地铁盾构施工安全作业支持系统研究

曾铁梅1 许恒诚2, 3 赵 龙4 陈 健

(1.武汉地铁集团有限公司总工程师办公室，武汉 430070； 2.华中科技大学土木工程与力学学院，武汉 430074； 3.湖北省数字建造与安全工程技术研究中心，武汉 430074； 4.上海隧道工程有限公司，上海 200032)

1 引言

随着社会经济的不断发展，各大中城市均把发展轨道交通作为解决城市空间拥挤、交通堵塞等问题的重要途径。据有关数据统计，到2020年时，我国地铁的运营里程将达到6 600km，地铁建设仍处于快速发展阶段[1]。鉴于盾构法具有适应性好、安全性和自动化水平高、施工进度快等优点，是修建地铁区间隧道的主要工法[2-4]。

盾构法的核心施工设备是盾构机。盾构机运转的安全稳定，是保证隧道项目进度、质量、成本与安全的基础。一般而言，城市进行大规模的地铁隧道建设活动，需要大量的盾构机投入施工。因此，如何有效地对多台不同种类、不同品牌的盾构机进行远程监控，并挖掘分析盾构机参数中的信息指导施工管理，成为了地铁工程建设单位的亟待解决的难题。

通常盾构机生产厂商都会开发一套盾构机实时监控管理系统，用于施工现场辅助盾构机操作人员掌控施工参数。然而，大多数系统只能实现简单的本地数据显示，或直连地面项目部，不支持多用户访问，更无法通过互联网快捷地远程登录监控。加之不同盾构机品牌厂商的系统又无法兼容，因此无法实现多台盾构的集中监控。另外，当前众多盾构机参数管理系统仍采用了Client/Server(C/S)架构，使用时需提前安装客户端，不利于系统的更新和维护。表1总结了当前常见的三种盾构机参数监控管理系统的优劣势。综合以上，研究认为研发一套基于B/S架构的盾构施工安全作业支持系统十分必要。

2 Browser/Server架构

Browser/Server(B/S)架构，即浏览器/服务器架构，是对于C/S架构的一种革新。在B/S模式下，任意智能终端运行浏览器软件，浏览器以超文本HTTP格式向Web服务器发出请求以访问云端数据库，而Web服务器接受服务端请求后，将这个请求自动转化为SQL查询语句，并传递给数据库服务器。数据库服务器得到请求后，验证其合法性，并进行数据处理，然后将处理后的结构返回给Web服务器，Web服务器再将一次得到的结果转化为HTML文档形式，通过浏览器页面以友好的Web页面显示出来，其结构原理如图1所示[11]。B/S网络构架具有客户端软硬件要求低，维护、升级便捷以及更适应移动互联网的发展趋势等优势[12]，因此本系统开发决定采用B/S模式。

表1 盾构施工管理信息系统类别及优缺点比较[5-10]
Tab.1 Types and advantages and disadvantages of shield construction management information system

3 系统框架

本系统从结构上可以划分为盾构数据采集子系统和盾构数据远程管理子系统。盾构数据采集子系统用于采集隧道项目的盾构机数据，包括盾构机实时数据和人工填报数据。数据采集服务器安装在盾构施工项目部地面监控室内，数据采集服务器与盾构机的可编程控制器(PLC)采用光纤进行通信，保证信号的传输效率和质量。数据采集客户端通过OPC server与盾构机PLC进行数据交换，是一种开放的、与应用程序无关的系统接口标准，因此可以实现从不同的品牌盾构机的PLC中读取数据。

盾构数据采集客户端通过专用网络将数据发送到数据中心的接收客户端，数据接收客户端将收到的数据写入数据库实时存储。数据采集服务器具有缓存功能，能在因特网断开连接时实现对数据的缓存，当通讯回复后，再将数据传回数据中心，保证采集盾构数据的连续性和完整性。人工数据主要包括盾构隧道相关的人工监测数据，如地面沉降、施工时间记录表等。此类数据由工程师在盾构施工时进行记录，本系统也开发了相应的数据填报系统，可以在当班时直接通过平板电脑录入，省去了过去先纸质记录、后将数据转录的流程，实现了线上、线下数据一体化填报。

