盾構施工信息化管理系統的建立

文｜中國交通建設股份有限公司軌道交通分公司 朱霆軒

引言

目前，我國正處于經濟高速增長的階段，城市人口不斷增加，地上交通也日漸擁堵，為緩解日益緊張的地面通行，地鐵憑借其“用地資源少、節能環保、準點到達”等諸多優點，在各大城市掀起一股地鐵建設熱潮。正因為其便利性，地鐵建設往往需要穿越城市繁華的商業地段、大型社區等人口密集區域，從而導致施工周期長，風險大，技術要求高，安全質量管理難度大等多種難題。

尤其是在建設一條地鐵線路過程中，往往存在幾臺甚至十幾臺盾構同時作業的情況，這時就需要建立完善的盾構信息化管理系統，對不同單位，不同類型盾構進行集中管控，使不同層級管理單位可以較快速獲取盾構施工參數、風險等信息，集中分析，做出指令，對做好盾構施工風險管控是必不可少的措施之一。

1 盾構施工信息化管理系統的組成

1.1 系統的初始劃分

組建一套完整的盾構信息化管理系統首先需要劃分盾構的類型。

盾構機根據地質、環境條件的限制及施工方法的選取不同，按平衡開挖面方法分類為土壓平衡盾構和泥水平衡盾構；按地質條件分類為軟土盾構、復合盾構、硬巖盾構；按盾構外觀形狀分類為單圓盾構、雙圓盾構、矩形盾構。

不同類型的盾構機，掘進施工過程中的主要參數，機電設備，信息采集復雜程度存在較大差異，在組建信息化管理系統過程中要先根據盾構類型，預設相關功能及主要參數，在系統初始界面上進行劃分，以在下一級系統中設置針對性界面進行操作。

1.2 系統的基礎構成

系統的構成首先要考慮不同使用者的需求，盾構施工過程中的技術管理需求分析為以下幾類：

管理需求：工程投資方、監理單位、施工總承包單位、施工單位從多角度，多層級的方式對盾構施工進行管理。

施工需求：采用不同類型的盾構機，選取不同類型的施工工藝，對信息管理系統的施工、設備參數、預警體系等顯示要求也不盡相同。

操作需求：盾構司機需要隨時掌握盾構掘進過程中的各項施工參數：例如開挖面壓力數值、液壓系統壓力大小、泡沫系統發泡率等參數；區間測量人員要掌握盾構掘進姿態與控制軸線的趨近程度等參數。

在確定系統設計應滿足的需求后，在盾構機上設置下位機PLC 采集盾構掘進過程中的各項參數，將數據傳輸至盾構機上的PC 端進行顯示，以滿足盾構作業施工單位人員的操作需求；再將盾構機PC 上顯示的數據通過有線網絡上傳至地面PC，滿足地面管理人員的監控需求；地面PC 可以通過互聯網將數據集成至總部盾構監控中心，以此滿足必要的應急指揮及進度分析需求。盾構系統的基礎構成如圖1。

圖1 系統的基礎構成

2 信息化管理體系的建立

在對盾構機類型和不同人員使用需求按照上述要求進行初始分類后，建立完整的盾構信息化管理系統還需要考慮建立管理系統組織架構和與之匹配的預警響應及消警機制。

2.1 信息化管理組織架構

由前述系統的基礎構成分析可知，在滿足現場施工需求的情況下，組織架構由上至下可劃分為三個層級：管理監督層面、服務監管層面、執行層面。現就各層面相關職能由下至上做進一步的分析：

執行層面：應起到數據采集、實施應用、信息上報的作用。該角色一般由施工單位項目經理部擔任，對所屬各工點的盾構掘進數據進行采集，集成到項目經理部PC 的盾構信息化系統上顯示，參考預設的各類閾值，對盾構掘進施工進行管理。

服務監管層面：應起到數據分析、技術支持、信息上報的作用。該角色一般由施工單位項目經理部的上一級單位（以下簡稱三級公司）、施工總承包單位、盾構信息化管理平臺維護服務單位共同擔任。共同對施工單位項目經理部的異常掘進數據進行分析，監管糾偏過程。維護服務單位做好不同工點的人員及賬號分配、管理及平臺上各項工作流程的設置及簡單處理。

管理監督層面：應起到數據挖掘、決策分析的作用。該角色一般由總公司盾構管理部門擔任，對下設所有三級公司的盾構施工項目部盾構施工異常參數及預警進行分析處理，緊急情況下進行指揮及決策。

2.2 預警及消警機制的建立

對組織架構進行分析后，重要的是設計相匹配的預警響應及消警機制，這對盾構施工的風險管控及進度控制起到至關重要的作用。結合安全風險分級管理及預警預報體系，可將盾構施工風險劃分為Ⅰ級（極高風險）、Ⅱ級（較高風險）、Ⅲ級（一般風險）、Ⅳ級（低風險），施工單位項目經理部根據所屬工點各區間施工風險評估方案將所屬工點盾構施工風險按Ⅰ級～Ⅳ級進行分級后，即可進行預警閾值的設置。

