基于盾構大數據的隧道施工狀態實時監測系統研制

帥志勇，張昆峰，張 恒

（1.中鐵十一局武漢重型裝備有限公司，湖北武漢 430301；2.中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北武漢 430074；3.武漢輕工大學機械工程學院，湖北武漢 430048）

1 背景

盾構是集機械、電氣、液壓、控制、光學、網絡信息等技術于一體的高附加值復雜裝備。為了保證隧道施工過程中盾構設備安全、穩定、可靠，需要經常對盾構機刀盤刀具的磨損情況、主軸承性能狀態等進行常規檢測保養，但當前的檢測手段需要在盾構機停機時進行[1-2]。在設備實施過程中反復進行停機維修監測，不僅影響盾構機施工質量和進度，耗費大量人力和財力，而且存在工作強度大、監測精度差等問題。

隨著信息化、網絡化的不斷發展，數字技術已成為改革傳統盾構模式的重要手段，高效的智慧盾構設施管理已成為盾構裝備發展中的熱點問題[3-5]。其中，以信息輸入、存儲、查詢、顯示和分析的地理信息系統構建，及以盾構工程項目為基礎的各類信息流的管理和傳輸，是影響智慧盾構關鍵功能分析的薄弱環節。對這類關鍵技術的發展，一方面可利用地理信息設計制造可靠的盾構施工裝備，總結出高效的盾構施工方案；另一方面，可利用統一的盾構信息模型對全壽命數據進行標準化管理，實現施工過程中工程材料、資源、供應鏈的可視化管理[6-7]。

在盾構施工過程中，大量過程數據被采集并存儲下來，包括油液、振動、整機性能的狀態實時監測數據，以及通過信息化監控方式存儲下來的各類檢測信息。如何利用海量的盾構大數據對盾構機開展剩余壽命評估，并據此提出盾構長壽命周期最優解決方案指導盾構施工，是智慧盾構系統發展的關鍵內容[8-9]。

為全面了解隧道掘進過程中盾構機整體機況、人員與施工現場環境等關鍵信息，本文設計開發了一種盾構施工狀態實時監測系統。該系統可隨時、隨地監管盾構機刀盤、姿態等盾構參數。此外，可運用各種施工參數的數據關系，結合工程人員以往處理數據的習慣，用以提升工程管理人員的工作效率。

2 盾構施工的信息采集

2.1 盾構機組裝調試

盾構機系統包括主機、連接橋與后配套，主機包含刀盤、主驅動、殼體、螺旋機等；連接橋包含皮帶機進料口、牽引梁、管片運輸系統、聯絡走廊等；后配套包含皮帶機、輔助系統、液壓系統、電氣系統等。其中，刀盤由刀具（滾刀、切刀、先行刀、魚尾刀、仿形刀等）和刀盤主體結構組成，刀盤主體配置有注入口、開口槽、周邊開口、耐磨板條和攪拌棒等特征結構。主軸承是連接盾構刀盤與動力系統的關鍵部件，承受盾構機運轉過程中的主要載荷。液壓系統作為盾構機的核心部件之一，是盾構機動力的主要來源。某一型號大直徑盾構機的結構組成如圖1 所示，其主機總長13.4 m，整機總長約128 m，重量2 700 t，裝備總功率約6 174 kW。

圖1 大直徑泥水平衡盾構機的結構組成

對盾構機電氣、液壓、各系統組成進行調試，組裝完成后進行空載運行，檢查各設備是否能正常運轉，如圖2 所示。空載測試完成后對盾構機進行整機聯動調試，測試盾構機系統的整機性能，驗證其是否滿足盾構施工各類工況需求。

圖2 盾構機的調試運行

2.2 盾構施工數據采集與傳輸

智慧盾構系統功能主要包括采集、監控、評估與預報，實現對現場監測數據、盾構機運行監測數據的采集；實現對實時數據與量測數據的管控，對參建各方現場巡視情況、視頻信息的快速傳遞及人員考勤的協同監控管理；實現對施工建設階段安全風險排查、評估、預報與報警信息的及時發布。

