集成实时掘进数据的盾构隧道施工管理虚拟现实系统

瞿浩，李海宝，周应华

（1.中铁二局集团勘测设计院有限责任公司，四川成都 610031；2.中国中铁隧道股份有限公司，河南郑州 450001）

0 引言

近年来，盾构法以其高效、快速、安全等特点，在城市地下空间开发施工过程中得到广泛应用［1］，但面对日益繁重的工程建设任务及复杂多变的工程施工风险，由于施工技术人员经验不足、地质环境复杂、施工过程数据量大等主客观因素的存在，盾构隧道施工中还存在着诸如信息沟通不及时、人机物调配不合理、管理制度不完善等问题［2］。因此，应用先进信息化技术，探索研发科学、有效的盾构施工安全、质量监控管理手段与方法，已成为地铁隧道工程建设日常管理工作的当务之急。

目前，盾构法施工监控的管理主要针对盾构机传输数据的分析和应用。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，数据传输方面的工作原理也较为完善，而对于结合项目对盾构风险监控的功能需求、与BIM 技术和虚拟现实技术相结合的研究较少。

随着现代计算机可视化技术的快速发展，虚拟现实技术日益趋于成熟，其中，三维渲染引擎Unity3D 有易操作性和学习时间成本低，并且能够让开发者创建如视频中绚丽的场景、逼真的建筑物、实时三维动画等优势［5］，已得到广泛应用。基于Unity3D的虚拟现实系统能够实现模型整合、数据集成、信息分析、界面交互等功能，方便使用者在逼真的虚拟环境中了解盾构掘进全方位信息，辅助施工管理与决策。

1 项目概况

新建珠三角城际轨道广佛环线是珠三角城际轨道交通网重要骨干线路。项目地处广州市中心城区，线路起于广州南站，经大石、科学中心、琶洲、金融城、智慧城、龙洞、大源和太和站，连接至白云机场，全长46.537 km。预计通车时间为2021年12月。届时广州南站至白云机场仅需30 min。GFHD-1 标段包含4 站4区间（广州南站—大石站区间、大石站、大石站—科学中心站区间、科学中心站、科学中心站—琶洲站区间、琶洲站（广州地铁11号线代建）、琶洲站—金融城站区间、金融城站），线路走向见图1。

图1 GFHD-1标段线路走向

GFHD-1标段工程重难点如下：

（1）Φ9.13 m 大直径盾构区间12 次穿越珠江水系，最长穿越段长890 m，盾构区间距河床底最小距离约10 m，施工极易出现喷涌、渗漏水等安全风险。

（2）盾构区间下穿佛莞城际隧道、运营地铁3号线和8 号线及有轨电车线，上跨地铁7 号线，多处下穿桥梁和隧道、高压铁塔、近距离穿越居民区等建/构筑物，安全风险极高。

（3）大直径盾构长距离穿越上软下硬地层，累计穿越长度约6 700 m（单线），极易出现盾构机偏移、卡住、蛇行推进，造成地面沉降甚至塌陷、隧道管片破损、盾构机损坏等问题。

（4）广州南站—大石站盾构区间788 m 长距离穿越硬岩地层，花岗岩最高强度123 MPa。

通过研发盾构施工管理虚拟现实系统，实现盾构掘进可视化、过程信息实时共享、施工风险预警预报和工程数据分析借鉴等功能，加强对掘进过程的实时管理，确保掘进安全和顺利。

2 系统研发总体思路

集成实时掘进数据的盾构隧道施工管理虚拟现实系统主要包括区间隧道工程模型、盾构机设备模型、线路地形地质模型和周边主要建/构筑物BIM模型搭建，全标段盾构机掘进和监控量测数据集成，以及管理地质信息、风险源信息、设备信息和人员信息等的数据库系统设计、掘进过程进度分析和风险源预警预报算法研究、虚拟现实系统开发工作。该系统通过集成盾构机掘进和监控量测实时数据，驱动数字化盾构机在地质模型中掘进，精确展示盾构机掘进位置，方便施工管理人员对掘进过程中盾构机工况的全面掌握；结合周边风险源、地形地质、转弯半径和埋深等信息，辅助优化掘进方案；将区间掘进风险控制表信息输入系统并设置盾构施工参数预警值，实现掘进过程的预警预报；综合大量掘进过程数据，对盾构施工进度进行大数据分析，能够预测类似外部条件下盾构机掘进的施工效率和最佳施工参数，指导后续施工组织和实施。系统开发工作内容见图2。

