土壓平衡盾構施工風險監控系統及參數預警研究

江玉生， 孫正陽， 楊志勇

(中國礦業大學(北京)力學與建筑工程學院， 北京 100083)

0 引言

隨著我國經濟的發展，各類隧道建設的數量大幅增加[1]，盾構作為一種大型的施工設備，被廣泛應用于地鐵隧道、水利管線、綜合管廊等工程中。得益于自動化和信息化技術的發展，盾構施工參數可通過物聯網技術進行遠程的實時監控，在此基礎上研發盾構施工風險監控系統，實現對盾構施工過程的實時監控、統計及分析，進而實現對盾構施工風險狀態的實時監控。

國內外學者對相關問題進行了研究。系統構架方面，胡向東等[2]介紹了一種可用于盾構隧道施工、監測、監理及設計等參建各方的技術管理、對比分析等的盾構推進監控數據庫及動態顯示系統；周文波等[3]介紹了一種盾構隧道信息化施工智能管理系統，并對系統數據庫的建立、數據傳輸的實現、數據的發布、施工數據的分析方法進行了詳細介紹；項貽強等[4]對盾構設備施工遠程監控系統的構建進行介紹。目前盾構監控系統多以B/S構架為基礎[5-7]，數據傳輸方面的工作原理也較為完善，而對于盾構風險監控系統功能需求、界面設計等人機交互的研究較少。

對于盾構監控系統功能需求的研究必須以盾構施工過程中風險管理的手段為基礎，同時需結合盾構施工中積累的管理經驗對界面進行優化。施工過程風險管理研究方面，楊文武等[8]對隧道工程全過程風險管理模式進行了討論，建立了全過程風險管理體系；張姣[9]提出了一種越江隧道盾構法施工的風險評價方法，并在實際工程中得到了應用，取得了良好的效果；胡長明等[10]運用拓撲學理論建立了風險可拓評估模型，并成功應用于寧波地鐵建設；劉文等[11]和李蒙等[12]探討了地鐵盾構施工的安全風險規律及管理對策，指出了盾構施工事故風險較大的階段；楊樹才[13]依據城市軌道交通工程安全風險管理體系和管控技術標準，對管控的重點進行了分析，提出了4種監控方式對地下工程進行監控；曹勰[14]對盾構施工煤礦斜井工程中風險預控的管理方法進行了研究；于寶敏等[15]對盾構開艙的技術現狀及風險管控手段進行了分析。

目前針對風險管控系統及風險管控手段的研究均取得了部分成果，但針對如何將兩者相互整合的研究較少，對于風險系統的研究多以系統構架功能設計為主，未將系統的研發內容與現場施工緊密結合；另外，關于盾構施工參數自動預警方面的研究未見發表。本文以盾構掘進過程中的風險管控需求為基礎，研發盾構施工風險監控系統，并結合盾構施工特點提出盾構參數預警的方法，研究結果以期為盾構施工風險控制提供參考。

1 系統需求及構架

盾構施工風險監控系統的主要監控對象為施工中的風險工程，從來源上對其進行劃分，可分為自身風險和環境風險。盾構施工的自身風險大多與施工參數有重要聯系，通過對參數的綜合分析，可實現對自身風險的基本判斷。環境風險是指盾構施工過程中穿越河湖、橋梁、既有線等重要建(構)筑物所引發的風險，隧道與環境風險工程之間的位置關系已經確定，在施工過程中控制盾構參數并及時優化是降低盾構施工風險的重要手段。

