地下工程水文地质条件往往十分复杂，使得施工风险极高。近年来，我国进入地铁建设高峰期。地铁联络通道往往采用冻结法施工，以上海为例，98%的联络通道采用了冻结法施工[1]。但由于传统冻结法施工存在参数控制对经验依赖性大、缺乏理论支持与依据、数据获取不及时、风险预警滞后等问题，致使冻结法施工事故时有发生。如采用冻结法施工的上海地铁4号线联络通道，发生了坍塌、涌水事故，造成严重后果。如何及时获取施工参数，成为冻结法施工难点。随着BIM、IOT信息技术的发展，为解决上述难点提供了可能。

4.应有落地问题上的挑战。工信部信息中心此前发布的《2018年中国区块链产业白皮书》显示，截至2018年3月底，我国以区块链为主营业务的区块链公司数量已超过450家，中国区块链产业初步形成规模。但这其中大部分的项目无法落地。

地铁联络通道施工环境复杂，施工难度大；特别是跨江越海等富水隧道，在高承压水下，施工难度更大，风险更高，易发生坍塌、涌水、涌砂等事故。冻结法施工事故的发生除施工环境复杂、周期长、工程隐蔽性大等客观原因外，更主要的原因是冻结温度、应变等数据监测不及时，且对施工经验依赖性大，仅施工经验丰富的工程师能识别数据是否异常，必然会导致风险评估、预警滞后，致使事故发生。上述问题是冻结法施工亟需解决的。将BIM与IOT技术应用到冻结法施工中，通过IOT技术，完成冻土温度、冻胀力、应变等参数的实时感知、传输；结合BIM模型，实现施工现场空间位置信息、施工状态三维可视化及风险提前预警，进而有效指导施工，最终实现冻结法施工实时控制。基于此，提出了集成BIM和IOT技术的冻结法施工实时控制系统设计。

某矿井田东西走向长约8 km，南北宽约5 km，井田面积36.61 km2，可采煤层4层，煤层倾角5°～12°，煤层平均间距20～80 m，煤层埋深较深，平均480～550 m。根据煤层赋存、储量和地质条件，以两个水平开采井田内煤层，设计生产能力3 Mt/a。矿井设计的原则须要投资少，生产费用少，压煤少，不迁村庄。经过分析后，通过可行性较大的方案，斟酌选择方案，经技术经济综合比较分析后确定。

1 集成BIM和IOT技术的冻结法地铁隧道施工实时控制

1.1 冻结法信息化施工研究与进展

为确保冻结法施工安全，冻结温度、应变等参数均需实时监测、分析、反馈和预警等。因此，需要在传统冻结法施工的基础上，引入信息技术，实现冻结法施工信息化。集成BIM与IOT技术冻结法信息化施工，能有效解决冻结法施工在数据采集、风险呈现等方面的问题。信息化施工特别适用于施工环境复杂、施工难度大、危险性高的工程。冻结法信息化施工已在工程实践中，取得了良好的效果。如Weng-Fong Cheung等[2]将无线传感网络与BIM技术应用于台湾捷运隧道，实现了信息实时监测和可视化显示。但迄今为止，尚未见有应用集成BIM与IOT技术来解决冻结法施工中上述问题的报道。因此，如何将集成BIM与IOT技术应用于冻结法施工，显得十分重要。

(3)位移监测。为防止施工过程中变形过大，对管片造成损坏，需对管片变形进行监测。如图3所示，在隧道内设置一定数量的监测断面，通过在隧道管片上布置FBG位移传感器，来监测管片拱顶沉降、水平位移和净空收敛。

