摘要：盾构法的核心施工设备是盾构机。盾构机在施工过程中会产生大量数据，如掘进、管片拼装以及管片物流等，由于隧道，尤其是城市地下隧道，施工环境具有高度的复杂性和不确定性，地质参数、盾构施工数据、隧道设计参数等数据组成的信息集，共同描述了当前盾构机的施工状态，是决定整个隧道工程安全、质量、成本和工期的关键信息。鉴于盾构机操作的高度复杂和服役环境的极端苛刻，充分利用这些数据成为保证盾构正常工作和防范风险的重要手段。如何更好地采集、传输、储存和使用这些数据，将隧道信息转化成施工智能，以指导盾构施工以及规避风险，成为了地铁工程参建各方亟待解决的难题。
关键词：BIM；地铁盾构；施工；信息管理
1盾构施工信息管理的研究现状
1.1盾构机自带的实时监控系统
早期盾构施工信息管理系统主要聚焦于施工过程实时监控，盾构机生产商将传感器、仪表、PLC（ProgrammableLogicController）和计算机技术集成到盾构实时监控系统，基本实现了盾构机现场施工的实时监控和数据获取。此类系统主要面向盾构机操作员开发，重点关注施工参数的监控，并未考虑隧道建设项目中的其他信息。
1.2基于C/S（Client/Server）构架的盾构信息管理系统
这类系统主要使用组态软件等技术对盾构机自带监控系统采集到的数据二次开发，研发了盾构信息管理系统客户端。除盾构机施工参数外，该类系统也将隧道建设中的地质勘探资料、沉降数据等非自动化获取数据导入到信息管理系统，提供盾构机参数实时监控、工程进度管理、报表统计、数据分析和智能施工决策等功能。这类系统服务于施工方项目管理，其优点是实现了盾构参数与地质信息的信息集成，并基于数据研发了众多辅助施工和项目管理的功能。但缺点是需提前在终端安装系统程序，软件数据庞大，不易于系统维护、更新，对移动互联网的支持较差。
1.3基于B/S（Browser/Server）架构的盾构信息管理系统
B/S架构是互联网时代对C/S架构的一种改进。基于B/S架构的盾构信息管理系统，在实现上述功能基础上，增加了多盾构的远程集群管理功能，可以实现多达上百台，不同类型、品牌的盾构机管理，这对于大规模建设地铁隧道的业主方尤其适用。此类系统客户端可以依托任意智能终端的浏览器，监控盾构施工状态，辅助隧道项目管理工作。由于应用程序都安装在服务器端，因此方便进行系统的升级维护。然而，对于系统某些复杂功能，如高精度的模型渲染等的实现效果不太理想。
这三类系统在不同的程度上将盾构机施工参数与地质信息集成到了盾构信息管理系统中，最大化地利用隧道建设过程中产生的数据支持施工和项目管理决策，在实际工程中取得了较好的应用效果。然而，以上信息管理系统仍然存在以下缺陷：1）未考虑到盾构隧道施工全过程的因素（地质信息，盾构机参数，施工质量、安全、成本、进度信息）；2）各类施工信息存储分散，数据关联性弱，无法发挥出信息协同的优势；3）数据可视化程度较低，不利于工程管理人员理解和使用。
鉴于此，本研究将建筑信息模型（BuildingInformationModeling，BIM）引入到盾构隧道施工信息管理中，充分利用BIM技术应用于盾构隧道施工信息管理的优势，开发了基于BIM的盾构施工数字化管控系统。依托盾构隧道BIM模型，将盾构施工全过程的海量信息汇集整合，实现各类数据的结构化存储、关联和可视化展示，在此基础上形成了BIM模型数据库，并开发了集项目管理、数据分析和施工决策支持等功能模块于一体的盾构施工信息管理系统，以实现对盾构隧道全过程施工管理的科学高效。本文将详细介绍BIM-DMSSC的研发过程和实际盾构隧道项目中的应用效果。
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2盾构施工信息管理系统开发
2.1系统框架
