董 平，鞠 琳，劉金飛，張竣朝

(1.國家能源投資集團(tuán)大渡河水電流域開發(fā)有限公司，四川 成都 610041；2.中國電建集團(tuán)成都勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610072)

隨著云計(jì)算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等技術(shù)的興起和運(yùn)用，智能建造領(lǐng)域研究日益成為熱點(diǎn)[1-2]。在此背景下，針對(duì)大型地下工程規(guī)模大、地質(zhì)條件復(fù)雜、交叉施工多的特點(diǎn)，相關(guān)學(xué)者從智能裝備、數(shù)字設(shè)計(jì)、自動(dòng)監(jiān)測、智慧管理等方面[3-7]開展了大量研究。本文針對(duì)大型地下工程施工安全與質(zhì)量管控的風(fēng)險(xiǎn)控制難題，結(jié)合雙江口水電站等大型水電工程地下工程特點(diǎn)，研究提出了工程安全智能監(jiān)測、人員車輛安全智能管控、混凝土施工質(zhì)量智能管控、質(zhì)量數(shù)字化驗(yàn)評(píng)及趨勢分析預(yù)警等關(guān)鍵技術(shù)，應(yīng)用智能建造技術(shù)助力提升大型地下工程施工管控水平。

1 大型地下工程施工安全與質(zhì)量管控難點(diǎn)分析

高壩大庫水電站的地下洞室群往往具有跨度大、隧洞長、地質(zhì)條件復(fù)雜、工作作業(yè)面多、參建方多等特點(diǎn)，施工過程管控的難點(diǎn)有：

(1)施工安全管控難。水電站大型地下工程通常面臨大埋深、高地應(yīng)力等條件，可能具有圍巖條件差、地下涌水、巖爆等不良地質(zhì)現(xiàn)象，給工程安全、施工人員和設(shè)備安全帶來較大的風(fēng)險(xiǎn)。

(2)工程質(zhì)量控制難。水電站地下工程主要為高速過流隧洞，對(duì)工程質(zhì)量要求較高。地下工程開挖、支護(hù)、襯砌、灌漿等工序交叉作業(yè)，施工干擾大，施工物資和設(shè)備種類繁多，工程質(zhì)量受工程地質(zhì)、水文氣象、施工工藝、施工設(shè)備、施工人員熟練程度、管理協(xié)調(diào)水平等眾多因素影響。

(3)協(xié)同管控難。大型地下工程施工參與單位眾多，溝通協(xié)調(diào)難度大，各參建方零星建設(shè)的信息系統(tǒng)因數(shù)據(jù)分散，未能充分打通數(shù)據(jù)孤島，導(dǎo)致溝通效率低、協(xié)同管控難、數(shù)據(jù)利用率低。

2 關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基于UWB的隧洞群多場景精準(zhǔn)定位技術(shù)

基于UWB(Ultra Wide Band，超寬帶)技術(shù)具有的高精度、抗多徑干擾、傳輸速率高的特點(diǎn)，針對(duì)隧洞洞口、交通隧洞、大跨度隧洞、混凝土倉面等不同應(yīng)用場景，分別采用UWB的TDOA、TOA、TOF等定位算法[8](如表1所示)，對(duì)隧洞群內(nèi)主要施工資源進(jìn)行實(shí)時(shí)定位。在洞內(nèi)工作面、岔路口、洞口安裝UWB定位基站及無線收發(fā)器，施工人員佩戴安裝有室內(nèi)定位標(biāo)識(shí)卡的智能安全帽，裝載機(jī)、出渣車等大型車輛安裝定位標(biāo)識(shí)卡，實(shí)現(xiàn)地下工程人員車輛有效定位監(jiān)控。進(jìn)出隧洞時(shí)，以UWB、GNSS二者信號(hào)中較強(qiáng)者為基準(zhǔn)、較弱者為校正，建立自動(dòng)切換定位場景與洞口交叉區(qū)域定位數(shù)據(jù)校正算法，實(shí)現(xiàn)人員設(shè)備在洞內(nèi)、洞外的無縫準(zhǔn)確定位和軌跡跟蹤。

表1 隧洞群多場景定位方案

2.2 基于精準(zhǔn)位置的施工安全實(shí)時(shí)預(yù)警技術(shù)

基于施工人員和施工設(shè)備的實(shí)時(shí)位置P(x，y)，實(shí)時(shí)監(jiān)聽隧洞群內(nèi)變形監(jiān)測、巖爆監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測的異常預(yù)警位置數(shù)據(jù)W(a，b)，當(dāng)距離小于安全半徑R(m)時(shí)，系統(tǒng)通過智能安全帽或定位芯片向被監(jiān)控人員及設(shè)備發(fā)出聲光預(yù)警，提醒遠(yuǎn)離危險(xiǎn)源。預(yù)警算法為