1.2 IOT、BIM技术在地铁联络通道冻结法施工中的应用

IOT是在互联网的基础上，利用射频识别、无线数据通信等技术，实现人物互联、物物互联和智能化识别与管理。冻结法施工是个动态变化的过程，没有准确、实时的监测数据，施工安全将无法得到保障[3]。为解决冻结法施工中的数据监测、信息传输不及时问题，在施工中，应用IOT技术，利用布置在施工现场的各类传感器，完成冻土温度、冻胀力、应变等参数的实时监测；利用数据通信技术，完成施工数据、信息的实时传输。冻结法施工中，需要实时、准确监测盐水温度、冻土温度、冻胀力[4]等参数。因此，传感器选用至关重要。相较于目前地铁隧道施工监测常用的电阻式、钢弦式、电感式等传感器，光纤布拉格光栅(FBG)传感器具有布设方便、抗干扰能力强、耐久性好、精度高等优点[5]，能够适应联络通道高水压、低温和施工周期长等特点。因此，选用FBG温度传感器来监测盐水温度、冻土温度，FBG压力传感器来监测冻胀力，FBG位移传感器来监测管片拱顶沉降、水平位移。另外，考虑到地铁隧道数据需远距离传输，有线数据传输网络布线困难、成本高，采用无线传感网络来进行数据传输。

(4)冻胀力监测。土体冻结会出现冻胀现象，产生冻胀力，对结构安全造成影响。采用FBG压力传感器来监测冻胀力，主要监测管片外表所受的冻胀力。

  

图1 联络通道冻结法施工的BIM模型

(1)盐水温度监测。盐水温度直接影响着冻结土体温度。如图1所示，通过预埋在去、回路盐水管路上的温度传感器来监测盐水温度，如有异常，可及时采取应对措施，避免事故发生。

该系统框架包括IOT和BIM两大部分。IOT技术用来实现对冻结法施工数据的采集、传输；BIM作为动态数据库载体，同时将数值分析结果三维可视化显示，提高风险预警、施工管理效率。根据冻结法施工过程，将冻结法施工实时控制系统进一步细分为数据监测、冻结参数数据库、数值分析、BIM模型4个模块，如图4所示。

经脱氧后的海水进入增压泵，被增压到3300 kPa使海水的压力满足注水泵的吸入压力。一部分进入注水泵进一步增压后作为油田注水水注入地层，另一部分输送至合作平台纳滤系统进一步处理，处理之后的海水输送至下游油田注水系统[2]。油田注水设备及设计处理量见表2。

平时，销售经理只与下属的二批商有感情上的联络，对于其他终端网点很少去拜访。在没有建立健全的数据库的情况下，对于员工跳槽后带走许多终端客户束手无策也就不足为奇了。

  

图2 土体冻结效果监测示意

油脂在高温有氧的条件下会发生一系列化学反应，反应所生成的挥发性产物和非挥发性产物对油脂的风味和品质有着重要影响。油脂的品质，如酸值、过氧化值、脂肪酸组成以及抗氧化性都与其烘烤程度有着密切联系。本实验以猪油为对照，研究不同的烘焙温度和循环加热次数条件对黄油的理化特性及营养成分变化，为天然乳脂部分以及全部替代烘焙食品中的人造奶油、起酥油以及棕榈油提供理论依据。

  

图3 位移监测示意

另一方面，冻结法施工实时控制还要解决信息存储、分析、呈现、预警等问题。BIM技术为解决冻结法施工状态、空间位置呈现不直观等问题提供了技术工具。基于BIM技术，建立冻结法施工实时控制平台，将BIM模型作为冻结参数数据库载体；同时以BIM模型为载体，将监测数据、施工风险、场地空间位置信息可视化呈现，为风险应对、事故救援提供精准定位，三维、直观呈现冻结法施工状态，为实现冻结法施工实时控制提供了可能。应用BIM技术，首先要建立联络通道冻结法施工的BIM模型。国内外实践证明，Bentley软件在地铁隧道建模上，具有显著的优越性。笔者用Bentley AECOsim Building Designer V8i (SELECTseries 6)来建立地铁联络通道冻结法施工的BIM模型，模型包括地铁隧道上下行线、联络通道、泵房、冻结管以及各种传感器布置位置及其监测内容等，如图1所示。监测内容及传感器布置如下所述：

2 冻结法施工实时控制系统设计

2.1 框架构思

(2)土体冻结效果监测。为防止冻结帷幕变形过大或渗漏造成结构损坏，需监测土体冻结效果，来判断冻结帷幕形成质量。如图2所示，通过预埋在测温孔中不同深度处的FBG传感器，来监测冻结土体温度、应变情况，为冻结参数调整提供支持[6]。

