湯憲高，李 南，趙寶華

(1.中鐵隧道集團(tuán)有限公司，河南洛陽 471009;2.北京鐵路局地下直徑線指揮部，北京 100045;3.中鐵隧道集團(tuán)技術(shù)中心，河南洛陽 471009)

0 引言

北京鐵路樞紐北京站至北京西站地下直徑線工程是北京市重點(diǎn)工程，被稱為“北京市風(fēng)險(xiǎn)最大工程之一”。工程采用大直徑泥水盾構(gòu)施工，這在北京城區(qū)尚屬首次。由于盾構(gòu)在北京繁華城區(qū)砂卵石地層中長距離掘進(jìn)，周邊環(huán)境異常復(fù)雜。軌道交通工程施工環(huán)境有效監(jiān)控和信息快速反饋，是軌道交通工程信息化施工成敗的基礎(chǔ)和關(guān)鍵，當(dāng)前主要的問題在于:面對繁雜的監(jiān)測信息及眾多復(fù)雜的影響因素，軌道交通施工過程信息反饋以往只注重于施工監(jiān)測反饋，信息反饋單一，抽象且不能與現(xiàn)場施工緊密結(jié)合［1－8］，這樣的狀況是難以真正高效地為軌道交通工程信息化施工服務(wù)的。因此，開展以GIS為技術(shù)平臺(tái)，通過勘察、設(shè)計(jì)、施工、環(huán)境和監(jiān)測等多源信息的統(tǒng)一集成，建立一個(gè)既能夠直觀反映工程與周邊環(huán)境、地層之間相互關(guān)系，同時(shí)又集成大量施工安全信息的圖形平臺(tái)和信息可視化監(jiān)測系統(tǒng)，為北京鐵路地下直徑線工程和其他軌道交通工程施工安全提供高效快速的信息技術(shù)服務(wù)，具有重要的研究意義與工程實(shí)用價(jià)值。

1 工程概況

北京站至北京西站地下直徑線工程位于北京市中心區(qū)，隧道線路大致呈東西走向，隧道東起崇文門大街路口東側(cè)，在崇文門站—長椿街站間與既有環(huán)線地鐵大致平行，往西經(jīng)西便門橋、天寧寺橋、白云路橋北側(cè)，斜穿白云路橋下至小馬廠附近出地面。

本隧道盾構(gòu)區(qū)間全長5 175 m，采用1臺(tái)全新的直徑12.04m泥水平衡盾構(gòu)機(jī)。隧道線路平面示意圖見圖1。

盾構(gòu)隧道主要穿越砂礫(卵)石地層，粉砂、細(xì)砂、中－粗砂地層和粉土－黏土地層3種典型地層，一般粒徑為20～40 mm，大于20 mm的顆粒含量約占總質(zhì)量的65%。地下水為層間潛水，埋深為23.10～ 25.6 m［9－10］。

2 視頻化信息反饋集成系統(tǒng)架構(gòu)

北京地下直徑線信息化施工視頻反饋集成由監(jiān)測可視化預(yù)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、門禁系統(tǒng)、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制系統(tǒng)、施工監(jiān)測反饋系統(tǒng)5部分組成，系統(tǒng)組成及現(xiàn)場應(yīng)用見圖2和圖3。

圖1 隧道線路平面示意圖Fig.1 Plan of tunnel alignment

圖2 信息化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Structure of videolized information feedback system

圖3 信息化系統(tǒng)現(xiàn)場效果圖Fig.3 Effect of videolized information feedback system

3 視頻化信息反饋集成系統(tǒng)的創(chuàng)建與應(yīng)用

3.1 監(jiān)測可視化預(yù)警系統(tǒng)的創(chuàng)建與應(yīng)用

本系統(tǒng)平臺(tái)包括2大部分:一是基于GIS組件Supermap Objects的監(jiān)測信息可視化平臺(tái)系統(tǒng)，即施工監(jiān)測電子地圖;二是施工監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。

監(jiān)測信息可視化平臺(tái)系統(tǒng)創(chuàng)建包括施工監(jiān)測電子地圖的制作、施工監(jiān)測信息的創(chuàng)建維護(hù)、實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的計(jì)算功能、信息的查詢功能、預(yù)測預(yù)警功能等。

