羅忠祥 阿迪力·如蘇力 奎永才 趙衛(wèi)華 王旭

（1.云南保瀘高速公路有限公司，云南 昆明 650041；2.同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系，上海 200092；3.云南交投公路建設(shè)第四工程有限公司，云南 昆明 650041）

一、隧道施工信息管理的研究現(xiàn)狀

隧道工程由于施工地質(zhì)條件的不確定性、復(fù)雜性較高，基礎(chǔ)信息缺失的隧道工程中，施工風(fēng)險(xiǎn)更大、更難管理。加強(qiáng)隧道施工管理的信息化，能夠提高隧道施工管理的力度和隧道施工管理的效率。

近些年來，國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)隧道工程設(shè)計(jì)和施工過程中的信息管理進(jìn)行了一系列研究。在監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)管理方面，蘭州交通大學(xué)張文等對(duì)隧道信息化監(jiān)控量測(cè)技術(shù)進(jìn)行了全面的概括，研發(fā)了隧道監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)分析與信息管理系統(tǒng)。成都理工大學(xué)姜錫痕、北京交通大學(xué)方昱等運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，建立隧道施工信息化管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)圍巖分級(jí)和監(jiān)控量測(cè)信息的綜合管理。長安大學(xué)甘培生等運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)的傳輸技術(shù)建立多平臺(tái)、多系統(tǒng)下的統(tǒng)一管理平臺(tái)分析數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)隧道施工人員定位、對(duì)有害氣體監(jiān)控、對(duì)隧道施工特殊點(diǎn)位結(jié)構(gòu)變形監(jiān)控。

隨著BIM在隧道工程中的應(yīng)用不斷深入，中鐵隧道股份有限公司王輝、上海大學(xué)悉尼工商學(xué)院喻鋼等研究盾構(gòu)隧道信息化建模方法，實(shí)現(xiàn)隧道施工全過程數(shù)字化安全管理和隧道施工數(shù)字化施工質(zhì)量管理。山東交通職業(yè)學(xué)院鄧小軍、遼寧省交通高等?？茖W(xué)校王亮、華東交通大學(xué)陳艷亭等研究隧道工程BIM模型的建模方法和應(yīng)用，將工程資料與模型關(guān)聯(lián)，在施工信息平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)集成化管理。在BIM隧道模型數(shù)據(jù)庫的建立方面，上海隧道工程有限公司魏林春等建立基于BIM的盾構(gòu)施工信息管理系統(tǒng)，提出了建立基于BIM的盾構(gòu)隧道施工信息基礎(chǔ)數(shù)據(jù)庫的思路與方法。招商局重慶交通科研設(shè)計(jì)院有限公司丁浩等將隧道施工全過程中的大量數(shù)據(jù)整合，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化、關(guān)聯(lián)和可視化展示，形成BIM模型數(shù)據(jù)庫。

綜上所述，現(xiàn)有的隧道信息化管理系統(tǒng)在以下幾個(gè)方面有待繼續(xù)完善：一是隧道工程的施工現(xiàn)場(chǎng)條件苛刻，對(duì)于現(xiàn)場(chǎng)圖片、視頻的上傳、現(xiàn)場(chǎng)信息（例如掌子面信息、結(jié)構(gòu)面信息、開挖與支護(hù)信息等）的管理不方便；二是這些系統(tǒng)基于桌面端來實(shí)現(xiàn)，對(duì)于施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境有一定的要求，不能保證隨時(shí)隨地查看；三是施工信息的聚合展示能力有待提高。

鑒于此，本文研究基于微信小程序的高速公路隧道施工信息管理系統(tǒng)，利用微信小程序方便數(shù)據(jù)查看、數(shù)據(jù)上傳等適用于條件苛刻施工現(xiàn)場(chǎng)的優(yōu)勢(shì)，將隧道施工全過程中形成的大量信息匯集整合，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，關(guān)聯(lián)與可視化展示。通過該系統(tǒng)提高對(duì)隧道全過程施工信息管理的科學(xué)性、高效性。

二、高速公路隧道施工信息管理系統(tǒng)開發(fā)

