复杂地质环境下地铁盾构施工智能监控技术应用

复杂地质环境下地铁盾构施工智能监控技术应用

徐小鑫

深圳地铁运营集团有限公司 广东深圳518000

摘要：某地铁5号线一期工程区间总长1456.998m，隧道为单线单洞，采用土压平衡盾构机掘进，管片采用通用楔形环，两区间分别在隧道中间位置各设置一座联络通道。盾构初期即出现“螺旋机喷涌、刀具严重磨损”等情况，每天施工仅为1～2环，严重制约了施工进度。为保证工程目标顺利实现，项目在“优化施工工序、调整推进参数、调整渣土改良措施”的基础上，同时采用了“地铁盾构施工智能化监控系统”，实现同步调整，面对日常突发事件，实现信息沟通，科学决策。

关键词：复杂地质环境；地铁盾构施工；智能监控技术；应用

1智能管理平台系统构成

地铁隧道盾构施工智能管理平台系统构成，主要包含：全自动施工监测系统和测控信息综合指挥系统该系统分为三个子系统。第一级：信息数据采集子系统。即将隧道内各项盾构施工参数，如推进里程、密封舱压力、围岩应力、土仓压力、盾构扭矩、刀盘转速、推进速度等技术参数，通过埋设在盾构机及管环各部位的探地雷达等信息传感设备实现前方围岩情况及盾构设备的实时参数的快速化采集。第二级：信息数据传输子系统。基于无线局域网技术，通过有线传输和无线传输两种方式联合组成数据传输系统，将传感设备采集到的信息数据传输到盾构机控制室，盾构司机可以根据信息掌握盾构姿态。同时，信息数据经盾构机控制室转换后，再传输到地面指挥系统。第三级：测控信息综合指挥子系统。经隧道内盾构机控制室转换传输的各项盾构施工参数最终汇集到地面监控中心的指挥系统平台上，项目技术人员对参数进行分析与研究后作出调度指令，以指导隧道内施工。通过对盾构施工信息数据无线传输比较分析，确定最优传输方式，采用VPN网络防火墙确保关键信息数据传输的安全保密。该系统使设备的监测更加便捷，同时又实现资源共享，保证了施工效率。

2系统平台主要开发步骤

首先，根据盾构施工的实际工况，采用上、下位机类型的控制架构采集盾构机PLC（可编程逻辑控制器）中的数据，由隧道内控制台的服务器作为上位机、盾构机内置的监控PLC作为下位机，通过计算机编程语言（Java）采集盾构机监控PLC中的数据，自动采集的数据存储在工控机中，并通过有线+无线传输相结合的方式，将这些监测信息数据传输到地面指挥系统平台上。为了保证对多台盾构机的实时监控，需要对各类型盾构数据格式进行对比分析，确保各项信息数据的准确。其次，通过不同的信息传送方式，完成从隧道内盾构机控制台到地面指挥中心系统，以及业主或其他监管部门之间的数据传输。先实现数据的同步传输，完成隧道内与地面的数据传输。地面监控室再通过数据传输程序，将数据通过网络专线传输到指挥控制中心的服务器中，从而实现盾构信息的远程传输。系统的数据主要是由传感器传送到监控PLC的各种参数构成，由于数据要求实时性，必须与总部指挥系统的数据同步。又因为各盾构机型号的不同，获取的施工信息方式和数据内容都不相同，所以最后确定一个数据表，将所获得的参数规范化、统一化。

3盾构施工智能化监控技术

3.1盾构施工监控流程

本工程盾构区间多次穿越建（构）筑物、河流、桥梁等重大风险源，为了降低穿越风险，必须针对盾构施工进行全程监控。穿越时，主要对地面及建筑物沉降、位移进行监测，对隧道内围岩应力、盾构姿态进行监测，根据监测数据不断调整施工参数，从而确保施工安全可控。

