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

王攀

武汉地铁集团有限公司 湖北省武汉市

摘要：地铁盾构施工智能监控系统，包括多个监控单元和指挥系统、移动终端和车载终端。该系统采用无线通信技术、视频通信技术、交换技术等，使盾构机在复杂的地质环境中行驶时能够获得及时的信息传输。当围岩应力、土仓压力、盾构扭矩、切割器速度、推进速度等参数异常时，可实现同步调整。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，并开放了外部端口，并与BIM系统、生产调度系统、智能现场系统等相连接，增加了资源的有效协调，实现了监控数据的管理和统计分析，重大风险源管理，安全预警管理，达到视觉效果。

关键词：复杂的地质环境；地铁盾构施工；智能监控技术；应用分析

1智能管理平台系统组成

第一级：信息数据采集子系统。换句话说，隧道中的各种盾构施工参数，如推进里程、胶囊压力、围岩应力、土仓压力、盾构扭矩、切割器速度、推进速度和其他技术参数，可以通过嵌入盾构机和管环各部分的探地雷达等信息传感设备快速收集。

第二级：信息数据传输子系统。基于无线局域网（WLAN）技术，数据传输系统通过有线传输和无线传输相结合，传感器设备收集的信息数据被传输到盾构机的控制室。盾构机驾驶员可以根据信息掌握盾构机的姿态。同时，信息数据由盾构机控制室进行转换，然后传输到地面指挥系统。

第三级：测控信息综合指挥子系统。通过隧道内盾构机控制室转换和传输的盾构施工参数最终在地面监控中心的指挥系统平台上采集。在分析和研究参数后，项目技术人员做出调度指示，指导隧道施工。通过对盾构施工信息数据无线传输的比较分析，确定了最佳传输方式，并采用VPN网络防火墙，确保关键信息数据传输的安全性和保密性。该系统使设备的监控更加方便，同时也实现了资源的共享，保证了施工效率。

系统平台的主要开发步骤和内容如下。

首先，根据盾构施工的实际情况，采用上下机的控制架构，采集盾构机监控PLC（可编程逻辑控制器）的数据。隧道内控制台服务器作为上位机，盾构机内置监控PLC作为下位机。通过计算机编程语言（Java）采集盾构机监控PLC的数据。自动采集的数据存储在工业计算机中，监控信息数据通过有线和无线传输相结合的方式传输到地面指挥系统平台。为了确保对多台盾构机的实时监控，需要对不同类型盾构机的数据格式进行比较和分析，以确保各种信息数据的准确性。

其次，通过不同的信息传输模式，完成从盾构机控制台到地面指挥中心系统的隧道，以及所有者或其他监管机构之间的隧道。首先，实现同步数据传输，完成隧道与地面之间的数据传输。地面监控室随后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，从而实现盾构信息的远程传输。

系统的数据主要由传感器传输到监控PLC的各种参数组成。由于数据的实时性要求，它必须与总部指挥系统的数据同步。此外，由于盾构类型不同，所获得的施工信息和数据内容也不相同，因此最终确定了一个数据表，以标准化和统一所获得的参数。

2盾构施工智能监控技术

2.1盾构施工监测过程

为了降低穿越风险，必须在整个过程中监控盾构施工。穿越期间，主要监测地面和建筑物的沉降和位移，监测隧道内围岩的应力和盾构姿态。根据监测数据不断调整施工参数，确保施工安全可控。

2.2监视和测量

2.2.1监测内容及测点布置

根据盾构施工引起的变形机理，主要开展以下监测内容。（1） 地表隆起和沉降纵向监测点沿隧道中心线布置。始发段和接收段监测点间距为10m，其他路段监测点间距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。主要影响区监测点间距为3m~5m，次要影响区监测点距为5m~10m。每个横断面监测点数量为7~11个。（2） 建（构）筑物、每一组监测点两侧每10m～15m或每2~3根柱子沿外墙的桥梁沉降/不均匀沉降建筑物、沉降缝、伸缩缝、新旧建筑物或每一组监控点两侧的高低建筑物，同时，每栋建筑不得少于4个监测点。跨桥每个桥墩有5个沉降和水平位移监测点，其中2个沉降和垂直位移监测点位于隧道轴线上方。（3） 隧道结构变形监测点每5圈布置一个断面，每个断面共布置拱顶沉降、洞底隆起和净空收敛三个点，分别位于监测断面拱顶、拱底或拱腰两侧。

