大型地下工程施工智能管控系統的研發與應用

董 平，鞠 琳，劉金飛，張竣朝

(1.國家能源投資集團大渡河水電流域開發有限公司，四川 成都 610041；2.中國電建集團成都勘測設計研究院有限公司，四川 成都 610072)

隨著云計算、大數據、物聯網、移動互聯網、人工智能等技術的興起和運用，智能建造領域研究日益成為熱點[1-2]。在此背景下，針對大型地下工程規模大、地質條件復雜、交叉施工多的特點，相關學者從智能裝備、數字設計、自動監測、智慧管理等方面[3-7]開展了大量研究。本文針對大型地下工程施工安全與質量管控的風險控制難題，結合雙江口水電站等大型水電工程地下工程特點，研究提出了工程安全智能監測、人員車輛安全智能管控、混凝土施工質量智能管控、質量數字化驗評及趨勢分析預警等關鍵技術，應用智能建造技術助力提升大型地下工程施工管控水平。

1 大型地下工程施工安全與質量管控難點分析

高壩大庫水電站的地下洞室群往往具有跨度大、隧洞長、地質條件復雜、工作作業面多、參建方多等特點，施工過程管控的難點有：

(1)施工安全管控難。水電站大型地下工程通常面臨大埋深、高地應力等條件，可能具有圍巖條件差、地下涌水、巖爆等不良地質現象，給工程安全、施工人員和設備安全帶來較大的風險。

(2)工程質量控制難。水電站地下工程主要為高速過流隧洞，對工程質量要求較高。地下工程開挖、支護、襯砌、灌漿等工序交叉作業，施工干擾大，施工物資和設備種類繁多，工程質量受工程地質、水文氣象、施工工藝、施工設備、施工人員熟練程度、管理協調水平等眾多因素影響。

(3)協同管控難。大型地下工程施工參與單位眾多，溝通協調難度大，各參建方零星建設的信息系統因數據分散，未能充分打通數據孤島，導致溝通效率低、協同管控難、數據利用率低。

2 關鍵技術

2.1 基于UWB的隧洞群多場景精準定位技術

基于UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)技術具有的高精度、抗多徑干擾、傳輸速率高的特點，針對隧洞洞口、交通隧洞、大跨度隧洞、混凝土倉面等不同應用場景，分別采用UWB的TDOA、TOA、TOF等定位算法[8](如表1所示)，對隧洞群內主要施工資源進行實時定位。在洞內工作面、岔路口、洞口安裝UWB定位基站及無線收發器，施工人員佩戴安裝有室內定位標識卡的智能安全帽，裝載機、出渣車等大型車輛安裝定位標識卡，實現地下工程人員車輛有效定位監控。進出隧洞時，以UWB、GNSS二者信號中較強者為基準、較弱者為校正，建立自動切換定位場景與洞口交叉區域定位數據校正算法，實現人員設備在洞內、洞外的無縫準確定位和軌跡跟蹤。

表1 隧洞群多場景定位方案

2.2 基于精準位置的施工安全實時預警技術

基于施工人員和施工設備的實時位置P(x，y)，實時監聽隧洞群內變形監測、巖爆監測、環境監測的異常預警位置數據W(a，b)，當距離小于安全半徑R(m)時，系統通過智能安全帽或定位芯片向被監控人員及設備發出聲光預警，提醒遠離危險源。預警算法為

(1)

式中，F(x，y)為當前位置的預警等級，一般分1、2、3級預警，數字越大，風險越高；R(m)為危險源m的安全半徑；k1、k2、k3分別為安全余度系數，與危險源類型和危害性有關，一般k1>k2>k3。

2.3 質量趨勢預警與原因關聯性分析技術

通過平板電腦或者手機移動端，利用質量驗評APP實現規定的管理人員(施工三檢、現場監理、設計、監理等)在規定的地點(待驗評工作面附近)和規定的時間(工序或單元完成后規定時段內)進行質量驗評，實現現場工程信息的實時采集、查詢、質量驗評和施工工藝移動辦公審核。通過建立檢查項目質量參數庫，實現檢查結果的自動計算及匯總統計，以提高質量評定過程中數據的準確性、完整性，排除人為錯誤帶來的無效數據。

