中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下大型地下通道施工的安全信息化管控技術(shù)

蘇 勇

上海建工集團股份有限公司總承包部 上海 200080

近年來，我國城市市政基礎(chǔ)交通發(fā)展迅猛，在城市建設(shè)浪潮中受到極大關(guān)注。然而，由于市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)具有投資大、施工周期長、施工技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見因素多和對社會環(huán)境影響大等特點，其安全風險居高不下，主要表現(xiàn)為地面沉降及塌陷、地下管線嚴重變形及斷裂、鄰近建筑物傾斜與開裂、基坑大面積變形與坍滑、支護失穩(wěn)及工程結(jié)構(gòu)物破壞等。特別是在中心城區(qū)，市政基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的空間受到極大制約，處于“見縫插針”式的建造狀態(tài)，工程周邊既有建筑物、地下公共設(shè)施眾多，使得工程施工的安全控制難度極大。尤其是經(jīng)過多年的軌道交通建設(shè)、地下空間開發(fā)建設(shè)和大型市政管網(wǎng)改造建設(shè)，維持城市有效運轉(zhuǎn)的地鐵網(wǎng)絡(luò)、大型原水管、干線供電系統(tǒng)、城市防汛系統(tǒng)等城市生命線更是星羅棋布，如果市政工程建設(shè)稍有不慎，將會造成災(zāi)難性后果。因此，中心城區(qū)的市政基礎(chǔ)設(shè)施開發(fā)建設(shè)，施工風險尤為突出，安全控制和風險管理至關(guān)重要[1-3]。

1 工程概況

1.1 工程總體概況

北橫通道新建工程Ⅰ標由4個區(qū)段組成，自西向東分別是：北虹路立交段、中山公園工作井及江蘇路匝道段、長壽路橋改建段、海寧路隧道段（圖1）。

圖1 北橫通道新建工程Ⅰ標總平面示意

北虹路立交為北橫通道與中環(huán)線互通立交，包括主線高架（主線N、主線S）、7條匝道（編號EN、ES、NE、SE、EE、WEX、EWS）和FEI人非橋。

中山公園井位于長寧區(qū)中山公園內(nèi)，工作井東西向長74.5 m，南北向?qū)?4.2～26.1 m，含2個挖深31 m的盾構(gòu)井；江蘇路匝道沿長寧路方向，途經(jīng)華陽路、江蘇路，至長寧支路與長寧路口接地，總長1 550 m，里程樁號Z6K0＋00.00～Z6K1＋550.00。

長壽路改建工程為長壽路跨蘇州河中幅橋重建橋梁，起點樁號K0＋135，終點樁號K0＋375，橋梁長度240 m，橋梁寬度16 m，橋梁面積3 840 m2。

海寧路隧道采用單層雙室明挖地道形式，西起晉元路，向東穿越吳淞路后接地，地道長約2.45 km。

1.2 項目技術(shù)特點及重大風險點

1）中心城區(qū)、長距離、大體量、綜合性項目工程組織要求高。項目位于長寧、普陀、靜安、虹口等中心城區(qū)，人口密集，交通繁忙。從北虹路立交起始點至通道九龍路接地點，全長逾13 km，跨度范圍極長。工程為包含橋梁、深基坑、盾構(gòu)隧道等工程的綜合性施工項目，挖土量超過900 000 m3，混凝土使用量超過250 000 m3，綜合體量極大。因此，如何在中心城區(qū)復(fù)雜環(huán)境下實現(xiàn)復(fù)雜工程的精細化管理成為科學、合理、高效地組織好施工的重中之重。

2）明挖通道上跨運營軌交隧道保護要求高。明挖通道段在西藏北路、河南北路處分別上跨軌道交通8號線、10號線，結(jié)構(gòu)底標高與軌道交通盾構(gòu)間距分別為6.2、4.8 m（圖2、圖3）。根據(jù)《上海市軌道交通管理條例》的要求：保護范圍為地下車站與隧道外邊線外側(cè)50 m內(nèi)。其變形控制要求為：最大沉降隆起量≤10 mm，保護要求極高。

