寧西二線隧道圍巖監(jiān)控量測及綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

付 新 元

(西安鐵路局，陜西 西安 710054)

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寧西二線隧道圍巖監(jiān)控量測及綜合監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用

付 新 元

(西安鐵路局，陜西 西安 710054)

通過分析寧西二線隧道安全施工難點(diǎn)，在全線率先引入了隧道監(jiān)控量測、安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)等信息化技術(shù)，并闡述了隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)的組成與特點(diǎn)，指出采用信息化技術(shù)極大地降低了隧道施工階段風(fēng)險(xiǎn)，解決了傳統(tǒng)隧道施工階段圍巖監(jiān)控量測存在的問題，實(shí)現(xiàn)了全線隧道施工“零塌方、零事故”的目標(biāo)。

隧道，信息化技術(shù)，監(jiān)控量測，安全管理

隨著近年來鐵路建設(shè)快速發(fā)展，在建鐵路隧道廣泛分布在全國各地，隧道地質(zhì)復(fù)雜，包括了穿越巖溶、斷層、瓦斯、高地應(yīng)力、軟弱圍巖等不良地質(zhì)，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2006年—2012年期間，全國鐵路隧道共發(fā)生各類安全事故約47起，其中坍方事故32起，占事故總量的68.1%。山區(qū)增建二線鐵路洞內(nèi)作業(yè)空間小、人員密集、地質(zhì)條件復(fù)雜多變，極易發(fā)生塌方等作業(yè)人員傷亡事件，隧道施工階段安全管理成為山區(qū)增建二線鐵路安全管控重中之重。

1 項(xiàng)目概況

寧西鐵路增建二線工程(陜西段)新建線路長度183.40 km，新建隧道35座53.341 km，橋隧總長90.372 km，占新建線路長度的49.3%，本段線路地形、地質(zhì)條件復(fù)雜，斷裂構(gòu)造十分發(fā)育，橋隧比重較高，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高。隧道施工多發(fā)隧道塌方事故，為有效解決這一安全管理難題，除超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等手段外，率先引入圍巖監(jiān)控量測及隧道安全綜合監(jiān)控信息化技術(shù)，杜絕了隧道塌方事件發(fā)生，取得良好的安全效益。

2 圍巖監(jiān)控量測信息化技術(shù)

2.1 傳統(tǒng)監(jiān)控量測存在的問題

1)無法及時(shí)掌握和分析現(xiàn)場測量數(shù)據(jù)及現(xiàn)場變化情況，致使險(xiǎn)情處理反應(yīng)遲緩。

2)無法掌握現(xiàn)場隧道測量數(shù)據(jù)的真實(shí)性，不能為優(yōu)化和變更設(shè)計(jì)提供依據(jù)，且發(fā)生問題后，由于數(shù)據(jù)的真實(shí)性無法追溯。

3)現(xiàn)場檢查存在一定的隨機(jī)性，難以全覆蓋，容易出現(xiàn)監(jiān)管盲區(qū)。

2.2 實(shí)施隧道圍巖監(jiān)控量測目的

1)指導(dǎo)隧道施工，確保隧道施工安全，杜絕施作初期支護(hù)后因監(jiān)控量測管理不到位而造成的“關(guān)門”事故。

2)杜絕因監(jiān)控量測管理不到位而造成工程周邊較大影響，保證監(jiān)測數(shù)據(jù)的真實(shí)性和及時(shí)性。

3)確保結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，驗(yàn)證支護(hù)結(jié)構(gòu)效果，為支護(hù)參數(shù)和施工方法的準(zhǔn)確性提供依據(jù)，為優(yōu)化和變更設(shè)計(jì)提供參考意見。

2.3 隧道圍巖量測信息化系統(tǒng)構(gòu)成

隧道施工監(jiān)控信息管理平臺(tái)(TGMIS)由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、服務(wù)器系統(tǒng)和客戶系統(tǒng)三部分構(gòu)成，具體如下：

1)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)(AS)：安裝于現(xiàn)場便攜智能設(shè)備(如手機(jī))上，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備與測量設(shè)備(全站儀)的通訊，并將數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器。

2)服務(wù)器數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(SS)：安裝于服務(wù)器端，接收、儲(chǔ)存數(shù)據(jù)，并自動(dòng)計(jì)算分析，判定是否有預(yù)警，展示并發(fā)布預(yù)警信息。

3)客戶系統(tǒng)：分為移動(dòng)智能終端數(shù)據(jù)查詢系統(tǒng)(MS)、PC機(jī)數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)(PS)，PC客戶端可以設(shè)置隧道斷面及測點(diǎn)布設(shè)信息，同時(shí)將信息上傳到服務(wù)器，待現(xiàn)場實(shí)際測量數(shù)據(jù)上傳到服務(wù)器后，可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析、輸出打印等功能；手機(jī)客戶端可以下載測點(diǎn)信息，通過無線藍(lán)牙連接全站儀，實(shí)現(xiàn)上傳量測數(shù)據(jù)功能，同時(shí)可查看數(shù)據(jù)、預(yù)警信息、預(yù)警信息處理情況。

