基于数字孪生的电力隧道盾构施工动态监测系统设计

陈保刚：1977年，男，汉，河北，硕士研究生，高级工程师，电气工程技术

冷祥彪：1983年，男，汉，湖南，硕士研究生，高级工程师，电气工程技术

余海翔：1987年，男，汉，广东，硕士研究生，高级工程师，电气工程技术

周文潇：1991年，男，汉，浙江，本科学士，中级经济师，输电工程技术

边疆：1989年，男，汉，辽宁沈阳，硕士研究生，中级工程师，电力工程技术

摘要：随着电力隧道盾构施工技术的进步，施工过程中的安全监控与风险预测显得尤为重要。基于数字孪生技术，设计了一套电力隧道盾构施工动态监测系统，通过实时数据采集与虚拟模型的同步更新，实现对施工过程的全方位监控。系统能够实时反映施工状态，预警潜在风险，并为施工决策提供数据支持，从而提高施工安全性和效率，优化资源配置。此系统为电力隧道施工提供了一种新的智能化解决方案。

关键词：数字孪生，电力隧道，盾构施工，动态监测，安全预警

引言：

电力隧道盾构施工作为现代城市基础设施建设中的关键环节，其施工过程的复杂性和潜在风险一直是工程管理中的难点。传统的监控手段往往无法实时、全面地反映施工动态，导致事故隐患难以及时预警。随着数字孪生技术的快速发展，将其应用于盾构施工动态监测，不仅能提供实时数据支持，还能通过虚拟模型实现精准的风险预测与决策优化。这一创新性的解决方案为电力隧道施工安全管理提供了新的思路和技术保障，具有广阔的应用前景。

一、数字孪生技术在电力隧道盾构施工中的应用与优势

数字孪生技术作为一种融合物理与虚拟世界的先进技术，近年来在各类工程项目中得到了广泛应用，尤其在复杂且高风险的电力隧道盾构施工中展现了巨大的潜力。电力隧道盾构施工过程中，由于地下环境的复杂性、施工设备的高精度要求以及安全风险的不可预测性，传统的监测方式往往无法提供实时、全面的施工状态反馈。因此，数字孪生技术通过将实际施工过程与虚拟模型的动态同步，使得施工状态能够在虚拟空间中实时呈现，从而为施工管理人员提供了一个高效、直观的监控平台。通过对施工现场数据的实时采集与处理，数字孪生技术能够实时反映盾构机的运行状况、地质条件变化、隧道结构的受力情况等关键指标，确保施工进度和安全可控。

数字孪生技术在电力隧道盾构施工中的应用优势在于其强大的数据处理和模拟能力。通过将传感器、监测设备与虚拟模型进行集成，系统能够准确地捕捉到盾构施工中的微小变化，并通过数据分析和模拟预测施工中可能出现的潜在风险。例如，当盾构机遇到突发地质变化或设备故障时，数字孪生系统能够即时模拟并预测风险发展趋势，提前发出预警，避免事故的发生。此外，系统还能对施工过程中的各种因素进行优化调整，如调整盾构机的推进速度、压力、转角等参数，以适应不同的地质环境和施工要求，从而提高施工效率和精度。

在电力隧道盾构施工中，数字孪生技术的应用不仅提升了施工过程的安全性，还优化了资源配置和施工管理。通过对实时数据的持续跟踪与分析，管理人员能够获得更加精准的施工进度和成本预测，进而做出更为合理的资源调配和施工计划。同时，数字孪生技术还为施工团队提供了远程监控和决策支持，尤其在一些复杂和危险的施工环境中，工程师可以通过虚拟模型进行远程操作和决策，从而减少现场操作风险，提高工作效率。

二、电力隧道盾构施工动态监测系统的设计与实现

电力隧道盾构施工动态监测系统的设计旨在通过先进的数字技术，为盾构施工过程提供全面的实时监控与智能化决策支持。该系统基于数字孪生技术，将施工现场与虚拟模型相结合，实时同步更新盾构机的运行状态、施工环境的变化以及隧道结构的受力情况。通过布设在盾构机及隧道内部的各类传感器，系统能够采集到包括地质压力、盾构机推进速度、转向角度、振动等多维数据。这些数据通过无线网络传输至中央控制平台，形成实时的数字模型，帮助施工人员快速了解施工现场的最新动态。这种设计不仅提升了施工过程的透明度，还为潜在的风险提供了预警机制，为后续的施工调整与决策提供依据。