  

图4 功能模块框架示意

在图4所示的系统中，数据监测模块通过施工现场的各类传感器，完成盐水温度、冻结土体温度、冻胀力等参数的实时监测；并通过无线传感网络，将数据传输、存储到冻结参数数据库。

BIM模型作为冻结参数数据库载体，同时通过BIM模型三维可视化数值分析模块，完成温度场、应变等热力学分析、数据监测模块中传感器的布置等；并根据热力学分析结果，指导冻结设备对施工参数做出调整，达到冻结法施工实时控制的目的。

2.2 框架设计

集成IOT与BIM技术的冻结法施工实时控制系统框架由感知层、传输层、应用层与显示层4部分组成，如图5所示。

  

图5 系统结构

传输层是连接感知层与应用层的环节。传输层主要有中间层服务器组成，通过网络，接收来自感知层的数据；同时将接收的数据实时发送到应用层。地铁隧道施工环境复杂，不利于数据传输，为了确保传输层中设备不受复杂环境的影响，顺利完成数据传输，设计基于ZigBee和GPRS(general packet radio service)技术的无线传感网络，进行数据采集、传输[9]。ZigBee无线传感网络由传感器、数据采集节点和网络协调器节点组成。现场FBG传感器监测到的数据通过ZigBee技术，发送到附近的数据采集节点，然后发送至网络协调器节点，经协议封装后，发送到GPRS网络；再通过GPRS网络，发送到监控中心，实现数据的远程、实时、动态传输。其中，数据采集节点负责收集FBG传感器监测数据；网络协调器节点负责ZigBee网络的组建、管理，以及与数据采集节点、GPRS网络的数据交互。

感知层是整个系统的基础与关键环节，用来实时、动态感知被监测区域内的施工数据。感知层是IOT技术的底层。若无感知层获取的及时、准确的数据信息，后续各层均将出错或失效。感知层主要设备包括传感器和数据采集节点。土体冻结效果监测如图2所示，将FBG传感器布置在冻结管内指定位置，用来监测土体冻结温度和冻结管应变；同时为监测不同深度处的温度、应变，在冻结管内，每隔1.5～2.0 m，布置1个FBG传感器[7]。考虑到冻胀融沉可能引起既有隧道与联络通道间的不均匀沉降，冻结土体对既有隧道的影响主要是以联络通道中心线为中心的圆形区域，将FBG传感器固定于管片的注浆孔或吊装孔位置，监测隧道结构的应变情况[8]。数据采集节点负责收集各类FBG传感器监测的数据，并实时发送到传输层。

应用层是在计算技术支撑下，对数据实时分析、处理。在地铁联络通道冻结法施工中，应用层一般以ANSYS等数值分析软件、数据挖掘、融合技术为主，分析、处理由传输层发送的冻结参数，得出冻土帷幕发展状态(具体包括冻结温度场，冻土帷幕平均温度、厚度、发展速度、结构受力状态，隧道拱顶沉降、净空收敛等参数的变化规律)，并预测其变化趋势。

由表5看出，本文计算结果与实际值相对误差为10.7%，可靠性较好，能满足工程要求，除北京经验公式外，其他公式计算结果与实际值相差较大，因其他经验公式中参数取值较为保守，且未考虑卸荷拱效应；北京经验公式计算结果与实际值相对误差最小，因邯郸磁县地区与北京同属华北地区，土层条件相似，所以计算结果相对接近。计算结果与实际值较为接近。