(1)

式中，F(xiàn)(x，y)為當(dāng)前位置的預(yù)警等級(jí)，一般分1、2、3級(jí)預(yù)警，數(shù)字越大，風(fēng)險(xiǎn)越高；R(m)為危險(xiǎn)源m的安全半徑；k1、k2、k3分別為安全余度系數(shù)，與危險(xiǎn)源類型和危害性有關(guān)，一般k1>k2>k3。

2.3 質(zhì)量趨勢預(yù)警與原因關(guān)聯(lián)性分析技術(shù)

通過平板電腦或者手機(jī)移動(dòng)端，利用質(zhì)量驗(yàn)評(píng)APP實(shí)現(xiàn)規(guī)定的管理人員(施工三檢、現(xiàn)場監(jiān)理、設(shè)計(jì)、監(jiān)理等)在規(guī)定的地點(diǎn)(待驗(yàn)評(píng)工作面附近)和規(guī)定的時(shí)間(工序或單元完成后規(guī)定時(shí)段內(nèi))進(jìn)行質(zhì)量驗(yàn)評(píng)，實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場工程信息的實(shí)時(shí)采集、查詢、質(zhì)量驗(yàn)評(píng)和施工工藝移動(dòng)辦公審核。通過建立檢查項(xiàng)目質(zhì)量參數(shù)庫，實(shí)現(xiàn)檢查結(jié)果的自動(dòng)計(jì)算及匯總統(tǒng)計(jì)，以提高質(zhì)量評(píng)定過程中數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性、完整性，排除人為錯(cuò)誤帶來的無效數(shù)據(jù)。

利用數(shù)字化質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定的施工工序質(zhì)量、施工單元質(zhì)量數(shù)據(jù)，分析分單位、分部位、分時(shí)段、分工序的優(yōu)良率隨時(shí)間的變化趨勢。工程質(zhì)量優(yōu)良率總體趨勢為

F(Q)=[Q(t2)-Q(t1)]/(t2-t1)

(2)

式中，t1、t2分別表示相鄰的兩個(gè)時(shí)間段；Q(ti)為ti時(shí)段的工程總體優(yōu)良率。

當(dāng)F(Q)

當(dāng)產(chǎn)生工程總體優(yōu)良率趨勢預(yù)警時(shí)，可以通過分析同時(shí)段施工單位、施工部位、施工工序等的質(zhì)量趨勢f(E，S，t2，m)，進(jìn)一步分析工程總體優(yōu)良率下降的原因。

f(E，S，t2，m，K)=[Q(E，S，t2，m，K)-Q(E，S，t1，m，K)]/(t2-t1)

(3)

式中，E為某單位或標(biāo)段；S為某施工部位；m為某工序類型(如石方洞挖、混凝土襯砌等)；K為該工序的某項(xiàng)驗(yàn)評(píng)指標(biāo)。

當(dāng)f(E，S，t2，m)

3 地下工程施工智能管控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)架構(gòu)設(shè)計(jì)

大型地下工程施工智能管控系統(tǒng)由感知層、傳輸層、數(shù)據(jù)層、應(yīng)用層和決策層構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)架構(gòu)

(1)感知層?；贗OT技術(shù)，采用UWB、RFID、GNSS、微震監(jiān)測、環(huán)境監(jiān)測、智能安全帽等智能感知設(shè)備，輔以移動(dòng)APP，實(shí)時(shí)感知工程施工過程的人員、車輛、工藝、環(huán)境、工程結(jié)構(gòu)的狀態(tài)，為工程智能管控提供海量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(2)傳輸層。隨施工通道布置和工作面推進(jìn)，動(dòng)態(tài)布設(shè)由4G、5G、WIFI、光纖、網(wǎng)線等多種方式構(gòu)成的復(fù)合型傳輸網(wǎng)絡(luò)，為感知數(shù)據(jù)傳輸提供高速網(wǎng)絡(luò)。

(3)數(shù)據(jù)層。根據(jù)統(tǒng)一的數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)GIS、BIM、文檔、視頻、業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)等多源異構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成管理。

(4)業(yè)務(wù)層。以人員車輛安全、工程結(jié)構(gòu)安全、混凝土施工質(zhì)量、工序及單元質(zhì)量驗(yàn)評(píng)為業(yè)務(wù)管控重點(diǎn)，從智能感知的海量數(shù)據(jù)中識(shí)別工程安全、質(zhì)量管控風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程安全與質(zhì)量的過程管控。

(5)決策層。采用BIM技術(shù)提供沉浸式輔助決策虛擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，實(shí)現(xiàn)對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)管控指標(biāo)的預(yù)警、反饋和控制。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計(jì)