2.1 全景模型搭建

根据设计图纸，搭建区间管片、地形地质和主要建/构筑物BIM 模型；参考周边环境图片，对周边环境进行修改更新；根据设备资料，搭建盾构机模型。将区间管片、地形地质模型和主要建/构筑物模型进行整合，形成地面模型；然后沿着区间线路，将模型纵断面进行展开，并参考现场钻探信息，对区间纵断面模型进行更新。

图2 系统开发工作内容

分别将区间管片模型、地面模型、纵断面模型和盾构机模型导入3DMax 进行模型整合、贴图和渲染（见图3、图4），完成与真实场景相符的模型搭建工作。搭建模型清单见表1。

图3 BIM原始模型示意图

2.2 工程监控监测数据集成

与盾构机掘进监控、区间监控量测和视频监控的数据集成主要通过Web Service 服务按照统一的报文格式从指定地址的服务器中读取。其中盾构机掘进监控数据主要包含盾构机掘进数据、盾构机VMT 导向数据和盾构机监测数据；区间监控量测主要获取测点数据和安全风险等级数量统计数据等。

盾构隧道施工监控数据集成主要包含3个部分：施工现场数据采集、公司总部数据存储发布和虚拟现实系统集成。数据集成架构见图5。

在施工现场，数据采集主要是利用盾构内部传感器获取实时施工数据。数据采集计算机有2台，1台在井下，1台在地面控制室。这2台计算机通过网络集线器（HUB）相连，实现施工数据的共享。

图4 3DMax渲染模型示意图

由于盾构生成厂商和型号不同，所以公司总部在获取实时施工数据时，需要通过1个Read 程序，为每个盾构定做1个数据结构对照表，将不同数据采集系统获取的数据转换到施工现场的标准数据库中，将此数据片段加密后通过互联网传送至公司总部，经公司总部的服务器将其解密等处理后，放置到总部的服务器中［3］。

虚拟现实系统通过指定地址集成各公司总部服务器盾构机监控数据时，数据格式统一采用JSON标准，JSON是一种轻量级数据交换格式［6］，易于阅读和编写，同时也易于机器解析和生成并有效提升网络传输效率。本项目JSON格式示意如下：

表1 搭建模型清单

2.3 数据库

图5 盾构监控数据集成架构

搭建MySQL 数据库系统，按照不同数据类型（隧道线路参数信息、地质埋深信息、风险源和风险控制表信息、盾构掘进参数和进度信息、全标段组织架构、人员信息等）对数据进行分类并设计不同数据库表；针对数据库运行过程中巨大数据量，需要形成高效的数据检索系统；按照施工进度顺序，对数据库中各类数据进行关联存储，便于寻找各类型数据变量间与盾构机运行数据的相关性。通过系统应用需求分析，本系统数据库分为五类：人员信息表、地质信息表、隧道信息表、风险信息表、盾构信息表。

（1）人员信息表：使用MySQL 建立面向人员的数据库，结合项目组织架构实现不同用户角色的权限管理，且由于人员信息不断变化，支持查询、增加、删除等操作。人员信息表结构设计见表2。

（2）地质信息表：建立地质信息数据库，支持隧道地质情况、地质类别、岩石强度等地质参数信息查询管理，并且根据勘探数据进行不断更新。地质信息表结构设计见表3。

表3 地质信息表结构设计

（3）隧道信息表：建立隧道信息数据库，将线路平纵曲线以参数数据信息进行管理，便于虚拟现实系统信息展示和数据分析。隧道信息表结构设计见表4。

表4 隧道信息表结构设计

（4）风险信息表：建立风险信息数据库，结合隧道施工管理过程中的风险控制表，将施工风险点的盾构参数参考值集成到数据库中，实现施工过程预警预报和辅助风险控制。风险信息表结构设计见表5。

（5）盾构信息表：建立盾构信息数据库，实时记录盾构掘进过程中的主要参数值，实现盾构参数状态实时监控、安全风险预警预报和掘进过程分析优化。盾构信息表结构设计见表6。