（一）系統(tǒng)總體框架

為實(shí)現(xiàn)高速公路隧道施工數(shù)據(jù)的信息化管理，本文基于微信小程序開發(fā)了高速公路隧道施工信息管理系統(tǒng)。系統(tǒng)以微信開發(fā)者工具為集成開發(fā)環(huán)境，以Java Script為主要開發(fā)語言，并選擇SQL Server為數(shù)據(jù)庫。

微信小程序運(yùn)行依賴于基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)系統(tǒng)與云服務(wù)器。基礎(chǔ)設(shè)施智慧服務(wù)系統(tǒng)為基礎(chǔ)設(shè)施全壽命期的數(shù)據(jù)采集、處理、表達(dá)、分析和服務(wù)的一體化決策系統(tǒng)。小程序通過HTTPS協(xié)議來向iS3服務(wù)器請(qǐng)求服務(wù)，如請(qǐng)求數(shù)據(jù)、上傳數(shù)據(jù)等，iS3平臺(tái)服務(wù)器向小程序打開業(yè)務(wù)邏輯，業(yè)務(wù)邏輯通過組件API訪問數(shù)據(jù)庫，從數(shù)據(jù)庫中獲取所需數(shù)據(jù)，反饋給小程序應(yīng)用或展示。云服務(wù)器主要負(fù)責(zé)存儲(chǔ)用戶信息，當(dāng)用戶通過微信登錄小程序時(shí)，通過openID和手機(jī)號(hào)碼核對(duì)用戶信息，通過不同用戶的權(quán)限進(jìn)入到程序數(shù)據(jù)查看或者數(shù)據(jù)錄入的頁面。系統(tǒng)總體框架如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體框架

基于微信小程序的高速公路隧道施工信息管理系統(tǒng)是為隧道施工提供信息管理和技術(shù)服務(wù)，管理范圍為云南保山至瀘水高速公路老營隧道工程的各標(biāo)段施工數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的功能主要包括施工數(shù)據(jù)錄入、施工數(shù)據(jù)查看、施工進(jìn)度圖、風(fēng)險(xiǎn)分析等，如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)功能

（二）微信小程序簡(jiǎn)介

微信小程序是一個(gè)基于微信平臺(tái)不需要下載安裝就能使用的應(yīng)用，這種技術(shù)的一大優(yōu)點(diǎn)就是它實(shí)現(xiàn)了應(yīng)用程序“拿來就用”的想法，用戶通過微信掃一掃或者搜索就能打開程序使用，不用擔(dān)心安裝過多應(yīng)用程序帶來的麻煩。微信小程序能夠完成信息的實(shí)時(shí)通知，信息的實(shí)時(shí)查看，線下掃碼，公眾號(hào)關(guān)聯(lián)等功能，方便用戶使用。對(duì)于開發(fā)者來說，微信小程序的開發(fā)門檻相對(duì)較低，難度小于手機(jī)App，而且能滿足用戶基本需求。基于這種技術(shù)的開發(fā)，在高速公路隧道施工信息管理系統(tǒng)并不多見。

（三）系統(tǒng)功能

1.施工數(shù)據(jù)錄入。在設(shè)計(jì)錄入的施工數(shù)據(jù)時(shí)，考慮到對(duì)施工單位普通技術(shù)人員來說，結(jié)構(gòu)面走向、間距、組數(shù)、粗糙度等專業(yè)性比較強(qiáng)的數(shù)據(jù)很難錄入。以錄入簡(jiǎn)單、客觀的數(shù)據(jù)，不要人工主觀判斷的（比如圍巖級(jí)別）、專業(yè)性強(qiáng)的數(shù)據(jù)（如結(jié)構(gòu)面的描述信息）為原則，手機(jī)上錄入界面簡(jiǎn)單，方便施工人員錄入。

