地鐵盾構施工安全作業支持系統研究

曾鐵梅1 許恒誠2, 3 趙 龍4 陳 健

(1.武漢地鐵集團有限公司總工程師辦公室，武漢 430070； 2.華中科技大學土木工程與力學學院，武漢 430074； 3.湖北省數字建造與安全工程技術研究中心，武漢 430074； 4.上海隧道工程有限公司，上海 200032)

1 引言

隨著社會經濟的不斷發展，各大中城市均把發展軌道交通作為解決城市空間擁擠、交通堵塞等問題的重要途徑。據有關數據統計，到2020年時，我國地鐵的運營里程將達到6 600km，地鐵建設仍處于快速發展階段[1]。鑒于盾構法具有適應性好、安全性和自動化水平高、施工進度快等優點，是修建地鐵區間隧道的主要工法[2-4]。

盾構法的核心施工設備是盾構機。盾構機運轉的安全穩定，是保證隧道項目進度、質量、成本與安全的基礎。一般而言，城市進行大規模的地鐵隧道建設活動，需要大量的盾構機投入施工。因此，如何有效地對多臺不同種類、不同品牌的盾構機進行遠程監控，并挖掘分析盾構機參數中的信息指導施工管理，成為了地鐵工程建設單位的亟待解決的難題。

通常盾構機生產廠商都會開發一套盾構機實時監控管理系統，用于施工現場輔助盾構機操作人員掌控施工參數。然而，大多數系統只能實現簡單的本地數據顯示，或直連地面項目部，不支持多用戶訪問，更無法通過互聯網快捷地遠程登錄監控。加之不同盾構機品牌廠商的系統又無法兼容，因此無法實現多臺盾構的集中監控。另外，當前眾多盾構機參數管理系統仍采用了Client/Server(C/S)架構，使用時需提前安裝客戶端，不利于系統的更新和維護。表1總結了當前常見的三種盾構機參數監控管理系統的優劣勢。綜合以上，研究認為研發一套基于B/S架構的盾構施工安全作業支持系統十分必要。

2 Browser/Server架構

Browser/Server(B/S)架構，即瀏覽器/服務器架構，是對于C/S架構的一種革新。在B/S模式下，任意智能終端運行瀏覽器軟件，瀏覽器以超文本HTTP格式向Web服務器發出請求以訪問云端數據庫，而Web服務器接受服務端請求后，將這個請求自動轉化為SQL查詢語句，并傳遞給數據庫服務器。數據庫服務器得到請求后，驗證其合法性，并進行數據處理，然后將處理后的結構返回給Web服務器，Web服務器再將一次得到的結果轉化為HTML文檔形式，通過瀏覽器頁面以友好的Web頁面顯示出來，其結構原理如圖1所示[11]。B/S網絡構架具有客戶端軟硬件要求低，維護、升級便捷以及更適應移動互聯網的發展趨勢等優勢[12]，因此本系統開發決定采用B/S模式。

表1 盾構施工管理信息系統類別及優缺點比較[5-10]
Tab.1 Types and advantages and disadvantages of shield construction management information system

3 系統框架

本系統從結構上可以劃分為盾構數據采集子系統和盾構數據遠程管理子系統。盾構數據采集子系統用于采集隧道項目的盾構機數據，包括盾構機實時數據和人工填報數據。數據采集服務器安裝在盾構施工項目部地面監控室內，數據采集服務器與盾構機的可編程控制器(PLC)采用光纖進行通信，保證信號的傳輸效率和質量。數據采集客戶端通過OPC server與盾構機PLC進行數據交換，是一種開放的、與應用程序無關的系統接口標準，因此可以實現從不同的品牌盾構機的PLC中讀取數據。

盾構數據采集客戶端通過專用網絡將數據發送到數據中心的接收客戶端，數據接收客戶端將收到的數據寫入數據庫實時存儲。數據采集服務器具有緩存功能，能在因特網斷開連接時實現對數據的緩存，當通訊回復后，再將數據傳回數據中心，保證采集盾構數據的連續性和完整性。人工數據主要包括盾構隧道相關的人工監測數據，如地面沉降、施工時間記錄表等。此類數據由工程師在盾構施工時進行記錄，本系統也開發了相應的數據填報系統，可以在當班時直接通過平板電腦錄入，省去了過去先紙質記錄、后將數據轉錄的流程，實現了線上、線下數據一體化填報。

