盾构隧道管片预制智能化控制技术

MODERNTUNNELLINGTECHNOLOGY

现代隧道技术

盾构隧道管片预制智能化控制技术

DOI:10.13807/.2020.06.005

文章编号：1009-6582（2020）06-0036-10

盾构隧道管片预制智能化控制技术

蔡清程

（中交三航局厦门分公司，厦门361006）

摘要针对盾构隧道管片预制的工艺流程特点，文章应用现代“物联网”信息技术，建立管片“物联网”平台，

通过射频识别（RFID）、二维码、传感器、扫描器、智能一体机等信息传感设备，开发盾构隧道管片预制管理系统，实

现对管片生产全过程质量及生产信息数据的实时采集和优化分析；同时应用工业PLC等程控仪器将管片自动化生

产设备与管片物联网信息平台相融合，通过平台的大数据分析和优化技术实现对管片生产和设备的最优控制，使管

片生产具有智能化、数字化的特点。该技术的研究及应用将对管片预制生产管理及质量控制水平的提升产生积极

深远的影响。

关键词盾构隧道管片预制物联网信息化智能化

中图分类号：U455.43文献标识码：A

1引言

等信息传感设备，按约定的协议将管片与互联网相

连接，进行信息交换和通讯，以实现对管片生产全过

程的智能化识别、定位、控制、监控和管理。

在管片“物联网”管理平台下，实现对管片生产

全过程质量及生产信息数据的实时采集、存储和优

化分析，并作出相应决策和控制；另外将自动化设

备，如自动化流水生产线、温控设备、混凝土生产设

备以及钢筋加工设备等融入到该平台中，实现对这

些自动化设备的分散控制、集中管理，最大限度地提

高其生产效率，降低人工使用量。

2.1管片“物联网”的组成

管片“物联网”网络架构由感知层、网络层和应

用层组成（图1）。管片“物联网”核心是这三个层次

的建立，具体包含了软件系统架构设计（图2）和硬

件系统架构设计（图3）两大部分。

感知层利用各种传感器、微机电系统以及嵌入

式系统实现对管片生产全过程的感知识别、信息采

集处理和自动控制，并通过通信模块将管片的各种

传统管理模式下，管片生产通常是现场操作人

员一边生产一边手工录入当前的生产状况。隐蔽工

程等关键工序的验收依赖验收人员的综合素质及能

力，且验收信息不对称，各层级管理人员和相关部门

无法及时确切地了解生产过程中的各道工序信息，

无法做到实时监控。而且，在质量追溯时，很难快

速、准确地追溯到个人，造成责任不明确。

因此，管片的预制虽然实现了工厂化生产和部

分自动化作业，但并未形成智能化控制。取而代之

的应该是一种更先进、更科学、更严格的基于信息化

2]

技术的生产管理模式

[1，

，从而实现对管片预制生产

的智能化控制和全生命周期的信息化管理

[3]

。

2智能化控制总体方案

应用现代“物联网”信息技术，建设管片“物联

网”平台

[4]

，开发盾构隧道管片预制管理系统

[5]

。通

[6]

