基于盾构大数据的隧道施工状态实时监测系统研制

帅志勇，张昆峰，张 恒

（1.中铁十一局武汉重型装备有限公司，湖北武汉 430301；2.中铁十一局集团城市轨道工程有限公司，湖北武汉 430074；3.武汉轻工大学机械工程学院，湖北武汉 430048）

1 背景

盾构是集机械、电气、液压、控制、光学、网络信息等技术于一体的高附加值复杂装备。为了保证隧道施工过程中盾构设备安全、稳定、可靠，需要经常对盾构机刀盘刀具的磨损情况、主轴承性能状态等进行常规检测保养，但当前的检测手段需要在盾构机停机时进行[1-2]。在设备实施过程中反复进行停机维修监测，不仅影响盾构机施工质量和进度，耗费大量人力和财力，而且存在工作强度大、监测精度差等问题。

随着信息化、网络化的不断发展，数字技术已成为改革传统盾构模式的重要手段，高效的智慧盾构设施管理已成为盾构装备发展中的热点问题[3-5]。其中，以信息输入、存储、查询、显示和分析的地理信息系统构建，及以盾构工程项目为基础的各类信息流的管理和传输，是影响智慧盾构关键功能分析的薄弱环节。对这类关键技术的发展，一方面可利用地理信息设计制造可靠的盾构施工装备，总结出高效的盾构施工方案；另一方面，可利用统一的盾构信息模型对全寿命数据进行标准化管理，实现施工过程中工程材料、资源、供应链的可视化管理[6-7]。

在盾构施工过程中，大量过程数据被采集并存储下来，包括油液、振动、整机性能的状态实时监测数据，以及通过信息化监控方式存储下来的各类检测信息。如何利用海量的盾构大数据对盾构机开展剩余寿命评估，并据此提出盾构长寿命周期最优解决方案指导盾构施工，是智慧盾构系统发展的关键内容[8-9]。

为全面了解隧道掘进过程中盾构机整体机况、人员与施工现场环境等关键信息，本文设计开发了一种盾构施工状态实时监测系统。该系统可随时、随地监管盾构机刀盘、姿态等盾构参数。此外，可运用各种施工参数的数据关系，结合工程人员以往处理数据的习惯，用以提升工程管理人员的工作效率。

2 盾构施工的信息采集

2.1 盾构机组装调试

盾构机系统包括主机、连接桥与后配套，主机包含刀盘、主驱动、壳体、螺旋机等；连接桥包含皮带机进料口、牵引梁、管片运输系统、联络走廊等；后配套包含皮带机、辅助系统、液压系统、电气系统等。其中，刀盘由刀具（滚刀、切刀、先行刀、鱼尾刀、仿形刀等）和刀盘主体结构组成，刀盘主体配置有注入口、开口槽、周边开口、耐磨板条和搅拌棒等特征结构。主轴承是连接盾构刀盘与动力系统的关键部件，承受盾构机运转过程中的主要载荷。液压系统作为盾构机的核心部件之一，是盾构机动力的主要来源。某一型号大直径盾构机的结构组成如图1 所示，其主机总长13.4 m，整机总长约128 m，重量2 700 t，装备总功率约6 174 kW。

图1 大直径泥水平衡盾构机的结构组成

对盾构机电气、液压、各系统组成进行调试，组装完成后进行空载运行，检查各设备是否能正常运转，如图2 所示。空载测试完成后对盾构机进行整机联动调试，测试盾构机系统的整机性能，验证其是否满足盾构施工各类工况需求。

图2 盾构机的调试运行

2.2 盾构施工数据采集与传输

智慧盾构系统功能主要包括采集、监控、评估与预报，实现对现场监测数据、盾构机运行监测数据的采集；实现对实时数据与量测数据的管控，对参建各方现场巡视情况、视频信息的快速传递及人员考勤的协同监控管理；实现对施工建设阶段安全风险排查、评估、预报与报警信息的及时发布。

数据采集与传输如图3 所示，主要采集门吊、电瓶车、盾构机及其他施工现场的实时监测数据，系统要求能灵活配置采集源、采集预设模板，支持在线轻编辑、一键发送，以达到准确、同步遥控采集端配置数据的目的。此外，该系统的外部接口支持可编程逻辑控制器（PLC）、跨编程语言和操作系统平台的远程调用技术（Webservice）、数字波束形成或数字波束合成（DBF）、数据库等多种数据源，可多种方法全量采集，实时接收智慧盾构监控系统的配置，提升数据采集的时效性。

图3 盾构施工的数据采集与传输图

开展实时数据监控、量测数据监控、视频监控等，结合远程PC 监控、移动APP 掌控、大屏全景视图于一体的多端监控系统、数据同步互通，满足多场景办公、实现人与数据的双重实时监控。根据平面图、剖面图、地图等多图视角全面管控，展现施工路线，全方位定位施工进度。

通过制定合理的进度计划、材料消耗计划，有序安排施工进度、材料供给，有效管控工期风险、成本风险；支持多类型、多等级的风险预警设置、实现在系统通知、平面图上的双重推送，有效降低施工风险，保证安全贯通。支持材料消耗统计、时间统计、进度统计、汇总统计、时长统计、工作状态统计，从海量的历史数据中自动选择、过滤、统计、分析。系统根据实时采集数据自动下发环报、日报，并同步推送到对应的企业微信群，实时了解环报、日报详情。

