土压平衡盾构施工风险监控系统及参数预警研究

江玉生， 孙正阳， 杨志勇

(中国矿业大学(北京)力学与建筑工程学院， 北京 100083)

0 引言

随着我国经济的发展，各类隧道建设的数量大幅增加[1]，盾构作为一种大型的施工设备，被广泛应用于地铁隧道、水利管线、综合管廊等工程中。得益于自动化和信息化技术的发展，盾构施工参数可通过物联网技术进行远程的实时监控，在此基础上研发盾构施工风险监控系统，实现对盾构施工过程的实时监控、统计及分析，进而实现对盾构施工风险状态的实时监控。

国内外学者对相关问题进行了研究。系统构架方面，胡向东等[2]介绍了一种可用于盾构隧道施工、监测、监理及设计等参建各方的技术管理、对比分析等的盾构推进监控数据库及动态显示系统；周文波等[3]介绍了一种盾构隧道信息化施工智能管理系统，并对系统数据库的建立、数据传输的实现、数据的发布、施工数据的分析方法进行了详细介绍；项贻强等[4]对盾构设备施工远程监控系统的构建进行介绍。目前盾构监控系统多以B/S构架为基础[5-7]，数据传输方面的工作原理也较为完善，而对于盾构风险监控系统功能需求、界面设计等人机交互的研究较少。

对于盾构监控系统功能需求的研究必须以盾构施工过程中风险管理的手段为基础，同时需结合盾构施工中积累的管理经验对界面进行优化。施工过程风险管理研究方面，杨文武等[8]对隧道工程全过程风险管理模式进行了讨论，建立了全过程风险管理体系；张姣[9]提出了一种越江隧道盾构法施工的风险评价方法，并在实际工程中得到了应用，取得了良好的效果；胡长明等[10]运用拓扑学理论建立了风险可拓评估模型，并成功应用于宁波地铁建设；刘文等[11]和李蒙等[12]探讨了地铁盾构施工的安全风险规律及管理对策，指出了盾构施工事故风险较大的阶段；杨树才[13]依据城市轨道交通工程安全风险管理体系和管控技术标准，对管控的重点进行了分析，提出了4种监控方式对地下工程进行监控；曹勰[14]对盾构施工煤矿斜井工程中风险预控的管理方法进行了研究；于宝敏等[15]对盾构开舱的技术现状及风险管控手段进行了分析。

目前针对风险管控系统及风险管控手段的研究均取得了部分成果，但针对如何将两者相互整合的研究较少，对于风险系统的研究多以系统构架功能设计为主，未将系统的研发内容与现场施工紧密结合；另外，关于盾构施工参数自动预警方面的研究未见发表。本文以盾构掘进过程中的风险管控需求为基础，研发盾构施工风险监控系统，并结合盾构施工特点提出盾构参数预警的方法，研究结果以期为盾构施工风险控制提供参考。

1 系统需求及构架

盾构施工风险监控系统的主要监控对象为施工中的风险工程，从来源上对其进行划分，可分为自身风险和环境风险。盾构施工的自身风险大多与施工参数有重要联系，通过对参数的综合分析，可实现对自身风险的基本判断。环境风险是指盾构施工过程中穿越河湖、桥梁、既有线等重要建(构)筑物所引发的风险，隧道与环境风险工程之间的位置关系已经确定，在施工过程中控制盾构参数并及时优化是降低盾构施工风险的重要手段。