过射频识别（RFID）

、传感器、扫描器、智能一体机

修改稿返回日期：2019-11-01

作者简介：蔡清程（1975-），男，高级工程师，主要从事装配式预制构件的研究工作，

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第57卷第6期(总第395期),2020年12月出版

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网交互，保证数据的安全性和通用性。

应用层是管片“物联网”和生产管理者的接口。

通过各种应用软件的开发建立，对管片生产全过程

的信息进行处理、云计算以及网络管理等各种应用

集成，使生产管理者可以非常方便地实时监控管片

生产各环节的动态、查询管片的各种质量数据，并利

用软件程序来制约和规范现场操作人员的工作行

为，以及其它各种专属化定制的应用需求。通过应

用层，实现管片“物联网”的智能应用，实时监控和记

图1管片“物联网”网络架构

Fig.1ArchitectureofthesegmentIoT

录管片生产过程中的操作者、材料、设备，直至管片

预制完成以及后期管片的运输安装。

2.2平面布置

管片预制主要集中在钢筋骨架制作车间和流水

生产线车间这两大区域，这两大区域是管片智能化

生产控制的关键点。以中央智能控制室为核心，在

智控室布置服务器、电脑终端及大屏显示器；在钢筋

骨架制作车间布置钢筋骨架建档智能一体机；在流

水生产线车间布置考勤及工序管理智能一体机、管

片标识管理智能一体机、RFID固定读写设备以及智

能温控设备，见图4。

从图4可以看出，在整个流水生产线车间布置

了智能温控系统，从管片混凝土的浇注、蒸养、脱模、

起吊、进水池全程进行温度及湿度养护控制；其次在

图2软件系统

Fig.2Softwaresystem

浇注线和养护线处分别布置了RFID固定读卡终端

设备，在脱模工位附近安装管片标识管理智能一体

机；在流水生产线车间入口处安装考勤及工序管理

智能一体机。

因此，该流水生产线除了自身所包含的PLC自

动化控制系统以外，还嵌入了管片“物联网”信息管

生产数据传送到网络层。

网络层主要实现信息的传递、路由和控制。建

立管片生产专用局域网，数据通过处理后才能与外

图3硬件系统

Fig.3Hardwaresystem

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图4平面布置

Fig.4Planelayout

理系统中的智能温度控制系统、RFID处理系统、混

凝土生产系统、管片标识管理系统和身份备案及验

证系统，从而实现对管片生产和设备的最优控制。

2.3工艺流程

管片“物联网”管理平台下的预制工艺流程增添

了许多新的元素，如手持机读卡、自动读卡、手机扫

码、试验等报告扫描存储等。管片预制工艺流程见

图5。

3

3.1盾构管片预制管理系统

管片“物联网”管理平台即盾构隧道管片预制管

理系统，是管片预制智能化控制技术的集中体现。

该系统开发了包含“数据采集”、“验收”、“生产”、“试

验”等10个主菜单及77个子菜单（图6）。由图2可

知，该系统由建档系统、RFID系统、身份验证

[7]

及备

案系统、混凝土生产系统、智能温控系统、标识系统

以及扫码处理系统这7大实施系统组成。

关键技术

图6系统界面

Fig.6Systeminterface

通过该系统的应用实现对自动化设备的智能控

制；质量远程实时监控和信息的采集、追踪、分析处

理与共享，实现质量的动态监管和过程强化管理；同

时可在系统中迅速进行各种质量数据和责任主体的

查询。

图5工艺流程

Fig.5Processflow

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3.1.1建档系统

该系统由管片初始化建档、管片档案查询、人员

身份备案、管片骨架统计表这4个模块组成，通过布

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置于钢筋车间内的管片建档智能一体机实现这四大功

能。管片建档智能一体机由主机、触摸屏、网线、读卡

器、标签打印机、人脸识别机、指纹识别机组成，见图7。

图7建档一体机

Fig.7FilingAIOmachine

（1）所有从事钢筋加工与成型的人员在上岗

前，都应当在建档智能一体机上进行人员的身份备

案，采集个人的人脸信息及指纹信息。

（2）当骨架完成后，操作人员根据自己所制作

的钢筋骨架的类型（PI，PII，PIII）、管片分块号（L1，

L2

前，

，

智能一体机会对该人员的身份进行验证，

B，F）在智能一体机上进行相应的选择（选择之

只有在

系统备案过的人员才有权进行操作），选择完成后智

能一体机将自动为该管片分配钢筋骨架号、管片身

份号（即标识牌序号）及相关联的RFID芯片。同时

智能一体机将弹出可视标签打印预览图，在预览图上

显示了制作人员、管片类型、分块号、制作时间等，确

认无误后方可打印标签，并将标签整齐地贴在RFID

标识牌上，最后将标识牌悬挂在所制作的骨架上。

（3）通过该系统“管片档案查询”和“管片骨架

统计”，可以迅速地查询管片骨架的制作信息、验收

信息，以及某个时间段内所生产的钢筋骨架的统计

信息，见图8。

图8钢筋骨架查询

Fig.8Inquiryofreinforcementcages

MODERN

现代

TUNNELLING

隧道

TECHNOLOGY

技术

3.1.2

RFID

RFID

处理系统的核心是

系统

整个管片的预制流程。它的应用实现了在管片

RFID技术，其贯穿于

“物

联网”平台下管片的智能识别、信息的采集处理甚至

是自动控制等功能。

该系统由超高频抗金属芯片、手持移动读写终

端、信息采集固定终端、管片建档智能一体机和管片

标识管理智能一体机组成，这些终端和一体机均可

通过无线WIFI、3G或有限局域网与盾构管片预制

管理系统数据库相连，实现信息的互联和共享

[8]

