基于BIM的地鐵盾構施工信息管理

張紹聰

【摘? 要】目前，地鐵盾構施工技術的應用領域愈加廣泛，意味著在應用地鐵盾構施工技術的過程中，需要進一步做好安全風險的管理工作，確保地鐵施工所有區間的安全性。

【關鍵詞】地鐵盾構;施工;信息管理

1 前言

盾構法的核心施工設備是盾構機。盾構機在施工過程中會產生大量數據，如掘進、管片拼裝以及管片物流等，由于隧道，尤其是城市地下隧道，施工環境具有高度的復雜性和不確定性，地質參數、盾構施工數據、隧道設計參數等數據組成的信息集，共同描述了當前盾構機的施工狀態，是決定整個隧道工程安全、質量、成本和工期的關鍵信息。鑒于盾構機操作的高度復雜和服役環境的極端苛刻，充分利用這些數據成為保證盾構正常工作和防范風險的重要手段。如何更好地采集、傳輸、儲存和使用這些數據，將隧道信息轉化成施工智能，以指導盾構施工以及規避風險，成為了地鐵工程參建各方巫待解決的難題。

2 盾構施工信息管理的研究現狀

為充分挖掘數據的潛在價值，工業界、學術界對盾構施工信息管理進行了研究并開發了相應的系統。這些系統可以分為以下三類：

2.1盾構機自帶的實時監控系統

早期盾構施工信息管理系統主要聚焦于施工過程實時監控，盾構機生產商將傳感器、儀表、PLC（ProgrammableLogicController）和計算機技術集成到盾構實時監控系統，基本實現了盾構機現場施工的實時監控和數據獲取。此類系統主要面向盾構機操作員開發，重點關注施工參數的監控，并未考慮隧道建設項口中的其他信息。

2.2基于C/S（Client/Server）構架的盾構信息管理系統

這類系統主要使用組態軟件等技術對盾構機自帶監控系統采集到的數據二次開發，研發了盾構信息管理系統客戶端。這類系統服務于施工方項口管理，其優點是實現了盾構參數與地質信息的信息集成，并基于數據研發了眾多輔助施工和項口管理的功能。但缺點是需提前在終端安裝系統程序，軟件數據龐大，不易于系統維護、更新，對移動互聯網的支持較差。

2.3基于B/S（Browser/Server）架構的盾構信息管理系統

B/S架構是互聯網時代對C/S架構的一種改進。基于B/S架構的盾構信息管理系統，在實現上述功能基礎上，增加了多盾構的遠程集群管理功能。此類系統客戶端可以依托任意智能終端的瀏覽器，監控盾構施工狀態，輔助隧道項口管理工作。由于應用程序都安裝在服務器端，因此方便進行系統的升級維護。然而，對于系統某些復雜功能，如高精度的模型渲染等的實現效果不太理想。

這三類系統在不同的程度上將盾構機施工參數與地質信息集成到了盾構信息管理系統中，最大化地利用隧道建設過程中產生的數據支持施工和項口管理決策。然而，以上信息管理系統仍然存在以下缺陷：1）未考慮到盾構隧道施工全過程的因素（地質信息，盾構機參數，施工質量、安全、成本、進度信息）;2）各類施工信息存儲分散，數據關聯性弱，無法發揮出信息協同的優勢;3）數據可視化程度較低，不利于工程管理人員理解和使用。

3 盾構施工信息模型

3.1盾構隧道信息類別

在建立盾構隧道施工信息模型之前，首先要對項口涉及到的信息進行分類。盾構隧道項口按工程對象可以分為三類：盾構機（掘進設備）、地質空間（土層信息）和隧道結構（工程實體）。盾構機主要包括對其整體的幾何、性能參數描述和盾構各子系統關鍵施工參數;隧道結構包括隧道線性設計、功能設計參數、管片環設計參數和隧道成型質量數據;地質空間則包括了土性參數、土質分層等地質信息，以及地下水位、水頭及滲流等水文信息。