圖2 明挖通道段上跨穿越軌道交通8號線平、剖面示意

圖3 明挖通道段上跨穿越軌道交通10號線平、剖面示意

3）中心城區(qū)地下工程施工對周邊建（構(gòu)）筑物、管線保護要求高。工程地處市中心，江蘇路匝道位于長寧路上，明挖通道段位于海寧路上，工程沿線近鄰相對重要的建筑共98棟，其中35棟建筑需動拆遷，在基坑影響范圍內(nèi)需保護的建筑有63處，22處建筑在1倍基坑挖深范圍內(nèi)，最近距離6.4 m，需要重點保護（圖4）。

圖4 明挖通道段周邊環(huán)境平面示意

4）中心城區(qū)大跨城市高架橋高空作業(yè)風險高。北虹路立交跨中環(huán)線及蘇州河橋梁跨度大、斜交角度大，周邊條件復(fù)雜，難度大，施工極富挑戰(zhàn)性。其中跨越中環(huán)線鋼結(jié)構(gòu)施工，高空作業(yè)風險高、工作量大，EE、主線N、S上跨中環(huán)線，跨徑達72.24 m，為3～4層立交，與中環(huán)線凈空5～10 m（圖5）。中環(huán)線為城市骨架路，具有車速快、車流量大的特點，中環(huán)線鋼結(jié)構(gòu)安裝施工期間要保證中環(huán)線的暢通，施工風險大，對中環(huán)線保護要求高。跨蘇州河水上施工涉及水上支架搭設(shè)及鋼箱梁安裝，跨蘇州河鋼箱梁跨徑達148.76 m，水上作業(yè)周期長，蘇州河屬6級航道，施工期間船舶正常通行，水上施工安全風險高（圖6）。

圖5 跨越中環(huán)線鋼結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場現(xiàn)狀

圖6 跨蘇州河水上施工現(xiàn)狀

2 北橫通道施工安全信息化安全管控技術(shù)

2.1 多項目環(huán)境下基于精細化協(xié)同管理的施工風險遠程智能管控平臺

根據(jù)北橫通道新建工程Ⅰ標長距離、大體量、高綜合性的特點，創(chuàng)新建立了基于精細化協(xié)同管理的多項目環(huán)境下施工風險遠程智能管控平臺，通過自動化監(jiān)測技術(shù)、信息化數(shù)據(jù)管理和智能預(yù)警技術(shù)的深度融合，構(gòu)建了項目綜合信息管理平臺，建立了復(fù)雜施工環(huán)境下結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)自動化監(jiān)測與智能預(yù)警系統(tǒng)，實現(xiàn)了多項目環(huán)境下施工安全風險的“及時評估、超前預(yù)判及快速反饋”。該平臺主要集成的功能模塊如下：數(shù)據(jù)異常管理、CAD圖紙管理、監(jiān)測配置、預(yù)報警事件、重置個人密碼、監(jiān)測數(shù)據(jù)管理、異常監(jiān)測項目設(shè)置、視頻設(shè)備管理、首頁后臺管理、工程配置、安全評估管理、地圖模塊、文檔系統(tǒng)、施工工況等（圖7）。

圖7 系統(tǒng)功能模塊

多項目環(huán)境下基于精細化協(xié)同管理的施工風險遠程智能管控平臺，借助施工監(jiān)控數(shù)據(jù)自動或人工錄入、數(shù)據(jù)無線遠程傳輸、數(shù)據(jù)后臺快速整理將施工現(xiàn)場風險源監(jiān)控數(shù)據(jù)匯總至施工遠程管理平臺，實現(xiàn)對工程現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)、視頻數(shù)據(jù)的快速傳遞、匯總與分析；實現(xiàn)對各建設(shè)階段安全風險排查、評估、預(yù)報與報警信息的及時發(fā)布；實現(xiàn)對工程勘察、設(shè)計、施工技術(shù)文檔的網(wǎng)絡(luò)集中管理與共享，進而實現(xiàn)施工數(shù)據(jù)管理信息化、安全評估智能化、預(yù)警反饋即時化，保證數(shù)據(jù)第一時間傳輸至工程管理人員，便于工程管理決策。