综上所述，对盾构施工参数的实时监控及分析是保证自身风险工程及环境风险工程安全的重要手段。

1.1 系统需求分析

根据风险监控的要求，同时为保证盾构施工风险监控系统能够更好地应用于地铁建设过程中，经过对地铁参建人员的调研及其结果的分析总结，确定系统功能需求如下：

1)盾构施工状态以及关键参数实时监控功能，盾构施工风险提示功能；

2)盾构施工参数的储存分析功能，当参数发生异常时的提示功能；

3)指定环号材料消耗、时间统计等施工管理信息汇总分析，及绘图或导出报表功能；

4)根据施工情况，结合周边环境，对风险工程分级和处置进行动态调整评估，并形成日报、周报、月报；

5)在电子地图上对线路、站点的相关信息进行集成展示；

6)系统功能及数据权限的不同账户定制功能。

1.2 系统原理

盾构法隧道施工机械化程度高，盾构在掘进过程中各个参数会传输至盾构施工控制计算机(简称盾构计算机)中，盾构计算机会对相应的参数进行处理，并通过界面进行显示，方便施工技术人员根据参数对盾构进行操作；同时，施工参数及各种传感器的数据会实时地储存在盾构计算机中。因此，实现了对盾构计算机中数据文件的提取、远程传输、分析整理、界面化显示等操作，也就实现了对盾构施工的远程实时监控；并且，通过直接从盾构计算机读取数据，可保证基础数据的真实性，避免了人为因素的干扰。

数据传输作为系统研发的重要组成部分，如何将盾构计算机中的数据完整、实时、准确地进行传输是系统研发的关键。数据的传输过程主要分为3步(见图1)：

1)在盾构计算机中安装自主编制的软件，对数据文件进行抓取，利用网络将数据文件传输至已经安装数据文件接收软件的地面计算机；

2)地面计算机通过自主编制的转换软件，对数据文件进行转换加密等工作，并将转换后的文件传输至服务器；

3)用户通过互联网对服务器进行访问，实现对盾构施工的实时监控和管理。

图1 盾构施工风险监控系统原理

Fig. 1 Principle of risk monitoring system for shield construction

1.3 系统框架构建

在确定系统需求、明确系统原理之后，采用模块化开发的模式，进行系统框架的构建。系统共分5个模块： 盾构监控、风险管理、施工参数分析、施工管理、系统维护。每个模块下又细分子模块，系统主要框架如图2所示。系统各模块之间功能相互独立，可根据不同需求进行定制化应用。

图2 系统功能构架

2 参数监控及分析

2.1 盾构参数监控功能

盾构参数监控是施工风险监控的最重要组成部分，也是系统的根本。通过盾构参数监控功能可实现对盾构主要施工参数进行实时管理；同时，通过良好的人机交互界面设计，使得用户可以直观地获得盾构施工的关键参数。盾构监控界面分为刀盘监控(见图3)、螺旋出土器监控、导向监控(见图4)等界面。

图3 盾构刀盘参数监控界面

图4 盾构导向参数监控界面

刀盘监控界面分为5个区： 推进油缸参数监控区、土舱压力监控区、铰接监控区、同步注浆监控区、其他参数监控区。5个监控区涵盖了土压盾构施工中的关键参数(推力、转矩、推进速度、贯入度、刀盘转速、土舱压力、同步注浆压力与量等)，通过该界面可直观地监控盾构施工的关键参数。

导向参数监控界面主要分为2个区： 盾构姿态监控区和每环纠偏量监控区。盾构姿态监控区可实时监控盾构前、中、后盾的水平及垂直姿态。盾构施工过程中的盾构姿态是一个动态变化的过程，每环前后盾构姿态均会发生一定的变化，这种姿态的变化就是盾构的每环纠偏量。盾构施工过程中，为保证盾构姿态正常，必须进行纠偏，但每环纠偏量不宜过大，否则会导致盾尾间隙过小、损坏盾尾刷、成型管片在盾尾作用下发生错台等问题。因此，通过对盾构姿态进行计算，将每环纠偏量与盾构姿态展示在同一界面，以供调整姿态时进行综合分析。

通过对盾构施工关键参数的实时监控，可实时发现盾构施工过程中的参数异常情况，并对异常情况进行分析处置，降低盾构施工风险。

2.2 参数可视化功能

对于盾构参数实时监控是保证盾构施工顺利进行的重要手段之一；另外，对于前期施工参数的有效分析及优化能够保证盾构后续施工顺利进行。当盾构施工出现异常时，通过对前期施工参数的分析可帮助找出异常原因，并在后期采取针对性的措施，保证盾构恢复正常。系统中参数可视化功能充分地满足了对盾构参数分析的需要，参数分析功能可将盾构施工过程中不同阶段的施工参数以折线图或柱状图的形式展示出来，供技术人员进行综合分析研判。以下从风险研判及参数优化2方面对参数可视化功能进行介绍。

