中心城区复杂环境下大型地下通道施工的安全信息化管控技术

苏 勇

上海建工集团股份有限公司总承包部 上海 200080

近年来，我国城市市政基础交通发展迅猛，在城市建设浪潮中受到极大关注。然而，由于市政基础设施建设具有投资大、施工周期长、施工技术复杂、不可预见因素多和对社会环境影响大等特点，其安全风险居高不下，主要表现为地面沉降及塌陷、地下管线严重变形及断裂、邻近建筑物倾斜与开裂、基坑大面积变形与坍滑、支护失稳及工程结构物破坏等。特别是在中心城区，市政基础设施建设的空间受到极大制约，处于“见缝插针”式的建造状态，工程周边既有建筑物、地下公共设施众多，使得工程施工的安全控制难度极大。尤其是经过多年的轨道交通建设、地下空间开发建设和大型市政管网改造建设，维持城市有效运转的地铁网络、大型原水管、干线供电系统、城市防汛系统等城市生命线更是星罗棋布，如果市政工程建设稍有不慎，将会造成灾难性后果。因此，中心城区的市政基础设施开发建设，施工风险尤为突出，安全控制和风险管理至关重要[1-3]。

1 工程概况

1.1 工程总体概况

北横通道新建工程Ⅰ标由4个区段组成，自西向东分别是：北虹路立交段、中山公园工作井及江苏路匝道段、长寿路桥改建段、海宁路隧道段（图1）。

图1 北横通道新建工程Ⅰ标总平面示意

北虹路立交为北横通道与中环线互通立交，包括主线高架（主线N、主线S）、7条匝道（编号EN、ES、NE、SE、EE、WEX、EWS）和FEI人非桥。

中山公园井位于长宁区中山公园内，工作井东西向长74.5 m，南北向宽24.2～26.1 m，含2个挖深31 m的盾构井；江苏路匝道沿长宁路方向，途经华阳路、江苏路，至长宁支路与长宁路口接地，总长1 550 m，里程桩号Z6K0＋00.00～Z6K1＋550.00。

长寿路改建工程为长寿路跨苏州河中幅桥重建桥梁，起点桩号K0＋135，终点桩号K0＋375，桥梁长度240 m，桥梁宽度16 m，桥梁面积3 840 m2。

海宁路隧道采用单层双室明挖地道形式，西起晋元路，向东穿越吴淞路后接地，地道长约2.45 km。

1.2 项目技术特点及重大风险点

1）中心城区、长距离、大体量、综合性项目工程组织要求高。项目位于长宁、普陀、静安、虹口等中心城区，人口密集，交通繁忙。从北虹路立交起始点至通道九龙路接地点，全长逾13 km，跨度范围极长。工程为包含桥梁、深基坑、盾构隧道等工程的综合性施工项目，挖土量超过900 000 m3，混凝土使用量超过250 000 m3，综合体量极大。因此，如何在中心城区复杂环境下实现复杂工程的精细化管理成为科学、合理、高效地组织好施工的重中之重。

2）明挖通道上跨运营轨交隧道保护要求高。明挖通道段在西藏北路、河南北路处分别上跨轨道交通8号线、10号线，结构底标高与轨道交通盾构间距分别为6.2、4.8 m（图2、图3）。根据《上海市轨道交通管理条例》的要求：保护范围为地下车站与隧道外边线外侧50 m内。其变形控制要求为：最大沉降隆起量≤10 mm，保护要求极高。

图2 明挖通道段上跨穿越轨道交通8号线平、剖面示意

图3 明挖通道段上跨穿越轨道交通10号线平、剖面示意

3）中心城区地下工程施工对周边建（构）筑物、管线保护要求高。工程地处市中心，江苏路匝道位于长宁路上，明挖通道段位于海宁路上，工程沿线近邻相对重要的建筑共98栋，其中35栋建筑需动拆迁，在基坑影响范围内需保护的建筑有63处，22处建筑在1倍基坑挖深范围内，最近距离6.4 m，需要重点保护（图4）。

