地铁项目盾构施工三维信息管理系统研究.doc

地铁项目盾构施工三维信息管理系统研究.doc

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摘要:

地铁项目盾构施工三维信息管理系统应用三维信息技术，采用数据库、人工智能、虚拟现实、网络通信以及计算机软件系统集成技术，将地铁隧道施工设计图数据与其施工现场环境资料结合建立3D模型，与施工过程中的盾构机全站仪系统数据相链接，形成一套动态的4D施工可视化的信息管理系统，实现盾构虚拟隧道及场景的漫游，沿线建构筑物位置信息提醒，盾构机位置偏差预警、报警及盾构推进状态的可追溯功能，为地铁隧道施工项目提供科学、有效的管理手段。

关键词:

盾构施工;三维信息;管理系统;虚拟现实;漫游;预警

0引言

随着国内城市轨道交通建设的快速发展，盾构法施工被广泛采用。

采用盾构法施工的隧道往往处于比较差的地质条件和复杂的周围环境下，对地铁项目施工安全风险的控制要求很高。

一方面，盾构施工安全风险控制措施主要还是加强对周围环境的监控，通过监控数据的反馈信息，进行必要的信息分析处理，用于指导盾构施工项目科学管理。

监控的过程需要采取人工测量的方式，无法做到实时动态监控，在穿越重要建构筑物时，还需要加大监测频率，防止建构筑物及地表的过大沉降，对监控人员的要求也相对较高。

另一方面，地铁盾构施工过程中，主要依靠盾构自动测量导向系统来指导盾构掘进的方向，导向系统显示的界面为二维界面，能够显示盾构的位置偏差，但是对地层条件情况及周围环境情况信息无法进行表述与显示。

如何采用三维信息技术与盾构施工管理技术相结合，将工程地质条件及工程环境条件的相关信息纳入系统化管理，是地铁项目盾构施工中重点研究的课题。

通过盾构自动测量导向系统的实时数据，开发出一套地铁盾构施工三维信息管理系统，实现盾构掘进施工过程的三维信息集中管理，通过信息系统实现三维导航功能，并对不良工程地质条件及复杂工程环境进行预警和报警，那么盾构施工管理和安全控制的能力就能得到很大提高，从而很好地保障盾构施工安全。

1项目概况

地铁项目盾构施工三维信息管理系统（以下简称“盾构三维系统”）的开发依托于南京地铁三号线TA17标盾构区间工程，该盾构区间位于南京市江宁区双龙大道下，双龙大道为通往市区的主干道，车流量大，区间需下穿洋山河、侧穿洋山河桥、任家边雨水泵房、绕越匝道桥、绕越主线桥，并且盾构左线需小净距下穿出段线主体结构，区间隧道穿越的地层有硬质粘土层，粉砂层，淤泥质粉质粘土层，区间含28‰大坡度段、300m小半径曲线段、5m厚度的浅覆土段、3m小净距盾构施工段，面对如此复杂的地面环境、地质条件及特殊地段，需要有较高的盾构施工技术水平，对盾构姿态的控制精度要求较高。

应用盾构三维系统来辅助盾构施工管理，利用盾构三维技术可以将地铁项目施工图快速生成三维模型，形象展示隧道施工全过程，对关键施工环节可以模拟预览，可以通过修正系统参数达到理想化施工方案。

通过盾构三维系统将大大提高盾构施工水平，防范盾构可能出现的安全风险。

2工作原理

盾构三维系统应用三维信息技术，采用数据库、人工智能、虚拟现实、网络通信以及计算机软件系统集成技术，将地铁隧道施工设计图数据与其施工现场环境资料建立3D信息模型集中管理，并与施工过程中的盾构机全站仪系统数据相链接，形成一套动态的4D施工可视化模拟环境的信息管理系统。

通过与盾构机自动全站仪系统的实时数据文件的解析和数据接口，实现地铁隧道施工中盾构机的智能导航和动态3D进度展示。

对盾构机施工过程的速度、精度、动态适应性和运行稳定性等提供三维动态的数据管理，实现盾构机智能导航和盾构三维形象掘进显示，为地铁盾构施工提供科学、有效的管理手段。

3系统开发的要素

地铁项目盾构施工三维信息管理系统的开发必须确保以下五个要素:

（1）基础:

将设计施工图样、地质详堪图样及周围管线、建构筑物图样集中建立信息管理，并生成相关的三维仿真模型库。

（2）核心:

通过虚拟现实技术再现工程场景及重点部位场景数据集中管理。

（3）重点:

自动采集全站仪数据，实时显示盾构机进程，通过语音、文字及3D图像等方式，对盾构机出现的偏差进行预警或报警，对需要穿越的建构筑物及时进行智能提醒。

（4）保障:

需要组建施工方案与三维仿真相匹配的信息管理系统，具备联网功能，确保系统流畅运行。

（5）环境:

建立一套与盾构机全站仪系统实时交互的数据库，为实现施工进度、关键施工参数的动态集成管理提供实时数据。

4系统模块的组建

首先，需要开发一个能够管理和维护大规模虚拟盾构施工场景的展示信息管理平台系统，实现对施工地质条件和复杂的周围环境信息、二维设计图样和建立的三维模型进行系统化管理。

