大型地下工程施工智能管控系统的研发与应用

董 平，鞠 琳，刘金飞，张竣朝

(1.国家能源投资集团大渡河水电流域开发有限公司，四川 成都 610041；2.中国电建集团成都勘测设计研究院有限公司，四川 成都 610072)

随着云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等技术的兴起和运用，智能建造领域研究日益成为热点[1-2]。在此背景下，针对大型地下工程规模大、地质条件复杂、交叉施工多的特点，相关学者从智能装备、数字设计、自动监测、智慧管理等方面[3-7]开展了大量研究。本文针对大型地下工程施工安全与质量管控的风险控制难题，结合双江口水电站等大型水电工程地下工程特点，研究提出了工程安全智能监测、人员车辆安全智能管控、混凝土施工质量智能管控、质量数字化验评及趋势分析预警等关键技术，应用智能建造技术助力提升大型地下工程施工管控水平。

1 大型地下工程施工安全与质量管控难点分析

高坝大库水电站的地下洞室群往往具有跨度大、隧洞长、地质条件复杂、工作作业面多、参建方多等特点，施工过程管控的难点有：

(1)施工安全管控难。水电站大型地下工程通常面临大埋深、高地应力等条件，可能具有围岩条件差、地下涌水、岩爆等不良地质现象，给工程安全、施工人员和设备安全带来较大的风险。

(2)工程质量控制难。水电站地下工程主要为高速过流隧洞，对工程质量要求较高。地下工程开挖、支护、衬砌、灌浆等工序交叉作业，施工干扰大，施工物资和设备种类繁多，工程质量受工程地质、水文气象、施工工艺、施工设备、施工人员熟练程度、管理协调水平等众多因素影响。

(3)协同管控难。大型地下工程施工参与单位众多，沟通协调难度大，各参建方零星建设的信息系统因数据分散，未能充分打通数据孤岛，导致沟通效率低、协同管控难、数据利用率低。

2 关键技术

2.1 基于UWB的隧洞群多场景精准定位技术

基于UWB(Ultra Wide Band，超宽带)技术具有的高精度、抗多径干扰、传输速率高的特点，针对隧洞洞口、交通隧洞、大跨度隧洞、混凝土仓面等不同应用场景，分别采用UWB的TDOA、TOA、TOF等定位算法[8](如表1所示)，对隧洞群内主要施工资源进行实时定位。在洞内工作面、岔路口、洞口安装UWB定位基站及无线收发器，施工人员佩戴安装有室内定位标识卡的智能安全帽，装载机、出渣车等大型车辆安装定位标识卡，实现地下工程人员车辆有效定位监控。进出隧洞时，以UWB、GNSS二者信号中较强者为基准、较弱者为校正，建立自动切换定位场景与洞口交叉区域定位数据校正算法，实现人员设备在洞内、洞外的无缝准确定位和轨迹跟踪。

表1 隧洞群多场景定位方案

2.2 基于精准位置的施工安全实时预警技术

基于施工人员和施工设备的实时位置P(x，y)，实时监听隧洞群内变形监测、岩爆监测、环境监测的异常预警位置数据W(a，b)，当距离小于安全半径R(m)时，系统通过智能安全帽或定位芯片向被监控人员及设备发出声光预警，提醒远离危险源。预警算法为

(1)

式中，F(x，y)为当前位置的预警等级，一般分1、2、3级预警，数字越大，风险越高；R(m)为危险源m的安全半径；k1、k2、k3分别为安全余度系数，与危险源类型和危害性有关，一般k1>k2>k3。

2.3 质量趋势预警与原因关联性分析技术

通过平板电脑或者手机移动端，利用质量验评APP实现规定的管理人员(施工三检、现场监理、设计、监理等)在规定的地点(待验评工作面附近)和规定的时间(工序或单元完成后规定时段内)进行质量验评，实现现场工程信息的实时采集、查询、质量验评和施工工艺移动办公审核。通过建立检查项目质量参数库，实现检查结果的自动计算及汇总统计，以提高质量评定过程中数据的准确性、完整性，排除人为错误带来的无效数据。