2.施工數(shù)據(jù)查看。程序目錄分為三級(jí)目錄，采用樹狀結(jié)構(gòu)和線性結(jié)構(gòu)相結(jié)合的形式。樹狀結(jié)構(gòu)條理清晰，程序中首級(jí)目錄是施工進(jìn)度總覽，二級(jí)目錄為隧道各部分的施工進(jìn)度和簡(jiǎn)要的地質(zhì)信息，三級(jí)目錄為詳細(xì)施工數(shù)據(jù)。線性結(jié)構(gòu)是“一對(duì)一”的關(guān)系，使得目錄之間關(guān)系一目了然。每一級(jí)目錄圖形形式和表格形式可相互切換，用戶可以通過不同的表現(xiàn)形式查看數(shù)據(jù)。

3.施工進(jìn)度圖。數(shù)據(jù)表現(xiàn)形式設(shè)計(jì)合理，可使得用戶更直觀、更清楚地了解施工信息。對(duì)施工進(jìn)度可視化，用戶可以用不同的表現(xiàn)形式查看施工進(jìn)度，比如施工進(jìn)度總覽、施工進(jìn)度立體圖、剖面圖等。

4.風(fēng)險(xiǎn)分析。在風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警頁面可以查看對(duì)應(yīng)掌子面里程的突涌水風(fēng)險(xiǎn)、大變形風(fēng)險(xiǎn)、塌方風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值，以及每一種風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估指標(biāo)、指標(biāo)值、打分分?jǐn)?shù)、權(quán)重等詳細(xì)數(shù)據(jù)。

（四）數(shù)據(jù)管理

該系統(tǒng)通過iS3平臺(tái)服務(wù)器提供的API訪問數(shù)據(jù)庫，從中獲取原始數(shù)據(jù)，通過小程序邏輯層處理數(shù)據(jù)后供展示。系統(tǒng)支持第三方軟件設(shè)計(jì)創(chuàng)建的BIM模型，在微信小程序里嵌入H5頁面，調(diào)取iS3平臺(tái)提供的BIM模型。系統(tǒng)將BIM模型與初襯、錨桿、二襯、仰拱信息關(guān)聯(lián)起來，構(gòu)建隧道施工信息模型，查看構(gòu)件設(shè)計(jì)信息?，F(xiàn)場(chǎng)施工人員通過微信小程序數(shù)據(jù)錄入功能，將掌子面、初襯、二襯、仰拱、超前支護(hù)的施工進(jìn)度，不良地質(zhì)等數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)將錄入數(shù)據(jù)發(fā)送至數(shù)據(jù)中心，寫入數(shù)據(jù)庫加以存儲(chǔ)，供程序調(diào)用。個(gè)人施工數(shù)據(jù)錄入狀態(tài)和施工數(shù)據(jù)錄入信息儲(chǔ)存于施工日?qǐng)?bào)。

（五）數(shù)據(jù)可視化

系統(tǒng)使用老營隧道的真實(shí)地質(zhì)圖，對(duì)其處理，實(shí)現(xiàn)開挖面的位置隨著施工進(jìn)度數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)變化。詳細(xì)展示開挖面前后一段距離，用立體圖的形式展示掌子面開挖方式，顯示初襯、二襯、仰拱的施工進(jìn)度，前方地質(zhì)信息等。用剖面視圖展示初襯、二襯、仰拱之間位置關(guān)系和掌子面所處地層。掌子面、初襯、二襯、仰拱施工進(jìn)度參數(shù)與設(shè)計(jì)圖紙、BIM模型、現(xiàn)場(chǎng)視頻、現(xiàn)場(chǎng)照片等文件相關(guān)聯(lián)，實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息記錄的可視化查詢。通過BIM模型選定特定部位后，即可調(diào)出和這個(gè)部位相關(guān)聯(lián)的信息。在隧道工程施工中實(shí)時(shí)查看重要數(shù)據(jù)保證工程順利推進(jìn)。通過小程序不僅能查詢到施工進(jìn)度等信息，還可以查詢?cè)O(shè)計(jì)信息、設(shè)計(jì)地質(zhì)信息、TSP預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)信息、不良地質(zhì)信息等內(nèi)容。