2.2 復(fù)雜區(qū)域環(huán)境下施工危險源動態(tài)跟蹤智能安全監(jiān)管技術(shù)

北橫通道涉及橋梁、深基坑、盾構(gòu)隧道等工程，工程規(guī)模大、技術(shù)工藝復(fù)雜、現(xiàn)場安全監(jiān)管難度大。傳統(tǒng)的監(jiān)督方式由于監(jiān)督人力有限，同時缺乏先進的輔助監(jiān)管設(shè)備，導(dǎo)致施工安全監(jiān)管效率低下、不及時、缺乏科學性和規(guī)范性，已經(jīng)不適應(yīng)新形勢下重大建設(shè)工程對安全監(jiān)控管理的要求。

為此，采用視頻監(jiān)控技術(shù)、圖像處理技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，將施工中的人、物、環(huán)境等管理信息集成，建立了實時動態(tài)跟蹤監(jiān)護、快速數(shù)據(jù)分析、及時風險預(yù)警的復(fù)雜區(qū)域環(huán)境下施工危險源動態(tài)跟蹤智能安全監(jiān)管技術(shù)，實現(xiàn)了集現(xiàn)場全方位監(jiān)控、全天候預(yù)警、管控于一體的目標。

可視化監(jiān)控系統(tǒng)采用IPC（網(wǎng)絡(luò)攝像機）/手機端＋NVR（網(wǎng)絡(luò)硬盤錄像機）式的純數(shù)字視頻監(jiān)控模式，該模式基于發(fā)展成熟且無處不在的IP網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)系統(tǒng)部署。該系統(tǒng)具有監(jiān)控點位不受地域限制、施工簡單快速、布線成本低廉、網(wǎng)絡(luò)傳輸自由、圖紙質(zhì)量無損等特點。可視化監(jiān)控系統(tǒng)主要包括4個組成部分：前臺視頻監(jiān)控系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、后臺實時監(jiān)控及顯示系統(tǒng)、后臺存儲系統(tǒng)等。

2.3 復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)虛擬拼裝技術(shù)

北虹路立交跨中環(huán)線、蘇州河段為復(fù)雜空間線型的大曲率鋼箱梁，借助數(shù)字化虛擬拼裝方法和專項技術(shù)可以實現(xiàn)復(fù)雜橋梁結(jié)構(gòu)的無實體試拼裝，提前發(fā)現(xiàn)工程實際吊裝中存在的問題與風險，提高工程建設(shè)效率，強化工程建設(shè)質(zhì)量管控，降低工程建設(shè)安全風險。為此，基于虛擬建造理論，采用三維模型技術(shù)（如BIM），模擬復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)分段拼裝過程中構(gòu)件可能產(chǎn)生的變形和附加內(nèi)力，預(yù)演工程建設(shè)過程，及早發(fā)現(xiàn)工程中存在的問題，超前實現(xiàn)復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)拼裝過程虛擬化建造（圖8）。

圖8 北虹路立交BIM建模虛擬分析

2.4 基坑圍護變形智能控制技術(shù)

基坑圍護變形智能控制采用深基坑圍護結(jié)構(gòu)變形控制自適應(yīng)支撐系統(tǒng)，實現(xiàn)對圍護體結(jié)構(gòu)變形全程實時監(jiān)控。該系統(tǒng)主要通過圍護結(jié)構(gòu)位移變形智能監(jiān)控系統(tǒng)監(jiān)控圍護體系變形并反饋到軸力自動補償系統(tǒng)，軸力自動補償系統(tǒng)通過液壓伺服裝置對鋼支撐施加軸力，從而有效控制和減小基坑的變形，確保高敏感環(huán)境下管線與建筑物的安全（圖9）。

圖9 基坑圍護變形智能控制系統(tǒng)支撐布置

以海寧路為例，隧道處于靜安、虹口市中心鬧市區(qū)，道路兩側(cè)建筑物林立，在基坑影響范圍內(nèi)的建筑約50處，部分建筑緊鄰基坑圍護外邊線，為此對基坑開挖影響范圍內(nèi)的重要建筑/管線有針對性地布置基坑圍護自適應(yīng)支撐系統(tǒng)，降低基坑開挖期間的圍護體系變形，減小因圍護體系變形引發(fā)的建筑地基變形，有效控制建筑的附加變形或者不可逆損傷等。