利用数字化质量验收评定的施工工序质量、施工单元质量数据，分析分单位、分部位、分时段、分工序的优良率随时间的变化趋势。工程质量优良率总体趋势为

F(Q)=[Q(t2)-Q(t1)]/(t2-t1)

(2)

式中，t1、t2分别表示相邻的两个时间段；Q(ti)为ti时段的工程总体优良率。

当F(Q)

当产生工程总体优良率趋势预警时，可以通过分析同时段施工单位、施工部位、施工工序等的质量趋势f(E，S，t2，m)，进一步分析工程总体优良率下降的原因。

f(E，S，t2，m，K)=[Q(E，S，t2，m，K)-Q(E，S，t1，m，K)]/(t2-t1)

(3)

式中，E为某单位或标段；S为某施工部位；m为某工序类型(如石方洞挖、混凝土衬砌等)；K为该工序的某项验评指标。

当f(E，S，t2，m)

3 地下工程施工智能管控系统设计

3.1 系统架构设计

大型地下工程施工智能管控系统由感知层、传输层、数据层、应用层和决策层构成，如图1所示。

图1 系统架构

(1)感知层。基于IOT技术，采用UWB、RFID、GNSS、微震监测、环境监测、智能安全帽等智能感知设备，辅以移动APP，实时感知工程施工过程的人员、车辆、工艺、环境、工程结构的状态，为工程智能管控提供海量数据基础。

(2)传输层。随施工通道布置和工作面推进，动态布设由4G、5G、WIFI、光纤、网线等多种方式构成的复合型传输网络，为感知数据传输提供高速网络。

(3)数据层。根据统一的数据标准，对GIS、BIM、文档、视频、业务数据等多源异构数据进行集成管理。

(4)业务层。以人员车辆安全、工程结构安全、混凝土施工质量、工序及单元质量验评为业务管控重点，从智能感知的海量数据中识别工程安全、质量管控风险，实现对工程安全与质量的过程管控。

(5)决策层。采用BIM技术提供沉浸式辅助决策虚拟现实环境，实现对工程风险管控指标的预警、反馈和控制。

3.2 系统功能设计

3.2.1 施工期安全全方位监测

在常见的多点位移计、围岩松动圈、锚杆应力计等监测手段基础上，融合柔性测斜仪、自感知锚杆锚索、微震监测、爆破振动监测等智能监测技术，实现工程结构施工期安全的全方位智能监测预警。

(1)柔性测斜仪地下洞室收敛监测。基于连续测斜原理设计的高精度一体式测量仪器，以MEMS传感器为核心敏感元件，由数个长度为0.5 m或1 m的刚性传感器首尾连接而组成的一个传感器阵列，传感器节点之间采用可自由弯曲的柔性节连接。通过检测各部分的重力场，可以计算出各段轴之间的倾角度θ，利用计算得到的倾角和已知各段轴长度L(50 cm或100 cm)，可得到距固定端点任意长度的变形量χ。对于大跨度地下洞室，在施工期进行围岩收敛观测，捕捉、预测围岩表面变形的发生、发展。

(2)自感知锚杆锚索应力监测。围岩变形带动锚杆或锚索发生变形，自感知锚杆/自感知钢绞线内的光栅传感器发生信号变化，信号传输至光栅解调仪进行信号解调，DTU无线数据传输至云端服务器，云端服务器进行数据存储、提取、分析和预警等。

(3)施工期微震、爆破振动等临时监测。高地应力地下工程岩爆风险突出，传统监测手段无法超前预测岩爆风险；地下工程钻爆施工可能引起围岩、混凝土结构等振动速度过大，影响结构安全。利用微震监测、爆破振动监测传感器实现岩爆、振动超标等实时自动化监测，利用多源异构数据集成技术实现临时监测信息的集成与预警。