預警閾值可按照預警等級（紅、橙、黃）來設置三級數值，預警閾值設置應采用審核的方式，可采取以下方式：Ⅳ級（低風險）盾構施工預警閾值設置可由施工單位項目經理部盾構施工管理部門擬定，項目經理進行審批后實施；Ⅲ級（一般風險）及以上的閾值設置由三級公司及施工總承包單位進行審批后實施。

經審批后的預警閾值在信息化管理平臺上設置完成后，即可進一步分析不同級別的預警應推送的對象、采取的處置措施及預警消除的方式。

黃色預警：當盾構掘進的主要控制參數超過預設的黃色預警閾值時，信息化管理平臺上顯示黃色預警，并將信息推送至施工單位項目經理部主要管理人員。項目經理部組織召開預警分析會，確定下一步的糾偏措施，在盾構完成糾偏，參數正常后，將風險處置措施和過程影像材料在系統上進行填報，由項目經理進行審批，完成消警流程。

橙色預警：當盾構掘進的主要控制參數超過預設的橙色預警閾值時，信息化管理平臺上顯示橙色預警，并將信息推送至施工單位項目經理部、三級公司、施工總承包單位相關管理人員，由施工總承包單位或三級公司相關負責人組織召開預警分析會，制定風險處置措施并督促落實。糾偏完成后，經施工單位項目經理部項目經理確認后，將風險處置措施和過程影像材料在系統上進行填報，由三級公司、施工總承包單位相關負責人進行審批，完成消警流程。

紅色預警：當盾構掘進的主要控制參數超過預設的紅色預警閾值時，信息化管理平臺上顯示紅色預警，并將信息推送至施工單位項目經理部、三級公司、施工總承包單位、總公司盾構管理部門相關管理人員，由總公司盾構管理部門相關負責人組織召開預警分析會，制定風險處置措施并監督實施。糾偏完成后，經三級公司、施工總承包單位相關盾構管理人員確認后，將風險處置措施和過程影像材料在系統上進行填報，總公司盾構管理部門負責人進行審批，完成消警流程。

2.3 信息化管理系統人機界面的設計原則

人機界面設計是指信息化管理系統的各個控制界面的設計以及控制界面之間的邏輯關系。控制界面設計主要包括靜態操作界面的繪制以及界面中各個元素與變量列表的連接。界面的邏輯關系設計主要包括各個組態界面之間的層次關系以及界面之間連接關系的設計。

在前述中，已經對系統初始劃分以及使用人需求進行了分析，并對系統至關重要的風險管控預警消警的相關功能進行了闡述，但在系統設計時仍要充分考慮人機操作之間的協調性、便利性、高效性。因此在對盾構信息化管理系統進行開發設計時，要充分考慮以下內容：（1）在滿足前述功能要求的基礎上，盡量減少操作界面的數量，以達到減少界面切換次數的目的，可以并行顯示的數據應放在一個界面內，方便使用人員進行操作。（2）界面切換要便捷，常用界面僅需點擊一次就能切換到位。（3）界面各種顏色的使用要符合規范要求或行業標準。

3 盾構信息化管理系統的典型應用

3.1 盾構進度管理功能

如圖2所示，對井下PLC 上采集的數據進行查閱，可以橫向對比各工區掘進環數統計，進行工況分析，能有效發現個別工區盾構掘進工效上存在的問題，對合理高效的安排生產起到很大作用。

圖2 掘進環數統計

3.2 盾構參數管理功能

如圖3、圖4所示，對項目經理部所屬各工點盾構掘進參數及盾構姿態可以調出進行查閱。通過分析盾構掘進實時參數、隧道內有害氣體濃度、盾構機目前姿態與設計軸線的對比，進行施工風險管控，擺脫純經驗主義，以各項圖表作為支撐，更加精準的對盾構施工進行精細化管理。

圖3 盾構掘進參數顯示界面

圖4 盾構掘進姿態顯示界面

4 結束語

盾構施工信息化管理是城市地鐵施工管理的趨勢所在，策劃符合需求的信息化管理體系，構建人機友好型信息化管理系統，使信息的傳遞更加高效、順暢，對地鐵施工的進度管理及風險控制起到了極其重要的作用。使操作者，管理者，監督者能在同一平臺上發現問題，解決問題，填補了舊管理模式下的真空地帶。各級管理者能夠各司其職、充分發揮其管理職能。

但在實際構建信息化管理系統過程中，除按照本文進行初始劃分、需求分析、構建組織架構和預警預報體系外，更要結合項目實際進行完善，強調過程管理，才能使信息化管理系統化成為施工人的翅膀，更好的為城市地鐵建設助力。