帥志勇，張昆峰，張 恒

（1.中鐵十一局武漢重型裝備有限公司，湖北武漢 430301；2.中鐵十一局集團城市軌道工程有限公司，湖北武漢 430074；3.武漢輕工大學機械工程學院，湖北武漢 430048）

1 背景

盾構是集機械、電氣、液壓、控制、光學、網絡信息等技術于一體的高附加值復雜裝備。為了保證隧道施工過程中盾構設備安全、穩(wěn)定、可靠，需要經常對盾構機刀盤刀具的磨損情況、主軸承性能狀態(tài)等進行常規(guī)檢測保養(yǎng)，但當前的檢測手段需要在盾構機停機時進行[1-2]。在設備實施過程中反復進行停機維修監(jiān)測，不僅影響盾構機施工質量和進度，耗費大量人力和財力，而且存在工作強度大、監(jiān)測精度差等問題。

隨著信息化、網絡化的不斷發(fā)展，數字技術已成為改革傳統(tǒng)盾構模式的重要手段，高效的智慧盾構設施管理已成為盾構裝備發(fā)展中的熱點問題[3-5]。其中，以信息輸入、存儲、查詢、顯示和分析的地理信息系統(tǒng)構建，及以盾構工程項目為基礎的各類信息流的管理和傳輸，是影響智慧盾構關鍵功能分析的薄弱環(huán)節(jié)。對這類關鍵技術的發(fā)展，一方面可利用地理信息設計制造可靠的盾構施工裝備，總結出高效的盾構施工方案；另一方面，可利用統(tǒng)一的盾構信息模型對全壽命數據進行標準化管理，實現(xiàn)施工過程中工程材料、資源、供應鏈的可視化管理[6-7]。

在盾構施工過程中，大量過程數據被采集并存儲下來，包括油液、振動、整機性能的狀態(tài)實時監(jiān)測數據，以及通過信息化監(jiān)控方式存儲下來的各類檢測信息。如何利用海量的盾構大數據對盾構機開展剩余壽命評估，并據此提出盾構長壽命周期最優(yōu)解決方案指導盾構施工，是智慧盾構系統(tǒng)發(fā)展的關鍵內容[8-9]。

為全面了解隧道掘進過程中盾構機整體機況、人員與施工現(xiàn)場環(huán)境等關鍵信息，本文設計開發(fā)了一種盾構施工狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。該系統(tǒng)可隨時、隨地監(jiān)管盾構機刀盤、姿態(tài)等盾構參數。此外，可運用各種施工參數的數據關系，結合工程人員以往處理數據的習慣，用以提升工程管理人員的工作效率。

2 盾構施工的信息采集

2.1 盾構機組裝調試

盾構機系統(tǒng)包括主機、連接橋與后配套，主機包含刀盤、主驅動、殼體、螺旋機等；連接橋包含皮帶機進料口、牽引梁、管片運輸系統(tǒng)、聯(lián)絡走廊等；后配套包含皮帶機、輔助系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)等。其中，刀盤由刀具（滾刀、切刀、先行刀、魚尾刀、仿形刀等）和刀盤主體結構組成，刀盤主體配置有注入口、開口槽、周邊開口、耐磨板條和攪拌棒等特征結構。主軸承是連接盾構刀盤與動力系統(tǒng)的關鍵部件，承受盾構機運轉過程中的主要載荷。液壓系統(tǒng)作為盾構機的核心部件之一，是盾構機動力的主要來源。某一型號大直徑盾構機的結構組成如圖1 所示，其主機總長13.4 m，整機總長約128 m，重量2 700 t，裝備總功率約6 174 kW。

圖1 大直徑泥水平衡盾構機的結構組成

對盾構機電氣、液壓、各系統(tǒng)組成進行調試，組裝完成后進行空載運行，檢查各設備是否能正常運轉，如圖2 所示。空載測試完成后對盾構機進行整機聯(lián)動調試，測試盾構機系統(tǒng)的整機性能，驗證其是否滿足盾構施工各類工況需求。

圖2 盾構機的調試運行

2.2 盾構施工數據采集與傳輸

智慧盾構系統(tǒng)功能主要包括采集、監(jiān)控、評估與預報，實現(xiàn)對現(xiàn)場監(jiān)測數據、盾構機運行監(jiān)測數據的采集；實現(xiàn)對實時數據與量測數據的管控，對參建各方現(xiàn)場巡視情況、視頻信息的快速傳遞及人員考勤的協(xié)同監(jiān)控管理；實現(xiàn)對施工建設階段安全風險排查、評估、預報與報警信息的及時發(fā)布。

