復雜地質環境下地鐵盾構施工智能監控技術應用

丁 飛 （中煤第三建設（集團）有限責任公司，安徽 合肥 230031）

1 概述

合肥地鐵5號線一期工程三孝口站～阜南路站～北一環盾構區間，由南向北沿蒙城路敷設，線路出安慶路后沿蒙城路中穿行，路過安徽省博物館后，線路以R-800曲線側穿蒙城路商住樓，過霍邱路后以R-600曲線向北下穿壽春路下立交橋，以直線接至阜南路站，再經過阜南路站穿越蒙城路橋后，至北一環路站到達終點，區間總長1456.998m，隧道為單線單洞，采用土壓平衡盾構機掘進，管片采用通用楔形環，兩區間分別在隧道中間位置各設置一座聯絡通道。

盾構主要穿越地層為中風化泥質砂巖（最大天然抗壓強度3.56MPa）、中風化泥質砂巖（最大天然抗壓強度52.3MPa），基巖裂隙發育，且上部承壓水相互連通，透水性強，具有一定承壓性。

根據工程水文地質、線路周邊環境情況及合肥軌道公司對盾構機設備管理規定，綜合考慮區間風險控制和重難點施工的需要，經研究決定：掘進設備采用T6280土壓平衡盾構機，最大總推力40000kN、額定扭矩6650kN·m，最大掘進速度100mm/min；刀具采用“滾刀+刮刀”配置類型，其中刮刀112把、滾刀33把。

盾構初期即出現“螺旋機噴涌、刀具嚴重磨損”等情況，每天施工僅為1～2環，嚴重制約了施工進度。為保證工程目標順利實現，項目在“優化施工工序、調整推進參數、調整渣土改良措施”的基礎上，同時采用了“地鐵盾構施工智能化監控系統”，該系統包括多個監控單元以及指揮系統、移動終端和車載終端。采用無線通信技術、視頻通信技術、交換技術等，實現信息資源共享，聯動指揮。盾構機在復雜地質環境下掘進時能獲得及時的信息化傳遞，當圍巖應力、土倉壓力、盾構扭矩、刀盤轉速、推進速度等參數發生異常時，可實現同步調整，面對日常突發事件，實現信息溝通，科學決策。

2 智能管理平臺系統構成

地鐵隧道盾構施工智能管理平臺系統構成，主要包含：全自動施工監測系統和測控信息綜合指揮系統該系統分為三個子系統。

第一級：信息數據采集子系統。即將隧道內各項盾構施工參數，如推進里程、密封艙壓力、圍巖應力、土倉壓力、盾構扭矩、刀盤轉速、推進速度等技術參數，通過埋設在盾構機及管環各部位的探地雷達等信息傳感設備實現前方圍巖情況及盾構設備的實時參數的快速化采集。

第二級：信息數據傳輸子系統?；跓o線局域網技術，通過有線傳輸和無線傳輸兩種方式聯合組成數據傳輸系統，將傳感設備采集到的信息數據傳輸到盾構機控制室，盾構司機可以根據信息掌握盾構姿態。同時，信息數據經盾構機控制室轉換后，再傳輸到地面指揮系統。

第三級：測控信息綜合指揮子系統。經隧道內盾構機控制室轉換傳輸的各項盾構施工參數最終匯集到地面監控中心的指揮系統平臺上，項目技術人員對參數進行分析與研究后作出調度指令，以指導隧道內施工。通過對盾構施工信息數據無線傳輸比較分析，確定最優傳輸方式，采用VPN網絡防火墻確保關鍵信息數據傳輸的安全保密。該系統使設備的監測更加便捷，同時又實現資源共享，保證了施工效率。

圖1 地鐵盾構施工智能化監控系統界面圖

系統平臺主要開發步驟及內容如下。

首先，根據盾構施工的實際工況，采用上、下位機類型的控制架構采集盾構機PLC(可編程邏輯控制器）中的數據，由隧道內控制臺的服務器作為上位機、盾構機內置的監控PLC作為下位機，通過計算機編程語言(Java）采集盾構機監控PLC中的數據，自動采集的數據存儲在工控機中，并通過有線+無線傳輸相結合的方式，將這些監測信息數據傳輸到地面指揮系統平臺上。為了保證對多臺盾構機的實時監控，需要對各類型盾構數據格式進行對比分析，確保各項信息數據的準確。

其次，通過不同的信息傳送方式，完成從隧道內盾構機控制臺到地面指揮中心系統，以及業主或其他監管部門之間的數據傳輸。先實現數據的同步傳輸，完成隧道內與地面的數據傳輸。地面監控室再通過數據傳輸程序，將數據通過網絡專線傳輸到指揮控制中心的服務器中，從而實現盾構信息的遠程傳輸。

系統的數據主要是由傳感器傳送到監控PLC的各種參數構成，由于數據要求實時性，必須與總部指揮系統的數據同步。又因為各盾構機型號的不同，獲取的施工信息方式和數據內容都不相同，所以最后確定一個數據表，將所獲得的參數規范化、統一化。

3 盾構施工智能化監控技術

3.1 盾構施工監控流程

本工程盾構區間多次穿越建（構）筑物、河流、橋梁等重大風險源，為了降低穿越風險，必須針對盾構施工進行全程監控。穿越時，主要對地面及建筑物沉降、位移進行監測，對隧道內圍巖應力、盾構姿態進行監測，根據監測數據不斷調整施工參數，從而確保施工安全可控，具體流程如圖2所示。