在系统实现方面，首先通过对隧道施工环境进行精确的建模，建立起与物理世界相对应的虚拟数字孪生模型。该模型包括盾构机的机械结构、隧道的地质层次、周围的环境影响因素等关键要素。然后，通过安装在盾构机、周围岩层及隧道墙体的传感器，系统能够实时采集到各类监测数据，并将这些数据与数字模型进行融合，形成一个动态变化的虚拟环境。系统能够根据这些数据进行自动分析，判断施工中是否存在异常情况，如地质突发变化或设备故障等。此外，系统设计了智能分析功能，能够基于历史数据和实时数据预测未来可能出现的风险，提前做出预警，降低施工过程中的突发事故发生率。

系统的实现进一步强化了施工管理的智能化与协同化。通过数字孪生模型的远程可视化，项目管理者不仅可以在施工现场进行监控，也可以通过远程操作终端实时查看施工动态，进行精细化的决策分析。该系统的设计不止于单一的监控工具，它还具备丰富的数据分析与处理能力，能够为施工团队提供实时的施工进度追踪、资源配置优化以及施工质量评估等多方面支持。通过数据深度分析，管理人员可及时调整施工方案，优化盾构机推进参数，确保施工效率与质量。同时，系统具备良好的可扩展性，能根据不同施工需求和技术进步不断升级，适应未来电力隧道施工的变化与挑战。

三、系统性能分析与施工安全管理优化策略

在电力隧道盾构施工动态监测系统的应用中，系统性能分析是确保施工安全和效率的关键环节。通过对实时监控数据的处理与分析，系统能够精确反映施工过程中的每个细节，从盾构机的推进状态到周围地质的压力变化。系统性能的优劣直接影响到数据的精度与处理效率，因此，在设计阶段需充分考虑数据采集与传输的稳定性、传感器的准确性以及数据处理的实时性。监测系统采用高性能处理平台和无线通信技术，确保施工现场数据及时传输与处理。随着系统优化，处理速度和监测精度显著提升，能够快速响应施工中出现的异常情况，有效保障施工安全。

施工安全管理的优化策略则围绕着如何通过技术手段提前识别和应对潜在的风险展开。数字孪生技术的引入使得施工现场可以在虚拟环境中进行全方位的实时监控，管理人员通过监控平台可以直观地看到施工中每一环节的实时数据，快速发现异常并及时采取应对措施。例如，在盾构机推进过程中，若出现推力过大、盾构机振动超标或地质条件发生剧变等情况，系统会立刻发出警报并分析可能的原因和后果。这样，施工人员可以提前采取调整措施，避免因突发事件而引发的安全事故。

通过数据的长期积累与分析，施工安全管理策略可实现更高层次的智能化。在施工过程中的数据不断被收集和反馈，系统能够根据历史数据进行趋势预测，识别出施工中可能存在的安全隐患。例如，通过对多次施工数据的分析，系统可以预测出哪些地质条件下盾构机最容易出现故障，或者哪些作业环节的风险较高，从而为施工团队提供基于大数据分析的风险管理策略。该策略优化安全防范措施，提升资源配置效率，减少损耗和停工时间，确保施工过程平稳、安全推进。

结语：

数字孪生技术在电力隧道盾构施工中的应用，极大提升了施工过程的安全性与效率。通过实时动态监测系统，不仅能够精确捕捉施工中的每一细节，还能提前识别潜在风险，优化施工方案。系统的高性能与智能化分析能力，为施工安全管理提供了有力保障，减少了突发事故的发生，确保了施工过程的顺利进行。随着技术的不断发展，数字孪生将在电力隧道施工领域发挥更大作用，为未来的施工管理带来更多创新与突破。

参考文献：

[1]卢庆亮.电力隧道盾构施工技术现状及进展[J].现代制造技术与装备，2019（10）：199+204.DOI：10.16107/j.cnki.mmte.2019.1060.

[2]刘超，臧延伟，甘鹏路，路军富.电力盾构隧道近接侧穿施工时立交桥桩基的变形特征分析[J].现代隧道技术，2019，56（S2）：679-687.DOI：10.13807/j.cnki.mtt.2019.S2.098.

[3]刘英城，岳川，梁景智.BIM技术在电力隧道盾构施工风险源可视化应用[J].广东土木与建筑，2019，26（04）：57-60.DOI：10.19731/j.gdtmyjz.2019.04.015.