2.4 掘进过程分析

风险预警预报是分析盾构掘进的实时数据，与风险信息表中盾构参数参考值进行对比，根据数据偏差大小进行红色预警和橙色预警，对于预防危险、安全生产意义重大。

工程进度对比是依靠盾构掘进的历史数据，探索类似地质间盾构掘进进度的相关性和差异性，从而给盾构掘进施工人员在掘进参数设置和取值上提供指导性意见。

掘进参数优化是通过数据库关联数据，使用包括数据统计、相关性分析和规律寻找等方法研究数据分析算法，实现对不同盾构机在不同地质、埋深、转弯半径等条件下的掘进进度和掘进参数进行对比分析，最终形成盾构实时掘进分析系统，供后续工程应用借鉴。

表5 风险信息表结构设计

表6 盾构信息表结构设计

掘进分析输入、输出信息见表7、表8。

表7 掘进分析输入信息

表8 掘进分析输出信息

2.5 虚拟现实系统开发

虚拟现实系统的开发首先需要整合所有模型，导入Unity3D 虚拟现实引擎，利用物理动态渲染技术处理材质、环境、灯光，实现全标段工程盾构区间虚拟现实环境创建。读取数据库中数据，通过交互功能开发和UI 设计，实现工程参数实时查询、掘进位置动态展示、风险预警预报、进度对比、参数优化等功能，最终发布为PC 端和移动端应用。虚拟现实系统开发流程见图6。

（1）模型导入及整合（见图7）。将3DMax 处理后的模型导入Unity3D 后，分为平面展示和纵断面展示2个场景，并分别根据2个场景应用需求为模型添加刚体和碰撞等物理特性，防止在模型漫游过程中出现穿越等现象，增强虚拟现实环境的逼真程度。

（2）场景元素渲染（见图8）。为了模拟实际环境和展示必要的工程信息，需要添加天空、光照等场景元素和必要的文字符号。在Skybox 中设置晴朗无云的天空；光照使用默认光源Directional Light，并通过光源x、y、z值的设置实现照射方向的控制；调用文字控件Text在三维模型指定位置添加文字符号信息。

（3）交互指令添加。为了实现系统中模型浏览和功能展示，需要依托Unity3D 引擎添加一些交互指令，交互的实现主要通过编写C#脚本并绑定到对应的对象上。将自动浏览路径与区间线路绑定，视图就会沿着线路走向自动切换，实现自动漫游功能（见图9）；当盾构机状态为掘进中时，运行程序控制盾构机模型旋转，模拟现场掘进；虚拟现实系统其他功能间切换和视图控制也是通过脚本程序实现。

图8 场景元素渲染

图9 自动漫游

（4）UI 设计。界面的美观、功能的布局和操作的友好直接影响系统成败。本项目界面通过参考施工现场盾构监控，结合系统功能应用需求，以直观、大方、科技感和易操作为要求，经专业美工设计加工而成。由于盾构是定制性产品，不同的掘进模式监控界面都有所不同，所以需要按照不同盾构单独设计界面。掘进过程盾构机控制参数众多，系统参考风险控制表信息，主要展示刀盘、推进、螺旋机、同步注浆、铰接和盾构姿态等信息，满足盾构隧道施工管理要求。盾构主监控界面见图10。

（5）系统发布。为了帮助项目管理者能够随时随地应用盾构隧道施工管理虚拟现实系统，利用Unity3D支持多平台程序发布的特点，发布为PC 端和移动端应用，满足不同的应用场景需要。

图10 盾构主监控界面

3 结论

通过对集成实时掘进数据的盾构隧道施工管理虚拟现实系统的研究，得出以下结论：

（1）搭建了地形地质、周边环境、主要建/构筑物和区间管片模型，通过盾构机实时掘进数据，定位到掌子面空间位置，直观观察到周边地质情况和风险源，辅助优化掘进方案。

（2）实时集成盾构机掘进监控和区间监控量测信息系统数据，系统通过与事先制定的风险控制表参数对比，实现对施工过程风险的预警预报。

（3）建立包含掘进过程中地质埋深、转弯半径、风险源情况和盾构机运行数据等的工程信息库，并进行大数据分析，实现进度对比和方案优化等功能，可为后续工程应用提供借鉴。