利用數字化質量驗收評定的施工工序質量、施工單元質量數據，分析分單位、分部位、分時段、分工序的優良率隨時間的變化趨勢。工程質量優良率總體趨勢為

F(Q)=[Q(t2)-Q(t1)]/(t2-t1)

(2)

式中，t1、t2分別表示相鄰的兩個時間段；Q(ti)為ti時段的工程總體優良率。

當F(Q)

當產生工程總體優良率趨勢預警時，可以通過分析同時段施工單位、施工部位、施工工序等的質量趨勢f(E，S，t2，m)，進一步分析工程總體優良率下降的原因。

f(E，S，t2，m，K)=[Q(E，S，t2，m，K)-Q(E，S，t1，m，K)]/(t2-t1)

(3)

式中，E為某單位或標段；S為某施工部位；m為某工序類型(如石方洞挖、混凝土襯砌等)；K為該工序的某項驗評指標。

當f(E，S，t2，m)

3 地下工程施工智能管控系統設計

3.1 系統架構設計

大型地下工程施工智能管控系統由感知層、傳輸層、數據層、應用層和決策層構成，如圖1所示。

圖1 系統架構

(1)感知層?；贗OT技術，采用UWB、RFID、GNSS、微震監測、環境監測、智能安全帽等智能感知設備，輔以移動APP，實時感知工程施工過程的人員、車輛、工藝、環境、工程結構的狀態，為工程智能管控提供海量數據基礎。

(2)傳輸層。隨施工通道布置和工作面推進，動態布設由4G、5G、WIFI、光纖、網線等多種方式構成的復合型傳輸網絡，為感知數據傳輸提供高速網絡。

(3)數據層。根據統一的數據標準，對GIS、BIM、文檔、視頻、業務數據等多源異構數據進行集成管理。

(4)業務層。以人員車輛安全、工程結構安全、混凝土施工質量、工序及單元質量驗評為業務管控重點，從智能感知的海量數據中識別工程安全、質量管控風險，實現對工程安全與質量的過程管控。

(5)決策層。采用BIM技術提供沉浸式輔助決策虛擬現實環境，實現對工程風險管控指標的預警、反饋和控制。

3.2 系統功能設計

3.2.1 施工期安全全方位監測

在常見的多點位移計、圍巖松動圈、錨桿應力計等監測手段基礎上，融合柔性測斜儀、自感知錨桿錨索、微震監測、爆破振動監測等智能監測技術，實現工程結構施工期安全的全方位智能監測預警。

(1)柔性測斜儀地下洞室收斂監測?；谶B續測斜原理設計的高精度一體式測量儀器，以MEMS傳感器為核心敏感元件，由數個長度為0.5 m或1 m的剛性傳感器首尾連接而組成的一個傳感器陣列，傳感器節點之間采用可自由彎曲的柔性節連接。通過檢測各部分的重力場，可以計算出各段軸之間的傾角度θ，利用計算得到的傾角和已知各段軸長度L(50 cm或100 cm)，可得到距固定端點任意長度的變形量χ。對于大跨度地下洞室，在施工期進行圍巖收斂觀測，捕捉、預測圍巖表面變形的發生、發展。

(2)自感知錨桿錨索應力監測。圍巖變形帶動錨桿或錨索發生變形，自感知錨桿/自感知鋼絞線內的光柵傳感器發生信號變化，信號傳輸至光柵解調儀進行信號解調，DTU無線數據傳輸至云端服務器，云端服務器進行數據存儲、提取、分析和預警等。

(3)施工期微震、爆破振動等臨時監測。高地應力地下工程巖爆風險突出，傳統監測手段無法超前預測巖爆風險；地下工程鉆爆施工可能引起圍巖、混凝土結構等振動速度過大，影響結構安全。利用微震監測、爆破振動監測傳感器實現巖爆、振動超標等實時自動化監測，利用多源異構數據集成技術實現臨時監測信息的集成與預警。

