高風險隧道施工安全預警管理系統(tǒng)研制與應用

朱學輝

高風險隧道施工安全預警管理系統(tǒng)研制與應用

朱學輝

摘 要：針對高風險隧道施工安全存在的諸多難點，以中川鐵路九合二號高風險隧道施工安全管理為平臺，應用信息技術和隧道模型仿真技術搭建高風險隧道施工安全預警管理系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道的“可視化建造”和“安全風險的可視化預警管理”。在實際應用中，通過地質(zhì)勘探報告、超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的指標化存取和量化分析，融合風險評估報告、現(xiàn)場異常報告、專家遠程支持等資源構(gòu)建風險識別的參數(shù)化模型。系統(tǒng)具備開放性工程項目資料管理、多媒體隧道工程知識庫等相關的應用性、擴展性和推廣性功能。

關鍵詞：風險矢量模型；地質(zhì)勘測；數(shù)據(jù)標量化；Web 3D模型；動態(tài)分析

1 研制背景

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國隧道建設日新月異。由于城市地鐵、鐵路隧道和高速公路隧道能改善路線技術指標，縮短路程和行車時間，提高運營效益，因此國家不斷加大隧道的建設力度。然而隧道施工投資大、周期長、項目多、技術復雜、不可預見風險因素多、社會影響大，由于技術與管理力量難以充分保證，對隧道施工安全風險認識不客觀，施工風險管理的科學性欠缺和信息化程度不高等因素的存在，我國隧道施工事故頻發(fā)，形勢嚴峻。

1.1 我國鐵路隧道施工信息化水平較低

隧道工程的基本特點是“地質(zhì)環(huán)境復雜，基礎信息匱乏”，目前我國隧道安全風險管理與控制策略研究仍在起步階段，管理模型的自動化程度不高，影響風險管理及控制的可靠性和時效性。因此，一種集設計、施工、監(jiān)測、反饋設計于一體的“多級自優(yōu)化”隧道信息化設計與施工方法已成為推動隧道工程建設日趨規(guī)范、科學、合理的主導動力。隧道工程現(xiàn)場監(jiān)測是該方法得以廣泛應用的關鍵，是從個體到群體解決隧道與地下工程力學、設計、施工問題的一種重要手段。只有實時獲取到反映隧道圍巖整體穩(wěn)定狀態(tài)的各種信息并及時分析、處理與反饋，才能真正反映隧道工程開挖過程的動態(tài)變化，體現(xiàn)其“信息化”的特點。

1.2 高風險隧道施工安全面臨巨大考驗

按照設計方案，蘭州至中川機場線一共包含9大隧道工程，其中3條隧道都被定義為高風險隧道，最為特殊的是九合二號隧道，隧道全長2870m，洞身穿越第三系砂巖，洞身（口）下穿京藏高速公路和約80m長的細沙地層。高風險隧道施工風險管理面臨的問題：地質(zhì)條件復雜多變；隧道施工安全風險認識不客觀；風險管理的科學性欠缺；信息化程度不高；技術與管理力量難以充分保證。

1.3 隧道施工檢測、監(jiān)測信息的自動化管理

高風險隧道施工安全預警管理系統(tǒng)項目研究基于高風險隧道施工面臨的巨大風險，重在探索高風險隧道管理信息化和風險預警控制，從而構(gòu)造一個隧道地質(zhì)信息結(jié)合施工進程的三維信息模型，實現(xiàn)可視化的風險預警評估管理。系統(tǒng)以九合二號隧道為研究載體，以隧道工程的監(jiān)測信息為研究對象，并通過計算機編程，由軟件系統(tǒng)進行信息錄入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖形繪制、結(jié)果分析而實現(xiàn)。把隧道的預設計與現(xiàn)場監(jiān)控量測、信息化反饋技術巧妙結(jié)合，采用及時支護、分期實施、柔剛適度、全環(huán)封閉等一整套充分發(fā)揮圍巖自承能力的原則和方法，并用計算機編程實現(xiàn)監(jiān)測信息錄入方便、快速，圖線繪制快捷、美觀，信息反饋及時、準確的綜合功能。

2 系統(tǒng)內(nèi)涵及特點

2.1 系統(tǒng)內(nèi)涵

通過最新的計算機信息技術對隧道工程中的設計信息、過程信息、進度信息、風險信息等進行采集、存儲、分析、挖掘利用；借助三維虛擬仿真技術對隧道的地質(zhì)模型、進度模型、隧道內(nèi)外部實體模型進行重現(xiàn)；以高度可視化的形式對隧道施工過程中的潛在風險進行識別、評估、提示和預警。

2.2 系統(tǒng)特點

（1）靈活性：基于B/S架構(gòu)設計開發(fā)，發(fā)布方式靈活，只要有網(wǎng)絡可隨時隨地訪問。

（2）統(tǒng)一性：各模塊間功能高度統(tǒng)一、存在有機的內(nèi)在聯(lián)系、實現(xiàn)工程資料及相關數(shù)據(jù)的完整性，達到統(tǒng)一管理、統(tǒng)一開發(fā)利用。