數據采集與傳輸如圖3 所示，主要采集門吊、電瓶車、盾構機及其他施工現(xiàn)場的實時監(jiān)測數據，系統(tǒng)要求能靈活配置采集源、采集預設模板，支持在線輕編輯、一鍵發(fā)送，以達到準確、同步遙控采集端配置數據的目的。此外，該系統(tǒng)的外部接口支持可編程邏輯控制器（PLC）、跨編程語言和操作系統(tǒng)平臺的遠程調用技術（Webservice）、數字波束形成或數字波束合成（DBF）、數據庫等多種數據源，可多種方法全量采集，實時接收智慧盾構監(jiān)控系統(tǒng)的配置，提升數據采集的時效性。

圖3 盾構施工的數據采集與傳輸圖

開展實時數據監(jiān)控、量測數據監(jiān)控、視頻監(jiān)控等，結合遠程PC 監(jiān)控、移動APP 掌控、大屏全景視圖于一體的多端監(jiān)控系統(tǒng)、數據同步互通，滿足多場景辦公、實現(xiàn)人與數據的雙重實時監(jiān)控。根據平面圖、剖面圖、地圖等多圖視角全面管控，展現(xiàn)施工路線，全方位定位施工進度。

通過制定合理的進度計劃、材料消耗計劃，有序安排施工進度、材料供給，有效管控工期風險、成本風險；支持多類型、多等級的風險預警設置、實現(xiàn)在系統(tǒng)通知、平面圖上的雙重推送，有效降低施工風險，保證安全貫通。支持材料消耗統(tǒng)計、時間統(tǒng)計、進度統(tǒng)計、匯總統(tǒng)計、時長統(tǒng)計、工作狀態(tài)統(tǒng)計，從海量的歷史數據中自動選擇、過濾、統(tǒng)計、分析。系統(tǒng)根據實時采集數據自動下發(fā)環(huán)報、日報，并同步推送到對應的企業(yè)微信群，實時了解環(huán)報、日報詳情。

3 智慧盾構系統(tǒng)方案設計

3.1 智慧盾構信息系統(tǒng)框架

在盾構隧道施工過程中，施工人員往往需要花費很多精力歸納數據、繪制圖表，以人工經驗的方式指導施工過程。這類傳統(tǒng)方法既增加了施工人員的勞動強度，又無法避免人為因素造成的不必要施工故障、甚至事故。開發(fā)一種智慧盾構信息系統(tǒng)，利用各種施工過程的數據結構關系，結合工程人員以往處理數據的習慣，設計一套切實可行的智慧化智能化盾構施工監(jiān)測系統(tǒng)，不僅可以隨時、隨地監(jiān)管刀盤、姿態(tài)等盾構參數，還可極大提升管理人員的工作效率。

智慧盾構隧道施工信息系統(tǒng)的體系結構圖如圖4 所示，智慧盾構功能包括盾構機數據采集、盾構機智能監(jiān)控、分布式集群服務和一站式用戶終端，具體包含采集、監(jiān)控、管理、分析四大核心功能，實現(xiàn)多端同步、智能監(jiān)控、協(xié)同管理、綜合分析、風險預警、決策輔助等功能，滿足技術管理人員和業(yè)主無需到施工現(xiàn)場即可通過該系統(tǒng)了解、掌握盾構的運行狀態(tài)。

圖4 盾構隧道施工信息系統(tǒng)的體系結構圖

3.2 盾構施工的大數據平臺架構設計

智慧盾構的總體框架如圖5 所示，系統(tǒng)平臺架構主要由盾構施工裝備數據采集、離/在線數據庫管理、功能與信息服務模塊、客戶端訪問4 個層次組成，各層次的主要內容如下所述。

（1）數據采集接口。施工裝備數據采集實現(xiàn)軟件平臺與自動化監(jiān)測設備的數據傳輸功能，采用數據加密傳輸、數據脫敏算法、數據權限與功能權限雙重控制，讓數據傳輸更安全可控，數據分區(qū)、并行裝載讓數據傳輸更高效快速。

（2）離/在線數據庫。離/在線數據庫管理以斷點續(xù)傳、海量緩存的方法，采用Sqlite 數據庫，離線數據實時緩存，超長緩存實時數據，為大數據分析提供準確可靠的分析數據源。

（3）功能與信息服務。功能與信息服務模塊包括公共事務管理、安全風險管理、遠程視頻監(jiān)控管理、現(xiàn)場門禁管理等模塊，涵蓋了隧道施工中信息服務的主要業(yè)務，以提高作業(yè)效率，節(jié)省施工時間。

（4）用戶訪問?？蛻舳嗽L問支持PC 應用和手機應用，PC 機直接通過通用瀏覽器即可訪問系統(tǒng)，完成各類操作；手機客戶端軟件支持三大主流手機操作系統(tǒng)。系統(tǒng)支持用戶在不同的工作地點下利用本平臺開展其職責權限內的監(jiān)控管理工作。

