一种智能潜盾隧道施工管理方法与流程

本发明涉及隧道施工技术领域，尤其涉及一种智能潜盾隧道施工管理方法。

背景技术：

目前，潜盾隧道施工主要由结构工程师、土木工程师进行结构设计，并绘制施工图纸，之后交由工程队进行安装设置，而监督者于安装过程进行现场监督。但是，由于潜盾隧道施工作业环境与程序多变，将因为人员拆装或天气因素导致潜盾隧道施工出现非预期之移位、变形、倾倒等情况。而法规仅对于异常天气或紧急情况进行要求派人员管制，但人力无法有效即时掌握，故仍经常发生隧道涌水、倒塌导致施工人员严重伤亡情况。

实用新型专利cn205532720u公开了瓦斯突出隧道施工数字化安全管理系统，并具体公开了系统包括瓦斯监控系统、自动广播系统、视频监控系统和瓦斯流动巡查系统；瓦斯监控系统包括瓦斯监控子系统和人员定位子系统，瓦斯监控子系统通过监控分站连接有甲烷等传感器；监控分站设有用于隧道内的馈电开关控制回路的远程断电控制和馈电传感监测的断电仪；人员定位子系统人员定位和动态管理；自动广播系统的信号输入端与瓦斯监控子系统的瓦斯超限报警信号输出端和人员定位子系统的求救信号输出端连接；视频监控系统用于对施工现场进行实时监控；瓦斯流动巡查系统用于对瓦斯浓度进行流动监测。然而，此系统仅针对瓦斯情况监控，未对隧道施工过程涉及人、设备、环境、材料等多方面监测，无法避免因上述方面导致的隧道结构移位、变形、倾倒等情况。

技术实现要素：

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种智能潜盾隧道施工管理系统，可实时获取施工端的感测信号，并在云端侧进行施工流程与现场涉及布置符合性演算，能及时告警，便于施工人员做出紧急应变处理。

本发明是通过以下技术方案得以实现的：

本发明一种智能潜盾隧道施工管理方法，应用于云端系统，云端系统接收来自潜盾隧道端感测模组的信号；包括：

在潜盾隧道施工流程结束后，针对潜盾隧道端感测模组信号进行施工流程与现场设计布置符合性判定：

将潜盾隧道端感测模组信号经算法演算后获得结构变化数值；

将结构变化数值与云端资料库相对应的安全值比较，若所述结构变化数值大于所述安全值时，则判定施工流程与现场设计布置不符合，并发送警告信号；若所述结构变化数值不大于所述安全值时，则判定施工流程与现场设计布置符合，则将云端资料库的安全值更新为当前结构变化数值。

作为优选，所述云端资料库存储有基于隧道施工法规和隧道设计功能形成的隧道结构不发生移位或变形或倾倒情况的安全值。

作为优选，在进行施工流程与现场设计布置符合性判定前，根据设定的潜盾隧道施工顺序执行潜盾隧道施工流程。

作为优选，在执行潜盾隧道施工流程前，建立云端资料库。

作为优选，所述施工流程与现场设计布置符合性判定通过三角函数闭合模型算法实现:

根据潜盾隧道端感测模组信号发射位置获取潜盾隧道端感测模组的空间位置，

利用三角函数闭合模型算法演算感测模组的结构变化数值；

将结构变化数值与云端资料库相对应的安全值比较，若所述结构变化数值大于所述安全值时，则判定施工流程与现场设计布置不符合，否则施工流程与现场设计布置相符合。

作为优选，所述感测模组有多个，包括设于潜盾机、出发井、到达井、起重机、输送车、环片、施工人员、通风换气系统、螺旋输送系统、泥水加压系统、材料集中箱、隧道环境内的感测模组。