施工監(jiān)測數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)主要服務(wù)于日常監(jiān)測工作，具有獨(dú)立的監(jiān)測項(xiàng)目、測點(diǎn)、工程數(shù)據(jù)和環(huán)境數(shù)據(jù)庫創(chuàng)建和編輯功能，能夠完成日常數(shù)據(jù)的計(jì)算、存儲(chǔ)、查詢、統(tǒng)計(jì)、預(yù)測與預(yù)警功能，同時(shí)，提供日常監(jiān)測工作中所常用的數(shù)據(jù)圖形繪制和報(bào)表生成等工具。施工監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)圖見圖4。

圖4 施工監(jiān)測數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)的基本功能結(jié)構(gòu)Fig.4 Basic functions of management system of construction monitoring database

監(jiān)測可視化預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場圖見圖5。通過本系統(tǒng)可以直觀的看到隧道與周邊環(huán)境的位置關(guān)系、隧道周邊環(huán)境情況、隧道施工進(jìn)度、工程地質(zhì)、各種監(jiān)測項(xiàng)目測點(diǎn)布置及沉降值數(shù)值、沉降歷時(shí)曲線并設(shè)置有三級預(yù)警等功能。能直觀快速地反映施工對周邊環(huán)境的影響，實(shí)現(xiàn)科學(xué)、準(zhǔn)確、快速的信息反饋。

圖5 監(jiān)測可視化預(yù)警系統(tǒng)現(xiàn)場圖Fig.5 Pictures of videolized warning system

3.2 視頻監(jiān)控系統(tǒng)的創(chuàng)建與應(yīng)用

視頻監(jiān)控系統(tǒng)主要是對施工場地內(nèi)重要部位的事態(tài)、人流等動(dòng)態(tài)狀況進(jìn)行宏觀監(jiān)視、控制，以便對各種異常情況進(jìn)行實(shí)時(shí)取證、復(fù)核及校正，達(dá)到及時(shí)處理的目的。嵌入式監(jiān)控對現(xiàn)場設(shè)備進(jìn)行集中監(jiān)視、控制和管理，使這些設(shè)備得以安全、可靠、高效地運(yùn)行，最大限度地發(fā)揮智能管理的作用。監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)原理如圖6所示。

通過安裝在施工作業(yè)面等重要部位的各類攝像機(jī)監(jiān)控施工現(xiàn)場，能夠?qū)Χ軜?gòu)主控室、盾構(gòu)入倉、4號井底部、CRD二次襯砌施工等關(guān)鍵施工部位、工序及重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行24 h監(jiān)控，實(shí)時(shí)掌握各監(jiān)控部位現(xiàn)場施工、人員狀態(tài)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)、糾正及制止現(xiàn)場不符合標(biāo)準(zhǔn)的行為;同時(shí)做到及時(shí)準(zhǔn)確的規(guī)劃統(tǒng)籌人員、物資的調(diào)配，最大限度地提高生產(chǎn)效率，通過錄像回放功能，能夠做到各種施工過程有據(jù)可查。視頻監(jiān)控系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用圖見圖7。

3.3 門禁系統(tǒng)的創(chuàng)建與應(yīng)用

3.3.1 門禁系統(tǒng)組建

門禁系統(tǒng)主要由門禁控制主機(jī)、中心管理主機(jī)、視頻采集系統(tǒng)、顯示終端以及附件5部分組成。數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)為基于RFID感應(yīng)卡技術(shù)，全球唯一卡號，不易仿制，安全性高。

3.3.2 門禁系統(tǒng)應(yīng)用

門禁系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)顯示記錄隧道內(nèi)管理人員、監(jiān)理人員、施工人員以及來賓數(shù)量、出入隧道區(qū)域、出入時(shí)間等信息;同時(shí)通過安裝在洞口的攝像頭可以顯示人員出入隧道的影像資料，及時(shí)糾正不符合規(guī)定的行為。門禁系統(tǒng)現(xiàn)場應(yīng)用圖見圖8。門禁系統(tǒng)的應(yīng)用有效解決了施工現(xiàn)場的人員管理問題，有助于內(nèi)部的有序化管理。

3.4 盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制系統(tǒng)的創(chuàng)建與應(yīng)用

3.4.1 系統(tǒng)組建

掘進(jìn)參數(shù)控制系統(tǒng)主要是指將盾構(gòu)主控室的控制面板通過光纖和網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)奖O(jiān)控調(diào)度指揮中心及項(xiàng)目內(nèi)部網(wǎng)絡(luò)的控制系統(tǒng)。