3.2监控量测

3.2.1监控内容及测点布置

根据盾构施工引起变形机理，主要开展如下监测内容。①地表隆沉。纵向监测点沿隧道中心线布置，始发和接收段监测点间距为10m，其余地段监测点间距为20m～30m；横向监测断面垂直于隧道轴线布置，监测断面间距80m～100m，主要影响区的监测点间距3m～5m，次要影响区的监测点间距5m～10m，每横向断面监测点数量为7个～11个。②建（构）筑物、桥梁沉降/差异沉降。建筑物沿外墙每10m～15m处或每隔2～3根柱基上布设一组监测点，沉降缝、伸缩缝、新旧建筑物或高低建筑物接壤处的两侧各布设一组监测点，同时每一建筑物不得少于4个监测点。在桥梁每墩台横桥向各布设5个沉降及水平位移监测点，其中2个沉降及水平位移监测点位于隧道轴线正上方。③隧道结构变形。隧道结构变形监测点按每5环一个断面布设，每个断面布设拱顶沉降、隧底隆起、净空收敛共计3个点位，分别位于监测断面的拱顶、拱底或两侧拱腰处。

3.2.2监测频率

为确保施工安全，监测点的布设意义在于全面且及时获得各项施工信息，监测频率必须满足服务需求，监测工作根据现场工况以及监测内容的变化，将采取“定时+跟踪”相结合的办法进行。地表及建筑物沉降1次/1d，隧道拱顶沉降、隧道隆起、净空收敛2次/1d，监测周期为盾构开始掘进前7天到隧道结构贯通后不少于6个月，直至监测点变形达到相对稳定为止。

3.2.3监测报警值

地表沉降报警值为30mm，变化速率为4mm/d；建（构）筑物沉降报警值为15mm，变化速率为1mm/d；拱顶沉降报警值为10mm，变化速率为2mm/d；隧底隆起报警值为20mm，变化速率为2mm/d；净空收敛报警值为12mm，变化速率为3mm/d；桥梁结构竖向沉降报警值为5mm，差异沉降量为2.1mm。盾构施工智能化监控系统以及时、全面掌握掌子面及周边实时情况、盾构姿态为目的，达到及时监控，集中管理的目的。①隧道内部工作环境比较恶劣，所以系统运行稳定是首要考虑的，设备软硬件应达到防爆、防潮标准，信号传输接收采用有线光缆+无线APP相结合模式，相互补充，确保系统运行稳定性；②系统设计应当操作方便，便于维护，操作界面采用LED电子液晶显示器配合触摸屏设计，系统要采用模块化设计，便于二次升级维护；③系统需满足一定兼容性和开放性，系统采用Windows10系统，数据库采用MYSQL，并开放数据库、开放外接端口，方便连接BIM系统、智慧工地等系统，增加系统的通用性；④远程数据传递采用高等级加密信号，如互联网+VPN网络防火墙模式，实现信息的及时有效传输，提高决策层效率。

3.3监控视频及门禁系统布设

在施工现场安装视频监控设施，建立完善的施工信息化管理平台，与合肥地铁总公司的监控中心通过专用网络实现互联互通，实时将站点的视频，门禁考勤、办公数据传送到智慧中心。施工现场大门设置门禁系统，并接入IFA人脸识别系统，加强对出入施工现场人员及车辆的管理。施工现场门禁系统用于进入施工作业区人员监控，能实时显示出施工作业区的人员信息，随时掌握进入施工区人员信息。门禁系统设在办公、生活区和施工作业区之间，主要由三辊闸、门禁控制器、控制器电源及铁箱、人员卡、读卡器、门禁管理主机、门禁摄像机、LED屏幕、交换机等组成。现场施工、监理人员利用门禁卡进出施工作业区，业主及外宾采用临时卡进出。有效控制人员进出入，并记录所有进出的详细情况，实现出入口的安全管理。

4结语

①地铁盾构施工智能化监控系统具有自动实时采集盾构推进时的各类传感数据，包含盾构土仓压力、刀盘扭矩、推进速度、盾构姿态等，并完成数据远程通信、数据处理、图表显示、信息存贮、报表打印、检索等功能。该系统继承并发展了当前盾构施工信息监测技术的最新成果，在PLC数据采集速度、可靠性、传输保密上有明显提升。②地铁盾构施工智能化监控系统采用模块化设计，集成了安全风险模块、现场视频、门禁系统、人员管理，并开放了外接端口，与BIM系统、生产调度系统、智慧工地系统等相互连接，增加了资源的有效协调，实现了对监测数据的管理与统计分析、重大风险源管理、安全预警管理，达到可视化的效果。

参考文献

[1]常庆海，赵萌萌.安全风险监控系统在石家庄地铁建设中的应用[J].价值工程，2019，38（28）：269-270.

[2]黄钟晖，复杂环境下地铁盾构施工智能监控技术研究.广西壮族自治区，南宁轨道交通集团有限责任公司，2019-04-12.