綜上所述，對盾構施工參數的實時監控及分析是保證自身風險工程及環境風險工程安全的重要手段。

1.1 系統需求分析

根據風險監控的要求，同時為保證盾構施工風險監控系統能夠更好地應用于地鐵建設過程中，經過對地鐵參建人員的調研及其結果的分析總結，確定系統功能需求如下：

1)盾構施工狀態以及關鍵參數實時監控功能，盾構施工風險提示功能；

2)盾構施工參數的儲存分析功能，當參數發生異常時的提示功能；

3)指定環號材料消耗、時間統計等施工管理信息匯總分析，及繪圖或導出報表功能；

4)根據施工情況，結合周邊環境，對風險工程分級和處置進行動態調整評估，并形成日報、周報、月報；

5)在電子地圖上對線路、站點的相關信息進行集成展示；

6)系統功能及數據權限的不同賬戶定制功能。

1.2 系統原理

盾構法隧道施工機械化程度高，盾構在掘進過程中各個參數會傳輸至盾構施工控制計算機(簡稱盾構計算機)中，盾構計算機會對相應的參數進行處理，并通過界面進行顯示，方便施工技術人員根據參數對盾構進行操作；同時，施工參數及各種傳感器的數據會實時地儲存在盾構計算機中。因此，實現了對盾構計算機中數據文件的提取、遠程傳輸、分析整理、界面化顯示等操作，也就實現了對盾構施工的遠程實時監控；并且，通過直接從盾構計算機讀取數據，可保證基礎數據的真實性，避免了人為因素的干擾。

數據傳輸作為系統研發的重要組成部分，如何將盾構計算機中的數據完整、實時、準確地進行傳輸是系統研發的關鍵。數據的傳輸過程主要分為3步(見圖1)：

1)在盾構計算機中安裝自主編制的軟件，對數據文件進行抓取，利用網絡將數據文件傳輸至已經安裝數據文件接收軟件的地面計算機；

2)地面計算機通過自主編制的轉換軟件，對數據文件進行轉換加密等工作，并將轉換后的文件傳輸至服務器；

3)用戶通過互聯網對服務器進行訪問，實現對盾構施工的實時監控和管理。

圖1 盾構施工風險監控系統原理

Fig. 1 Principle of risk monitoring system for shield construction

1.3 系統框架構建

在確定系統需求、明確系統原理之后，采用模塊化開發的模式，進行系統框架的構建。系統共分5個模塊： 盾構監控、風險管理、施工參數分析、施工管理、系統維護。每個模塊下又細分子模塊，系統主要框架如圖2所示。系統各模塊之間功能相互獨立，可根據不同需求進行定制化應用。

圖2 系統功能構架

2 參數監控及分析

2.1 盾構參數監控功能

盾構參數監控是施工風險監控的最重要組成部分，也是系統的根本。通過盾構參數監控功能可實現對盾構主要施工參數進行實時管理；同時，通過良好的人機交互界面設計，使得用戶可以直觀地獲得盾構施工的關鍵參數。盾構監控界面分為刀盤監控(見圖3)、螺旋出土器監控、導向監控(見圖4)等界面。

圖3 盾構刀盤參數監控界面

圖4 盾構導向參數監控界面

刀盤監控界面分為5個區： 推進油缸參數監控區、土艙壓力監控區、鉸接監控區、同步注漿監控區、其他參數監控區。5個監控區涵蓋了土壓盾構施工中的關鍵參數(推力、轉矩、推進速度、貫入度、刀盤轉速、土艙壓力、同步注漿壓力與量等)，通過該界面可直觀地監控盾構施工的關鍵參數。

導向參數監控界面主要分為2個區： 盾構姿態監控區和每環糾偏量監控區。盾構姿態監控區可實時監控盾構前、中、后盾的水平及垂直姿態。盾構施工過程中的盾構姿態是一個動態變化的過程，每環前后盾構姿態均會發生一定的變化，這種姿態的變化就是盾構的每環糾偏量。盾構施工過程中，為保證盾構姿態正常，必須進行糾偏，但每環糾偏量不宜過大，否則會導致盾尾間隙過小、損壞盾尾刷、成型管片在盾尾作用下發生錯臺等問題。因此，通過對盾構姿態進行計算，將每環糾偏量與盾構姿態展示在同一界面，以供調整姿態時進行綜合分析。

通過對盾構施工關鍵參數的實時監控，可實時發現盾構施工過程中的參數異常情況，并對異常情況進行分析處置，降低盾構施工風險。

2.2 參數可視化功能

對于盾構參數實時監控是保證盾構施工順利進行的重要手段之一；另外，對于前期施工參數的有效分析及優化能夠保證盾構后續施工順利進行。當盾構施工出現異常時，通過對前期施工參數的分析可幫助找出異常原因，并在后期采取針對性的措施，保證盾構恢復正常。系統中參數可視化功能充分地滿足了對盾構參數分析的需要，參數分析功能可將盾構施工過程中不同階段的施工參數以折線圖或柱狀圖的形式展示出來，供技術人員進行綜合分析研判。以下從風險研判及參數優化2方面對參數可視化功能進行介紹。