3.2.2 人员车辆安全智能管控

采用基于UWB的隧洞群多场景精准定位技术，实时监控施工人员车辆的位置，并通过智能安全帽及时将周边安全风险实时预警施工人员，实现人员车辆的安全智能管控。结合各作业面的岩爆监控，实时提醒岩爆风险区作业人员注意防范；结合施工环境监测，提醒有毒有害气体或粉尘浓度过高区域的作业人员及施工管理人员禁止作业。结合隧道电子地图，实现调度指挥中心与管理人员、隧道内人员、车辆信息互动的可优先选择。

3.2.3 混凝土施工质量监控

地下工程涉及进水塔、隧洞衬砌、厂房岩锚梁及厂房建筑等混凝土结构，且多为高速过流结构，对混凝土质量要求非常高。采用移动互联、UWB、GNSS、数据集成等技术，对混凝土拌合生产、车辆运输、仓面盯仓、混凝土温控、缺陷管理等进行全方位的质量监控，实现混凝土施工全过程质量实时预警与可追溯。

3.2.4 数字化质量验评

大型地下工程质量易受不良地质、施工工艺等众多因素影响，传统质量管控方法往往存在抽样不及时、代表性不足等特点，质量控制风险较为突出。

搭建单元工程与验收资料的关联关系，实现质量表单、资料的分类汇总，从而实现工程施工过程质量验收过程档案库的建立。通过建立工程质量评定标准库，实现单元工程质量等级的自动评定，有效辅助质量验收评定过程，提高工作效率。系统采取工作流配置方式，实现表单审批流程管理，在流程流转过程中，除了对表单数据进行权限控制外，并在每一步审批节点，提供手写签名或自动拍照功能，以备事后检查，提高表单流程审批过程中的真实性。所有质量表单的打印输出，保持与原纸质表单一致。

3.2.5 预警决策中心

预警模型与预警信息管理功能，基于地下工程施工期安全与质量管控风险预警指标，对工程建设阶段的质量、安全、进度等数据集成、对比、分析、展示，自动识别风险、趋势并分级预警，形成自下而上的分级管控，实现实时监控、自动分析、自动预警、互动决策。

三维可视化综合集成与会商功能，支持对地下工程施工安全与质量实时监控系统中集成数据的提取、汇总、分析和展现，从不同用户群体的工作职责和需求出发，从数据查询、统计汇总、预警、决策分析的视角对业务数据进行整合和加工，可以实现各种灵活的查询、KPI展示、数据分类汇总，并能以多种形式来表现数据，如柱状图、曲线图、报表形式、格式化文件等，可以在三维可视化环境中直观地对工程的投资、进度、质量、安全等项目控制目标进行查询展示，可供管理人员进行决策分析。

4 工程应用

双江口水电站是大渡河上游控制性水库工程，其地下工程具有“三大一高”的特点，即隧洞规模大、埋深大、安全与质量控制风险大、地应力高。其中引水发电系统由进水口、压力管道、主厂房、副厂房、主变室、出线场、尾水调压室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物组成，泄洪系统包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、竖井泄洪洞和放空洞。地形地质条件复杂，地下厂房区围岩最大地应力达38 MPa，强度应力比小于4，岩爆问题较突出；泄洪建筑物布置具有窄河谷、高水头、大泄量的特点，施工极其困难。

双江口水电站施工过程中应用本文研究成果，监测到轻微以上岩爆120余次，有效预警较高风险岩爆5次；利用智能安全帽，提醒施工人员周边安全风险10余次；洞室围岩变形总体可控，监测到变形突变3次；隧洞作业区环境监测超标8次，并及时预警采取措施；施工质量验评效率比传统方式提升45%，有效的提高信息采集、审批、数据分析、预警等环节的效率，减少人力资源投入；混凝土工程中混凝土配合比符合率98.5%，混凝土振捣覆盖率96.8%。产生了良好的应用效果，取得了显著的经济效益。

5 结论与展望

大型地下工程施工管控系统的研究与成功应用有效提升了大型地下工程施工安全与质量管理的智能化水平，在复杂的施工环境和艰苦的施工条件下，及时预警了工程安全风险、显著提高了工程施工质量，研究成果对水电站大型地下工程的工管理智能化领域技术进步有显著促进作用，相关研究成果对城市地下空间开发、交通隧洞施工管理领域具有良好借鉴意义。