4 盾構施工信息可視化設計

中鐵十一局武漢重型裝備有限公司研發(fā)團隊設計開發(fā)了一種智慧盾構可視化工具，對盾構施工裝備狀態(tài)、盾構施工的進度和具體位置、環(huán)境情況等關鍵數據進行監(jiān)控。智慧盾構可視化界面（PC 端）如圖6 所示，各盾構機的裝備狀態(tài)監(jiān)控模塊將掘進速度、刀盤轉速、土壓、螺旋機扭矩、盾構姿態(tài)、停機時間、出土量、注漿量等重要參數匯總，監(jiān)控人員每日對盾構數據進行分析并形成工作日報，報送給地鐵公司各部門。

圖6 智慧盾構可視化界面

圖7 施工裝備的信息監(jiān)測示意圖

盾構可視化系統(tǒng)工具可實時監(jiān)控各項盾構施工參數，隨時查看歷史數據，并對各類監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析以建立預警臺賬。此外，可視化系統(tǒng)工具實現(xiàn)了地理信息在盾構中的多項應用，包括查看盾構施工進度、土層信息、具體位置、監(jiān)測數據、隧道主體結構平面圖和剖面圖、風險源信息等。監(jiān)控系統(tǒng)還可實時查看各攝像頭的分布情況，監(jiān)控施工現(xiàn)場的基本信息。

5 實例分析

智慧盾構系統(tǒng)是從盾構施工狀態(tài)實時數據采集、離/在線數據監(jiān)控、質量與安全風險管理的需求出發(fā)，按照多端同步、智能監(jiān)控、協(xié)同管理、綜合分析、風險預警、決策輔助等原則，實現(xiàn)了隧道工程建設質量與安全風險管控貫穿于工程建設的全過程。本文以廣州地鐵18 號線橫番區(qū)間為例，對智慧盾構系統(tǒng)在隧道施工中的應用情況進行探討。

橫番區(qū)間位于廣州市南沙區(qū)、番禺區(qū)，線路區(qū)間長1 862.456 m。區(qū)間盾構由南向北掘進，工程地質條件主要包括強風化泥質粉砂巖、中風化泥質粉砂巖、強風化中粗砂巖等組成。工程需要穿越沙灣水道，且穿越范圍位于二級水源保護區(qū)內，施工風險較高。

在盾構掘進施工中，盾構設備監(jiān)測系統(tǒng)是控制系統(tǒng)自帶的監(jiān)測裝置，設備結構和監(jiān)測系統(tǒng)簡單。其他監(jiān)測設備如盾構導向測量系統(tǒng)、電瓶車及門吊測量系統(tǒng)如圖 7 所示，監(jiān)控系統(tǒng)會實時對各類監(jiān)測數據進行統(tǒng)計分析，盾構的各項施工參數均能在監(jiān)控系統(tǒng)中實時掌握，歷史數據也能隨時調出查看。盾構施工的地理信息系統(tǒng)如圖8 所示，可以查看的隧道主體結構平面圖和剖面圖、巖土層信息、重特大風險源信息等。

圖8 盾構施工地理信息圖

盾構施工中的視頻監(jiān)控功能如圖9 所示，現(xiàn)場視頻直播采用螢石云Web 直播方式推送，可以自由切合圖像布局，遠程監(jiān)控盾構現(xiàn)場情況，直觀、動態(tài)、實時的掌握施工作業(yè)情況，及時制止違章作業(yè)和不規(guī)范施工并記錄違章事件，推送至中心服務器。按照“違章部位+違章照片+違章過程視頻+違章描述”的原則，供安全考核或發(fā)生事故后的追溯調用。

圖9 施工現(xiàn)場的監(jiān)控視頻

6 結論

以隧道掘進過程中的盾構設備、人員以及現(xiàn)場環(huán)境為監(jiān)測對象，基于智慧互聯(lián)技術開發(fā)了一套盾構施工狀態(tài)實時監(jiān)測系統(tǒng)。系統(tǒng)包含采集、監(jiān)控、管理、分析四大核心內容，綜合利用盾構施工實時數據、自動化監(jiān)測設備數據、現(xiàn)場環(huán)境量測數據和視頻監(jiān)控安全數據，構造一種多特征信息的盾構大數據分析框架，實現(xiàn)了多端同步、智能監(jiān)控、協(xié)同管理、綜合分析、風險預警、決策輔助等主要功能，以保證盾構設備施工過程中的安全、穩(wěn)定、可靠。其成果可推廣到市政工程、建筑工程等領域，具有廣闊的應用前景。