3 工程應(yīng)用效果

目前，北橫通道新建工程Ⅰ標中的北虹路立交段、中山公園工作井已開建，通過以上安全信息控制技術(shù)的應(yīng)用，確保了工程建設(shè)的順利進行，具體應(yīng)用效果如下：

1）多項目環(huán)境下基于精細化協(xié)同管理的施工風險遠程智能管控平臺的應(yīng)用，通過使用基于信息化集成平臺的安全管理系統(tǒng)，能夠有效掌握施工階段的安全信息，將工程安全監(jiān)控技術(shù)以業(yè)務(wù)流程為主線，以多項目環(huán)境下相關(guān)部門為單位，連結(jié)成為有機整體，使工程安全信息在不同業(yè)務(wù)和不同環(huán)節(jié)中得到快速、準確的傳遞，避免信息在傳遞過程中的“失真”，杜絕出現(xiàn)安全“信息孤島”，消除安全隱患，實現(xiàn)了中山公園工作井和北虹路立交的安全建設(shè)。以中山公園工作井為例，順利實現(xiàn)了在鄰近周邊建筑、地層復(fù)雜多變環(huán)境下，71 m以深的超深地下連續(xù)墻施工，攻克了開挖面穩(wěn)定、⑨層地下水安全降排難題（圖10）。

2）通過復(fù)雜區(qū)域環(huán)境下施工危險源動態(tài)跟蹤智能安全監(jiān)管技術(shù)，能夠有效地監(jiān)控項目的施工安全狀態(tài)，對各個工程的不同施工階段能夠通過網(wǎng)絡(luò)信息平臺進行查詢、監(jiān)控，實現(xiàn)了已開工的中山公園工作井和北虹路立交安全施工的可視化管理。

3）通過復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)虛擬拼裝技術(shù)的應(yīng)用，制訂了上跨中環(huán)線（跨徑72 m）及蘇州河（跨徑148 m）鋼結(jié)構(gòu)高空安裝方案，采用大跨度鋼箱梁懸臂拼裝跨越中環(huán)線可實現(xiàn)不設(shè)支架、不影響現(xiàn)有交通路網(wǎng)，完成最長6 h內(nèi)大節(jié)段整體跨越中環(huán)線，有效避免施工對既有城市快速路的影響（圖11、圖12）。

圖10 中山公園71 m以深地下連續(xù)墻施工

圖11 北虹路立交跨越中環(huán)線鋼結(jié)構(gòu)虛擬拼裝

4 結(jié)語

圖12 北虹路立交跨蘇州河水上鋼結(jié)構(gòu)虛擬拼裝

以上海在建中心城區(qū)北橫通道新建工程Ⅰ標為依托，針對長距離、大體量、綜合性高、組織難度大、環(huán)境保護苛刻以及重大工程建造項目安全風險大、預(yù)警嚴重滯后等難題，開發(fā)了多項目環(huán)境下基于精細化協(xié)同管理的施工風險遠程智能管控平臺，形成了復(fù)雜區(qū)域環(huán)境下施工危險源動態(tài)跟蹤智能安全監(jiān)管技術(shù)、復(fù)雜空間結(jié)構(gòu)虛擬拼裝技術(shù)和基坑圍護變形智能控制技術(shù)[4-6]。通過安全監(jiān)控關(guān)鍵參數(shù)的獲取、施工過程中安全監(jiān)控數(shù)據(jù)的采集及傳輸方式的確定，建立了重大工程施工安全風險智能化監(jiān)控成套技術(shù)，實現(xiàn)了施工安全監(jiān)控信息化、遠程化、風險即時評定及建筑企業(yè)協(xié)同管理模式，將帶動建筑工程施工過程控制及安全風險預(yù)警進入信息化時代，開啟建筑業(yè)信息化管理平臺，推動建筑業(yè)相關(guān)產(chǎn)業(yè)升級。