張 靜 施燁輝 盧 浩 黃 牧 王 寧

隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)研究

張 靜 施燁輝 盧 浩 黃 牧 王 寧

摘 要：為了有效管理和控制盾構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)的風(fēng)險(xiǎn)，應(yīng)用計(jì)算機(jī)技術(shù)和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開(kāi)發(fā)了隧道盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)，系統(tǒng)包括盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)、三維地質(zhì)信息子系統(tǒng)、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估子系統(tǒng)。該系統(tǒng)可實(shí)時(shí)查看盾構(gòu)施工信息和地質(zhì)數(shù)據(jù)，對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中出現(xiàn)的各種風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)分析，對(duì)隧道盾構(gòu)施工作出工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理。

關(guān)鍵詞：隧道；盾構(gòu)；施工風(fēng)險(xiǎn)；信息系統(tǒng)

張 靜：南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司，高級(jí)工程師，江蘇南京 210017

0　引言

隧道場(chǎng)地水文地質(zhì)條件復(fù)雜，工程規(guī)模大，使得盾構(gòu)施工存在大量風(fēng)險(xiǎn)，若處置不當(dāng)，將產(chǎn)生災(zāi)難性的后果。因此，有必要在隧道盾構(gòu)施工中全面考慮其施工風(fēng)險(xiǎn)狀況，采用科學(xué)先進(jìn)的技術(shù)控制手段來(lái)進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理，減小工程事故災(zāi)害發(fā)生率，有效地管理和控制盾構(gòu)施工質(zhì)量和進(jìn)度，保障隧道順利建成。由于隧道的建設(shè)和施工管理難度高，研發(fā)盾構(gòu)信息、地質(zhì)信息和風(fēng)險(xiǎn)信息三位一體化盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)具有重要意義。

1　盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)與評(píng)估

1.1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

施工風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)是指根據(jù)工程條件、施工方法等因素，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估和整理，確定施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，提出施工風(fēng)險(xiǎn)控制措施建議，并對(duì)重大施工風(fēng)險(xiǎn)提出規(guī)避措施和事故預(yù)案。在盾構(gòu)施工階段，施工風(fēng)險(xiǎn)包括工程自身安全風(fēng)險(xiǎn)和環(huán)境安全風(fēng)險(xiǎn)。

盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)主要按照盾構(gòu)始發(fā)、掘進(jìn)、到達(dá)3個(gè)階段來(lái)描述：①盾構(gòu)始發(fā)階段風(fēng)險(xiǎn)主要有盾構(gòu)出洞偏離軸線大、基座變形損壞、后靠變形損壞、洞口水土大量流失、洞門(mén)破除時(shí)掌子面坍塌、泥水平衡建立困難等；②盾構(gòu)掘進(jìn)階段主要風(fēng)險(xiǎn)有工作面失穩(wěn)、刀盤(pán)刀具磨損、大軸承斷裂、主軸承密封件防水失效、千斤頂推進(jìn)系統(tǒng)事故、盾構(gòu)掘進(jìn)偏離軸線過(guò)大、盾構(gòu)吸泥倉(cāng)吸泥口堵塞、盾尾密封失效、管片接頭漏水漏漿、管片損壞或拼裝不準(zhǔn)、管片上浮過(guò)大、注漿管堵塞、注漿效果差、盾構(gòu)下穿既有建構(gòu)筑物等；③盾構(gòu)到達(dá)階段主要風(fēng)險(xiǎn)有盾構(gòu)到達(dá)偏離軸線過(guò)大、洞口水土大量流失、洞門(mén)破除時(shí)掌子面坍塌等。

1.2風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

目前，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估有很多方法，可分為定性分析方法、定量分析方法和綜合分析方法，但都還存在計(jì)算復(fù)雜、受主觀因素影響較大、部分變量無(wú)法準(zhǔn)確確定等缺點(diǎn)。盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)采用改進(jìn)的肯特指數(shù)法作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，以規(guī)范及相關(guān)理論為評(píng)估依據(jù)，從基本指數(shù)、選型設(shè)計(jì)指數(shù)、施工指數(shù)、后果指數(shù)等4方面進(jìn)行量化分析，風(fēng)險(xiǎn)值R計(jì)算如下：

