盾构施工信息化管理系统的建立

文｜中国交通建设股份有限公司轨道交通分公司 朱霆轩

引言

目前，我国正处于经济高速增长的阶段，城市人口不断增加，地上交通也日渐拥堵，为缓解日益紧张的地面通行，地铁凭借其“用地资源少、节能环保、准点到达”等诸多优点，在各大城市掀起一股地铁建设热潮。正因为其便利性，地铁建设往往需要穿越城市繁华的商业地段、大型社区等人口密集区域，从而导致施工周期长，风险大，技术要求高，安全质量管理难度大等多种难题。

尤其是在建设一条地铁线路过程中，往往存在几台甚至十几台盾构同时作业的情况，这时就需要建立完善的盾构信息化管理系统，对不同单位，不同类型盾构进行集中管控，使不同层级管理单位可以较快速获取盾构施工参数、风险等信息，集中分析，做出指令，对做好盾构施工风险管控是必不可少的措施之一。

1 盾构施工信息化管理系统的组成

1.1 系统的初始划分

组建一套完整的盾构信息化管理系统首先需要划分盾构的类型。

盾构机根据地质、环境条件的限制及施工方法的选取不同，按平衡开挖面方法分类为土压平衡盾构和泥水平衡盾构；按地质条件分类为软土盾构、复合盾构、硬岩盾构；按盾构外观形状分类为单圆盾构、双圆盾构、矩形盾构。

不同类型的盾构机，掘进施工过程中的主要参数，机电设备，信息采集复杂程度存在较大差异，在组建信息化管理系统过程中要先根据盾构类型，预设相关功能及主要参数，在系统初始界面上进行划分，以在下一级系统中设置针对性界面进行操作。

1.2 系统的基础构成

系统的构成首先要考虑不同使用者的需求，盾构施工过程中的技术管理需求分析为以下几类：

管理需求：工程投资方、监理单位、施工总承包单位、施工单位从多角度，多层级的方式对盾构施工进行管理。

施工需求：采用不同类型的盾构机，选取不同类型的施工工艺，对信息管理系统的施工、设备参数、预警体系等显示要求也不尽相同。

操作需求：盾构司机需要随时掌握盾构掘进过程中的各项施工参数：例如开挖面压力数值、液压系统压力大小、泡沫系统发泡率等参数；区间测量人员要掌握盾构掘进姿态与控制轴线的趋近程度等参数。

在确定系统设计应满足的需求后，在盾构机上设置下位机PLC 采集盾构掘进过程中的各项参数，将数据传输至盾构机上的PC 端进行显示，以满足盾构作业施工单位人员的操作需求；再将盾构机PC 上显示的数据通过有线网络上传至地面PC，满足地面管理人员的监控需求；地面PC 可以通过互联网将数据集成至总部盾构监控中心，以此满足必要的应急指挥及进度分析需求。盾构系统的基础构成如图1。

图1 系统的基础构成

2 信息化管理体系的建立

在对盾构机类型和不同人员使用需求按照上述要求进行初始分类后，建立完整的盾构信息化管理系统还需要考虑建立管理系统组织架构和与之匹配的预警响应及消警机制。

2.1 信息化管理组织架构

由前述系统的基础构成分析可知，在满足现场施工需求的情况下，组织架构由上至下可划分为三个层级：管理监督层面、服务监管层面、执行层面。现就各层面相关职能由下至上做进一步的分析：

执行层面：应起到数据采集、实施应用、信息上报的作用。该角色一般由施工单位项目经理部担任，对所属各工点的盾构掘进数据进行采集，集成到项目经理部PC 的盾构信息化系统上显示，参考预设的各类阈值，对盾构掘进施工进行管理。

服务监管层面：应起到数据分析、技术支持、信息上报的作用。该角色一般由施工单位项目经理部的上一级单位（以下简称三级公司）、施工总承包单位、盾构信息化管理平台维护服务单位共同担任。共同对施工单位项目经理部的异常掘进数据进行分析，监管纠偏过程。维护服务单位做好不同工点的人员及账号分配、管理及平台上各项工作流程的设置及简单处理。

管理监督层面：应起到数据挖掘、决策分析的作用。该角色一般由总公司盾构管理部门担任，对下设所有三级公司的盾构施工项目部盾构施工异常参数及预警进行分析处理，紧急情况下进行指挥及决策。

2.2 预警及消警机制的建立

对组织架构进行分析后，重要的是设计相匹配的预警响应及消警机制，这对盾构施工的风险管控及进度控制起到至关重要的作用。结合安全风险分级管理及预警预报体系，可将盾构施工风险划分为Ⅰ级（极高风险）、Ⅱ级（较高风险）、Ⅲ级（一般风险）、Ⅳ级（低风险），施工单位项目经理部根据所属工点各区间施工风险评估方案将所属工点盾构施工风险按Ⅰ级～Ⅳ级进行分级后，即可进行预警阈值的设置。