2.2.1 风险研判

图5示出某盾构区间同步注浆量的统计信息。由图可知，施工过程中参数基本处于正常范围内，但328环出现了同步注浆量较高的情况。可能存在的风险为地层中存在空洞或其他异常，导致注浆量偏大，此时应以系统数据为依据，结合现场情况进行综合研判，保证施工安全。

2.2.2 参数优化

图6示出总推力与掘进速度的综合分析曲线图。通过图6可直观地对盾构总推力与掘进速度之间的关系进行分析与判断，还可通过缩放功能充分判断参数之间的关系，对后续施工中参数的控制进行优化。

图5 盾构施工同步注浆量统计分析

Fig. 5 Statistics of synchronous grouting volume of shield construction

图6 盾构施工双参数综合分析曲线图

3 参数预警标准及判别准则

盾构施工过程中参数正常与否对盾构施工有着重要影响。目前，对于盾构施工参数的控制主要还是依靠盾构操作手凭经验判断，但受技术水平所限，操作手有时并不能十分准确地判断参数是否正常。由于盾构操作问题导致的盾构施工事故时有发生，因此必须控制盾构施工过程中的参数，制定统一的标准。

3.1 盾构区间组段划分及管理

为满足盾构施工过程中参数控制的标准化，北京地铁建设工程要求施工单位在盾构施工前应按照自身施工经验及北京地区特点编制组段划分报告，并组织专家对报告进行评审；然后根据专家意见对原组段报告进行修改，确定最终施工时每个组段盾构施工参数的控制范围；最后，由监理单位对优化后的组段划分报告进行评审，方案通过后方可进行盾构始发。

3.2 参数预警标准及判别准则

在施工过程中，要求施工单位严格按照组段划分报告中规定的参数控制范围进行施工；同时，得益于盾构风险监控系统的应用，可实现盾构施工过程中参数的实时监控。综合以上2方面基本上保证了盾构施工参数处于正常范围，但是该方法还需依靠技术人员通过参数监控功能对盾构施工参数进行查询，当盾构数量增多时，技术人员投入较大。

为降低人力成本，提高风险管控的效率，基于施工前的组段划分报告及施工过程中盾构参数的实时监控，并结合近十几年北京地铁建造过程中遇到的实际问题，利用编程技术提出并实现了盾构施工过程中的参数预警功能，通过该功能可实现盾构参数出现异常时的自动预警，将技术人员从实时监控中解脱出来，解决了高水平有经验人员不足的问题，也降低了工程人力成本。参数预警的设置遵循以下原则： 紧密联系施工、预警程度合理、预警数量适中、系统上可实现。基于以上原则，共设置9项参数预警判断规则，如表1所示。

表1 盾构参数预警判断准则

表1(续)

注： 表中所述的控制值均表示组段划分方案中盾构参数控制值。

不同参数预警的判断时间略有不同，根据判断时间的不同可将预警分为3种： 每环掘进结束时判断、掘进过程中实时判断、施工过程(包括掘进、拼装、停机3种盾构状态)中实时判断。

通过参数自动预警功能，在盾构参数发生异常时，及时在风险监控系统上进行提示，并将相应参数预警信息推送到相关用户，保证用户对施工参数异常情况及时把控。通过对异常参数的管控，达到降低施工风险、保证施工安全的效果。

4 风险管控手段

风险管控作为本系统的核心功能，除了对盾构参数的实时监控、分析及预警外，还对其他管控手段进行了研发。首先，对于环境风险应明确环境风险与盾构的基本位置关系，同时对环境风险的基本情况进行相应介绍，才能完成对环境风险的管控。根据以上原则，研发了以下不同的功能界面。

4.1 环境风险地图

环境风险地图是将盾构区间的位置信息与进度信息直观地显示在地图上，满足相关人员对全网盾构区间位置、周围风险环境、施工进度概括性的了解，进行放大后可详细查看具体每个区间的进度情况。