。

（1）从管片钢筋骨架形成开始即通过管片建档

智能一体机为管片建立初始的档案，智能一体机自

动产生唯一标识号和该钢筋骨架的可视标签，并匹

配RFID芯片（该标签粘贴在芯片牌上，标签上记录

了管片钢筋骨架的基本信息，见图9），将芯片外挂

在骨架上；在骨架进入模具后，将芯片悬挂在模具的

外侧（图10）；

图9钢筋骨架标识

Fig.9Reinforcementcagesignboard

图10挂牌标识

Fig.10Hangtag

（2）随模具在流水线上的推进，质检员采用移

动手持读卡终端完成对管片的隐蔽验收。而布置于

混凝土浇注室一侧和管片预蒸养区域前的RFID信

息采集固定终端可完成对管片的质量信息、位置信

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成。该系统可实现对所有参与管片预制作业的施工

操作者和技术人员的人脸、指纹信息的采集以及上

岗所从事的工序进行备案登记；在每班上岗操作之

前均须要进行人员的身份验证，以确定这个班管片

预制的每道工序是由哪些具体的操作者所完成的，

从而实现对管片预制每道工序的质量个体追溯；另

外通过该系统还可以非常方便地查询到所有人员的

出勤情况等。

这些功能由布置于流水线车间入口的考勤及

工序管理智能一体机完成。该智能一体机由主机、

11所示。

触摸屏、人脸识别机、指纹识别机、网线组成，如图

息及时间信息的自动采集和处理，并与智能温控系

统中的温度信息相关联；

（3）当管片进入脱模工位后，将悬挂于模具上

的管片芯片（身份标识牌）放在管片标识管理智能一

体机读卡处，读取该管片的信息，并自动生成该管片

的二维码标签，至此完成对管片智能识别的转换，即

由RFID芯片自动识别及信息处理转变为二维码标

签的被动识别和信息处理。标签一旦打印出来，管

片芯片就失去识别号，可再次重新进行应用。

3.1.3

身份备案及验证系统由人员身份验证、人员身

身份备案及验证系统

份备案、人员出勤明细及人员出勤查询4个模块组

图11身份验证及备案系统

Fig.11Registrationandauthenticationsystem

3.1.4

智能温控系统由蒸汽热源、管道、电磁阀、温度

智能温控养护系统

智能温控系统采用分阶段、分区域变温的工艺，

实现缓慢柔和的升温。它以实时环境气温为监测对

象，自动根据不同的环境气温梯度，而选择不同的温

控养护程序，实现对管片的个性化养护。温控系统

的4种养护程序见表1。

（1）当气温在25℃及以上时，系统执行表中程

序D，全程无需进行温度干预，利用管片混凝土自身

的水化热，即可达到较高的出模强度。

（2）当气温在20℃~25℃（不含），系统执行表中

程序C。

（3）当气温在15℃~20℃（不含），系统执行表中

程序B，并启动搅拌水加热程序。

（4）当气温在10℃~15℃（不含），系统执行表中

程序A，并启动搅拌水加热程序。

3.1.5混凝土生产系统

在盾构隧道管片预制管理系统中的“生产”模

块，可以对当班的管片混凝土生产下达生产任务单。

拌合站的混凝土生产系统会根据任务单自动调用

“生产订货单”中的配合比编号，并根据生产线控制

台的控制指令即时完成管片混凝土的生产，每盘混

传感器、PLC控制器、暖气散热管、红外测温仪、密闭

的养护室、大屏幕显示器、软件系统等组成（图12）。

该系统涵盖了管片混凝土拌合、入模浇注、管片预

养、管片蒸养、管片脱模、管片水养等环节，系统主要

分布在管片流水线车间，并与车间内的管片标识管

理智能一体机相连接，见图13。

图12温控系统

Fig.12Temperaturecontrolsystem

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图13温控平面布置

Fig.13Planelayoutoftemperaturecontrolsystem

表1温控养护程序

Table1Curingproceduresbasedontemperaturecontrol

环境

气温

水温

度

混凝土

入模

温度

静养

温度

预养升温恒温降温

片度养护

混凝土

时长

强度

温控

程序

A

B

C

/(℃)/(℃)

