方法和綜合分析方法，但都還存在計算復雜、受主觀因素影響較大、部分變量無法準確確定等缺點。盾構施工風險信息系統采用改進的肯特指數法作為風險評估方法，以規范及相關理論為評估依據，從基本指數、選型設計指數、施工指數、后果指數等4方面進行量化分析，風險值R計算如下：

式（1）中，f為概率指數；B為基本指數；D為設計指數；C為施工指數；c為后果指數。

2　盾構施工風險信息系統組成

盾構施工風險信息系統主要由盾構實時監控子系統、三維地質信息子系統和風險評估子系統組成。

2.1盾構實時監控子系統

2.1.1系統組成

盾構實時監控子系統是對盾構施工過程中施工信息進行監控，實現盾構施工全生命周期數據的實時監控、動態管理、匯總與決策，為管理、咨詢和決策者提供及時、準確的盾構施工情況遠程管理平臺，其系統組成見圖1。

為實現系統的上述功能要求，根據工程施工的實際情況，確定本系統的技術路線：系統通過地面機與隧道內工控機進行通信，地面機獲取數據后，通過Internet互聯網傳輸給光纖接入的數據服務器，然后搭建Web服務器從數據服務器中每隔若干秒獲取1次數據并及時提供Web服務給獲得權限的相關用戶。

鑒于數據獲取和傳輸不能對盾構施工有任何影響，本系統采用盾構施工工控機數據共享模式進行施工數據的獲取，每隔若干秒讀取1次，并保證施工控制程序讀寫數據優先。為保證越江隧道長距離數據傳輸穩定高效，采用光纖傳輸方式。

2.1.2盾構施工數據存儲和顯示

盾構施工數據量大，數據名稱類別多，因此，對數據存儲方式有一定的要求。不同盾構機，數據格式也不盡相同，為統一數據格式和提高系統讀取、存儲效率，本系統將數據按照字段位置用二進制方式存儲，并以XML文件保存數據字段和存儲位置，數據占用空間較小，便于傳輸和讀取（圖2）。

盾構施工數據顯示分為實時顯示和歷史查詢2部分，實時顯示是將數據在直觀的盾構施工界面上實時顯示出來（圖3）。

歷史數據查詢主要包括單環分析和多環分析。若盾構某環施工已經完成，則提供該環各項施工參數歷史數據，并繪制相關曲線圖。若要查詢已完成的多環歷史數據則只需輸入指定起始環、指定結束環并選擇所需參數來請求獲得該參數的完整值、掘進值、最大值、最小值、平均值、初始值和結束值的數據，然后根據獲得的數據繪出相應的參數數據變化曲線圖或柱狀圖（圖4、圖5）。

圖1　盾構實時監控子系統組成

圖2　數據傳輸和存儲模塊界面

圖3　盾構施工數據實時顯示界面

圖4　盾構施工數據單環查詢界面

2.1.3盾構施工數據分析

盾構施工數據量大，為了快速挖掘數據信息，需根據已獲取的盾構施工數據，進行統計分析。對于單環數據查詢，可以完整看到所選參數隨施工時間變化的數值，結合相關專業知識和地層參數，則可以判斷分析施工參數的合理性，并將結果反饋與下一環的施工；對于多環分析，主要統計每環施工過程中所選參數的最大值、最小值、初始值、平均值、結束值等，并將查詢的各環數據用柱狀圖顯示出來，這樣經過對比，即可發現各環數據的差異性；對時間和材料消耗進行統計，可以迅速知道每環施工的掘進、裝配、暫停等時間和各環消耗的材料數量，通過這些數據可對工程施工質量進行相應的評價。盾構施工數據分析流程圖見圖6。