作为优选，设于所述潜盾机端的感测模组包括gps、水压计、应力计、沉陷计、设备运转检测器；

设于所述出发井端的感测模组包括gps、水压计、应力计、沉陷计、倾斜计；

设于所述到达井端的感测模组包括gps、水压计、应力计、沉陷计、倾斜计；

设于所述起重机端的感测模组包括gps、设备运转检测器；

设于所述输送车端的感测模组包括gps、设备运转检测器；

设于所述环片端的感测模组包括gps、水压计、应力计、沉陷计、倾斜计；

设于所述施工人员端的感测模组包括gps、心跳测量器；

设于所述通风换气系统端的感测模组包括gps、设备运转检测器；

设于所述螺旋输送系统端的感测模组包括gps、设备运转检测器；

设于所述泥水加压系统端的感测模组包括gps、设备运转检测器；

设于材料集中箱端的感测模组包括gps、重量计；

设于隧道环境内的感测模组包括二氧化碳检测器、一氧化碳检测器、氰化氢检测器、可燃气体检测器、温度检测器、湿度检测器。

作为优选，所述感测模组通过zigbee或wirelesshart或isa100.11a或wi-fi或bluetooth发送信号给云端系统。

作为优选，判定施工流程与现场设计布置不符合时，将警告信号通过智能端app或现场显示屏或移动端短信或现场广播或现场警报器或现场警示灯发送。

本发明具有以下有益效果：

本发明一种智能潜盾隧道施工管理系统，利用各种结构，定位及感测模组，实时获取感测信号，送达云端系统进行符合性演算。将可获得的连续结构变化数值与安全性值比较，即将结构变化值与安全值比较，比较判断结果作为潜盾隧道施工预防性管理判定用，可有效防止潜盾隧道施工移位、变形、倾倒之人员伤亡情况发生，让所有施工人员安心工作，达成高品质快速的潜盾隧道施工作业。

附图说明

图1为本发明一种智能潜盾隧道施工管理方法的流程图；

图2为设置感测模块的潜盾隧道的侧视图；

图3为设置感测模块的潜盾隧道的剖视图；

图4为基于三角函数闭合模型算法构建的运算架构；

图5为采用三角函数闭合模型运算的计算示例原理图。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

本发明智能潜盾隧道施工管理通过设置于潜盾隧道端的各个感测模组和云端系统实现。所述感测模组可通过zigbee或wirelesshart或isa100.11a或wi-fi或bluetooth发送信号给云端系统，由云端系统实时监测、演算、判定隧道施工进程中存在的问题。

图1示出了一种智能潜盾隧道施工管理方法，包括：

在潜盾隧道施工流程结束后，针对潜盾隧道端感测模组信号进行施工流程与现场设计布置符合性判定：

将潜盾隧道端感测模组信号经算法演算后获得结构变化数值；

将结构变化数值与云端资料库相对应的安全值比较，若所述结构变化数值大于所述安全值时，则判定施工流程与现场设计布置不符合，并发送警告信号；若所述结构变化数值不大于所述安全值时，则判定施工流程与现场设计布置符合，则将云端资料库的安全值更新为当前结构变化数值。

其中，所述云端资料库存储有基于隧道施工法规和隧道设计功能形成的隧道结构不发生移位或变形或倾倒情况的安全值。所述云端资料库可预先设定，通过在云端系统端输入设计所需遵循的法规和隧道设计功能形成。如在云端系统预存有各类设计法规，由设计者通过云端系统搜索获取待设计隧道设计所需法规；云端系统还提供隧道设计功能输入端，设计功能分为隧道直径、结构材料强度、材料种类、隧道四周应力值、施工材料所需养护时间等，设计者通过云端系统输入待设计隧道所需功能。云端系统在确认设计法规和隧道设计功能后，形成相关结构安全值。为此，方法还包括：在执行潜盾隧道施工流程前，建立云端资料库。

由于施工流程有一定顺序，一般根据法规规定有标准流程，则默认潜盾隧道施工流程按照标准流程执行。若根据不同施工环境进行针对性改变施工流程顺序，本发明方法还包括：在进行施工流程与现场设计布置符合性判定前，根据设定的潜盾隧道施工顺序执行潜盾隧道施工流程。也就是说，云端系统提供潜盾施工程序输入端，以便设计者根据特定施工环境设定不同顺序的施工流程，之后隧道施工实施，感测模组启动并发送感测信号给云端系统。