2.2.1 風險研判

圖5示出某盾構區間同步注漿量的統計信息。由圖可知，施工過程中參數基本處于正常范圍內，但328環出現了同步注漿量較高的情況?？赡艽嬖诘娘L險為地層中存在空洞或其他異常，導致注漿量偏大，此時應以系統數據為依據，結合現場情況進行綜合研判，保證施工安全。

2.2.2 參數優化

圖6示出總推力與掘進速度的綜合分析曲線圖。通過圖6可直觀地對盾構總推力與掘進速度之間的關系進行分析與判斷，還可通過縮放功能充分判斷參數之間的關系，對后續施工中參數的控制進行優化。

圖5 盾構施工同步注漿量統計分析

Fig. 5 Statistics of synchronous grouting volume of shield construction

圖6 盾構施工雙參數綜合分析曲線圖

3 參數預警標準及判別準則

盾構施工過程中參數正常與否對盾構施工有著重要影響。目前，對于盾構施工參數的控制主要還是依靠盾構操作手憑經驗判斷，但受技術水平所限，操作手有時并不能十分準確地判斷參數是否正常。由于盾構操作問題導致的盾構施工事故時有發生，因此必須控制盾構施工過程中的參數，制定統一的標準。

3.1 盾構區間組段劃分及管理

為滿足盾構施工過程中參數控制的標準化，北京地鐵建設工程要求施工單位在盾構施工前應按照自身施工經驗及北京地區特點編制組段劃分報告，并組織專家對報告進行評審；然后根據專家意見對原組段報告進行修改，確定最終施工時每個組段盾構施工參數的控制范圍；最后，由監理單位對優化后的組段劃分報告進行評審，方案通過后方可進行盾構始發。

3.2 參數預警標準及判別準則

在施工過程中，要求施工單位嚴格按照組段劃分報告中規定的參數控制范圍進行施工；同時，得益于盾構風險監控系統的應用，可實現盾構施工過程中參數的實時監控。綜合以上2方面基本上保證了盾構施工參數處于正常范圍，但是該方法還需依靠技術人員通過參數監控功能對盾構施工參數進行查詢，當盾構數量增多時，技術人員投入較大。

為降低人力成本，提高風險管控的效率，基于施工前的組段劃分報告及施工過程中盾構參數的實時監控，并結合近十幾年北京地鐵建造過程中遇到的實際問題，利用編程技術提出并實現了盾構施工過程中的參數預警功能，通過該功能可實現盾構參數出現異常時的自動預警，將技術人員從實時監控中解脫出來，解決了高水平有經驗人員不足的問題，也降低了工程人力成本。參數預警的設置遵循以下原則： 緊密聯系施工、預警程度合理、預警數量適中、系統上可實現?；谝陨显瓌t，共設置9項參數預警判斷規則，如表1所示。

表1 盾構參數預警判斷準則

表1(續)

注： 表中所述的控制值均表示組段劃分方案中盾構參數控制值。

不同參數預警的判斷時間略有不同，根據判斷時間的不同可將預警分為3種： 每環掘進結束時判斷、掘進過程中實時判斷、施工過程(包括掘進、拼裝、停機3種盾構狀態)中實時判斷。

通過參數自動預警功能，在盾構參數發生異常時，及時在風險監控系統上進行提示，并將相應參數預警信息推送到相關用戶，保證用戶對施工參數異常情況及時把控。通過對異常參數的管控，達到降低施工風險、保證施工安全的效果。

4 風險管控手段

風險管控作為本系統的核心功能，除了對盾構參數的實時監控、分析及預警外，還對其他管控手段進行了研發。首先，對于環境風險應明確環境風險與盾構的基本位置關系，同時對環境風險的基本情況進行相應介紹，才能完成對環境風險的管控。根據以上原則，研發了以下不同的功能界面。

4.1 環境風險地圖

環境風險地圖是將盾構區間的位置信息與進度信息直觀地顯示在地圖上，滿足相關人員對全網盾構區間位置、周圍風險環境、施工進度概括性的了解，進行放大后可詳細查看具體每個區間的進度情況。