通過盾構數據采集系統得到的數據，可以經由遠程數據管理系統進行訪問，實現盾構參數數據展示和分析的功能。用戶可以通過PC機、平板電腦或手機等任意具有上網功能的智能終端設備瀏覽器進行盾構數據的訪問。同時，系統也根據用戶的權限進行分級管理，每一級用戶都有相應的讀、寫數據的權限，便于項目管理，其系統框架如圖2所示。

圖2 盾構施工安全作業支持系統Fig.2 Metro Shield Safe Construction Support System Framework

4 系統開發與案例應用情況

為促進信息共享和項目管理決策，本文以武漢地鐵7號線三陽路越江隧道為研究與應用對象，開發了基于B/S架構的越江泥水盾構安全作業支持系統。

三陽路越江隧道是國內首條公鐵合建穿越長江的隧道，左右線均長2 590m。隧道外徑15.2m，內徑13.9m，管片環寬2m，厚度為650mm。隧道最大縱坡2.8%，最小轉彎半徑1 200m，最大覆土深度39.5m，最小覆土深度8.4m。根據本工程隧道所穿越地層的特點，選用了2臺德國海瑞克公司生產的直徑15.76m復合式泥水氣壓平衡式盾構機進行施工。該型泥水平衡盾構機，后臺各類監控與控制參數達900余種，遠程參數采集與監控具有相當的難度。本系統以Java Development Kit(JDK)為開發平臺，以MyEclipse為開發工具，以Java為程序設計語言，并選擇SQL Server 2008為數據庫。本系統從功能上由三個模塊組成，分別為：盾構參數管理模塊、數據展示模塊以及分析模塊。

4.1 數據管理模塊

數據的創建、導入、保存、管理和維護由數據管理模塊負責。本系統提供了項目數據導入的兩條途徑，用于處理不同類型的信息。

(1)盾構參數實時采集

三陽路越江隧道的海瑞克泥水盾構，其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VPN專用網絡將數據發送至數據中心，寫入數據庫加以存儲，供程序調用。

(2)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)以及項目進度和管理信息。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將盾構隧道分解為分部分項，獨立填報。傳統施工中，施工單位會將盾構掘進記錄填報在紙質表格作為項目資料加以存儲，使用時須將數據重新錄入計算機加以計算分析，十分繁瑣。三陽路越江隧道項目中，現場工程師通過便攜式智能終端(智能手機、平板電腦等設備)直接將數據錄入系統(圖3)，一鍵式生成統計分析報表(圖4)，顯著提高了數據的抽取與利用效率。

4.2 數據顯示模塊

數據可視化模塊基于瀏覽器展示，主要分為企業級和盾構機級的數據展示。

4.2.1 企業級管理

該管理層級系統整合了企業(可為武漢地鐵集團或上海隧道工程有限公司等)在全局范圍內的所有的盾構項目信息，以實現對企業在建項目的分布以及盾構機實時工作狀態的遠程監控。此模塊有兩種項目的展現形式，一種為匯總表模式，另一種為全網圖模式。

(1)匯總表模式

圖3 盾構施工記錄線上填報Fig.3 Shield construction record online reporting system

圖4 三陽路越江隧道的盾構施工記錄時間統計報表Fig.4 Shield construction record time statistics

該模式下，系統以列表的形式匯總了企業在全局范圍內盾構項目的盾構機實時工作狀態，每一條包含了該盾構的若干信息，如項目所在地區、線路、盾構機名稱、盾構機實時施工參數等信息，并對盾構機按照施工參數是否正常以及是否貫通進行了統計。如圖5所示，三陽路越江隧道盾構左線909與右線908在系統中為三陽路隧道項目下監控的兩臺獨立的盾構機。

圖5 區域項目匯總表Fig.5 Regional Project Summary

(2)全網圖模式

此模式下，以盾構機圖標在全局地圖標注為展示形式，可以直觀了解企業在全局范圍內的盾構分布情況，并提供盾構機概況查看和項目分布圖縮放漫游查看的功能。可以查看盾構機概況、工作狀態報警、通信狀態報警。例如，將鼠標移動至相應圖標位置，即可以浮動窗口的形式顯示該項目盾構施工的概況信息，如項目名稱、盾構機名稱、當前施工環數、總環數以及施工狀態。另外，也可根據圖標的變化，確定盾構機的工作和通訊狀態是否正常。判斷規則為：盾構圖標顯示綠色表明該盾構參數正常，紅色表明該盾構參數超限、灰色表明該施工路線已貫通； 通過觀察盾構圖標上是否顯示感嘆號判斷盾構機通信是否正常，盾構圖標上顯示感嘆號則表明盾構通信異常。如圖6，即是三陽路越江隧道右線908號盾構機在系統全網圖模式下的簡窗展示方式。