數據采集與傳輸如圖3 所示，主要采集門吊、電瓶車、盾構機及其他施工現場的實時監測數據，系統要求能靈活配置采集源、采集預設模板，支持在線輕編輯、一鍵發送，以達到準確、同步遙控采集端配置數據的目的。此外，該系統的外部接口支持可編程邏輯控制器（PLC）、跨編程語言和操作系統平臺的遠程調用技術（Webservice）、數字波束形成或數字波束合成（DBF）、數據庫等多種數據源，可多種方法全量采集，實時接收智慧盾構監控系統的配置，提升數據采集的時效性。

圖3 盾構施工的數據采集與傳輸圖

開展實時數據監控、量測數據監控、視頻監控等，結合遠程PC 監控、移動APP 掌控、大屏全景視圖于一體的多端監控系統、數據同步互通，滿足多場景辦公、實現人與數據的雙重實時監控。根據平面圖、剖面圖、地圖等多圖視角全面管控，展現施工路線，全方位定位施工進度。

通過制定合理的進度計劃、材料消耗計劃，有序安排施工進度、材料供給，有效管控工期風險、成本風險；支持多類型、多等級的風險預警設置、實現在系統通知、平面圖上的雙重推送，有效降低施工風險，保證安全貫通。支持材料消耗統計、時間統計、進度統計、匯總統計、時長統計、工作狀態統計，從海量的歷史數據中自動選擇、過濾、統計、分析。系統根據實時采集數據自動下發環報、日報，并同步推送到對應的企業微信群，實時了解環報、日報詳情。

3 智慧盾構系統方案設計

3.1 智慧盾構信息系統框架

在盾構隧道施工過程中，施工人員往往需要花費很多精力歸納數據、繪制圖表，以人工經驗的方式指導施工過程。這類傳統方法既增加了施工人員的勞動強度，又無法避免人為因素造成的不必要施工故障、甚至事故。開發一種智慧盾構信息系統，利用各種施工過程的數據結構關系，結合工程人員以往處理數據的習慣，設計一套切實可行的智慧化智能化盾構施工監測系統，不僅可以隨時、隨地監管刀盤、姿態等盾構參數，還可極大提升管理人員的工作效率。

智慧盾構隧道施工信息系統的體系結構圖如圖4 所示，智慧盾構功能包括盾構機數據采集、盾構機智能監控、分布式集群服務和一站式用戶終端，具體包含采集、監控、管理、分析四大核心功能，實現多端同步、智能監控、協同管理、綜合分析、風險預警、決策輔助等功能，滿足技術管理人員和業主無需到施工現場即可通過該系統了解、掌握盾構的運行狀態。

圖4 盾構隧道施工信息系統的體系結構圖

3.2 盾構施工的大數據平臺架構設計

智慧盾構的總體框架如圖5 所示，系統平臺架構主要由盾構施工裝備數據采集、離/在線數據庫管理、功能與信息服務模塊、客戶端訪問4 個層次組成，各層次的主要內容如下所述。

（1）數據采集接口。施工裝備數據采集實現軟件平臺與自動化監測設備的數據傳輸功能，采用數據加密傳輸、數據脫敏算法、數據權限與功能權限雙重控制，讓數據傳輸更安全可控，數據分區、并行裝載讓數據傳輸更高效快速。

（2）離/在線數據庫。離/在線數據庫管理以斷點續傳、海量緩存的方法，采用Sqlite 數據庫，離線數據實時緩存，超長緩存實時數據，為大數據分析提供準確可靠的分析數據源。

（3）功能與信息服務。功能與信息服務模塊包括公共事務管理、安全風險管理、遠程視頻監控管理、現場門禁管理等模塊，涵蓋了隧道施工中信息服務的主要業務，以提高作業效率，節省施工時間。

