盾构施工风险监控系统的研发与应用
杨志勇，江玉生
（中国矿业大学（北京） 力学与建筑工程学院，北京 100083）
摘 要：以盾构施工过程中自动采集的施工参数数据为基础，研发了一套盾构施工风险监控系统，实现了对盾构施工参数的实时监控和预警，并能够对盾构施工参数信息进行全过程分析，对施工材料的消耗情况进行统计。该系统在北京地铁盾构隧道工程建设中得到了广泛的应用，实践表明其能够真实、有效地监控盾构施工情况，有效预测和规避风险事故的发生。
关键词：盾构施工；风险监控；监控系统
中图分类号： 文献标志码：B 文章编号：1009-7767（2012）06-0000-00
Research and Application of Risk Monitor System for Shield Tunnel Construction
Yang Zhiyong，Jiang Yusheng
盾构施工过程中盾构会自动采集并存储大量的施工参数数据信息[1]，充分利用这些数据信息来对盾构施工过程的风险进行控制是非常重要的，如何通过这些参数信息实时监控盾构施工，规避盾构施工过程中的风险也是各方建设管理人员的迫切需求[2-3]。盾构施工风险监控管理系统正是适应地铁建设大发展的形势和安全生产的迫切需要应运而生的。
1 数据传输
盾构自动采集的数据存储在工控机里，要想对各个盾构区间的盾构施工全过程进行远程实时监控，就必须将盾构采集的数据实时的传输到服务器上来。盾构在进行隧道施工时，现场所处的场地往往不能架设较好的网络设施，只能传输简单的数据信息[4]；而公司总部所处的地理位置和办公环境相对较好，公司配置的网络设施也较好。对施工管理人员、技术人员和安全风险管控人员而言，其办公地点不是固定的，可能在施工现场、公司，也有可能在外地。根据这种情况，首先将盾构施工过程中自动采集的数据实时的从盾构工控机传输至现场项目部电脑，然后通过互联网将数据实时的从现场电脑传输至公司服务器，用户通过访问公司服务器电脑即可实现对盾构施工数据实时的读取和分析[5]，盾构施工数据传输过程见图1。
1.1 隧道内外数据传输
盾构工控机与项目部地面监控电脑之间以光纤为传输介质来进行数据传输，相关传输软件安装在地面监控电脑上，盾构工控机上不安装任何软件，以保证盾构工控机上相关盾构控制系统不受干扰。
1.2 服务器数据传输
盾构施工数据从盾构工控机传输至地面电脑后，还需要将数据从地面电脑实时地传输至服务器。服务器数据传输软件分为数据发送软件和数据接收软件两部分，数据发送软件负责在地面电脑上将最新的数据实时地发送至服务器，数据接收软件负责在服务器上接收发过来的数据并存储。
2 系统基本结构与功能
2.1 系统基本结构
盾构施工风险监控管理系统由盾构区间风险管理、工程进度、刀盘、螺旋输送机、时间统计、材料消耗、单环分析和多环分析等8个界面组成。其中盾构区间风险管理、工程进度、刀盘和螺旋输送机属于显示界面，其主要功能是显示盾构施工过程中的各项参数、盾构施工进度以及施工进度与盾构区间重要风险工程的关系；时间统计、材料消耗、单环分析和多环分析属于数据分析界面，其主要功能是对盾构工作过程中的实时参数进行统计和分析并形成图形界面，以便于施工人员进行查看、分析和管理。系统基本结构见图2。
2.2 系统基本功能
盾构施工风险监控管理系统的基本功能有以下5个：
1）实时、形象地显示工程进度，清晰地显示盾构区间各级风险源的影响区域，实现风险预告、风险提醒，方便用户掌控施工区间整体风险分布状况，明确管控重点，工程进度界面见图3。
2）形象地显示盾构生产过程中的各项参数，对盾构施工过程进行远程实时监控，刀盘参数显示界面见图4。
3）对盾构生产过程中的全部数据进行各种条件下的查找、统计和分析并给出相应的可视化图形，数据分析界面见图5。
4）以时间段的形式对盾构生产过程中的材料消耗、功效、推进环数和里程等参数数据进行统计和查询，并以报表的形式输出，材料消耗统计界面见图6。
5）对主要盾构施工参数进行实时预警，并在数据分析时给出主要施工参数的控制范围供决策者参考。
3 工程应用实例
北京地铁某盾构区间隧道埋深15~18m，穿越地层主要为全断面卵石⑦层，局部夹杂中粗砂。2011年8月26日，安全风险监控人员在采用盾构施工风险监控系统对该区间盾构施工参数进行监控和分析时发现45~58环土压力控制较差(见图7～8)，盾构推进过程中土压有一些变化，停机过程中土压力基本都是0 MPa，说明土舱内土不满，盾构属于半舱推进，必然会发生塌陷事故。
安全风险监控人员于2011年8月26日早上8点对该区间发布地表塌陷预警，2011年8月27日12点58分地表上方发生塌方，塌方直径约4.5m，深5m，见图9。塌陷位置在55~58环，塌陷时盾构推进至60环，58环脱出盾尾。
4 结语
盾构施工风险监控系统实现了对盾构施工参数的实时监控和预警，形象、实时地显示盾构施工参数，提供可视化图形数据分析界面，并对盾构施工中耗材进行统计分析，既便于分析盾构施工的全过程及其可能出现的各种问题，也可以对盾构施工成本和质量进行控制，还能形象地显示工程进度和风险工程的影响区域，实现风险预告、风险提醒，方便用户掌控区间整体风险分布状况，明确管控重点。盾构施工风险监控管理系统在北京地铁盾构隧道工程建设中得到了广泛的应用，应用实践表明采用系统实时对盾构施工参数进行监控和预警，并对施工参数进行分析，能够有效、真实地反映盾构施工情况，有效预测及规避盾构施工过程中的风险。
盾构施工风险监控管理系统已经完善成为一套运行稳定、操作便捷、技术先进的管理系统，具有很大的市场前景，随着全国地铁建设的大发展，盾构施工风险监控管理系统将得到更大的应用与发展。
参考文献：
[1] 廖少明，侯学渊．盾构法隧道施工信息化控制[J]．同济大学学报，2002，30 (11)：1305-1310．
[2] 潜波，巫世晶，公志波，等．基于Web方式的TBM隧洞施工数据库系统[J]．建筑机械，2004(5)：76-78，82．
[3] 林志，胡向东．EPB 盾构信息化管理系统在广州地铁的应用[J]．地下空间与工程学报，2005，1(2): 268-272．
[4] 周文波，胡珉．盾构隧道信息化施工智能管理系统设计及应用[J]．岩石力学与工程学报，2004 (S2)：5122-5127．
[5] 汤漩，吴惠明，胡珉．盾构隧道施工风险知识管理系统的设计开发[J]．地下工程与隧道，2006(4)：20-24．
收稿日期：2012-10-17
基金项目：北京市科技计划项目 (D08050600390000)
作者简介：杨志勇，男，博士，主要从事盾构/TBM隧道技术研究。
注：本文刊载于《市政技术》2012年第6期，第17页至第19页。