2.2三維地質信息子系統

三維地質信息子系統主要用于描述工程位置及環境、地質和水文信息，系統框架如圖7，其主要功能如下。

（1）空間數據管理。包括鉆孔數據的存取、地質模型數據庫的生成、存取和管理等功能。

圖5　盾構施工數據多環查詢界面

圖6　盾構施工數據分析流程

圖7　三維地質信息系統框架

圖8　風險評估子系統組成

（2）三維地質空間顯示。用戶利用Web方式在客戶端使用瀏覽器進行瀏覽，運用Web三維顯示的相關技術，在WebGIS平臺上實現三維地質空間圖像的實時顯示。

（3）空間漫游、地質剖面等用戶交互。在三維地質模型實時顯示的基礎上，用戶可以在此三維空間里任意漫游，并可查看橫剖面的地質圖像以及查看其他相關的地質數據。

（4）施工進度實時顯示。系統將根據施工進度的實時數據，對施工體和地質體的三維模型進行更新，并在瀏覽器端進行實時顯示。

2.3風險評估子系統

風險評估子系統主要是實現工程建設風險的評估結論與建議的發布、查閱與打印。為了直觀查閱風險工程與風險事件，將地質情況和環境風險分多個風險組段，對每個風險組段的風險進行定量分析。點擊所需隧道斷面，即可查閱該隧道斷面風險組段名稱與組段的風險評估結果。系統組成如圖8所示。

3　盾構施工風險信息系統應用

某地鐵工程過江段長3 600 m，隧道外徑11.2 m，采用單洞雙線泥水盾構施工，凍結法加固洞門。過江段場地基本處于堆積平原地貌單元內，地形總體較平坦，起伏較小，沿線地表均為第四系地層覆蓋，表層多為0～3 m厚的人工填筑土，其下粉質黏土、淤泥質粉質黏土、粉細砂、含礫粉細砂、中粗砂、礫砂及卵礫石。

施工中采用盾構施工風險信息系統進行施工過程實時監控和風險管理。本系統根據工程實際，實施風險工程查詢分析、盾構穿越區域的三維地質查詢和盾構施工信息實時監控等。

圖9是本系統根據工程勘察和設計資料，給出的工程風險組段的實時概況及主要風險。

同時，本系統也可以查詢風險組段內三維地質信息、施工進度和盾構機當前所在位置，在此界面內，還可以查詢每一環的地層情況、管片坐標環號等（圖10）。若是當前施工環，則可以查看當前實時數據。若定位該環未施工，則提示，若已經施工完成，則提供該環系列參數，并繪制相關曲線圖。若要查詢已完成的多環歷史數據則只需輸入指定起始環和指定結束環并選擇相應參數來獲得該參數的完整值、掘進值、最大值、最小值、平均值、初始值和結束值的數據，然后根據獲得的數據繪出相應的參數數據變化曲線圖或柱狀圖。

基于三維地質信息和盾構監控子系統數據，結合系統平臺內的施工監測和第三方變形監測數據，若數據超過閾值則進行相應級別預警（圖11）。進一步對盾構施工參數進行反分析，可得出其與地面變形之間關系，為盾構施工參數控制提供參考。

考慮各種因素，風險分析系統可計算得出各個施工階段和風險組段主要風險事件的風險值，風險值越大，風險就越大，圖12給出的是盾構掘進始發段的風險柱狀圖。

圖9　風險組段劃分及組段主要風險

圖10　三維地質信息及工程進度

圖11　變形數據監測預警　

圖12　掘進始發段風險柱狀圖

參考文獻

[1] 周文波，胡珉. 盾構隧道信息化施工智能管理系統設計及應用[J]. 巖石力學與工程學報，2004（增2）.

[2] 顧國明. 大型越江盾構工程施工風險控制[J]. 建筑機械化，2008 （9）.

[3] 王陽，胡昊，劉永新. 南京長江越江盾構隧道工程項目施工風險管理[J]. 基建管理優化，2010（3）.

[4] 王百泉，任勇，金仲祥，等. 復雜條件下的大直徑泥水盾構掘進參數控制[J]. 中國工程科學， 2010 （12）.

[5] 吳世明，林存剛，張忠苗，等.泥水盾構下穿堤防的風險分析及控制研究[J]. 巖石力學與工程學報, 2011（5）.

責任編輯 朱開明

Study on Risk Information System in Tunnel Shield Construction

Zhang Jing, Shi Yehui, Lu Hao, et al.

Abstract:In order to have an effective management and control on risks in the shield construction, computer technology and Internet technology are in use. With the development of risk information system in shield tunnel construction, the system includes a shield real-time monitoring subsystem, 3D geological information subsystem, and risk evaluation subsystem. The system has real-time shield construction information and geological data, make remote and real-time analysis of various risk factors occurred in shield construction, works out engineering risk assessment and management in tunnel shield engineering.

Keywords:tunnel, shield, construction risk, information system

收稿日期2014-11-10

中圖分類號：TU 443