2.2.2监测频率

为了确保施工安全，监测点布设的意义在于全面、及时地获取各种施工信息，监测频率必须满足服务要求。监测工作将根据现场条件和监测内容的变化，采取“定时+跟踪”相结合的方式进行。地表和建筑物沉降1次/1d，隧道拱顶沉降、隧道隆起和净空收敛2次/1d；监测期从盾构隧道开始前7天到隧道结构通过后不少于6个月，直到监测点变形达到相对稳定。

2.2.3监测报警值

地面沉降报警值为30mm，变化率为4mm/d。建筑物沉降报警值为15mm，变化率为1mm/d。拱顶沉降报警值为10mm，变化率为2mm/d。洞底隆起报警值为20mm，变化率为2mm/d。净空收敛报警值为12mm，变化率为3mm/d。桥梁结构竖向沉降报警值为5mm，不均匀沉降为2.1mm。盾构施工智能监控系统旨在及时、全面掌握掌面及周围区域的实时情况以及盾构的姿态，实现及时监测和集中管理。该系统采用以下技术路线：（1）隧道内部工作环境恶劣，因此系统运行的稳定性是首要考虑因素。设备的硬件和软件应符合防爆和防潮标准。信号传输和接收采用有线和有线+无线APP的组合方式，相辅相成，确保系统运行的稳定性。（2） 系统设计应易于操作，易于维护，操作界面采用LED电子液晶显示屏与触摸屏设计，系统应采用模块化设计，易于升级维护第二；（3） 系统应满足一定的兼容性和开放性，系统采用Windows10系统，数据库采用MYSQL，并开放数据库，开放外部端口，方便连接BIM系统、智能站点等系统，增加系统的通用性；（4） 远程数据传输采用高级加密信号，如互联网+VPN网络防火墙模式，实现信息的及时有效传输，提高决策层的效率。

2.3监控视频及门禁系统布置

在施工现场安装视频监控设施，建立完善的施工信息管理平台，通过专用网络与合肥地铁公司监控中心实现互联互通，实时现场视频、门禁、考勤、办公数据传输至智慧中心。施工现场门口设置门禁系统，并连接IFA人脸识别系统，加强对进出施工现场人员和车辆的管理。

施工现场出入控制系统用于监控进入施工区域的人员。可实时显示施工区域人员信息，随时掌握进入施工区域人员的信息。门禁系统位于办公区、生活区和施工区之间。主要由三卷闸门、门禁控制器、控制器电源和铁盒、人员卡、读卡器、门禁管理主机、门禁摄像头、LED屏幕、开关等组成。现场施工和监理人员使用门禁卡进出施工区域，业主和外宾使用临时卡进出。有效控制人员进出，并记录所有进出细节，实现进出口的安全管理。

3结论

① 地铁盾构施工智能监控系统可自动实时采集盾构推进过程中的各种传感器数据，包括盾构土仓压力、刀盘扭矩、推进速度、盾构姿态等，完成数据远程通信、数据处理、图表显示、信息存储、报告打印、检索等功能。该系统继承和发展了当前盾构施工信息监控技术的最新成果，显著提高了PLC数据采集的速度、可靠性和传输安全性。

（2） 地铁盾构施工智能监控系统采用模块化设计，集成安全风险模块、现场视频、门禁系统、人员管理，对外开放端口，并与BIM系统、生产调度系统、智能现场系统等进行对接，增加了资源的有效协同。实现监控数据的管理和统计分析、重大风险源管理和安全预警管理，达到可视化效果。

“地铁盾构施工智能监控系统”的开发应用，有效实时监控盾构设备掘进过程，特别是利用无线局域网技术、视频通信技术、交换技术等，实现信息资源共享和联动指挥。在复杂地质环境中掘进时，盾构机可以获得及时的信息传输。当围岩应力、土仓压力、盾构扭矩、切割器速度、推进速度等参数异常时，可实现同步调整。面对日常突发事件，可以实现信息沟通和科学决策，经济和社会效益明显。

参考文献

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