预警阈值可按照预警等级（红、橙、黄）来设置三级数值，预警阈值设置应采用审核的方式，可采取以下方式：Ⅳ级（低风险）盾构施工预警阈值设置可由施工单位项目经理部盾构施工管理部门拟定，项目经理进行审批后实施；Ⅲ级（一般风险）及以上的阈值设置由三级公司及施工总承包单位进行审批后实施。

经审批后的预警阈值在信息化管理平台上设置完成后，即可进一步分析不同级别的预警应推送的对象、采取的处置措施及预警消除的方式。

黄色预警：当盾构掘进的主要控制参数超过预设的黄色预警阈值时，信息化管理平台上显示黄色预警，并将信息推送至施工单位项目经理部主要管理人员。项目经理部组织召开预警分析会，确定下一步的纠偏措施，在盾构完成纠偏，参数正常后，将风险处置措施和过程影像材料在系统上进行填报，由项目经理进行审批，完成消警流程。

橙色预警：当盾构掘进的主要控制参数超过预设的橙色预警阈值时，信息化管理平台上显示橙色预警，并将信息推送至施工单位项目经理部、三级公司、施工总承包单位相关管理人员，由施工总承包单位或三级公司相关负责人组织召开预警分析会，制定风险处置措施并督促落实。纠偏完成后，经施工单位项目经理部项目经理确认后，将风险处置措施和过程影像材料在系统上进行填报，由三级公司、施工总承包单位相关负责人进行审批，完成消警流程。

红色预警：当盾构掘进的主要控制参数超过预设的红色预警阈值时，信息化管理平台上显示红色预警，并将信息推送至施工单位项目经理部、三级公司、施工总承包单位、总公司盾构管理部门相关管理人员，由总公司盾构管理部门相关负责人组织召开预警分析会，制定风险处置措施并监督实施。纠偏完成后，经三级公司、施工总承包单位相关盾构管理人员确认后，将风险处置措施和过程影像材料在系统上进行填报，总公司盾构管理部门负责人进行审批，完成消警流程。

2.3 信息化管理系统人机界面的设计原则

人机界面设计是指信息化管理系统的各个控制界面的设计以及控制界面之间的逻辑关系。控制界面设计主要包括静态操作界面的绘制以及界面中各个元素与变量列表的连接。界面的逻辑关系设计主要包括各个组态界面之间的层次关系以及界面之间连接关系的设计。

在前述中，已经对系统初始划分以及使用人需求进行了分析，并对系统至关重要的风险管控预警消警的相关功能进行了阐述，但在系统设计时仍要充分考虑人机操作之间的协调性、便利性、高效性。因此在对盾构信息化管理系统进行开发设计时，要充分考虑以下内容：（1）在满足前述功能要求的基础上，尽量减少操作界面的数量，以达到减少界面切换次数的目的，可以并行显示的数据应放在一个界面内，方便使用人员进行操作。（2）界面切换要便捷，常用界面仅需点击一次就能切换到位。（3）界面各种颜色的使用要符合规范要求或行业标准。

3 盾构信息化管理系统的典型应用

3.1 盾构进度管理功能

如图2所示，对井下PLC 上采集的数据进行查阅，可以横向对比各工区掘进环数统计，进行工况分析，能有效发现个别工区盾构掘进工效上存在的问题，对合理高效的安排生产起到很大作用。

图2 掘进环数统计

3.2 盾构参数管理功能

如图3、图4所示，对项目经理部所属各工点盾构掘进参数及盾构姿态可以调出进行查阅。通过分析盾构掘进实时参数、隧道内有害气体浓度、盾构机目前姿态与设计轴线的对比，进行施工风险管控，摆脱纯经验主义，以各项图表作为支撑，更加精准的对盾构施工进行精细化管理。

图3 盾构掘进参数显示界面

图4 盾构掘进姿态显示界面

4 结束语

盾构施工信息化管理是城市地铁施工管理的趋势所在，策划符合需求的信息化管理体系，构建人机友好型信息化管理系统，使信息的传递更加高效、顺畅，对地铁施工的进度管理及风险控制起到了极其重要的作用。使操作者，管理者，监督者能在同一平台上发现问题，解决问题，填补了旧管理模式下的真空地带。各级管理者能够各司其职、充分发挥其管理职能。

但在实际构建信息化管理系统过程中，除按照本文进行初始划分、需求分析、构建组织架构和预警预报体系外，更要结合项目实际进行完善，强调过程管理，才能使信息化管理系统化成为施工人的翅膀，更好的为城市地铁建设助力。