图4 明挖通道段周边环境平面示意

4）中心城区大跨城市高架桥高空作业风险高。北虹路立交跨中环线及苏州河桥梁跨度大、斜交角度大，周边条件复杂，难度大，施工极富挑战性。其中跨越中环线钢结构施工，高空作业风险高、工作量大，EE、主线N、S上跨中环线，跨径达72.24 m，为3～4层立交，与中环线净空5～10 m（图5）。中环线为城市骨架路，具有车速快、车流量大的特点，中环线钢结构安装施工期间要保证中环线的畅通，施工风险大，对中环线保护要求高。跨苏州河水上施工涉及水上支架搭设及钢箱梁安装，跨苏州河钢箱梁跨径达148.76 m，水上作业周期长，苏州河属6级航道，施工期间船舶正常通行，水上施工安全风险高（图6）。

图5 跨越中环线钢结构施工现场现状

图6 跨苏州河水上施工现状

2 北横通道施工安全信息化安全管控技术

2.1 多项目环境下基于精细化协同管理的施工风险远程智能管控平台

根据北横通道新建工程Ⅰ标长距离、大体量、高综合性的特点，创新建立了基于精细化协同管理的多项目环境下施工风险远程智能管控平台，通过自动化监测技术、信息化数据管理和智能预警技术的深度融合，构建了项目综合信息管理平台，建立了复杂施工环境下结构安全状态自动化监测与智能预警系统，实现了多项目环境下施工安全风险的“及时评估、超前预判及快速反馈”。该平台主要集成的功能模块如下：数据异常管理、CAD图纸管理、监测配置、预报警事件、重置个人密码、监测数据管理、异常监测项目设置、视频设备管理、首页后台管理、工程配置、安全评估管理、地图模块、文档系统、施工工况等（图7）。

图7 系统功能模块

多项目环境下基于精细化协同管理的施工风险远程智能管控平台，借助施工监控数据自动或人工录入、数据无线远程传输、数据后台快速整理将施工现场风险源监控数据汇总至施工远程管理平台，实现对工程现场监测数据、视频数据的快速传递、汇总与分析；实现对各建设阶段安全风险排查、评估、预报与报警信息的及时发布；实现对工程勘察、设计、施工技术文档的网络集中管理与共享，进而实现施工数据管理信息化、安全评估智能化、预警反馈即时化，保证数据第一时间传输至工程管理人员，便于工程管理决策。

2.2 复杂区域环境下施工危险源动态跟踪智能安全监管技术

北横通道涉及桥梁、深基坑、盾构隧道等工程，工程规模大、技术工艺复杂、现场安全监管难度大。传统的监督方式由于监督人力有限，同时缺乏先进的辅助监管设备，导致施工安全监管效率低下、不及时、缺乏科学性和规范性，已经不适应新形势下重大建设工程对安全监控管理的要求。

为此，采用视频监控技术、图像处理技术、网络技术，将施工中的人、物、环境等管理信息集成，建立了实时动态跟踪监护、快速数据分析、及时风险预警的复杂区域环境下施工危险源动态跟踪智能安全监管技术，实现了集现场全方位监控、全天候预警、管控于一体的目标。

可视化监控系统采用IPC（网络摄像机）/手机端＋NVR（网络硬盘录像机）式的纯数字视频监控模式，该模式基于发展成熟且无处不在的IP网络实现系统部署。该系统具有监控点位不受地域限制、施工简单快速、布线成本低廉、网络传输自由、图纸质量无损等特点。可视化监控系统主要包括4个组成部分：前台视频监控系统、数据传输系统、后台实时监控及显示系统、后台存储系统等。

2.3 复杂空间结构虚拟拼装技术

北虹路立交跨中环线、苏州河段为复杂空间线型的大曲率钢箱梁，借助数字化虚拟拼装方法和专项技术可以实现复杂桥梁结构的无实体试拼装，提前发现工程实际吊装中存在的问题与风险，提高工程建设效率，强化工程建设质量管控，降低工程建设安全风险。为此，基于虚拟建造理论，采用三维模型技术（如BIM），模拟复杂空间结构分段拼装过程中构件可能产生的变形和附加内力，预演工程建设过程，及早发现工程中存在的问题，超前实现复杂空间结构拼装过程虚拟化建造（图8）。

