隧道盾构施工风险信息系统研究

张 静 施烨辉 卢 浩 黄 牧 王 宁

隧道盾构施工风险信息系统研究

张 静 施烨辉 卢 浩 黄 牧 王 宁

摘 要：为了有效管理和控制盾构施工过程中出现的风险，应用计算机技术和互联网技术，开发了隧道盾构施工风险信息系统，系统包括盾构实时监控子系统、三维地质信息子系统、风险评估子系统。该系统可实时查看盾构施工信息和地质数据，对盾构施工过程中出现的各种风险因素进行远程实时分析，对隧道盾构施工作出工风险评估和管理。

关键词：隧道；盾构；施工风险；信息系统

张 静：南京地铁建设有限责任公司，高级工程师，江苏南京 210017

0　引言

隧道场地水文地质条件复杂，工程规模大，使得盾构施工存在大量风险，若处置不当，将产生灾难性的后果。因此，有必要在隧道盾构施工中全面考虑其施工风险状况，采用科学先进的技术控制手段来进行风险管理，减小工程事故灾害发生率，有效地管理和控制盾构施工质量和进度，保障隧道顺利建成。由于隧道的建设和施工管理难度高，研发盾构信息、地质信息和风险信息三位一体化盾构施工风险信息系统具有重要意义。

1　盾构施工风险辨识与评估

1.1风险辨识

施工风险辨识是指根据工程条件、施工方法等因素，对施工风险进行评估和整理，确定施工风险等级，提出施工风险控制措施建议，并对重大施工风险提出规避措施和事故预案。在盾构施工阶段，施工风险包括工程自身安全风险和环境安全风险。

盾构施工风险主要按照盾构始发、掘进、到达3个阶段来描述：①盾构始发阶段风险主要有盾构出洞偏离轴线大、基座变形损坏、后靠变形损坏、洞口水土大量流失、洞门破除时掌子面坍塌、泥水平衡建立困难等；②盾构掘进阶段主要风险有工作面失稳、刀盘刀具磨损、大轴承断裂、主轴承密封件防水失效、千斤顶推进系统事故、盾构掘进偏离轴线过大、盾构吸泥仓吸泥口堵塞、盾尾密封失效、管片接头漏水漏浆、管片损坏或拼装不准、管片上浮过大、注浆管堵塞、注浆效果差、盾构下穿既有建构筑物等；③盾构到达阶段主要风险有盾构到达偏离轴线过大、洞口水土大量流失、洞门破除时掌子面坍塌等。

1.2风险评估

目前，风险评估有很多方法，可分为定性分析方法、定量分析方法和综合分析方法，但都还存在计算复杂、受主观因素影响较大、部分变量无法准确确定等缺点。盾构施工风险信息系统采用改进的肯特指数法作为风险评估方法，以规范及相关理论为评估依据，从基本指数、选型设计指数、施工指数、后果指数等4方面进行量化分析，风险值R计算如下：

式（1）中，f为概率指数；B为基本指数；D为设计指数；C为施工指数；c为后果指数。

2　盾构施工风险信息系统组成

盾构施工风险信息系统主要由盾构实时监控子系统、三维地质信息子系统和风险评估子系统组成。

2.1盾构实时监控子系统

2.1.1系统组成

盾构实时监控子系统是对盾构施工过程中施工信息进行监控，实现盾构施工全生命周期数据的实时监控、动态管理、汇总与决策，为管理、咨询和决策者提供及时、准确的盾构施工情况远程管理平台，其系统组成见图1。

为实现系统的上述功能要求，根据工程施工的实际情况，确定本系统的技术路线：系统通过地面机与隧道内工控机进行通信，地面机获取数据后，通过Internet互联网传输给光纤接入的数据服务器，然后搭建Web服务器从数据服务器中每隔若干秒获取1次数据并及时提供Web服务给获得权限的相关用户。

鉴于数据获取和传输不能对盾构施工有任何影响，本系统采用盾构施工工控机数据共享模式进行施工数据的获取，每隔若干秒读取1次，并保证施工控制程序读写数据优先。为保证越江隧道长距离数据传输稳定高效，采用光纤传输方式。

2.1.2盾构施工数据存储和显示

盾构施工数据量大，数据名称类别多，因此，对数据存储方式有一定的要求。不同盾构机，数据格式也不尽相同，为统一数据格式和提高系统读取、存储效率，本系统将数据按照字段位置用二进制方式存储，并以XML文件保存数据字段和存储位置，数据占用空间较小，便于传输和读取（图2）。

盾构施工数据显示分为实时显示和历史查询2部分，实时显示是将数据在直观的盾构施工界面上实时显示出来（图3）。

历史数据查询主要包括单环分析和多环分析。若盾构某环施工已经完成，则提供该环各项施工参数历史数据，并绘制相关曲线图。若要查询已完成的多环历史数据则只需输入指定起始环、指定结束环并选择所需参数来请求获得该参数的完整值、掘进值、最大值、最小值、平均值、初始值和结束值的数据，然后根据获得的数据绘出相应的参数数据变化曲线图或柱状图（图4、图5）。