（3）高可視化：基于三維視圖模型技術，實現(xiàn)風險數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)、地質(zhì)信息、量測數(shù)據(jù)等與三維視圖模型的有機整合與互動。

（4）一致性及兼容性：系統(tǒng)功能表現(xiàn)完全一致，具備良好的兼容性，平臺各模塊與數(shù)據(jù)之間也存在高度的一致性和協(xié)作性。

3 系統(tǒng)特征和主要功能

3.1 系統(tǒng)特征

高風險隧道施工安全預警管理系統(tǒng)以JAVA語言為開發(fā)介質(zhì)，系統(tǒng)管理部分采用：Structs+Spring+Hibernate的模式，分別用于表現(xiàn)層、對象控制層與數(shù)據(jù)持久層的構(gòu)建。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

（1）實現(xiàn)隧道地質(zhì)信息、設計信息、過程信息、進度信息、風險信息等的電子化檔案管理。

（2）對地質(zhì)勘察報告、超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行電子采集，生成隧道的三維地質(zhì)漫游模型及靜態(tài)風險模型，輔助設計人員和工程師提供動態(tài)風險的識別、管理和預警功能。

（3）實現(xiàn)隧道施工進度和過程的電子化管理，用高仿真三維模型對隧道的施工進程進行模擬展示。

（4）著重對地質(zhì)勘探、超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測、施工工法、風險識別、風險預警等內(nèi)容進行收集、整合和索引，并提供多方位的知識檢索服務。

3.2 系統(tǒng)主要功能

（1）實現(xiàn)超前地質(zhì)預報成果記載、地質(zhì)風險的表格化看板預警揭示，初步構(gòu)建一個四方會審的專家決策模型。

①超前地質(zhì)預報：將超前地質(zhì)預報文檔進行數(shù)據(jù)量化處理，為風險判斷提供數(shù)據(jù)支持（見圖2）。

②通過地質(zhì)勘探報告、超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的指標化存取和量化分析，融合風險評估報告、現(xiàn)場異常報告、專家遠程支持等資源構(gòu)建風險識別的參數(shù)化模型。

隧道施工中的風險等級提示：提示內(nèi)容包括可能風險、風險來源、風險類型等，對于圍巖量測和超前地質(zhì)預報區(qū)別對待。

圖1 高風險隧道施工安全預警管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 超前地質(zhì)預報

風險報告的產(chǎn)生流程：量測數(shù)據(jù)錄入—數(shù)據(jù)提交—預報結(jié)論生成—風險預警提示。

如果施工中出現(xiàn)較為嚴重的風險預警，系統(tǒng)可利用遠程網(wǎng)絡召集建設方、施工方、設計方、監(jiān)理方四方進行風險會審（見圖3），最終產(chǎn)生風險報告，從時間和空間上節(jié)約成本。

（2）構(gòu)建從原始幾何尺寸到施工量測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，實施施工進度的可視化管理。

①對“風險評估報告、超前地質(zhì)報告、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)”進行矢量化風險評估模型的構(gòu)建。通過對量測人員錄入的數(shù)據(jù)進行地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)標量化，自動繪制時間-位移曲線，產(chǎn)生風險矢量模型。通過對量測數(shù)據(jù)動態(tài)分析，當監(jiān)測數(shù)據(jù)大于預定警戒值后，系統(tǒng)會及時發(fā)出警告信息，由專業(yè)技術人員分析原因并制定相應的處理措施。

②實現(xiàn)隧道的“可視化建造”。通過對施工進度報告的量化分析形成可視的施工進度報告（見圖4），方便施工方對施工進度的直觀認識。

（3）搭建“隧道地質(zhì)信息與施工過程管理信息”融合的精細化三維實體模型。虛擬現(xiàn)實（VR）是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。Web3D模型由計算機生成，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬隧道進行自然的交互。以仿真的方式給用戶創(chuàng)造實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界（見圖5），提供給用戶一個觀測及與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境。

圖3 四方風險會審

圖4 施工進度報告

圖5 精細化三維實體模型

（4）具備開放性工程項目資料管理、多媒體隧道工程知識庫。系統(tǒng)具有統(tǒng)一的、先進的平臺標準，符合國家關于信息化平臺建設的有關標準，并與現(xiàn)有的網(wǎng)絡資源和各種信息資源達成共享，使這些系統(tǒng)能方便接入本系統(tǒng)。

①開放性工程項目資料管理。本課題雖以在建的九合二號高風險隧道為研究載體，以其工程為數(shù)據(jù)支撐，但可擴展進行多個隧道的管理，包括建設方、監(jiān)理方、施工方、設計方等當前項目的基本信息的管理。