图8 北虹路立交BIM建模虚拟分析

2.4 基坑围护变形智能控制技术

基坑围护变形智能控制采用深基坑围护结构变形控制自适应支撑系统，实现对围护体结构变形全程实时监控。该系统主要通过围护结构位移变形智能监控系统监控围护体系变形并反馈到轴力自动补偿系统，轴力自动补偿系统通过液压伺服装置对钢支撑施加轴力，从而有效控制和减小基坑的变形，确保高敏感环境下管线与建筑物的安全（图9）。

图9 基坑围护变形智能控制系统支撑布置

以海宁路为例，隧道处于静安、虹口市中心闹市区，道路两侧建筑物林立，在基坑影响范围内的建筑约50处，部分建筑紧邻基坑围护外边线，为此对基坑开挖影响范围内的重要建筑/管线有针对性地布置基坑围护自适应支撑系统，降低基坑开挖期间的围护体系变形，减小因围护体系变形引发的建筑地基变形，有效控制建筑的附加变形或者不可逆损伤等。

3 工程应用效果

目前，北横通道新建工程Ⅰ标中的北虹路立交段、中山公园工作井已开建，通过以上安全信息控制技术的应用，确保了工程建设的顺利进行，具体应用效果如下：

1）多项目环境下基于精细化协同管理的施工风险远程智能管控平台的应用，通过使用基于信息化集成平台的安全管理系统，能够有效掌握施工阶段的安全信息，将工程安全监控技术以业务流程为主线，以多项目环境下相关部门为单位，连结成为有机整体，使工程安全信息在不同业务和不同环节中得到快速、准确的传递，避免信息在传递过程中的“失真”，杜绝出现安全“信息孤岛”，消除安全隐患，实现了中山公园工作井和北虹路立交的安全建设。以中山公园工作井为例，顺利实现了在邻近周边建筑、地层复杂多变环境下，71 m以深的超深地下连续墙施工，攻克了开挖面稳定、⑨层地下水安全降排难题（图10）。

2）通过复杂区域环境下施工危险源动态跟踪智能安全监管技术，能够有效地监控项目的施工安全状态，对各个工程的不同施工阶段能够通过网络信息平台进行查询、监控，实现了已开工的中山公园工作井和北虹路立交安全施工的可视化管理。

3）通过复杂空间结构虚拟拼装技术的应用，制订了上跨中环线（跨径72 m）及苏州河（跨径148 m）钢结构高空安装方案，采用大跨度钢箱梁悬臂拼装跨越中环线可实现不设支架、不影响现有交通路网，完成最长6 h内大节段整体跨越中环线，有效避免施工对既有城市快速路的影响（图11、图12）。

图10 中山公园71 m以深地下连续墙施工

图11 北虹路立交跨越中环线钢结构虚拟拼装

4 结语

图12 北虹路立交跨苏州河水上钢结构虚拟拼装

以上海在建中心城区北横通道新建工程Ⅰ标为依托，针对长距离、大体量、综合性高、组织难度大、环境保护苛刻以及重大工程建造项目安全风险大、预警严重滞后等难题，开发了多项目环境下基于精细化协同管理的施工风险远程智能管控平台，形成了复杂区域环境下施工危险源动态跟踪智能安全监管技术、复杂空间结构虚拟拼装技术和基坑围护变形智能控制技术[4-6]。通过安全监控关键参数的获取、施工过程中安全监控数据的采集及传输方式的确定，建立了重大工程施工安全风险智能化监控成套技术，实现了施工安全监控信息化、远程化、风险即时评定及建筑企业协同管理模式，将带动建筑工程施工过程控制及安全风险预警进入信息化时代，开启建筑业信息化管理平台，推动建筑业相关产业升级。