3.2盾構施工信息模型的建立

在對獲取到的所有數據進行歸類的基礎上，本節分別構建地質空間模型、隧道結構模型、盾構機模型。

3.2.1地質空間

地質空間模型包括兩部分：土層和地下水。土層模型通常是根據地質勘探的圖紙，建立包含各土層序列的三維模型，然后為每層土指定相應的土壤和水文參數等語義信息。另外，沉降數據也將整合至土層模型的表層，建筑物和江水的三維幾何數據和位置信息，可以使用GoogleEarth等地理信息采集軟件，輔以人工實地勘探獲取。使用可視化的模型對于沉降評估是非常有效的方法。

3.2.2隧道結構

盾構法施工的隧道結構，除了始發/接收工作井外，預制管片拼裝成的隧道是結構主體，因此在建立隧道模型前，首先創建管片環模型。一環完整的管片，通常是由一塊封頂塊、兩塊鄰接塊和若干塊標準塊組成。每一環管片都與其內外徑、厚度、環寬、材質等語義信息關聯。

3.2.3盾構機

盾構機模型主要由盾構機頭和后配套系統組成。模型的幾何尺寸可以根據隧道項口進行縮放調節。盾構機從誕生發展至今，演化出了眾多類型，本文所指的盾構機，以討論最常見的土壓平衡和泥水平衡盾構為主。盾構機頭包括刀盤（內嵌刀具）、盾體、推進油缸、螺旋輸送機（土壓式）、皮帶輸送機（土壓式）、泥水輸送機（泥水式）、管片拼裝機、拖車等主要部件構成。盾構機各組件與其語義信息相關聯，并與盾構機實時監控數據集成，以實現施工參數在模型上的顯示和報警。

3.3基于IFC標準的信息集成與共享

BIM通過統一的數據標準工業基礎類（Iu-dustryFoundationClasses，IFC）對工程實體的幾何、屬性、語義和關系的模型化表達，并集成工程進度、質量等各類相關信息，支撐工程全生命周期的信息共享。IFC是一種開放的數據標準，對于尚未涵蓋的領域，提供了多種擴展機制。IFC標準擴展到盾構隧道領域，實現了基于IFC的盾構隧道信息模型的數據表達。

4 盾構施工信息管理系統開發

4.1數據管理模塊

模型數據的創建、導人、保存、管理和維護由數據管理模塊負責。本系統提供了項口數據導人的三條途徑，用于處理三類不同類型的信息。

4.1.1模型數據導人

本系統支持第三方軟件建立的3D模型導人，也提供建模工具用于直接創建。系統可以將隧道的3D模型與進度、成本等信息關聯，構建基于IFC標準的盾構施工信息模型。同時，系統也提供數據轉換接口，支持二次開發。

4.1.2實時參數采集

盾構機自動采集的數據存儲于盾構機的PLC里，使用光纖作為傳輸介質，把數據傳輸至地面的數據采集服務器。數據采集服務器通過專用網絡將數據發送至數據中心，寫人數據庫加以存儲，供程序調用。

4.1.3施工日志填報

施工日志填報用于采集人工測量數據（如沉降監測、盾尾間隙、刀具磨損等）以及項口進度和管理信息。為便于數據的存儲和調用，該模塊采用結構化存儲設計，使用WBS（WorkBreakdownStructure）將盾構隧道分解為分部分項，獨立填報。

4.2數據可視化模塊

數據可視化模塊基于瀏覽器展示，并采用Silverlight插件和Unity3D分別實現客戶端的交互和三維模型的渲染，增加系統的交互性和真實感。

4.3數據應用模塊

基于信息管理系統存儲的模型數據，本系統提供了多個數據分析工具，用于支持施工決策。用戶可以在三維模型上選擇相應的構件，如選擇任意襯砌環，可對該環的施工時間、材料消耗和施工歷史參數進行分析，選擇開挖面可進行開挖面穩定分析，選擇刀盤可進行刀盤刀具的管理。

5 結束語

盾構施工信息按照隧道項口地質空間、隧道結構和盾構機三類工程實體分別獲取和存儲，以BIM模型為載體，IFC標準集成，實現數據可視化展示。同時，以管片環作為信息關聯的基本單位，將對應時空間位置的地質參數、結構參數和盾構機參數關聯，實現數據可視化查詢。

（作者單位：中鐵二十一局集團有限公司）