②開放性多媒體隧道工程知識庫。一個多學科、多技術、專業(yè)性極強的信息化數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對于普通的使用者在使用過程中，不可能了解和掌握項目相關的專業(yè)知識，從而充分發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢。為把用戶培養(yǎng)成專家型用戶，充分利用和發(fā)揮系統(tǒng)的特點，構(gòu)建一個開放性的多媒體隧道工程知識庫，可隨時通過系統(tǒng)平臺進行新知識、新內(nèi)容的添加、編輯和修改。

知識庫在設計上考慮與工程相關的專業(yè)信息、科學文獻、專家經(jīng)驗、知識模型等各類電子資料。如：工程設計的數(shù)據(jù)報告、設計方案、施工圖紙、風險度評估報告，地質(zhì)圍巖分級、分類信息、相關參數(shù)信息、水文氣象條件，施工規(guī)范及施工工法，風險等級、風險事件、風險評估模型、風險應對措施。這些信息的收集，使用戶在使用平臺時，能更好解讀數(shù)據(jù)報告、量測數(shù)據(jù)，更加科學有效地使用系統(tǒng)，把風險降到最低。

4 實施效果

系統(tǒng)以在建的九合二號高風險隧道工程為數(shù)據(jù)支撐，有效推動隧道施工項目的信息化、科學化管理，系統(tǒng)功能豐富，覆蓋施工過程中所有可管控環(huán)節(jié)，尤其對超前地質(zhì)預報、監(jiān)控量測管理及工程進度等常用管理事務具有很好支撐。風險預警功能和三維模型技術的應用，為隧道安全風險管理開啟了一扇大門，提供直觀和高效的輔助或幫助，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）及時發(fā)現(xiàn)問題及時報警，工作效率提高。標準化工程管理的業(yè)務流程，真正實現(xiàn)工程項目管理的業(yè)務自動化、規(guī)范化，生產(chǎn)效率得到有效提升?？紤]到平臺建設的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，系統(tǒng)應用平臺具備跨平臺、支持多種數(shù)據(jù)類型環(huán)境的能力，采用構(gòu)件化設計方式，易于擴展和維護。系統(tǒng)從邏輯上看可分解為5個層次：決策層、應用層、服務層、數(shù)據(jù)層和硬件層（見表1）。

表1 高風險隧道施工安全預警管理系統(tǒng)邏輯層次

（2）信息共享程度提高，建設方、施工方、設計方、監(jiān)理方四方可以進行風險會審。以往的工程中經(jīng)常出現(xiàn)由于信息不能及時溝通，造成資源浪費或者影響施工進度。通過業(yè)務流程與核心業(yè)務模塊的整合，實現(xiàn)工作分發(fā)、進度匯報和各種數(shù)據(jù)的共享，每個用戶都可通過網(wǎng)絡查詢相關信息，使計劃管理部門，工程、物資等項目部管理人員隨時了解項目進展情況，獲得所需數(shù)據(jù)。

（3）實現(xiàn)“安全風險的可視化預警管理”。以往的隧道施工中主要以二維圖為主，施工數(shù)據(jù)不完整，隧道施工基本處于“盲打”的情況，系統(tǒng)的實施使得隧道施工可視化，能真實體現(xiàn)施工現(xiàn)場的進展情況，及時準確地統(tǒng)計各種數(shù)據(jù)。一些重要數(shù)據(jù)通過設置預警閥值，超過范圍時自動通知相關各部門，提醒工作人員處理。各級管理人員能及時發(fā)現(xiàn)、解決問題，幫助管理者對項目進行實時控制、進度預測和風險分析。決策人員能及時掌握足夠的信息進行正確的決策，提高企業(yè)的決策水平和對市場變化的響應速度。

（4）施工過程動態(tài)管理，提升管理水平。設計風險與現(xiàn)場風險相結(jié)合（設計報告、監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預報），提高管理的規(guī)范化程度和管理水平，使企業(yè)管理由粗放管理變?yōu)榫毣芾?，由定性管理變?yōu)槎抗芾?，由靜態(tài)管理變?yōu)閯討B(tài)管理。

（5）軟件具有自主知識產(chǎn)權(quán)，通過鑒定評審?！案唢L險隧道施工安全預警管理系統(tǒng)”已在中國版權(quán)保護中心申請并取得軟件著作權(quán)登記證書（證書編號：2015SR003606）。該系統(tǒng)的實施大大提高企業(yè)在市場中的競爭能力，有利于企業(yè)的進一步發(fā)展。系統(tǒng)經(jīng)過一年的實施及應用，建設方、施工方、設計方、監(jiān)理方四方對項目部原業(yè)務流程作了新的調(diào)整，明確了崗位職責。項目部工作井然有序，建設方對項目成本的動態(tài)變化能夠及時掌握。通過成本分析，緊抓成本管理的重要環(huán)節(jié)，細致分析每一分項的成本構(gòu)成，為以后的高風險隧道施工管理積累第一手資料。

朱學輝：中川鐵路有限公司，高級工程師，甘肅 蘭州，730000

責任編輯 苑曉蒙

中圖分類號：U458

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2015）05-0082-04