通过盾构数据采集系统得到的数据，可以经由远程数据管理系统进行访问，实现盾构参数数据展示和分析的功能。用户可以通过PC机、平板电脑或手机等任意具有上网功能的智能终端设备浏览器进行盾构数据的访问。同时，系统也根据用户的权限进行分级管理，每一级用户都有相应的读、写数据的权限，便于项目管理，其系统框架如图2所示。

图2 盾构施工安全作业支持系统Fig.2 Metro Shield Safe Construction Support System Framework

4 系统开发与案例应用情况

为促进信息共享和项目管理决策，本文以武汉地铁7号线三阳路越江隧道为研究与应用对象，开发了基于B/S架构的越江泥水盾构安全作业支持系统。

三阳路越江隧道是国内首条公铁合建穿越长江的隧道，左右线均长2 590m。隧道外径15.2m，内径13.9m，管片环宽2m，厚度为650mm。隧道最大纵坡2.8%，最小转弯半径1 200m，最大覆土深度39.5m，最小覆土深度8.4m。根据本工程隧道所穿越地层的特点，选用了2台德国海瑞克公司生产的直径15.76m复合式泥水气压平衡式盾构机进行施工。该型泥水平衡盾构机，后台各类监控与控制参数达900余种，远程参数采集与监控具有相当的难度。本系统以Java Development Kit(JDK)为开发平台，以MyEclipse为开发工具，以Java为程序设计语言，并选择SQL Server 2008为数据库。本系统从功能上由三个模块组成，分别为：盾构参数管理模块、数据展示模块以及分析模块。

4.1 数据管理模块

数据的创建、导入、保存、管理和维护由数据管理模块负责。本系统提供了项目数据导入的两条途径，用于处理不同类型的信息。

(1)盾构参数实时采集

三阳路越江隧道的海瑞克泥水盾构，其自动采集的数据存储于盾构机的PLC里，使用光纤作为传输介质，把数据传输至地面的数据采集服务器。数据采集服务器通过VPN专用网络将数据发送至数据中心，写入数据库加以存储，供程序调用。

(2)施工日志填报

施工日志填报用于采集人工测量数据(如沉降监测、盾尾间隙、刀具磨损等)以及项目进度和管理信息。为便于数据的存储和调用，该模块采用结构化存储设计，使用WBS将盾构隧道分解为分部分项，独立填报。传统施工中，施工单位会将盾构掘进记录填报在纸质表格作为项目资料加以存储，使用时须将数据重新录入计算机加以计算分析，十分繁琐。三阳路越江隧道项目中，现场工程师通过便携式智能终端(智能手机、平板电脑等设备)直接将数据录入系统(图3)，一键式生成统计分析报表(图4)，显著提高了数据的抽取与利用效率。

4.2 数据显示模块

数据可视化模块基于浏览器展示，主要分为企业级和盾构机级的数据展示。

4.2.1 企业级管理

该管理层级系统整合了企业(可为武汉地铁集团或上海隧道工程有限公司等)在全局范围内的所有的盾构项目信息，以实现对企业在建项目的分布以及盾构机实时工作状态的远程监控。此模块有两种项目的展现形式，一种为汇总表模式，另一种为全网图模式。

(1)汇总表模式

图3 盾构施工记录线上填报Fig.3 Shield construction record online reporting system

图4 三阳路越江隧道的盾构施工记录时间统计报表Fig.4 Shield construction record time statistics

该模式下，系统以列表的形式汇总了企业在全局范围内盾构项目的盾构机实时工作状态，每一条包含了该盾构的若干信息，如项目所在地区、线路、盾构机名称、盾构机实时施工参数等信息，并对盾构机按照施工参数是否正常以及是否贯通进行了统计。如图5所示，三阳路越江隧道盾构左线909与右线908在系统中为三阳路隧道项目下监控的两台独立的盾构机。

图5 区域项目汇总表Fig.5 Regional Project Summary

(2)全网图模式

此模式下，以盾构机图标在全局地图标注为展示形式，可以直观了解企业在全局范围内的盾构分布情况，并提供盾构机概况查看和项目分布图缩放漫游查看的功能。可以查看盾构机概况、工作状态报警、通信状态报警。例如，将鼠标移动至相应图标位置，即可以浮动窗口的形式显示该项目盾构施工的概况信息，如项目名称、盾构机名称、当前施工环数、总环数以及施工状态。另外，也可根据图标的变化，确定盾构机的工作和通讯状态是否正常。判断规则为：盾构图标显示绿色表明该盾构参数正常，红色表明该盾构参数超限、灰色表明该施工路线已贯通； 通过观察盾构图标上是否显示感叹号判断盾构机通信是否正常，盾构图标上显示感叹号则表明盾构通信异常。如图6，即是三阳路越江隧道右线908号盾构机在系统全网图模式下的简窗展示方式。