3.2.1 施工期安全全方位監(jiān)測

在常見的多點(diǎn)位移計(jì)、圍巖松動(dòng)圈、錨桿應(yīng)力計(jì)等監(jiān)測手段基礎(chǔ)上，融合柔性測斜儀、自感知錨桿錨索、微震監(jiān)測、爆破振動(dòng)監(jiān)測等智能監(jiān)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)工程結(jié)構(gòu)施工期安全的全方位智能監(jiān)測預(yù)警。

(1)柔性測斜儀地下洞室收斂監(jiān)測?；谶B續(xù)測斜原理設(shè)計(jì)的高精度一體式測量儀器，以MEMS傳感器為核心敏感元件，由數(shù)個(gè)長度為0.5 m或1 m的剛性傳感器首尾連接而組成的一個(gè)傳感器陣列，傳感器節(jié)點(diǎn)之間采用可自由彎曲的柔性節(jié)連接。通過檢測各部分的重力場，可以計(jì)算出各段軸之間的傾角度θ，利用計(jì)算得到的傾角和已知各段軸長度L(50 cm或100 cm)，可得到距固定端點(diǎn)任意長度的變形量χ。對(duì)于大跨度地下洞室，在施工期進(jìn)行圍巖收斂觀測，捕捉、預(yù)測圍巖表面變形的發(fā)生、發(fā)展。

(2)自感知錨桿錨索應(yīng)力監(jiān)測。圍巖變形帶動(dòng)錨桿或錨索發(fā)生變形，自感知錨桿/自感知鋼絞線內(nèi)的光柵傳感器發(fā)生信號(hào)變化，信號(hào)傳輸至光柵解調(diào)儀進(jìn)行信號(hào)解調(diào)，DTU無線數(shù)據(jù)傳輸至云端服務(wù)器，云端服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、提取、分析和預(yù)警等。

(3)施工期微震、爆破振動(dòng)等臨時(shí)監(jiān)測。高地應(yīng)力地下工程巖爆風(fēng)險(xiǎn)突出，傳統(tǒng)監(jiān)測手段無法超前預(yù)測巖爆風(fēng)險(xiǎn)；地下工程鉆爆施工可能引起圍巖、混凝土結(jié)構(gòu)等振動(dòng)速度過大，影響結(jié)構(gòu)安全。利用微震監(jiān)測、爆破振動(dòng)監(jiān)測傳感器實(shí)現(xiàn)巖爆、振動(dòng)超標(biāo)等實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測，利用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)集成技術(shù)實(shí)現(xiàn)臨時(shí)監(jiān)測信息的集成與預(yù)警。

3.2.2 人員車輛安全智能管控

采用基于UWB的隧洞群多場景精準(zhǔn)定位技術(shù)，實(shí)時(shí)監(jiān)控施工人員車輛的位置，并通過智能安全帽及時(shí)將周邊安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警施工人員，實(shí)現(xiàn)人員車輛的安全智能管控。結(jié)合各作業(yè)面的巖爆監(jiān)控，實(shí)時(shí)提醒巖爆風(fēng)險(xiǎn)區(qū)作業(yè)人員注意防范；結(jié)合施工環(huán)境監(jiān)測，提醒有毒有害氣體或粉塵濃度過高區(qū)域的作業(yè)人員及施工管理人員禁止作業(yè)。結(jié)合隧道電子地圖，實(shí)現(xiàn)調(diào)度指揮中心與管理人員、隧道內(nèi)人員、車輛信息互動(dòng)的可優(yōu)先選擇。

3.2.3 混凝土施工質(zhì)量監(jiān)控

地下工程涉及進(jìn)水塔、隧洞襯砌、廠房巖錨梁及廠房建筑等混凝土結(jié)構(gòu)，且多為高速過流結(jié)構(gòu)，對(duì)混凝土質(zhì)量要求非常高。采用移動(dòng)互聯(lián)、UWB、GNSS、數(shù)據(jù)集成等技術(shù)，對(duì)混凝土拌合生產(chǎn)、車輛運(yùn)輸、倉面盯倉、混凝土溫控、缺陷管理等進(jìn)行全方位的質(zhì)量監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)混凝土施工全過程質(zhì)量實(shí)時(shí)預(yù)警與可追溯。

3.2.4 數(shù)字化質(zhì)量驗(yàn)評(píng)

大型地下工程質(zhì)量易受不良地質(zhì)、施工工藝等眾多因素影響，傳統(tǒng)質(zhì)量管控方法往往存在抽樣不及時(shí)、代表性不足等特點(diǎn)，質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)較為突出。