式（1）中，f為概率指數(shù)；B為基本指數(shù)；D為設(shè)計(jì)指數(shù)；C為施工指數(shù)；c為后果指數(shù)。

2　盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)組成

盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)主要由盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)、三維地質(zhì)信息子系統(tǒng)和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估子系統(tǒng)組成。

2.1盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)

2.1.1系統(tǒng)組成

盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)是對(duì)盾構(gòu)施工過(guò)程中施工信息進(jìn)行監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工全生命周期數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控、動(dòng)態(tài)管理、匯總與決策，為管理、咨詢和決策者提供及時(shí)、準(zhǔn)確的盾構(gòu)施工情況遠(yuǎn)程管理平臺(tái)，其系統(tǒng)組成見(jiàn)圖1。

為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的上述功能要求，根據(jù)工程施工的實(shí)際情況，確定本系統(tǒng)的技術(shù)路線：系統(tǒng)通過(guò)地面機(jī)與隧道內(nèi)工控機(jī)進(jìn)行通信，地面機(jī)獲取數(shù)據(jù)后，通過(guò)Internet互聯(lián)網(wǎng)傳輸給光纖接入的數(shù)據(jù)服務(wù)器，然后搭建Web服務(wù)器從數(shù)據(jù)服務(wù)器中每隔若干秒獲取1次數(shù)據(jù)并及時(shí)提供Web服務(wù)給獲得權(quán)限的相關(guān)用戶。

鑒于數(shù)據(jù)獲取和傳輸不能對(duì)盾構(gòu)施工有任何影響，本系統(tǒng)采用盾構(gòu)施工工控機(jī)數(shù)據(jù)共享模式進(jìn)行施工數(shù)據(jù)的獲取，每隔若干秒讀取1次，并保證施工控制程序讀寫(xiě)數(shù)據(jù)優(yōu)先。為保證越江隧道長(zhǎng)距離數(shù)據(jù)傳輸穩(wěn)定高效，采用光纖傳輸方式。

2.1.2盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和顯示

盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)量大，數(shù)據(jù)名稱類別多，因此，對(duì)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方式有一定的要求。不同盾構(gòu)機(jī)，數(shù)據(jù)格式也不盡相同，為統(tǒng)一數(shù)據(jù)格式和提高系統(tǒng)讀取、存儲(chǔ)效率，本系統(tǒng)將數(shù)據(jù)按照字段位置用二進(jìn)制方式存儲(chǔ)，并以XML文件保存數(shù)據(jù)字段和存儲(chǔ)位置，數(shù)據(jù)占用空間較小，便于傳輸和讀取（圖2）。

盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)顯示分為實(shí)時(shí)顯示和歷史查詢2部分，實(shí)時(shí)顯示是將數(shù)據(jù)在直觀的盾構(gòu)施工界面上實(shí)時(shí)顯示出來(lái)（圖3）。

歷史數(shù)據(jù)查詢主要包括單環(huán)分析和多環(huán)分析。若盾構(gòu)某環(huán)施工已經(jīng)完成，則提供該環(huán)各項(xiàng)施工參數(shù)歷史數(shù)據(jù)，并繪制相關(guān)曲線圖。若要查詢已完成的多環(huán)歷史數(shù)據(jù)則只需輸入指定起始環(huán)、指定結(jié)束環(huán)并選擇所需參數(shù)來(lái)請(qǐng)求獲得該參數(shù)的完整值、掘進(jìn)值、最大值、最小值、平均值、初始值和結(jié)束值的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)繪出相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)變化曲線圖或柱狀圖（圖4、圖5）。