显示层是将应用层数据分析、处理的结果等信息匹配到BIM模型中，并对模型相应位置进行标识。同时，利用BIM模型可视化、模型信息关联等特点，将冻结法施工中的盐水温度场、冻土温度场、位移等参数三维可视化显示，实时、动态呈现冻结法施工状态，使管理人员能够直观、快速了解施工实时状况。若监测数据或施工状态出现异常，通过BIM模型，三维直观呈现施工风险。如通过BIM模型中组件颜色变化来表示冻结法施工是否异常，然后将风险信息通过无线网线，实时、自动发送到施工现场，以便现场施工人员根据风险状况，及时采取应对措施。如图6所示，当FBG传感器监测到的位移、盐水温度中单个数据大于阈值，或者冻土温度场中数据经应用层处理后，显示冻土帷幕变形大于阈值，相应的BIM模型组件颜色变红，则表示冻结法施工存在风险，并发出风险预警；技术人员据此采取风险应对措施，可避免事故发生。阈值需工程技术人员根据工程实际情况，同时参照类似工程经验设定。

  

图6 风险预警示意

2.3 联络通道冻结法施工实时控制系统组件布置

如图7所示，将施工现场分为隧道、竖井和地面监控中心3部分。冻结孔布置以隧道内水平冻结加固土体为原则。即在隧道上、下行线两侧，利用水平孔和倾斜孔，冻结加固联络通道及泵房外围土体。FBG温度传感器布置在位于隧道两侧的测温孔内不同深度处，监测冻结帷幕范围内不同部位的温度发展状况。由于联络通道冻结法施工监测数据较多，ZigBee无线传感网络布置采用网络连接简单、扩展性好的星型拓扑结构，网络协调器节点布置的依据为无线节点通信距离。网络协调器对数据协议封装后，通过GPRS网络，传输到远程监控中心。监控中心服务器端由冻结参数数据库服务器和监控服务器组成，监控服务器负责数据的收发、分析、显示。采用BIM模型，实时显示冻结法施工状态；若出现异常现象，则系统将异常情况通过无线传输网络，实时反馈到施工现场，并触发现场警报器，发出异常情况警报，实现地铁联络通道冻结法施工数据实时化采集、传输和自动化预警。

  

图7 系统组件布置示意

3 结 语

跨江越海等高压、富水复杂地质条件的出现，不仅使冻结法施工重新受到工程界重视，也使得冻结法施工难度越来越大，风险越来越高。

本文论证了集成BIM与IOT技术应用于冻结法施工实时控制的可行性，尝试探讨利用这2项技术来解决冻结法施工控制难题，即利用IOT技术来实现温度、应变等数据的实时感知、远距离传输，利用BIM技术来实现施工状态、空间位置等信息的可视化显示，并设计了集成BIM与IOT技术冻结法施工实时控制系统框架。建立了联络通道BIM模型，设计了冻结法施工实时控制系统结构。对如何将BIM、IOT技术集成应用于冻结法施工实时控制领域作了研究。下一步将以此为基础，在地铁联络通道冻结法施工中，进行具体实施。

参考文献：

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[2] Cheung W F,Lin T H,Lin Y C.A Real-Time Construction Safety Monitoring System for Hazardous Gas Integrating Wireless Sensor Network and Building Information Modeling Technologies[J]. Sensors,2018,18(2):436.

[3] 姜 波，胡向东，吴 滔.人工地层冻结信息化施工工法简述[J].西部探矿工程，2005(S1)：3-4.

[4] 胡向东.复兴东路隧道联络通道冻结工程的信息化施工[A].中国岩石力学与工程学会.第九届全国岩石力学与工程学术大会论文集[C].北京：科学出版社，2006：513-517.

[5] 赵 勇，王 敏，高文旗，等.分布式光纤传感新技术在盾构隧道结构变形监测中的应用[J].公路，2017，62(7)：326-329.

[6] Ding L Y,Yu H L,Li H,et al.Safety risk identification system for metro construction on the basis of construction drawings[J].Automation in Construction,2012,27(11):120-137.

[7] 丁烈云，周 诚，叶肖伟，等.长江地铁联络通道施工安全风险实时感知预警研究[J].土木工程学报，2013，46(7)：141-150.

[8] 许黎明，陈晓坚，彭正勇，等.海底隧道联络通道冻结法施工健康监测技术研究[J].隧道建设(中英文)，2018，38(2)：295-299.

[9] 张振海，党建武，闵永智.基于无线传感网的铁路隧道环境无线监测系统设计[J].兰州交通大学学报，2014，33(4)：40-44.