（六）數(shù)據(jù)應(yīng)用

基于信息管理系統(tǒng)存儲(chǔ)的數(shù)據(jù)模型，系統(tǒng)提供了風(fēng)險(xiǎn)分析工具，實(shí)現(xiàn)大變形、突涌水、塌方風(fēng)險(xiǎn)分析，輔助施工決策，完成動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)分析，風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判、風(fēng)險(xiǎn)計(jì)算等功能。

二、工程應(yīng)用實(shí)例

（一）工程概況

保山至瀘水高速公路地處云南省西北部，路線起于保山市隆陽區(qū)老營，經(jīng)過隆陽區(qū)瓦房鄉(xiāng)、怒江州瀘水縣上江鄉(xiāng)，止于怒江州瀘水縣六庫鎮(zhèn)。地勢(shì)總體上呈“一起一落”，老營特長隧道垂直橫穿越怒山山脈，高差起伏大。路線穿越區(qū)出露從古生界至新生界諸多地層，地質(zhì)時(shí)代跨度較大，巖石種類多，巖相較為復(fù)雜，沉積巖、變質(zhì)巖、巖漿巖三大巖均有不同程度的出露。

保山至瀘水高速公路特長隧道是保瀘高速的控制性工程，為分離式特長超深埋隧道，最大埋深約為1270m，隧道起止里程為左幅zk1+520～zk12+980，全長11460m，右幅k1+435～k12+955，全長11520m，單洞合計(jì)22980m，如圖3所示。

（二）施工信息的錄入

老營隧道S2標(biāo)段隧道斷面zk6+137處，現(xiàn)場(chǎng)施工人員觀察其掌子面并拍照，分辨出掌子面所處的不良地質(zhì)環(huán)境，將掌子面、初襯、二襯、仰拱、超前支護(hù)的施工進(jìn)度錄入上傳，如圖4所示。

圖3 老營隧道地理位置

圖4 施工信息上報(bào)界面

（三）施工信息查看

1.施工進(jìn)度。業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位人員進(jìn)入查看施工數(shù)據(jù)頁面后，根據(jù)權(quán)限可查看S2、S3標(biāo)段的實(shí)際施工進(jìn)度、計(jì)劃施工進(jìn)度、施工已完成百分比、數(shù)據(jù)更新時(shí)間。實(shí)際施工進(jìn)度是指掌子面開挖里程，計(jì)劃施工進(jìn)度來源為施工設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)。有新數(shù)據(jù)更新時(shí)，在對(duì)應(yīng)標(biāo)段灰色區(qū)域會(huì)有紅點(diǎn)提示。如圖5所示，S1標(biāo)段與S4標(biāo)段已完成施工。業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位人員也可以通過動(dòng)態(tài)圖形的形式查看施工進(jìn)度，開挖面位置根據(jù)施工數(shù)據(jù)的更新實(shí)時(shí)變化，如圖6所示。業(yè)主單位、施工單位人員可根據(jù)實(shí)際施工進(jìn)度判斷施工速度是否合理，施工質(zhì)量是否能保證等。

圖5 各標(biāo)段施工進(jìn)度

圖6 施工進(jìn)度圖

圖7 S3標(biāo)段施工信息查看

圖8 立體圖和剖面圖方式查看施工信息

圖9 掌子面信息

2.每個(gè)標(biāo)段施工信息。業(yè)主單位、設(shè)計(jì)單位人員在S3標(biāo)段施工信息頁面中可查看掌子面、初襯、二襯、仰拱施工進(jìn)度，以及施工進(jìn)度百分比、掌子面位置地質(zhì)信息、掌子面位置風(fēng)險(xiǎn)值、動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估等信息，如圖7所示。業(yè)主單位通過該頁面來查看隧道各部分的實(shí)際施工進(jìn)度和計(jì)劃施工進(jìn)度，監(jiān)督現(xiàn)場(chǎng)施工是否按照計(jì)劃實(shí)施。設(shè)計(jì)單位、施工單位查看開挖面風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估值，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)值，調(diào)整施工方法和設(shè)計(jì)方案，也可通過動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估功能提前獲取未開挖段的風(fēng)險(xiǎn)值，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估包括突涌水風(fēng)險(xiǎn)、塌方風(fēng)險(xiǎn)、大變形風(fēng)險(xiǎn)。業(yè)主單位可以通過立體圖或者剖面圖查看施工信息，立體圖能更形象地表示開挖方式，前方地質(zhì)信息等，剖面圖能突出掌子面、初襯、二襯、仰拱之間的施工位置關(guān)系和圍巖等級(jí)等信息，如圖8所示。