10

15

20

25

60

60

20

25

/(℃)

15

20

25

30

/(℃)

15

20

25

30

时间

/h

温度

/(℃)

25

30

31.9

35

时间

/h

温度

/(℃)

40

40

32.3

40

时间

/h

温度

/(℃)

55

50

34.1

40

时间

/h

温度

/(℃)

35

30

33.6

25

时间

/h

/(℃·h)

295

305

288.4

305

时长

/h

/MPa

18.0

17.5

16.8

20.0

1.0

1.0

1.0

1.0

3.0

3.0

3.0

3.0

1.0

1.0

1.0

1.0

3.0

3.0

3.0

3.0

1.0

1.0

1.0

1.0

9.0

9.0

9.0

9.0

D

凝土量为1.5m

3

。该系统会根据总的混凝土用量控

制混凝土的搅拌量，在最后一次下料前，会询问是否

对预定的混凝土方量进行增减，见图14。

另外通过盾构隧道管片预制管理系统任务查询

菜单，可查询到每个班次每一片管片混凝土的各种

浇注信息，从而实现对管片混凝土浇注的质量追溯，

见图15、图16。

3.1.6管片标识系统

管片标识系统包含四大模块：脱模与标签打印、

管片模具标识、智能温控及管片生产动态，见图17。

通过管片标识智能一体机完成这四大功能。管片标

识智能一体机由主机、触摸屏、网线、RFID读卡器、

标签打印机组成。

（1）脱模与标签打印

该模块可完成从管片的芯片识别到二维码识别

的转换，也即完成了对管片的可视标识。通过“脱模

与标签打印模块”，在流水生产线车间就可以非常方

便地查询到该管片各工艺流程中的各种质量信息及

图14混凝土生产控制

Fig.14Controlsystemofconcreteproduction

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责任人。另外应用微信扫描打印出来标签上的二维

码，也可获得该管片的相关信息，见图18。

（2）管片模具标识

每套模具进场前，通过管片标识智能一体机的

“模具标识模块”为每个模具分配一个唯一的RFID

识别号，并将芯片固定于模具的侧面，这样在生产线

上通过RFID系统，就可以自动识别定位该模具。

应用PC终端或手持移动终端可实时记录该模

具所有的检测信息，从盾构隧道管片预制管理系统

上可以非常方便的查询到每片管片是由哪一个模具

生产的，以及该模具所有的精度检测记录和维护信

息（图19）。

（3）管片生产动态

在该模块可以实时查看管片流水生产的动态、

浇筑时间、隐蔽验收时间、隐蔽验收的技术人员，甚

至流水线局部故障点都可以一目了然地显示出来，

见图20。

3.1.7手机扫码处理系统

手机扫码处理系统涵盖了管片脱模后的管片水

养、管片喷淋养护、管片堆场管理、型式检验管理、管

片修饰管理、实体检测管理、管片出厂管理和管片档

案查询八大模块，见图21。

图15混凝土浇注信息

Fig.15Concretecastinginformation

图16下料记录

Fig.16Blankingrecords

图17系统界面

Fig.17Systeminterface

图18二维码标签

Fig.18QRcodetag

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应用定制的手机APP软件，扫描管片左上角的

二维码标签，在相应的菜单上进行操作录入，即只要

管片的位置发生改变或者对管片实体做了哪些操

作，都通过手机APP软件告诉系统，系统将实时记

录这些信息，并存储至管片的档案中。

3.2关键工序验收

管片预制的关键工序验收主要在钢筋车间和预

制车间，分为钢筋骨架验收及隐蔽工程验收这两大

部分。

图19模具信息

Fig.19Mouldinformation

（1）质检员（根据所分配的个人账号及密码登

录）进行骨架验收时，利用RFID手持读卡设备，读取

悬挂在钢筋骨架上的RFID标签信息，根据验收项目

逐条进行验收，见图22。

（2）在生产线的隐蔽验收工位，质检员利用手

持终端读取悬挂在管片模具上的RFID标签信息，并

根据手持设备上所显示的验收项目，逐条进行验收，

特别是模具螺栓紧固、合模刻度线的吻合、保护层支

垫以及预埋件的安装情况。

根据实际验收情况，质检员在手持终端上做标

记。不满足要求的项目，则需要进行整改，并需要再

次读卡验收（盾构管片预制管理系统对不同的整改

项目做出了不同的整改时长规定，即可以滞后验收，

图20生产动态

Fig.20Productionperformance