圖2 盾構施工監控流程圖

3.2 監控量測

3.2.1 監控內容及測點布置

根據盾構施工引起變形機理，主要開展如下監測內容。

①地表隆沉

縱向監測點沿隧道中心線布置，始發和接收段監測點間距為10m，其余地段監測點間距為20 m～30m；橫向監測斷面垂直于隧道軸線布置，監測斷面間距80 m～100m，主要影響區的監測點間距3 m～5m，次要影響區的監測點間距5 m～10m，每橫向斷面監測點數量為7個～11個。

②建（構）筑物、橋梁沉降/差異沉降

建筑物沿外墻每10m～15m處或每隔2～3根柱基上布設一組監測點，沉降縫、伸縮縫、新舊建筑物或高低建筑物接壤處的兩側各布設一組監測點，同時每一建筑物不得少于4個監測點。在橋梁每墩臺橫橋向各布設5個沉降及水平位移監測點，其中2個沉降及水平位移監測點位于隧道軸線正上方。

③隧道結構變形

隧道結構變形監測點按每5環一個斷面布設，每個斷面布設拱頂沉降、隧底隆起、凈空收斂共計3個點位，分別位于監測斷面的拱頂、拱底或兩側拱腰處。

3.2.2 監測頻率

為確保施工安全，監測點的布設意義在于全面且及時獲得各項施工信息，監測頻率必須滿足服務需求，監測工作根據現場工況以及監測內容的變化，將采取“定時+跟蹤”相結合的辦法進行。地表及建筑物沉降1次/1d，隧道拱頂沉降、隧道隆起、凈空收斂2次/1d，監測周期為盾構開始掘進前7天到隧道結構貫通后不少于6個月，直至監測點變形達到相對穩定為止。

3.2.3 監測報警值

地表沉降報警值為30mm，變化速率為4mm/d；建(構)筑物沉降報警值為15mm，變化速率為1mm/d；拱頂沉降報警值為10mm，變化速率為2mm/d；隧底隆起報警值為20mm，變化速率為2mm/d；凈空收斂報警值為12mm，變化速率為3mm/d；橋梁結構豎向沉降報警值為5mm，差異沉降量為2.1mm。盾構施工智能化監控系統以及時、全面掌握掌子面及周邊實時情況、盾構姿態為目的，達到及時監控，集中管理的目的，該系統采用技術路線如下：

圖3 盾構機操作系統界面圖

圖4 盾構導向系統操作界面圖

①隧道內部工作環境比較惡劣，所以系統運行穩定是首要考慮的，設備軟硬件應達到防爆、防潮標準，信號傳輸接收采用有線光纜+無線APP相結合模式，相互補充，確保系統運行穩定性；

②系統設計應當操作方便，便于維護，操作界面采用LED電子液晶顯示器配合觸摸屏設計，系統要采用模塊化設計，便于二次升級維護；

③系統需滿足一定兼容性和開放性，系統采用Windows10系統，數據庫采用MYSQL，并開放數據庫、開放外接端口，方便連接BIM系統、智慧工地等系統，增加系統的通用性；

④遠程數據傳遞采用高等級加密信號，如互聯網+VPN網絡防火墻模式，實現信息的及時有效傳輸，提高決策層效率。

3.3 監控視頻及門禁系統布設

在施工現場安裝視頻監控設施，建立完善的施工信息化管理平臺，與合肥地鐵總公司的監控中心通過專用網絡實現互聯互通，實時將站點的視頻，門禁考勤、辦公數據傳送到智慧中心。施工現場大門設置門禁系統，并接入IFA人臉識別系統，加強對出入施工現場人員及車輛的管理，如圖5所示。

圖5 現場監控系統、門禁系統示意圖

施工現場門禁系統用于進入施工作業區人員監控，能實時顯示出施工作業區的人員信息，隨時掌握進入施工區人員信息。門禁系統設在辦公、生活區和施工作業區之間，主要由三輥閘、門禁控制器、控制器電源及鐵箱、人員卡、讀卡器、門禁管理主機、門禁攝像機、LED屏幕、交換機等組成?，F場施工、監理人員利用門禁卡進出施工作業區，業主及外賓采用臨時卡進出。有效控制人員進出入，并記錄所有進出的詳細情況，實現出入口的安全管理。

4 結論

①地鐵盾構施工智能化監控系統具有自動實時采集盾構推進時的各類傳感數據，包含盾構土倉壓力、刀盤扭矩、推進速度、盾構姿態等，并完成數據遠程通信、數據處理、圖表顯示、信息存貯、報表打印、檢索等功能。該系統繼承并發展了當前盾構施工信息監測技術的最新成果，在PLC數據采集速度、可靠性、傳輸保密上有明顯提升。

②地鐵盾構施工智能化監控系統采用模塊化設計，集成了安全風險模塊、現場視頻、門禁系統、人員管理，并開放了外接端口，與BIM系統、生產調度系統、智慧工地系統等相互連接，增加了資源的有效協調，實現了對監測數據的管理與統計分析、重大風險源管理、安全預警管理，達到可視化的效果。

“地鐵盾構施工智能化監控系統”的開發與應用，高效實時監控盾構設備的掘進過程，特別采用無線局域網技術、視頻通信技術、交換技術等，實現信息資源共享，聯動指揮。盾構機在復雜地質環境下掘進時能獲得及時的信息化傳遞，當圍巖應力、土倉壓力、盾構扭矩、刀盤轉速、推進速度等參數發生異常時，可實現同步調整，面對日常突發事件，實現信息溝通，科學決策，經濟和社會效益明顯。