3.掌子面詳細(xì)信息。業(yè)主單位可查看掌子面圖片或視頻、斷面設(shè)計(jì)圖、掌子面施工進(jìn)度、掌子面開挖方式、掌子面地質(zhì)信息、不良地質(zhì)等與掌子面關(guān)聯(lián)的信息聚合展示，如圖9所示。掌子面照片、視頻優(yōu)先從數(shù)據(jù)庫調(diào)取掌子面施工所在位置的照片和視頻，如果還沒有錄入所需位置掌子面的照片和視頻，會(huì)從數(shù)據(jù)庫中調(diào)取最近位置掌子面照片并注釋該照片的拍攝位置以供參考。

4.初襯、二襯、仰拱詳細(xì)信息。業(yè)主單位可查詢現(xiàn)場(chǎng)照片、設(shè)計(jì)圖紙、三維模型、施工進(jìn)度、設(shè)計(jì)信息、施工變更等。通過使用revit根據(jù)襯砌類型對(duì)建模，通過在微信小程序插入H5頁面展示BIM模型，如圖10所示。隧道設(shè)計(jì)信息與其模型關(guān)聯(lián)，展示隧道初襯、錨桿、二襯、仰拱的詳細(xì)信息，如圖11所示。

圖10 隧道BIM模型

圖11 隧道襯砌設(shè)計(jì)詳細(xì)信息

5.地質(zhì)信息。地質(zhì)信息頁面顯示掌子面里程處的地質(zhì)信息，包括TSP預(yù)報(bào)、地質(zhì)雷達(dá)、設(shè)計(jì)地質(zhì)信息、設(shè)計(jì)信息。設(shè)計(jì)地質(zhì)信息有設(shè)計(jì)區(qū)段、圍巖段長度、圍巖年代、地層年代、地質(zhì)構(gòu)造、巖性、水文地質(zhì)條件、風(fēng)化程度、圍巖穩(wěn)定性等；設(shè)計(jì)信息有設(shè)計(jì)區(qū)段、襯砌類型等。

6.風(fēng)險(xiǎn)分析。施工單位、設(shè)計(jì)單位可在風(fēng)險(xiǎn)分析頁面綜合管理其風(fēng)險(xiǎn)。通過目前隧道開挖位置及未開挖段的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判值，校核其方案，考慮需不需要調(diào)整。如圖12所示，提供了隧道開挖斷面處突涌水風(fēng)險(xiǎn)、大變形風(fēng)險(xiǎn)、塌方風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)值，以及每一種風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估指標(biāo)、指標(biāo)值、打分分?jǐn)?shù)、權(quán)重等詳細(xì)數(shù)據(jù)。

圖12 突涌水風(fēng)險(xiǎn)、大變形風(fēng)險(xiǎn)、塌方風(fēng)險(xiǎn)分析

三、結(jié)語

在隧道工程施工過程中，工程數(shù)據(jù)的聚合展示是有難度的。為加強(qiáng)項(xiàng)目參與各方（業(yè)主、設(shè)計(jì)、施工、檢測(cè)單位及運(yùn)營單位）之間的工程數(shù)據(jù)交流和溝通，推進(jìn)隧道工程數(shù)據(jù)的信息化管理意義重大。因此，本文從隧道工程施工信息化管理出發(fā)，主要完成的工作包括以下方面：一是將隧道施工全過程中形成的大量信息匯集整合，實(shí)現(xiàn)各類數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)化存儲(chǔ)，關(guān)聯(lián)與可視化展示；二是在程序中嵌入BIM模型，實(shí)現(xiàn)了隧道三維可視化預(yù)覽；三是基于老營隧道施工數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。