图2、3示出了设置感测模块的潜盾隧道的结构示意图。潜盾隧道施工系统包括达到井、出发井、设于井外的固定式起重机、施工作业用的潜盾机、施工人员。根据该系统，感测模组设置多个，包括设于潜盾机、出发井、到达井、起重机、输送车、环片、施工人员、通风换气系统、螺旋输送系统、泥水加压系统、材料集中箱、隧道环境内的感测模组。所述感测模块可以各自发送信号给云端系统，也可以将其中一个感测模块作为主传送模块，主要由其传送信号给云端系统。

具体地，设于所述潜盾机端的感测模组包括gps、水压计、应力计、沉陷计、设备运转检测器，利用潜盾机端gps检测潜盾机的空间位置，潜盾机会随着施工进展发生不同位移。所述潜盾机端的水压计用于检测潜盾机周侧水压状况。所述潜盾机端的应力计用于检测潜盾机周侧应力状况。所述潜盾机端的沉陷计用于检测潜盾机周侧沉陷状况。所述潜盾机端的设备运转检测器用于检测潜盾机内部运转结构是否正常运行，如检测马达是否工作。

设于所述出发井端的感测模组包括gps、水压计、应力计、沉陷计、倾斜计。所述出发井端的gps用于检测出发井的空间位置。所述出发井端的水压计、应力计、沉陷计、倾斜计分别用于检测出发井周侧的水压、应力、沉陷、倾斜状况。

设于所述到达井端的感测模组包括gps、水压计、应力计、沉陷计、倾斜计。所述达到井端的gps用于检测到达井的空间位置。所述到达井端的水压计、应力计、沉陷计、倾斜计分别用于检测到达井周侧的水压、应力、沉陷、倾斜状况。

设于所述起重机端的感测模组包括gps、设备运转检测器。所述起重机端的gps用于检测起重机的空间位置。所述起重机端的设备运转检测器用于检测起重机运转情况，如检测起重机是否正常工作。

设于所述输送车端的感测模组包括gps、设备运转检测器。所述输送车端的gps用于检测输送车的空间位置。所述输送车端的设备运转检测器用于检测输送车的运转情况，如检测输送车是否正常通行。

设于所述环片端的感测模组包括gps、水压计、应力计、沉陷计、倾斜计。在隧道施工利用现场浇筑法实施时，不设置设于所述环片端的感测模组。在利用环片施工时，则需要设置设于环片端的感测模组。所述环片端的gps用于检测环片的空间位置。所述环片端的水压计、应力计、沉陷计、倾斜分别用于检测环片周侧的水压、应力、沉陷、倾斜状况。

设于所述施工人员端的感测模组包括gps、心跳测量器。gps、心跳测量器通过设置于安全帽、工作服上来监测每个施工人员的空间位置和施工人员的生命状态。

设于所述通风换气系统端的感测模组包括gps、设备运转检测器。通风换气系统端的gps用于检测通风换气系统的空间位置。通风换气系统端的设备运转检测器用于检测通风换气系统运转情况，如通风换气系统是否正常运行。

设于所述螺旋输送系统端的感测模组包括gps、设备运转检测器。所述螺旋输送系统端的gps用于检测螺旋输送系统的空间位置。所述螺旋输送系统端的设备运转检测器用于检测螺旋输送系统运转情况，如螺旋输送机是否正常运行。

设于所述泥水加压系统端的感测模组包括gps、设备运转检测器。所述泥水加压系统端的gps用于检测泥水加压系统的空间位置。所述泥水加压系统端的设备运转检测器用于检测泥水加压系统的运转情况，如泥水加压设备是否正常运行。

设于材料集中箱端的感测模组包括gps、重量计。材料集中箱端的gps用于检测材料集中箱的空间位置。材料集中箱端的重量计用于检测材料集中箱的重量。

设于隧道环境内的感测模组包括二氧化碳检测器、一氧化碳检测器、氰化氢检测器、可燃气体检测器、温度检测器、湿度检测器，分别用于检测隧道内二氧化碳浓度、一氧化碳浓度、氰化氢浓度、可燃气体浓度、温度、湿度。