为促进信息共享和支持项目管理决策，本文基于盾构施工信息模型开发了盾构施工信息管理系统。鉴于B/S构架具有前端软硬件要求低，维护、升级灵活方便等优势，系统开发采用B/S架构。系统以JDK（Java开发工具包）为开发平台，以集成开发环境MyEclipse为开发工具，以Java为主要开发语言，并选择SQLServer2008为数据库。系统运行软硬件环境包括：服务器端操作系统为win7或以上版本，硬件采用四核CPU及以上，内存4G及以上，存储空间1T；客户端采用win7及以上版本，浏览器为IE8及以上版本，硬件不做特殊要求，一般PC机均可满足。本系统由3个模块组成，分别为：数据管理模块、数据可视化模块以及数据应用模块。
2.2数据管理模块
（1）模型数据导入。本系统支持第三方软件建立的3D模型导入，也提供建模工具用于直接创建。系统可以将隧道的3D模型与进度、成本等信息关联，构建基于IFC标准的盾构施工信息模型。同时，系统也提供数据转换接口，支持二次开发。（2）实时参数采集。盾构机自动采集的数据存储于盾构机的PLC里，使用光纤作为传输介质，把数据传输至地面的数据采集服务器。数据采集服务器通过专用网络将数据发送至数据中心，写入数据库加以存储，供程序调用。（3）施工日志填报。施工日志填报用于采集人工测量数据（如沉降监测、盾尾间隙、刀具磨损等）以及项目进度和管理信息。为便于数据的存储和调用，该模块采用结构化存储设计，使用WBS（WorkBreakdownStructure）将盾构隧道分解为分部分项，独立填报。
2.3数据可视化模块
（1）三维模型可视化。系统使用Unity3D作为三维模型渲染引擎，并采集工程现场照片进行贴图处理，对模型添加纹理以及选择合理的光源，增强三维场景的真实感。使用系统提供导航工具，如缩放、平移和动态观察，可以实现模型漫游。（2）可视化查询。将当前衬砌环模型与地质剖面图、推进参数记录表、同步注浆记录表、盾构姿态报表、管片姿态报表、管片拼装质量照片等文件相连接，可以实现衬砌环相关记录信息的可视化查询。通过BIM模型选中特定环后，即可通过调出菜单栏，查询各类与本环相关联的信息。（3）施工参数实时显示。盾构法施工中，对重要盾构施工参数的实时监控是保证工程顺利推进的关键。本模块用于对盾构机施工实时数据进行监控，页面集成推进、刀盘、导向、同步注浆、泥水平衡（适用于泥水平衡盾构）等四大系统的关键参数供技术人员查看。
2.4数据应用模块
基于信息管理系统存储的模型数据，本系统提供了多个数据分析工具，用于支持施工决策。用户可以在三维模型上选择相应的构件，如选择任意衬砌环，可对该环的施工时间、材料消耗和施工历史参数进行分析，选择开挖面可进行开挖面稳定分析，选择刀盘可进行刀盘刀具的管理。
结论
盾构施工信息按照隧道项目地质空间、隧道结构和盾构机三类工程实体分别获取和存储，以BIM模型为载体，IFC标准集成，实现数据可视化展示。同时，以管片环作为信息关联的基本单位，将对应时空间位置的地质参数、结构参数和盾构机参数关联，实现数据可视化查询。基于盾构数据库，本文初步研究数据对盾构隧道项目决策支持的应用，主要包括关键参数远程监控、材料消耗管理、时间统计、盾构施工记录填报等功能。本课题未来将进一步探索盾构数据的潜在应用价值并开发系统新功能，为盾构隧道作业提供更大的决策支持。
参考文献：
[1]胡向东，张庆贺.盾构推进监控数据库及动态显示系统[J].岩石力学与工程学报，2017，22（5）：834-837.
[2]周文波，胡珉.盾构隧道信息化施工智能管理系统设计及应用[J].岩石力学与工程学报，2017，23（s2）：5122-5127.
论文作者:褚小萍
论文发表刊物:《基层建设》2019年第7期
论文发表时间:2019/6/24
标签：盾构论文; 数据论文; 隧道论文; 模型论文; 参数论文; 系统论文; 信息论文; 《基层建设》2019年第7期论文;