搭建單元工程與驗(yàn)收資料的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量表單、資料的分類匯總，從而實(shí)現(xiàn)工程施工過程質(zhì)量驗(yàn)收過程檔案庫的建立。通過建立工程質(zhì)量評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)庫，實(shí)現(xiàn)單元工程質(zhì)量等級(jí)的自動(dòng)評(píng)定，有效輔助質(zhì)量驗(yàn)收評(píng)定過程，提高工作效率。系統(tǒng)采取工作流配置方式，實(shí)現(xiàn)表單審批流程管理，在流程流轉(zhuǎn)過程中，除了對(duì)表單數(shù)據(jù)進(jìn)行權(quán)限控制外，并在每一步審批節(jié)點(diǎn)，提供手寫簽名或自動(dòng)拍照功能，以備事后檢查，提高表單流程審批過程中的真實(shí)性。所有質(zhì)量表單的打印輸出，保持與原紙質(zhì)表單一致。

3.2.5 預(yù)警決策中心

預(yù)警模型與預(yù)警信息管理功能，基于地下工程施工期安全與質(zhì)量管控風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警指標(biāo)，對(duì)工程建設(shè)階段的質(zhì)量、安全、進(jìn)度等數(shù)據(jù)集成、對(duì)比、分析、展示，自動(dòng)識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、趨勢并分級(jí)預(yù)警，形成自下而上的分級(jí)管控，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)控、自動(dòng)分析、自動(dòng)預(yù)警、互動(dòng)決策。

三維可視化綜合集成與會(huì)商功能，支持對(duì)地下工程施工安全與質(zhì)量實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)中集成數(shù)據(jù)的提取、匯總、分析和展現(xiàn)，從不同用戶群體的工作職責(zé)和需求出發(fā)，從數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計(jì)匯總、預(yù)警、決策分析的視角對(duì)業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合和加工，可以實(shí)現(xiàn)各種靈活的查詢、KPI展示、數(shù)據(jù)分類匯總，并能以多種形式來表現(xiàn)數(shù)據(jù)，如柱狀圖、曲線圖、報(bào)表形式、格式化文件等，可以在三維可視化環(huán)境中直觀地對(duì)工程的投資、進(jìn)度、質(zhì)量、安全等項(xiàng)目控制目標(biāo)進(jìn)行查詢展示，可供管理人員進(jìn)行決策分析。

4 工程應(yīng)用

雙江口水電站是大渡河上游控制性水庫工程，其地下工程具有“三大一高”的特點(diǎn)，即隧洞規(guī)模大、埋深大、安全與質(zhì)量控制風(fēng)險(xiǎn)大、地應(yīng)力高。其中引水發(fā)電系統(tǒng)由進(jìn)水口、壓力管道、主廠房、副廠房、主變室、出線場、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物組成，泄洪系統(tǒng)包括洞式溢洪道、直坡泄洪洞、豎井泄洪洞和放空洞。地形地質(zhì)條件復(fù)雜，地下廠房區(qū)圍巖最大地應(yīng)力達(dá)38 MPa，強(qiáng)度應(yīng)力比小于4，巖爆問題較突出；泄洪建筑物布置具有窄河谷、高水頭、大泄量的特點(diǎn)，施工極其困難。

雙江口水電站施工過程中應(yīng)用本文研究成果，監(jiān)測到輕微以上巖爆120余次，有效預(yù)警較高風(fēng)險(xiǎn)巖爆5次；利用智能安全帽，提醒施工人員周邊安全風(fēng)險(xiǎn)10余次；洞室圍巖變形總體可控，監(jiān)測到變形突變3次；隧洞作業(yè)區(qū)環(huán)境監(jiān)測超標(biāo)8次，并及時(shí)預(yù)警采取措施；施工質(zhì)量驗(yàn)評(píng)效率比傳統(tǒng)方式提升45%，有效的提高信息采集、審批、數(shù)據(jù)分析、預(yù)警等環(huán)節(jié)的效率，減少人力資源投入；混凝土工程中混凝土配合比符合率98.5%，混凝土振搗覆蓋率96.8%。產(chǎn)生了良好的應(yīng)用效果，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)論與展望

大型地下工程施工管控系統(tǒng)的研究與成功應(yīng)用有效提升了大型地下工程施工安全與質(zhì)量管理的智能化水平，在復(fù)雜的施工環(huán)境和艱苦的施工條件下，及時(shí)預(yù)警了工程安全風(fēng)險(xiǎn)、顯著提高了工程施工質(zhì)量，研究成果對(duì)水電站大型地下工程的工管理智能化領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步有顯著促進(jìn)作用，相關(guān)研究成果對(duì)城市地下空間開發(fā)、交通隧洞施工管理領(lǐng)域具有良好借鑒意義。