其次通过信息平台的施工信息有效管理，与盾构全站仪数据的实时接口，通过灵活配置的虚拟环境，建立一套完整的地铁盾构掘进施工的信息管理系统，需要充分利用计算机技术及三维信息处理技术，主要涉及数据信息的组织、管理与表示三方面的内容，需要组建后端数据服务模块、地理信息管理模块、前端信息表示模块。

4.1后端数据服务模块

建立后端数据库模块，用于存储系统所需的空间信息和属性信息数据。

其中空间数据有二维设计图数据、三维场景模型数据、图像数据及各构件的三维模型数据。

属性数据主要包括构件的信息数据及纹理素材数据。

4.2地理信息管理模块

建立地理信息管理模块，把盾构机位置与盾构区间沿线周边环境及地质条件有机地结合起来，可进行系统化快速准确的空间定位、查询管理，还提供信息表示所需的其他服务，如三维漫游时地形数据的调度、多维信息表示时的坐标维转换等。

4.3前端信息表示模块

建立前端信息表示模块，提供用户多种信息的表示形式和用户可以进行的操作。

三维的场景图界面给用户一种身临其境的感受，系统可以在盾构机自然推进中根据全站仪系统实时数据方式自动移动和信息调用，同时提供用户浏览场景及各种构造设施和定位查询所处位置的属性数据。

二维地图反映了地形上各构筑物的位置及相互之间的地理关系，主要用于三维智能漫游的导航、快速定位漫游位置和查询构件信息等。

5系统主要功能及应用

结合盾构施工实际需求，该盾构三维系统进行了相应的开发，主要体现了将地铁盾构施工不良工程地质条件和复杂工程环境与二维的CAD设计图样等信息的集中管理，并建立全景三维仿真模型库，通过与盾构全站仪数据接口交互，实现地铁盾构掘进施工漫游功能、构筑物位置提醒功能、盾构机位置偏差预警、报警功能及盾构掘进状态可追溯功能，实现了地铁盾构施工掘进全过程的信息管理，在南京地铁三号线TA17标盾构区间工程得到了应用。

5.1盾构漫游功能

利用盾构三维系统来虚拟现实的仿真环境，当视点的位置、视向和参考方向发生改变时，场景中的物体相对于观察者的方位也发生了改变，从而产生了“动感”。

漫游过程的实质就是通过不断移动视点或改变视线方向而产生三维动画的过程，能够让系统操作者身临其境，仅需通过鼠标或键盘操作，就能够让操作者行走在仿佛已经提前建成的隧道中，并能够形象直观地看到隧道所处的地质条件及周围的环境，尤其是可以形象直观地检核设计隧道与周围建构筑物之间的相对位置关系，提前发现设计隧道与周围环境在空间位置上是否发生冲突，避免设计缺陷给施工带来的安全风险及经济损失。

利用盾构三维系统的漫游功能，在南京地铁施工现场进行了实际应用，通过操作盾构三维系统，能够随时随地进行盾构漫游功能的演示，有规律地改变视点位置、视角方向，从而能够实时在虚拟的仿真环境里行走，能够形象直观地看到隧道位置及周围建构筑物等环境，而且通过光纤传输及网路传输功能，并设置好相应的传输终端，实现了在地下隧道及地面的多个办公地点同部操作管理系统，进行盾构漫游功能操作，让管理者坐在自己的办公室也能实时了解到盾构施工相关情况，给管理者提供了极大的方便。

运用三维信息管理系统进行漫游功能操作如图1所示.

5.2沿线建构筑物位置提醒功能

通过三维信息技术将沿线重要的建构筑物位置进行了建模，并将其地理信息位置的数据储存到了三维信息管理系统的相关定位模块当中，盾构在临近及穿越这些建构筑物时，三维信息管理系统会自动调用导向系统全站仪给出的盾构机位置信息数据，与建构筑物位置信息数据进行对比、关联，自动计算出两者之间的净距，动态显示盾构与建构筑物之间的相对位置关系，并将净距以数字形式明确显示在三维信息管理系统的操作界面上，能够及时提醒操作者明了盾构所处的周围环境，方便盾构管理人员及时调整施工参数。

三维信息管理系统实时监控模式如图2所示。

5.3盾构位置偏差的预警及报警功能

三维信息管理系统对盾构全站仪进行数据解析，实时读取盾构机位置信息数据，与建立的盾构偏差设计预警值及报警值进行比较，如盾构位置偏差值超出设计预警值及报警值时，将进行相应的语音预警及报警提示，提醒操作者及时调整盾构姿态，防止盾构机位置偏差过大。

5.4盾构推进过程的可追溯功能

施工过程的可追溯性是项目管理不可缺少的手段之一，盾构三维系统通过三维信息技术处理及盾构全站仪施工数据的解析，建立了自动信息数据储存功能，能够随时对已掘进状态进行回放及施工数据导出，从而实现了盾构掘进过程的可追溯性，有利于施工数据的保存与核对，能够帮助技术管理者进行施工经验的总结。

6结语

盾构三维系统是三维信息技术、计算机技术及虚拟现实技术相结合的产物，在盾构施工领域属于创新性应用，能够实现虚拟现实隧道及场景的随意漫游、沿线建构筑物与隧道位置关系的提醒功能、盾构机位置偏差的预警及报警功能及盾构推进过程的可追溯功能。

由此，可深入研究地铁盾构施工整个过程的管理，具有可操作性强、人机交互功能，为盾构施工提供科学的理论方法和真实的历史数据，指导工程施工管理和方案优化，具有很好的经济价值和科学进步意义。