但不能超前验收，以使项目的整改有充足的时间），

直至完全满足规范及设计的要求，见图23。

图21扫码界面

Fig.21QRcodescannerinterface

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图22骨架验收

Fig.22Acceptancecheckofreinforcementcage

号线一期工程以及福州轨道交通2号线工程盾构隧

道管片的预制，创造了预制管片的精品，并且得到了

监理、业主、质监站以及市建设局和省住建厅的认可

和表扬。所生产的管片质量优良，对交付安装的每

片管片，均可提交一份电子信息档案；通过微信扫描

管片上的二维码标签，即可迅速地查询到该管片的

质量档案信息。

（2）经济效益

图23隐蔽工程验收

Fig.23Acceptancecheckofconcealedwork

盾构隧道管片预制智能化控制技术的应用，有

效降低了现场操作工人的使用数量，与传统作业方

式相比较，总体使用人数下降约8人，每年可节省人

工费用约80多万元；其次根据智能温控系统与传统

的蒸养系统在同一时期的柴油用量统计对比，每环

管片可节省12%以上的柴油用量，每环可节约蒸养

成本275元。

（3）社会效益

盾构隧道管片预制智能化控制技术是信息化与

工业自动化深度融合的体现，是新型建筑工业化的

核心内容，也是企业发展、转型和升级的关键，因此

该技术社会效益巨大；同时该技术对BIM技术在预

制装配式结构上的应用也提供了宝贵的借鉴经验。

4结语

管片“物联网”管理平台是汇集现代信息、计算

机网络、智能控制技术的综合集成体系，实现管片的

预制从传统的生产方式向现代工业化的生产方式转

变，在质量控制、生产效率、减少劳动力需求和减轻

工人作业强度、降低预制成本以及节能减排等方面

效果显著，体现了现代新型建筑工业化的特点。

（1）应用情况

该技术成功地应用于厦门轨道交通1号线和2

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IntelligentControlTechnologyfortheShieldSegmentPrefabrication

CAIQingcheng

（XiamenBranchofCCCCThirdHarborEngineeringCo.,Ltd.,Xiamen361006）

AbstractAccordingtothecharacteristicsoftheshieldtunnelsegmentprefabricationprocess,themodern"Inter⁃

netofThings"informationtechnologyisusedtoconstructthesegmentIoTplatformanddevelopaprefabrication

managementsystemforshieldsegmentsbymeansofradiofrequencyidentification(RFID),QRcode,sensor,scan⁃

ner,izesthereal-timeacquisitionand

optimizationanalysisofthequalityandproductioninformationdataduringthewholesegmentproductionprocess.

Meanwhile,itcombinestheautomaticproductionequipmentwiththeIoTinformationplatformofsegmentsthrough

theprogram-controlledinstrumentsuchastheindustrialPLC,realizestheoptimalcontrolofsegmentproduction

andtheequipmentthroughthebigdataanalysisandoptimizationtechnologyoftheplatform,makingtheproduction

earchandapplicationofthistechnologywillhaveapositiveandfar-reachingim⁃

pactontheproductionmanagementandqualitycontrollevelofthesegmentprefabrication.

KeywordsShieldtunnel;Segment;Internetofthings;Informatization;Intelligentization

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