图2、3中以黑色原点标注了各感测模块设置的空间位置。云端系统受到感测模块信号后，所述施工流程与现场设计布置符合性判定通过算法实现，如通过三角函数闭合模型或模糊或基因或退火或遗传或粒子群或蚁群算法说进行演算判定。下文以三角函数闭合模型为例，进行说明。

所述施工流程与现场设计布置符合性判定通过三角函数闭合模型实现：

根据潜盾隧道端感测模组信号发射位置获取潜盾隧道端感测模组的空间位置，利用三角函数闭合模型算法演算感测模组的结构变化数值；

将结构变化数值与云端资料库相对应的安全值比较，若所述结构变化数值大于所述安全值时，则判定施工流程与现场设计布置不符合，否则施工流程与现场设计布置相符合。

图4示出了基于三角函数闭合模型算法构建的运算架构。图中d表示为两个感测模块端距离，θ为夹角。以潜盾机、出发井、起重机构建的三角形为例。出发井与潜盾机之间距离为d。出发井与潜盾机连线，以及出发井与起重机连线，两者连线之间夹角为θ。值得注意的是，图中表示的d和θ并不相同，仅为构建运算架构所作的标识，实质上不是每个d相同，每个θ相同。且图中未表示夹角、距离部分，事实上也需要知道夹角、距离参数。图4仅做架构示意说明。

参加图5，设面积为s，则面积可采用海伦公式计算。其中，abcd各点代表各设备点,亦可为设备之各元件位置点,当各设备或元件不正常位移时，面积s将发生变化，而此不正常位移就是过大压力或形变或倾斜造成，所以本系统可以直接以前述压力值、形变值及倾斜值进行比对判断，也可以根据角度θ及距离d（如图中表示的a，b，c，d边长）持续变动作为判断依据，也可以是前述各单一测量值与演算后之值进行综合比对的判断结构。若针对潜盾机检测，a、b、c、d代表千斤顶、旋转接头、注浆管、泥浆注浆口，感测模块对应设于这四处。正常情况下，千斤顶、旋转接头、注浆管、泥浆注浆口处于特定位置，当有损坏或遭到拆除时，可运用面积计算方式获得不正常信号判断依据。

云端系统预存有用于获取各结构变化值的运算边程，根据检测结构不同，运算边程不同。现以土压力计算为例：

a．垂直土压力计算

考虑全覆盖土压力情形：浅覆盖砂质涂层

:垂直土压力()

(a),

(b),

(m)

其中，：松动区高度(m)；：一般；：土壤内摩擦力(度)；c：土壤凝聚力()；：土壤单位体积重量()。

b．水平土压力计算

作用于环片两侧水平方向等分布载重，其大小是根据垂直土压力乘以侧向土压系数得到。

其中，

：衬砌环片顶拱中心水平土压力()；

：衬砌环片底部环片中心之水平土压力()；

：侧向土压系数；

：衬砌环片外径(m)；

a：环片内径中心半径(m)。

依据前述运算方法建立云端运算边程,若求得土压力值为5t/m²(若不考虑水压力),若管理者设定当压力值大于4.8t/m²为不符合,则实际压力感测器获得压力值为4.7t/m²时,系统不会判定为不符合,系统持续正常运作,当压力值为4.9t/m²时,则运算判定为不符合,系统进行警报/显示/或回授控制使潜盾运转设备停止或减速,但安全维生设备则启动。

在判定施工流程与现场设计布置不符合时，将警告信号通过智能端app或现场显示屏或移动端短信或现场广播或现场警报器或现场警示灯发送。这样现场监督人员能实时查看，及时采取救援、排除险情等紧急应变处理措施。如发生火灾，爆炸，人员晕倒，人员未离场，机器设备材料异常快速移动等情况时，云端系统可立即，约1秒~10000秒，透过前述方法通知监督人员、有关作业人员及有关抢救单位。

本领域的技术人员应理解，上述描述及附图中所示的本发明的实施例只作为举例而并不限制本发明。本发明的目的已经完整有效地实现。本发明的功能及结构原理已在实施例中展示和说明，在没有背离所述原理下，本发明的实施方式可以有任何变形或修改。