3.4.2 系統(tǒng)功能與應(yīng)用

通過盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制系統(tǒng)，地面人員能隨時(shí)掌握盾構(gòu)實(shí)時(shí)操作情況，如泥水壓力、扭矩、盾構(gòu)推力、掘進(jìn)速度、油缸行程等主要參數(shù)，發(fā)生異常時(shí)能夠及時(shí)對盾構(gòu)主控室操作發(fā)出指令，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)主控室和調(diào)度控制中心的聯(lián)動(dòng)，確保盾構(gòu)的安全掘進(jìn)。掘進(jìn)參數(shù)控制現(xiàn)場應(yīng)用見圖9。

3.5 施工監(jiān)測反饋系統(tǒng)創(chuàng)建及應(yīng)用

3.5.1 施工監(jiān)測系統(tǒng)的創(chuàng)建

施工監(jiān)測系統(tǒng)主要包括現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集、監(jiān)測信息反饋2方面。

現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集中常規(guī)監(jiān)測項(xiàng)目采用人工進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對于重點(diǎn)建筑物采用“靜力水準(zhǔn)－電子水平梁”遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測。遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)見圖10。

圖10 遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)構(gòu)成圖Fig.10 Structure of remote automatic monitoring system

監(jiān)測信息分析反饋是將現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、總結(jié)，通過監(jiān)測日報(bào)、周報(bào)、月報(bào)等形式及時(shí)準(zhǔn)確地反饋給相關(guān)部門，指導(dǎo)施工。

3.5.2 施工監(jiān)測系統(tǒng)的應(yīng)用

通過施工監(jiān)測系統(tǒng)總結(jié)了不同地層沉降、沉降發(fā)展過程規(guī)律、施工橫向影響范圍、建筑物沉降規(guī)律以及泥水壓力、注漿壓力、注漿量等掘進(jìn)參數(shù)與地層沉降之間的對應(yīng)關(guān)系，通過優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)有效地控制了地表和周邊環(huán)境的變化，順利通過各種風(fēng)險(xiǎn)源。

4 系統(tǒng)應(yīng)用效果和評價(jià)

1)常規(guī)監(jiān)測系統(tǒng)與盾構(gòu)參數(shù)控制系統(tǒng)的結(jié)合建立了掘進(jìn)參數(shù)與沉降的控制關(guān)系，通過掘進(jìn)參數(shù)設(shè)定較好地控制掘進(jìn)對周邊環(huán)境的影響范圍和程度。圖11反映了泥水壓力與地表前期沉降、累計(jì)沉降的關(guān)系。通過對泥水壓力合理的調(diào)整，對前期沉降的控制效果顯著。

圖11 隧道軸線地表累計(jì)隆沉、前期隆沉與泥水壓力關(guān)系曲線圖Fig.11 Curves of relationship among accumulated ground surface heave/settlement and primary heave/settlement along tunnel axis and slurry pressure

2)施工監(jiān)測反饋系統(tǒng)與監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的集成，達(dá)到了隧道施工對周邊環(huán)境影響的實(shí)時(shí)顯示，三級預(yù)警的功能，順利通過了護(hù)城河、天寧寺橋、西便門橋、西便門東、西里建筑群等風(fēng)險(xiǎn)源，確保周邊環(huán)境安全。

3)視頻監(jiān)控系統(tǒng)與門禁系統(tǒng)的有效結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目對施工現(xiàn)場的施工質(zhì)量、施工安全管理有效控制。

4)項(xiàng)目首次實(shí)現(xiàn)了監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)控制系統(tǒng)、監(jiān)測反饋系統(tǒng)的有機(jī)集成、應(yīng)用。形成了全方位、立體化、實(shí)時(shí)性的施工信息反饋集成系統(tǒng)，為項(xiàng)目安全施工、質(zhì)量控制提供了及時(shí)有效的信息，科學(xué)系統(tǒng)地落實(shí)信息化標(biāo)準(zhǔn)化管理。

5 結(jié)論

北京直徑線工程通過將多種信息反饋系統(tǒng)有機(jī)集成、應(yīng)用，達(dá)到了實(shí)時(shí)、形象、準(zhǔn)確、與施工現(xiàn)場結(jié)合緊密的信息反饋效果，很好地指導(dǎo)了施工，確保了工程施工安全。視頻化信息反饋系統(tǒng)仍然有造價(jià)高、數(shù)據(jù)更新繁瑣等缺點(diǎn)，將在今后的工作中不斷改善和提高。

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