4.2 穿越風險工程提示功能

盾構施工過程中往往會穿越大量風險工程，保證風險工程安全是工程建設的一個重點。通過在施工前進行系統設定，實現了對穿越風險工程的預先提示和穿越過程的實時掌握。主要信息包括： 風險工程范圍、盾構施工進度、風險工程基本信息、風險工程圖形信息等。穿越風險工程提示功能如圖7所示。

4.3 工程環境風險地圖

工程環境風險地圖顯示功能作為一種更加精細化的圖形顯示，以設計資料為基礎，將盾構區間平面圖、剖面圖及相關信息完整地展現出來。平面圖中展示了線路的精確走向，施工過程中穿越的建筑物、河湖、橋梁、既有線、管線等風險工程也在圖中詳細顯示，通過該圖可直接了解到線路施工的完整信息；同時，盾構施工進度也在圖中實時進行展示，通過將線路設置成不同的顏色，來表征盾構施工進度(綠色表示已完成拼裝的環數、紅色表示尚未開挖的環數、粉色表示已開挖尚未拼裝管片的環數(即盾構刀盤到拼裝環的長度)、黃色表示目前拼裝環數)，如圖8所示。剖面圖顯示了線路地層情況、線路坡度情況、水位情況、風險工程情況等施工關鍵信息。

4.4 其他功能

為了滿足技術與管理人員對盾構施工過程的風險管控，增強施工管理水平，系統還研發了關于盾構施工風險管控的其他功能。主要包括： 施工進度分析、施工效率分析、日常報表輸出、信息推送等。

4.4.1 施工進度與效率分析功能

通過對盾構數據的處理及分析，系統可實現對盾構進度與效率的統計并以圖表的形式進行展示。管理人員通過進度分析功能，可對每日施工進度進行分析，進而總結施工技術，優化施工組織，保證盾構施工快速高效地進行。效率分析功能可對盾構施工過程中每環停機、掘進、拼裝時間進行統計，得出的數據圖表可為班組施工效率判斷、施工步驟優化等提供依據。

4.4.2 功能與權限定制

為了滿足不同用戶對于功能及數據權限的差異性需求，開發了功能權限定制及數據權限定制功能。通過該功能可實現對于不同角色(施工、監理、第三方、甲方等)在平臺中可使用功能和可使用數據的個性化需求。通過此功能，不同層級的用戶可充分使用與自身需求相適應的功能與數據，相關使用度較低的功能不在系統中進行展示，最大程度地簡化了系統。

4.4.3 信息推送

信息推送功能是一種程度更深的提示功能。當系統中的相關參數發生異常、盾構即將下穿風險工程時，系統自動向移動客戶端推送相關信息，提示用戶注意并進行相關操作。

4.5 移動客戶端

為滿足用戶在無計算機條件下進行盾構施工風險管控的需求，研發了盾構施工風險監控系統手機客戶端，如圖9所示。手機客戶端功能構架與網頁版系統相同，同樣可實現參數監控、參數分析、風險管控等功能。手機客戶端極大地擴展了施工技術人員對盾構施工風險管控的力度，更好地保證了盾構施工安全。

(a) (b)

圖9手機客戶端部分界面

Fig. 9 Part of interface of mobile phone client

5 結論與討論

本文介紹了基于B/S構架的盾構施工風險監控系統的基本原理及功能框架，并對系統的盾構施工風險管控方式進行了介紹。提出并實現了盾構施工參數的自動預警功能，該系統已成功應用于國內多個城市盾構隧道工程建設中，在施工管理、風險管控、事故原因分析中發揮了重要作用，保證了盾構施工安全，取得了良好的社會效益與經濟效益。

國內外工程建設與管理精細化要求越來越高，勢必要求盾構風險監控系統也要向著精細化發展。同時，基于近十幾年的盾構施工數據積累，如何從海量的數據中總結盾構施工技術與管理經驗，并應用到后續施工中去也是一個具有重大意義的課題。最后，人工智能技術發展迅速，若能將人工智能與盾構施工風險監控系統相結合，必將對盾構施工管理的進步產生強大的促進作用。