基于BIM的地铁盾构施工信息管理

张绍聪

【摘  要】目前，地铁盾构施工技术的应用领域愈加广泛，意味着在应用地铁盾构施工技术的过程中，需要进一步做好安全风险的管理工作，确保地铁施工所有区间的安全性。

【关键词】地铁盾构;施工;信息管理

1 前言

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巫待解决的难题。

2 盾构施工信息管理的研究现状

为充分挖掘数据的潜在价值，工业界、学术界对盾构施工信息管理进行了研究并开发了相应的系统。这些系统可以分为以下三类：

2.1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口中的其他信息。

2.2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。这类系统服务于施工方项口管理，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口管理的功能。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。

2.3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。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，辅助隧道项口管理工作。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口管理决策。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。

3 盾构施工信息模型

3.1盾构隧道信息类别

在建立盾构隧道施工信息模型之前，首先要对项口涉及到的信息进行分类。盾构隧道项口按工程对象可以分为三类：盾构机（掘进设备）、地质空间（土层信息）和隧道结构（工程实体）。盾构机主要包括对其整体的几何、性能参数描述和盾构各子系统关键施工参数;隧道结构包括隧道线性设计、功能设计参数、管片环设计参数和隧道成型质量数据;地质空间则包括了土性参数、土质分层等地质信息，以及地下水位、水头及渗流等水文信息。

3.2盾构施工信息模型的建立

在对获取到的所有数据进行归类的基础上，本节分别构建地质空间模型、隧道结构模型、盾构机模型。

3.2.1地质空间

地质空间模型包括两部分：土层和地下水。土层模型通常是根据地质勘探的图纸，建立包含各土层序列的三维模型，然后为每层土指定相应的土壤和水文参数等语义信息。另外，沉降数据也将整合至土层模型的表层，建筑物和江水的三维几何数据和位置信息，可以使用GoogleEarth等地理信息采集软件，辅以人工实地勘探获取。使用可视化的模型对于沉降评估是非常有效的方法。

3.2.2隧道结构

盾构法施工的隧道结构，除了始发/接收工作井外，预制管片拼装成的隧道是结构主体，因此在建立隧道模型前，首先创建管片环模型。一环完整的管片，通常是由一块封顶块、两块邻接块和若干块标准块组成。每一环管片都与其内外径、厚度、环宽、材质等语义信息关联。

3.2.3盾构机

盾构机模型主要由盾构机头和后配套系统组成。模型的几何尺寸可以根据隧道项口进行缩放调节。盾构机从诞生发展至今，演化出了众多类型，本文所指的盾构机，以讨论最常见的土压平衡和泥水平衡盾构为主。盾构机头包括刀盘（内嵌刀具）、盾体、推进油缸、螺旋输送机（土压式）、皮带输送机（土压式）、泥水输送机（泥水式）、管片拼装机、拖车等主要部件构成。盾构机各组件与其语义信息相关联，并与盾构机实时监控数据集成，以实现施工参数在模型上的显示和报警。

3.3基于IFC标准的信息集成与共享

BIM通过统一的数据标准工业基础类（Iu-dustryFoundationClasses，IFC）对工程实体的几何、属性、语义和关系的模型化表达，并集成工程进度、质量等各类相关信息，支撑工程全生命周期的信息共享。IFC是一种开放的数据标准，对于尚未涵盖的领域，提供了多种扩展机制。IFC标准扩展到盾构隧道领域，实现了基于IFC的盾构隧道信息模型的数据表达。

4 盾构施工信息管理系统开发

4.1数据管理模块

模型数据的创建、导人、保存、管理和维护由数据管理模块负责。本系统提供了项口数据导人的三条途径，用于处理三类不同类型的信息。

4.1.1模型数据导人

本系统支持第三方软件建立的3D模型导人，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。

4.1.2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，写人数据库加以存储，供程序调用。

4.1.3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）以及项口进度和管理信息。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。

4.2数据可视化模块

数据可视化模块基于浏览器展示，并采用Silverlight插件和Unity3D分别实现客户端的交互和三维模型的渲染，增加系统的交互性和真实感。

4.3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。

5 结束语

盾构施工信息按照隧道项口地质空间、隧道結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。

（作者单位：中铁二十一局集团有限公司）