图1　盾构实时监控子系统组成

图2　数据传输和存储模块界面

图3　盾构施工数据实时显示界面

图4　盾构施工数据单环查询界面

2.1.3盾构施工数据分析

盾构施工数据量大，为了快速挖掘数据信息，需根据已获取的盾构施工数据，进行统计分析。对于单环数据查询，可以完整看到所选参数随施工时间变化的数值，结合相关专业知识和地层参数，则可以判断分析施工参数的合理性，并将结果反馈与下一环的施工；对于多环分析，主要统计每环施工过程中所选参数的最大值、最小值、初始值、平均值、结束值等，并将查询的各环数据用柱状图显示出来，这样经过对比，即可发现各环数据的差异性；对时间和材料消耗进行统计，可以迅速知道每环施工的掘进、装配、暂停等时间和各环消耗的材料数量，通过这些数据可对工程施工质量进行相应的评价。盾构施工数据分析流程图见图6。

2.2三维地质信息子系统

三维地质信息子系统主要用于描述工程位置及环境、地质和水文信息，系统框架如图7，其主要功能如下。

（1）空间数据管理。包括钻孔数据的存取、地质模型数据库的生成、存取和管理等功能。

图5　盾构施工数据多环查询界面

图6　盾构施工数据分析流程

图7　三维地质信息系统框架

图8　风险评估子系统组成

（2）三维地质空间显示。用户利用Web方式在客户端使用浏览器进行浏览，运用Web三维显示的相关技术，在WebGIS平台上实现三维地质空间图像的实时显示。

（3）空间漫游、地质剖面等用户交互。在三维地质模型实时显示的基础上，用户可以在此三维空间里任意漫游，并可查看横剖面的地质图像以及查看其他相关的地质数据。

（4）施工进度实时显示。系统将根据施工进度的实时数据，对施工体和地质体的三维模型进行更新，并在浏览器端进行实时显示。

2.3风险评估子系统

风险评估子系统主要是实现工程建设风险的评估结论与建议的发布、查阅与打印。为了直观查阅风险工程与风险事件，将地质情况和环境风险分多个风险组段，对每个风险组段的风险进行定量分析。点击所需隧道断面，即可查阅该隧道断面风险组段名称与组段的风险评估结果。系统组成如图8所示。

3　盾构施工风险信息系统应用

某地铁工程过江段长3 600 m，隧道外径11.2 m，采用单洞双线泥水盾构施工，冻结法加固洞门。过江段场地基本处于堆积平原地貌单元内，地形总体较平坦，起伏较小，沿线地表均为第四系地层覆盖，表层多为0～3 m厚的人工填筑土，其下粉质黏土、淤泥质粉质黏土、粉细砂、含砾粉细砂、中粗砂、砾砂及卵砾石。

施工中采用盾构施工风险信息系统进行施工过程实时监控和风险管理。本系统根据工程实际，实施风险工程查询分析、盾构穿越区域的三维地质查询和盾构施工信息实时监控等。

图9是本系统根据工程勘察和设计资料，给出的工程风险组段的实时概况及主要风险。

同时，本系统也可以查询风险组段内三维地质信息、施工进度和盾构机当前所在位置，在此界面内，还可以查询每一环的地层情况、管片坐标环号等（图10）。若是当前施工环，则可以查看当前实时数据。若定位该环未施工，则提示，若已经施工完成，则提供该环系列参数，并绘制相关曲线图。若要查询已完成的多环历史数据则只需输入指定起始环和指定结束环并选择相应参数来获得该参数的完整值、掘进值、最大值、最小值、平均值、初始值和结束值的数据，然后根据获得的数据绘出相应的参数数据变化曲线图或柱状图。

基于三维地质信息和盾构监控子系统数据，结合系统平台内的施工监测和第三方变形监测数据，若数据超过阈值则进行相应级别预警（图11）。进一步对盾构施工参数进行反分析，可得出其与地面变形之间关系，为盾构施工参数控制提供参考。

考虑各种因素，风险分析系统可计算得出各个施工阶段和风险组段主要风险事件的风险值，风险值越大，风险就越大，图12给出的是盾构掘进始发段的风险柱状图。

图9　风险组段划分及组段主要风险

图10　三维地质信息及工程进度

图11　变形数据监测预警　

图12　掘进始发段风险柱状图

参考文献

[1] 周文波，胡珉. 盾构隧道信息化施工智能管理系统设计及应用[J]. 岩石力学与工程学报，2004（增2）.

[2] 顾国明. 大型越江盾构工程施工风险控制[J]. 建筑机械化，2008 （9）.

[3] 王阳，胡昊，刘永新. 南京长江越江盾构隧道工程项目施工风险管理[J]. 基建管理优化，2010（3）.

[4] 王百泉，任勇，金仲祥，等. 复杂条件下的大直径泥水盾构掘进参数控制[J]. 中国工程科学， 2010 （12）.

[5] 吴世明，林存刚，张忠苗，等.泥水盾构下穿堤防的风险分析及控制研究[J]. 岩石力学与工程学报, 2011（5）.

责任编辑 朱开明

Study on Risk Information System in Tunnel Shield Construction

Zhang Jing, Shi Yehui, Lu Hao, et al.

Abstract:In order to have an effective management and control on risks in the shield construction, computer technology and Internet technology are in use. With the development of risk information system in shield tunnel construction, the system includes a shield real-time monitoring subsystem, 3D geological information subsystem, and risk evaluation subsystem. The system has real-time shield construction information and geological data, make remote and real-time analysis of various risk factors occurred in shield construction, works out engineering risk assessment and management in tunnel shield engineering.

Keywords:tunnel, shield, construction risk, information system

收稿日期2014-11-10

中图分类号：TU 443