圖1　盾構(gòu)實(shí)時(shí)監(jiān)控子系統(tǒng)組成

圖2　數(shù)據(jù)傳輸和存儲(chǔ)模塊界面

圖3　盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示界面

圖4　盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)單環(huán)查詢界面

2.1.3盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)量大，為了快速挖掘數(shù)據(jù)信息，需根據(jù)已獲取的盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。對(duì)于單環(huán)數(shù)據(jù)查詢，可以完整看到所選參數(shù)隨施工時(shí)間變化的數(shù)值，結(jié)合相關(guān)專業(yè)知識(shí)和地層參數(shù)，則可以判斷分析施工參數(shù)的合理性，并將結(jié)果反饋與下一環(huán)的施工；對(duì)于多環(huán)分析，主要統(tǒng)計(jì)每環(huán)施工過(guò)程中所選參數(shù)的最大值、最小值、初始值、平均值、結(jié)束值等，并將查詢的各環(huán)數(shù)據(jù)用柱狀圖顯示出來(lái)，這樣經(jīng)過(guò)對(duì)比，即可發(fā)現(xiàn)各環(huán)數(shù)據(jù)的差異性；對(duì)時(shí)間和材料消耗進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，可以迅速知道每環(huán)施工的掘進(jìn)、裝配、暫停等時(shí)間和各環(huán)消耗的材料數(shù)量，通過(guò)這些數(shù)據(jù)可對(duì)工程施工質(zhì)量進(jìn)行相應(yīng)的評(píng)價(jià)。盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析流程圖見(jiàn)圖6。

2.2三維地質(zhì)信息子系統(tǒng)

三維地質(zhì)信息子系統(tǒng)主要用于描述工程位置及環(huán)境、地質(zhì)和水文信息，系統(tǒng)框架如圖7，其主要功能如下。

（1）空間數(shù)據(jù)管理。包括鉆孔數(shù)據(jù)的存取、地質(zhì)模型數(shù)據(jù)庫(kù)的生成、存取和管理等功能。

圖5　盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)多環(huán)查詢界面

圖6　盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)分析流程

圖7　三維地質(zhì)信息系統(tǒng)框架

圖8　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估子系統(tǒng)組成

（2）三維地質(zhì)空間顯示。用戶利用Web方式在客戶端使用瀏覽器進(jìn)行瀏覽，運(yùn)用Web三維顯示的相關(guān)技術(shù)，在WebGIS平臺(tái)上實(shí)現(xiàn)三維地質(zhì)空間圖像的實(shí)時(shí)顯示。

（3）空間漫游、地質(zhì)剖面等用戶交互。在三維地質(zhì)模型實(shí)時(shí)顯示的基礎(chǔ)上，用戶可以在此三維空間里任意漫游，并可查看橫剖面的地質(zhì)圖像以及查看其他相關(guān)的地質(zhì)數(shù)據(jù)。

（4）施工進(jìn)度實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)將根據(jù)施工進(jìn)度的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，對(duì)施工體和地質(zhì)體的三維模型進(jìn)行更新，并在瀏覽器端進(jìn)行實(shí)時(shí)顯示。

2.3風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估子系統(tǒng)

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估子系統(tǒng)主要是實(shí)現(xiàn)工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估結(jié)論與建議的發(fā)布、查閱與打印。為了直觀查閱風(fēng)險(xiǎn)工程與風(fēng)險(xiǎn)事件，將地質(zhì)情況和環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)分多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)組段，對(duì)每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)組段的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析。點(diǎn)擊所需隧道斷面，即可查閱該隧道斷面風(fēng)險(xiǎn)組段名稱與組段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。系統(tǒng)組成如圖8所示。

3　盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)應(yīng)用

某地鐵工程過(guò)江段長(zhǎng)3 600 m，隧道外徑11.2 m，采用單洞雙線泥水盾構(gòu)施工，凍結(jié)法加固洞門(mén)。過(guò)江段場(chǎng)地基本處于堆積平原地貌單元內(nèi)，地形總體較平坦，起伏較小，沿線地表均為第四系地層覆蓋，表層多為0～3 m厚的人工填筑土，其下粉質(zhì)黏土、淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂、含礫粉細(xì)砂、中粗砂、礫砂及卵礫石。