图6 全国项目分布查询管理Fig.6 National Project Distribution Query Management

图7 盾构关键参数远程监控Fig.7 Shield remote monitoring of key parameters

4.2.2 盾构机级管理

盾构法施工中，对重要盾构施工参数的实时监控是保证工程顺利推进的关键。本模块用于对盾构机施工实时数据进行监控，页面集成推进、刀盘、导向、同步注浆、泥水平衡(适用于泥水平衡盾构)等四大系统的关键参数供工程技术人员实时查看。在三阳路越江隧道的两台超大直径泥水盾构的工程应用中，各参建单位，在预先设置的浏览权限下，均可以利用浏览器随时随地对盾构关键参数远程监控，掘进状态随时把握，防患于未然，实现异地远程实时监控，极大地拓展了现场工程师的工作时空范围。

4.3 数据分析模块

基于盾构安全作业支持系统存储的模型数据，本系统提供了多个数据分析工具，用于支持盾构施工决策。几个主要分析功能包括：

(1)施工参数分析

该分析工具可以实现对盾构参数在一环或多环连续施工过程中绘制曲线，可支持多种不同类型的参数(如压力、行程、推进速度)绘制在同一折线图上，该曲线可以反映参数在所选环施工全过程中的变化情况，方便工程人员查看趋势以及多参数交叉分析。

(2)材料消耗管理

材料消耗管理可对指定的盾构环数区间的关键施工材料消耗进行统计。材料用量一方面对成本有较大影响，另一方面也是控制盾构施工质量和安全的重要依据。通过对施工材料消耗的统计分析，以表格和图形的形式展示，可以辅助工程管理人员合理安排材料的采购和运输计划，也可以进行施工质量和成本控制，还可以作为事故事后回溯分析的依据[13]。

(3)施工时间统计

图8 三阳路越江隧道盾构材料消耗统计Fig.8 Sample of shield material consumption statistics for Sanyang Rd Shield Tunnel

图9 三阳路越江隧道盾构施工时间统计Fig.9 Sample of shield construction time statisticsfor Sanyang Rd Shield Tunnel

盾构隧道完成单环管片的施工时间可划分为掘进、拼装和停工三部分。施工时间统计主要统计盾构施工过程中拼装、掘进、停工三种状态在总体工作时间中所占的比例，并以直方图、扇形图等形式直观展示，为工程管理人员提供分析盾构施工情况的依据，更加合理地进行施工组织安排。

(4)盾构机历史数据查询

图10 盾构机历史数据查询Fig.10 Shield machine historical data query

该功能用于查看特定盾构机的历史参数。首先在盾构机浏览器中，根据省份、城市和线路信息选择待查询的盾构机，可以查看到数据库中有关该盾构机的全部历史参数，可根据“工作状态”、“本地时间”和“环号”三个条件进行查询。

数据分析模块是本系统的核心功能之一，是实现盾构施工安全作业的重要支撑。应用于三阳路越江隧道项目的本系统已经开发了施工参数分析、材料消耗管理、施工时间统计和盾构数据导出四项功能，满足了施工单位对项目质量、成本和进度管理的基本需求，实际中取得了较好的使用效果。此外，本系统模块化的架构设计，也可以根据工程现场新的需求，实现快速开发迭代，基于底层的盾构数据库，可根据项目施工管理的需要开发相应的功能，扩充整个系统，以服务于除三阳路越江隧道外的其它盾构隧道工程。

5 结语

为了支持多工地实时管理，用信息技术支持地铁盾构安全施工，本研究从地铁盾构安全施工的实际工程需求出发，开发了基于B/S架构的地铁盾构施工安全作业支持系统。本系统在武汉地铁7号线三阳路越江隧道工程中的成功应用，较好地满足了隧道施工单位的实际需求，有力地支持了盾构施工决策和项目管理，提高了工程项目的施工管理水平和效率，取得了较好的应用效果，为拥有大规模的隧道建设项目群的企业提供了一种访问便捷、功能实用的信息化技术管理手段。