4.2 穿越风险工程提示功能

盾构施工过程中往往会穿越大量风险工程，保证风险工程安全是工程建设的一个重点。通过在施工前进行系统设定，实现了对穿越风险工程的预先提示和穿越过程的实时掌握。主要信息包括： 风险工程范围、盾构施工进度、风险工程基本信息、风险工程图形信息等。穿越风险工程提示功能如图7所示。

4.3 工程环境风险地图

工程环境风险地图显示功能作为一种更加精细化的图形显示，以设计资料为基础，将盾构区间平面图、剖面图及相关信息完整地展现出来。平面图中展示了线路的精确走向，施工过程中穿越的建筑物、河湖、桥梁、既有线、管线等风险工程也在图中详细显示，通过该图可直接了解到线路施工的完整信息；同时，盾构施工进度也在图中实时进行展示，通过将线路设置成不同的颜色，来表征盾构施工进度(绿色表示已完成拼装的环数、红色表示尚未开挖的环数、粉色表示已开挖尚未拼装管片的环数(即盾构刀盘到拼装环的长度)、黄色表示目前拼装环数)，如图8所示。剖面图显示了线路地层情况、线路坡度情况、水位情况、风险工程情况等施工关键信息。

4.4 其他功能

为了满足技术与管理人员对盾构施工过程的风险管控，增强施工管理水平，系统还研发了关于盾构施工风险管控的其他功能。主要包括： 施工进度分析、施工效率分析、日常报表输出、信息推送等。

4.4.1 施工进度与效率分析功能

通过对盾构数据的处理及分析，系统可实现对盾构进度与效率的统计并以图表的形式进行展示。管理人员通过进度分析功能，可对每日施工进度进行分析，进而总结施工技术，优化施工组织，保证盾构施工快速高效地进行。效率分析功能可对盾构施工过程中每环停机、掘进、拼装时间进行统计，得出的数据图表可为班组施工效率判断、施工步骤优化等提供依据。

4.4.2 功能与权限定制

为了满足不同用户对于功能及数据权限的差异性需求，开发了功能权限定制及数据权限定制功能。通过该功能可实现对于不同角色(施工、监理、第三方、甲方等)在平台中可使用功能和可使用数据的个性化需求。通过此功能，不同层级的用户可充分使用与自身需求相适应的功能与数据，相关使用度较低的功能不在系统中进行展示，最大程度地简化了系统。

4.4.3 信息推送

信息推送功能是一种程度更深的提示功能。当系统中的相关参数发生异常、盾构即将下穿风险工程时，系统自动向移动客户端推送相关信息，提示用户注意并进行相关操作。

4.5 移动客户端

为满足用户在无计算机条件下进行盾构施工风险管控的需求，研发了盾构施工风险监控系统手机客户端，如图9所示。手机客户端功能构架与网页版系统相同，同样可实现参数监控、参数分析、风险管控等功能。手机客户端极大地扩展了施工技术人员对盾构施工风险管控的力度，更好地保证了盾构施工安全。

(a) (b)

图9手机客户端部分界面

Fig. 9 Part of interface of mobile phone client

5 结论与讨论

本文介绍了基于B/S构架的盾构施工风险监控系统的基本原理及功能框架，并对系统的盾构施工风险管控方式进行了介绍。提出并实现了盾构施工参数的自动预警功能，该系统已成功应用于国内多个城市盾构隧道工程建设中，在施工管理、风险管控、事故原因分析中发挥了重要作用，保证了盾构施工安全，取得了良好的社会效益与经济效益。

国内外工程建设与管理精细化要求越来越高，势必要求盾构风险监控系统也要向着精细化发展。同时，基于近十几年的盾构施工数据积累，如何从海量的数据中总结盾构施工技术与管理经验，并应用到后续施工中去也是一个具有重大意义的课题。最后，人工智能技术发展迅速，若能将人工智能与盾构施工风险监控系统相结合，必将对盾构施工管理的进步产生强大的促进作用。