施工中采用盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)信息系統(tǒng)進(jìn)行施工過(guò)程實(shí)時(shí)監(jiān)控和風(fēng)險(xiǎn)管理。本系統(tǒng)根據(jù)工程實(shí)際，實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)工程查詢分析、盾構(gòu)穿越區(qū)域的三維地質(zhì)查詢和盾構(gòu)施工信息實(shí)時(shí)監(jiān)控等。

圖9是本系統(tǒng)根據(jù)工程勘察和設(shè)計(jì)資料，給出的工程風(fēng)險(xiǎn)組段的實(shí)時(shí)概況及主要風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)，本系統(tǒng)也可以查詢風(fēng)險(xiǎn)組段內(nèi)三維地質(zhì)信息、施工進(jìn)度和盾構(gòu)機(jī)當(dāng)前所在位置，在此界面內(nèi)，還可以查詢每一環(huán)的地層情況、管片坐標(biāo)環(huán)號(hào)等（圖10）。若是當(dāng)前施工環(huán)，則可以查看當(dāng)前實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)。若定位該環(huán)未施工，則提示，若已經(jīng)施工完成，則提供該環(huán)系列參數(shù)，并繪制相關(guān)曲線圖。若要查詢已完成的多環(huán)歷史數(shù)據(jù)則只需輸入指定起始環(huán)和指定結(jié)束環(huán)并選擇相應(yīng)參數(shù)來(lái)獲得該參數(shù)的完整值、掘進(jìn)值、最大值、最小值、平均值、初始值和結(jié)束值的數(shù)據(jù)，然后根據(jù)獲得的數(shù)據(jù)繪出相應(yīng)的參數(shù)數(shù)據(jù)變化曲線圖或柱狀圖。

基于三維地質(zhì)信息和盾構(gòu)監(jiān)控子系統(tǒng)數(shù)據(jù)，結(jié)合系統(tǒng)平臺(tái)內(nèi)的施工監(jiān)測(cè)和第三方變形監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，若數(shù)據(jù)超過(guò)閾值則進(jìn)行相應(yīng)級(jí)別預(yù)警（圖11）。進(jìn)一步對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)進(jìn)行反分析，可得出其與地面變形之間關(guān)系，為盾構(gòu)施工參數(shù)控制提供參考。

考慮各種因素，風(fēng)險(xiǎn)分析系統(tǒng)可計(jì)算得出各個(gè)施工階段和風(fēng)險(xiǎn)組段主要風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)值，風(fēng)險(xiǎn)值越大，風(fēng)險(xiǎn)就越大，圖12給出的是盾構(gòu)掘進(jìn)始發(fā)段的風(fēng)險(xiǎn)柱狀圖。

圖9　風(fēng)險(xiǎn)組段劃分及組段主要風(fēng)險(xiǎn)

圖10　三維地質(zhì)信息及工程進(jìn)度

圖11　變形數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)預(yù)警　

圖12　掘進(jìn)始發(fā)段風(fēng)險(xiǎn)柱狀圖

參考文獻(xiàn)

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責(zé)任編輯 朱開(kāi)明

Study on Risk Information System in Tunnel Shield Construction

Zhang Jing, Shi Yehui, Lu Hao, et al.

Abstract:In order to have an effective management and control on risks in the shield construction, computer technology and Internet technology are in use. With the development of risk information system in shield tunnel construction, the system includes a shield real-time monitoring subsystem, 3D geological information subsystem, and risk evaluation subsystem. The system has real-time shield construction information and geological data, make remote and real-time analysis of various risk factors occurred in shield construction, works out engineering risk assessment and management in tunnel shield engineering.

Keywords:tunnel, shield, construction risk, information system

收稿日期2014-11-10

中圖分類號(hào)：TU 443