3.2.2 人員車輛安全智能管控

采用基于UWB的隧洞群多場景精準定位技術，實時監控施工人員車輛的位置，并通過智能安全帽及時將周邊安全風險實時預警施工人員，實現人員車輛的安全智能管控。結合各作業面的巖爆監控，實時提醒巖爆風險區作業人員注意防范；結合施工環境監測，提醒有毒有害氣體或粉塵濃度過高區域的作業人員及施工管理人員禁止作業。結合隧道電子地圖，實現調度指揮中心與管理人員、隧道內人員、車輛信息互動的可優先選擇。

3.2.3 混凝土施工質量監控

地下工程涉及進水塔、隧洞襯砌、廠房巖錨梁及廠房建筑等混凝土結構，且多為高速過流結構，對混凝土質量要求非常高。采用移動互聯、UWB、GNSS、數據集成等技術，對混凝土拌合生產、車輛運輸、倉面盯倉、混凝土溫控、缺陷管理等進行全方位的質量監控，實現混凝土施工全過程質量實時預警與可追溯。

3.2.4 數字化質量驗評

大型地下工程質量易受不良地質、施工工藝等眾多因素影響，傳統質量管控方法往往存在抽樣不及時、代表性不足等特點，質量控制風險較為突出。

搭建單元工程與驗收資料的關聯關系，實現質量表單、資料的分類匯總，從而實現工程施工過程質量驗收過程檔案庫的建立。通過建立工程質量評定標準庫，實現單元工程質量等級的自動評定，有效輔助質量驗收評定過程，提高工作效率。系統采取工作流配置方式，實現表單審批流程管理，在流程流轉過程中，除了對表單數據進行權限控制外，并在每一步審批節點，提供手寫簽名或自動拍照功能，以備事后檢查，提高表單流程審批過程中的真實性。所有質量表單的打印輸出，保持與原紙質表單一致。

3.2.5 預警決策中心

預警模型與預警信息管理功能，基于地下工程施工期安全與質量管控風險預警指標，對工程建設階段的質量、安全、進度等數據集成、對比、分析、展示，自動識別風險、趨勢并分級預警，形成自下而上的分級管控，實現實時監控、自動分析、自動預警、互動決策。

三維可視化綜合集成與會商功能，支持對地下工程施工安全與質量實時監控系統中集成數據的提取、匯總、分析和展現，從不同用戶群體的工作職責和需求出發，從數據查詢、統計匯總、預警、決策分析的視角對業務數據進行整合和加工，可以實現各種靈活的查詢、KPI展示、數據分類匯總，并能以多種形式來表現數據，如柱狀圖、曲線圖、報表形式、格式化文件等，可以在三維可視化環境中直觀地對工程的投資、進度、質量、安全等項目控制目標進行查詢展示，可供管理人員進行決策分析。

4 工程應用

雙江口水電站是大渡河上游控制性水庫工程，其地下工程具有“三大一高”的特點，即隧洞規模大、埋深大、安全與質量控制風險大、地應力高。其中引水發電系統由進水口、壓力管道、主廠房、副廠房、主變室、出線場、尾水調壓室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物組成，泄洪系統包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞。地形地質條件復雜，地下廠房區圍巖最大地應力達38 MPa，強度應力比小于4，巖爆問題較突出；泄洪建筑物布置具有窄河谷、高水頭、大泄量的特點，施工極其困難。

雙江口水電站施工過程中應用本文研究成果，監測到輕微以上巖爆120余次，有效預警較高風險巖爆5次；利用智能安全帽，提醒施工人員周邊安全風險10余次；洞室圍巖變形總體可控，監測到變形突變3次；隧洞作業區環境監測超標8次，并及時預警采取措施；施工質量驗評效率比傳統方式提升45%，有效的提高信息采集、審批、數據分析、預警等環節的效率，減少人力資源投入；混凝土工程中混凝土配合比符合率98.5%，混凝土振搗覆蓋率96.8%。產生了良好的應用效果，取得了顯著的經濟效益。

5 結論與展望

大型地下工程施工管控系統的研究與成功應用有效提升了大型地下工程施工安全與質量管理的智能化水平，在復雜的施工環境和艱苦的施工條件下，及時預警了工程安全風險、顯著提高了工程施工質量，研究成果對水電站大型地下工程的工管理智能化領域技術進步有顯著促進作用，相關研究成果對城市地下空間開發、交通隧洞施工管理領域具有良好借鑒意義。