富水砂層盾構施工風險管控信息化系統研究及應用

包洪，任璐，錢嘉偉，羅茜，施燁輝

（1.南通城市軌道交通有限公司，江蘇南通 226007；2.江蘇省地質隧道與地下工程科技有限公司，南京 210041）

1 引言

南通市軌道交通1 號線一期工程均采用地下敷設方式，全線共有27 個盾構區間，均采用土壓平衡式盾構暗挖施工。

由于南通市軌道交通1 號線一期盾構工程主要穿越地層為富水砂層，具有承壓水水頭較高、土層結構松散的特點，而且盾構區間位于中心城區，地下管線眾多、周邊建筑物密集、地面路橋車流量大，周邊環境復雜，導致土壓平衡盾構施工存在較大的沉降、塌方[1]、涌水涌砂[2]等安全風險。因此，利用工程安全風險信息化管控技術對盾構施工安全風險進行信息化管控、優化工藝參數[3]，可以極大地提高安全風險管控工作的及時性和完備性，完善地鐵盾構施工安全風險預警防控機制[4]，從而有效保障盾構工程中人員、周邊環境、設備資產的安全。

工程安全風險信息化管控技術的核心是能夠對安全風險信息進行采集、匯總、呈現的大數據系統[5]以及包含巡查上報、風險分析、預警、消警的信息化管控工作流程體系[6]。

黃宏偉等[7]在風險數據采集和專家經驗的基礎上搭建了盾構風險數據庫管理系統。賈俊峰等[8]利用施工步分解及層次分析法對施工風險的量化辨識進行了方法搭建和數據計算。葉新豐等[9]系統總結了安全風險信息化管控系統在北京地鐵施工中的應用經驗和使用成效。

文獻研究表明，目前已經研發或應用的工程安全風險信息化管控技術在信息采集、風險識別、動態分析、監測預警等主要方面已經有了一定的成果積累。但針對南通地區土壓平衡盾構穿越富水砂層安全風險管控響應時間短、事故危害等級高、周邊環境影響大的特殊環境，在動態響應、分級管控等方面還存在一定的局限。所以，為了進一步完善風險預警管控處理機制，依托南通市軌道交通工程建設，研發基于云系統技術的盾構施工風險信息化管控系統，并編制與系統平臺配套的分級響應預警風險管控流程，實現反應快速、推送及時、責任清晰的盾構施工風險信息化管控，保障南通軌道交通建設安全。

2 系統總體設計

2.1 系統架構

盾構施工風險信息化管控系統是基于WEB 的大數據信息融合及分析處理平臺，網絡結構采用B/S 模式，技術架構邏輯層次依次由數據交互層、外部接口層、數據庫層、工具及引擎層、功能模塊層以及客戶端等層次組成，如圖1 所示。

圖1 功能架構邏輯層次

1）數據交互層：主要包括云服務器、路由設備及防火墻等。

2）外部接口：主要包括盾構數據傳輸、巡查及治理信息填報流轉過程中的數據接口。

3）數據庫層：主要包括盾構施工參數庫、視頻監控信息數據庫、巡查及治理信息數據庫。

4）工具及引擎層：主要包括電話短信平臺、內容管理引擎等通用性的工具和引擎。

5）功能模塊層：主要包括刀盤信息、螺旋輸送機信息、姿態監控、異常狀態統計等模塊，涵蓋了盾構工程安全風險管理的主要業務。

6）客戶端：包含PC 訪問端及移動端App，遠程訪問接口層采集的各實測參數以及功能模塊層統計分析得到的各類安全風險信息。

2.2 信息自動采集及傳輸技術

盾構動態信息自動采集設備，主要包括盾構機端PLC 數據采集設備、數據處理及傳輸設備和遠程訪問及控制組件。如圖2 所示，盾構PLC 的OPC 服務器實時獲取盾構機運行的全部參數，并通過網線連接RJ-45 端口將實時數據包發送給網絡芯片，網絡芯片將數據包發送給工控機CPU 進行解譯處理，處理完成后的數據被保存到內存RAM，并通過無線網卡及無線路由器通過帶防火墻的無線網絡發送至中心服務器，遠程PC 端或移動端App 通過互聯網經無線路由、無線網卡接入工控機實現對盾構動態參數的訪問、采集、傳輸的控制，現場人員可通過工控機LED 顯示屏查看盾構動態參數。

圖2 盾構動態信息自動采集設備

3 系統主要功能模塊

3.1 刀盤信息功能模塊

如圖3 所示，刀盤信息功能模塊包含刀盤主驅動、齒輪傳動組、土倉壓力傳感器等前盾關鍵設備工作參數的動態訪問端口，盾構施工過程中的前盾參數在移動端App 界面中均可動態刷新與顯示。

圖3 刀盤信息功能模塊

3.2 螺旋輸送機信息

如圖4 所示，螺旋輸送機信息包含螺旋輸送機的扭矩、主軸轉速、端部土壓力等工作參數，以及密封油壓、泡沫系統、同步注漿系統等中盾、盾尾的關鍵設備工作參數的動態顯示窗口。

圖4 螺旋輸送機信息

3.3 姿態監控功能模塊

如圖5 所示，姿態監控功能模塊包含盾構刀盤中心與隧道設計軸線偏差的圖形展示窗口，以及偏差數值在空間水平、垂直、轉角上的精確計量值，實現在App 界面上全面、及時地查看盾構掘進姿態參數。

圖5 姿態監控功能模塊

3.4 異常狀態統計功能模塊

系統內部設置了關于刀盤系統、土倉壓力控制系統、出渣系統、注漿系統等關鍵子系統的工作參數預警判別程序，實現了自動對比動態采集的參數并判定異常狀態，以及對異常狀態的自動統計、短信推送，如圖6 所示。

圖6 異常狀態統計界面

3.5 遠程視頻監控功能模塊

如圖7 所示，盾構施工風險信息化管控系統App 具備遠程訪問盾構內部各網絡攝像頭的功能，具備視野調焦、亮度調節、視線調節的功能，方便查看盾構實際工作狀態。

圖7 遠程視頻監控界面

3.6 風險巡查隱患治理功能模塊

如圖8 所示，App 端的風險巡查隱患治理功能具備巡查及治理各方責任人在線圖文上傳、審批、流轉的功能，方便管理人員及時上傳、處置、審批盾構作業中的風險和隱患。

圖8 風險巡查隱患治理界

4 系統運行機制

盾構施工過程中，盾構動態信息自動采集設備自動采集盾構各子系統產生的大量工作參數，同時管理人員在巡查過程中也會產生安全風險相關的圖文信息，這兩方面的信息數據分別通過系統的網絡路由和移動端App，從接口層融合于盾構施工風險信息化管控系統，通過系統內置的分析、預警程序進行風險等級劃分，將觸發預警的風險、隱患事件通過電話短信、系統信息的方式推送至客戶端，管理人員接收到預警推送信息后按照自身角色進行相應的處置作業，同時將分級處置情況利用系統客戶端進行圖文上報，由參建各方在系統中根據自身權限、責任進行處置情況審批復核，從而完成盾構施工全流程安全風險信息化管控工作。

5 結語

盾構施工風險信息化管控系統架構合理、信息采集設備工作可靠，具有遠程進行刀盤、螺旋輸送機、掘進姿態、異常狀態、遠程視頻監控、風險巡查隱患治理各類信息訪問及流程操作功能，實現了在App 端的風險巡查隱患治理全流程閉合，實現了各方在線協同、隨時隨地、及時高效地進行盾構施工全流程安全風險信息化管控，有效保障了南通市軌道交通1 號線一期工程盾構施工的安全生產工作。