3 智慧盾构系统方案设计

3.1 智慧盾构信息系统框架

在盾构隧道施工过程中，施工人员往往需要花费很多精力归纳数据、绘制图表，以人工经验的方式指导施工过程。这类传统方法既增加了施工人员的劳动强度，又无法避免人为因素造成的不必要施工故障、甚至事故。开发一种智慧盾构信息系统，利用各种施工过程的数据结构关系，结合工程人员以往处理数据的习惯，设计一套切实可行的智慧化智能化盾构施工监测系统，不仅可以随时、随地监管刀盘、姿态等盾构参数，还可极大提升管理人员的工作效率。

智慧盾构隧道施工信息系统的体系结构图如图4 所示，智慧盾构功能包括盾构机数据采集、盾构机智能监控、分布式集群服务和一站式用户终端，具体包含采集、监控、管理、分析四大核心功能，实现多端同步、智能监控、协同管理、综合分析、风险预警、决策辅助等功能，满足技术管理人员和业主无需到施工现场即可通过该系统了解、掌握盾构的运行状态。

图4 盾构隧道施工信息系统的体系结构图

3.2 盾构施工的大数据平台架构设计

智慧盾构的总体框架如图5 所示，系统平台架构主要由盾构施工装备数据采集、离/在线数据库管理、功能与信息服务模块、客户端访问4 个层次组成，各层次的主要内容如下所述。

（1）数据采集接口。施工装备数据采集实现软件平台与自动化监测设备的数据传输功能，采用数据加密传输、数据脱敏算法、数据权限与功能权限双重控制，让数据传输更安全可控，数据分区、并行装载让数据传输更高效快速。

（2）离/在线数据库。离/在线数据库管理以断点续传、海量缓存的方法，采用Sqlite 数据库，离线数据实时缓存，超长缓存实时数据，为大数据分析提供准确可靠的分析数据源。

（3）功能与信息服务。功能与信息服务模块包括公共事务管理、安全风险管理、远程视频监控管理、现场门禁管理等模块，涵盖了隧道施工中信息服务的主要业务，以提高作业效率，节省施工时间。

（4）用户访问。客户端访问支持PC 应用和手机应用，PC 机直接通过通用浏览器即可访问系统，完成各类操作；手机客户端软件支持三大主流手机操作系统。系统支持用户在不同的工作地点下利用本平台开展其职责权限内的监控管理工作。

4 盾构施工信息可视化设计

中铁十一局武汉重型装备有限公司研发团队设计开发了一种智慧盾构可视化工具，对盾构施工装备状态、盾构施工的进度和具体位置、环境情况等关键数据进行监控。智慧盾构可视化界面（PC 端）如图6 所示，各盾构机的装备状态监控模块将掘进速度、刀盘转速、土压、螺旋机扭矩、盾构姿态、停机时间、出土量、注浆量等重要参数汇总，监控人员每日对盾构数据进行分析并形成工作日报，报送给地铁公司各部门。

图6 智慧盾构可视化界面

图7 施工装备的信息监测示意图

盾构可视化系统工具可实时监控各项盾构施工参数，随时查看历史数据，并对各类监测数据进行统计分析以建立预警台账。此外，可视化系统工具实现了地理信息在盾构中的多项应用，包括查看盾构施工进度、土层信息、具体位置、监测数据、隧道主体结构平面图和剖面图、风险源信息等。监控系统还可实时查看各摄像头的分布情况，监控施工现场的基本信息。

5 实例分析

智慧盾构系统是从盾构施工状态实时数据采集、离/在线数据监控、质量与安全风险管理的需求出发，按照多端同步、智能监控、协同管理、综合分析、风险预警、决策辅助等原则，实现了隧道工程建设质量与安全风险管控贯穿于工程建设的全过程。本文以广州地铁18 号线横番区间为例，对智慧盾构系统在隧道施工中的应用情况进行探讨。

横番区间位于广州市南沙区、番禺区，线路区间长1 862.456 m。区间盾构由南向北掘进，工程地质条件主要包括强风化泥质粉砂岩、中风化泥质粉砂岩、强风化中粗砂岩等组成。工程需要穿越沙湾水道，且穿越范围位于二级水源保护区内，施工风险较高。

在盾构掘进施工中，盾构设备监测系统是控制系统自带的监测装置，设备结构和监测系统简单。其他监测设备如盾构导向测量系统、电瓶车及门吊测量系统如图 7 所示，监控系统会实时对各类监测数据进行统计分析，盾构的各项施工参数均能在监控系统中实时掌握，历史数据也能随时调出查看。盾构施工的地理信息系统如图8 所示，可以查看的隧道主体结构平面图和剖面图、岩土层信息、重特大风险源信息等。

图8 盾构施工地理信息图

盾构施工中的视频监控功能如图9 所示，现场视频直播采用萤石云Web 直播方式推送，可以自由切合图像布局，远程监控盾构现场情况，直观、动态、实时的掌握施工作业情况，及时制止违章作业和不规范施工并记录违章事件，推送至中心服务器。按照“违章部位+违章照片+违章过程视频+违章描述”的原则，供安全考核或发生事故后的追溯调用。

图9 施工现场的监控视频

6 结论

以隧道掘进过程中的盾构设备、人员以及现场环境为监测对象，基于智慧互联技术开发了一套盾构施工状态实时监测系统。系统包含采集、监控、管理、分析四大核心内容，综合利用盾构施工实时数据、自动化监测设备数据、现场环境量测数据和视频监控安全数据，构造一种多特征信息的盾构大数据分析框架，实现了多端同步、智能监控、协同管理、综合分析、风险预警、决策辅助等主要功能，以保证盾构设备施工过程中的安全、稳定、可靠。其成果可推广到市政工程、建筑工程等领域，具有广阔的应用前景。