圖6 全國項目分布查詢管理Fig.6 National Project Distribution Query Management

圖7 盾構關鍵參數遠程監控Fig.7 Shield remote monitoring of key parameters

4.2.2 盾構機級管理

盾構法施工中，對重要盾構施工參數的實時監控是保證工程順利推進的關鍵。本模塊用于對盾構機施工實時數據進行監控，頁面集成推進、刀盤、導向、同步注漿、泥水平衡(適用于泥水平衡盾構)等四大系統的關鍵參數供工程技術人員實時查看。在三陽路越江隧道的兩臺超大直徑泥水盾構的工程應用中，各參建單位，在預先設置的瀏覽權限下，均可以利用瀏覽器隨時隨地對盾構關鍵參數遠程監控，掘進狀態隨時把握，防患于未然，實現異地遠程實時監控，極大地拓展了現場工程師的工作時空范圍。

4.3 數據分析模塊

基于盾構安全作業支持系統存儲的模型數據，本系統提供了多個數據分析工具，用于支持盾構施工決策。幾個主要分析功能包括：

(1)施工參數分析

該分析工具可以實現對盾構參數在一環或多環連續施工過程中繪制曲線，可支持多種不同類型的參數(如壓力、行程、推進速度)繪制在同一折線圖上，該曲線可以反映參數在所選環施工全過程中的變化情況，方便工程人員查看趨勢以及多參數交叉分析。

(2)材料消耗管理

材料消耗管理可對指定的盾構環數區間的關鍵施工材料消耗進行統計。材料用量一方面對成本有較大影響，另一方面也是控制盾構施工質量和安全的重要依據。通過對施工材料消耗的統計分析，以表格和圖形的形式展示，可以輔助工程管理人員合理安排材料的采購和運輸計劃，也可以進行施工質量和成本控制，還可以作為事故事后回溯分析的依據[13]。

(3)施工時間統計

圖8 三陽路越江隧道盾構材料消耗統計Fig.8 Sample of shield material consumption statistics for Sanyang Rd Shield Tunnel

圖9 三陽路越江隧道盾構施工時間統計Fig.9 Sample of shield construction time statisticsfor Sanyang Rd Shield Tunnel

盾構隧道完成單環管片的施工時間可劃分為掘進、拼裝和停工三部分。施工時間統計主要統計盾構施工過程中拼裝、掘進、停工三種狀態在總體工作時間中所占的比例，并以直方圖、扇形圖等形式直觀展示，為工程管理人員提供分析盾構施工情況的依據，更加合理地進行施工組織安排。

(4)盾構機歷史數據查詢

圖10 盾構機歷史數據查詢Fig.10 Shield machine historical data query

該功能用于查看特定盾構機的歷史參數。首先在盾構機瀏覽器中，根據省份、城市和線路信息選擇待查詢的盾構機，可以查看到數據庫中有關該盾構機的全部歷史參數，可根據“工作狀態”、“本地時間”和“環號”三個條件進行查詢。

數據分析模塊是本系統的核心功能之一，是實現盾構施工安全作業的重要支撐。應用于三陽路越江隧道項目的本系統已經開發了施工參數分析、材料消耗管理、施工時間統計和盾構數據導出四項功能，滿足了施工單位對項目質量、成本和進度管理的基本需求，實際中取得了較好的使用效果。此外，本系統模塊化的架構設計，也可以根據工程現場新的需求，實現快速開發迭代，基于底層的盾構數據庫，可根據項目施工管理的需要開發相應的功能，擴充整個系統，以服務于除三陽路越江隧道外的其它盾構隧道工程。

5 結語

為了支持多工地實時管理，用信息技術支持地鐵盾構安全施工，本研究從地鐵盾構安全施工的實際工程需求出發，開發了基于B/S架構的地鐵盾構施工安全作業支持系統。本系統在武漢地鐵7號線三陽路越江隧道工程中的成功應用，較好地滿足了隧道施工單位的實際需求，有力地支持了盾構施工決策和項目管理，提高了工程項目的施工管理水平和效率，取得了較好的應用效果，為擁有大規模的隧道建設項目群的企業提供了一種訪問便捷、功能實用的信息化技術管理手段。