（4）用戶訪問。客戶端訪問支持PC 應用和手機應用，PC 機直接通過通用瀏覽器即可訪問系統，完成各類操作；手機客戶端軟件支持三大主流手機操作系統。系統支持用戶在不同的工作地點下利用本平臺開展其職責權限內的監控管理工作。

4 盾構施工信息可視化設計

中鐵十一局武漢重型裝備有限公司研發團隊設計開發了一種智慧盾構可視化工具，對盾構施工裝備狀態、盾構施工的進度和具體位置、環境情況等關鍵數據進行監控。智慧盾構可視化界面（PC 端）如圖6 所示，各盾構機的裝備狀態監控模塊將掘進速度、刀盤轉速、土壓、螺旋機扭矩、盾構姿態、停機時間、出土量、注漿量等重要參數匯總，監控人員每日對盾構數據進行分析并形成工作日報，報送給地鐵公司各部門。

圖6 智慧盾構可視化界面

圖7 施工裝備的信息監測示意圖

盾構可視化系統工具可實時監控各項盾構施工參數，隨時查看歷史數據，并對各類監測數據進行統計分析以建立預警臺賬。此外，可視化系統工具實現了地理信息在盾構中的多項應用，包括查看盾構施工進度、土層信息、具體位置、監測數據、隧道主體結構平面圖和剖面圖、風險源信息等。監控系統還可實時查看各攝像頭的分布情況，監控施工現場的基本信息。

5 實例分析

智慧盾構系統是從盾構施工狀態實時數據采集、離/在線數據監控、質量與安全風險管理的需求出發，按照多端同步、智能監控、協同管理、綜合分析、風險預警、決策輔助等原則，實現了隧道工程建設質量與安全風險管控貫穿于工程建設的全過程。本文以廣州地鐵18 號線橫番區間為例，對智慧盾構系統在隧道施工中的應用情況進行探討。

橫番區間位于廣州市南沙區、番禺區，線路區間長1 862.456 m。區間盾構由南向北掘進，工程地質條件主要包括強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、強風化中粗砂巖等組成。工程需要穿越沙灣水道，且穿越范圍位于二級水源保護區內，施工風險較高。

在盾構掘進施工中，盾構設備監測系統是控制系統自帶的監測裝置，設備結構和監測系統簡單。其他監測設備如盾構導向測量系統、電瓶車及門吊測量系統如圖 7 所示，監控系統會實時對各類監測數據進行統計分析，盾構的各項施工參數均能在監控系統中實時掌握，歷史數據也能隨時調出查看。盾構施工的地理信息系統如圖8 所示，可以查看的隧道主體結構平面圖和剖面圖、巖土層信息、重特大風險源信息等。

圖8 盾構施工地理信息圖

盾構施工中的視頻監控功能如圖9 所示，現場視頻直播采用螢石云Web 直播方式推送，可以自由切合圖像布局，遠程監控盾構現場情況，直觀、動態、實時的掌握施工作業情況，及時制止違章作業和不規范施工并記錄違章事件，推送至中心服務器。按照“違章部位+違章照片+違章過程視頻+違章描述”的原則，供安全考核或發生事故后的追溯調用。

圖9 施工現場的監控視頻

6 結論

以隧道掘進過程中的盾構設備、人員以及現場環境為監測對象，基于智慧互聯技術開發了一套盾構施工狀態實時監測系統。系統包含采集、監控、管理、分析四大核心內容，綜合利用盾構施工實時數據、自動化監測設備數據、現場環境量測數據和視頻監控安全數據，構造一種多特征信息的盾構大數據分析框架，實現了多端同步、智能監控、協同管理、綜合分析、風險預警、決策輔助等主要功能，以保證盾構設備施工過程中的安全、穩定、可靠。其成果可推廣到市政工程、建筑工程等領域，具有廣闊的應用前景。