2.4 工作流程

1)在PC機(jī)客戶端，設(shè)置監(jiān)測斷面和測點(diǎn)布置圖、預(yù)警基準(zhǔn)值。

2)將測點(diǎn)信息上傳至寧西二線服務(wù)器。

3)采用全站儀對(duì)隧道圍巖變形情況進(jìn)行測量，通過藍(lán)牙將數(shù)據(jù)上傳至數(shù)據(jù)采集端，數(shù)據(jù)采集端(手機(jī))下載測點(diǎn)信息。

4)數(shù)據(jù)上傳至服務(wù)器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理及分析、預(yù)警推送。預(yù)警信息發(fā)送有三種方式:PC機(jī)登陸網(wǎng)絡(luò)平臺(tái)預(yù)警提示、移動(dòng)智能便攜設(shè)備(如手機(jī)、平板、E人E本)客戶端預(yù)警提示、手機(jī)短信自動(dòng)提示。

5)PC機(jī)客戶端和移動(dòng)智能設(shè)備客戶端數(shù)據(jù)利用、預(yù)警處理。

2.5 圍巖穩(wěn)定性的綜合判別及管理

綜合該項(xiàng)目地質(zhì)、施工條件和施工方法，結(jié)合前期量測變形情況等，寧西二線采用變形總量和變形速率對(duì)隧道安全進(jìn)行等級(jí)管理，經(jīng)實(shí)踐證明科學(xué)有效。

1)位移管理等級(jí)(如表1所示)及處置對(duì)策。

表1 位移管理等級(jí)分級(jí)表 mm

正常(綠色)：量測數(shù)據(jù)以短信形式發(fā)送至施工單位技術(shù)主管和現(xiàn)場監(jiān)理手機(jī)，現(xiàn)場加強(qiáng)觀測，正常施工。

Ⅱ級(jí)預(yù)警(黃色)：量測數(shù)據(jù)黃色預(yù)警信息以短信形式發(fā)送至施工單位主管領(lǐng)導(dǎo)、監(jiān)理單位總監(jiān)以及現(xiàn)場技術(shù)人員、監(jiān)理手機(jī)；需引起重視，加強(qiáng)監(jiān)測，控制步距，加強(qiáng)鎖腳，必要時(shí)掛網(wǎng)噴錨混凝土補(bǔ)強(qiáng)等。

Ⅰ級(jí)預(yù)警(紅色)：量測數(shù)據(jù)紅色預(yù)警信息以短信形式發(fā)送至施工單位建設(shè)及施工單位主管領(lǐng)導(dǎo)、監(jiān)理單位總監(jiān)以及現(xiàn)場技術(shù)人員、監(jiān)理手機(jī)；立即停止掌子面掘進(jìn)，人員撤離現(xiàn)場，建設(shè)單位組織設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位現(xiàn)場研究方案，現(xiàn)場加強(qiáng)監(jiān)測，必要時(shí)采取增設(shè)橫、豎支撐，并加強(qiáng)支護(hù)，及時(shí)調(diào)整工法等。

2)變形速率控制。測點(diǎn)位移速率不小于5 mm/d 時(shí)，由現(xiàn)場監(jiān)理工程師與施工單位技術(shù)人員和現(xiàn)場負(fù)責(zé)人進(jìn)行原因分析和措施處理。當(dāng)速率連續(xù)2 d大于10 mm/d時(shí)，由監(jiān)理單位總監(jiān)組織項(xiàng)目部技術(shù)負(fù)責(zé)人進(jìn)行原因分析，制定措施，抄報(bào)建設(shè)單位。當(dāng)測點(diǎn)位移速率大于15 mm/d 時(shí)，現(xiàn)場暫停施工，建設(shè)單位組織設(shè)計(jì)施工、監(jiān)理單位進(jìn)行原因分析，制定措施。

3 隧道施工安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)

為加強(qiáng)該復(fù)線項(xiàng)目隧道安全管理工作，時(shí)刻掌控洞內(nèi)外施工情況、人員位置狀況，及時(shí)指導(dǎo)突發(fā)塌方事故作業(yè)人員救援工作，在全線引入隧道施工安全信息化綜合管理系統(tǒng)，為安全生產(chǎn)發(fā)揮了至關(guān)重要的作用。

3.1 系統(tǒng)構(gòu)成

隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)由三部分組成，具體功能如下：

1)人員信息識(shí)別系統(tǒng)：主要由作業(yè)人員信息卡、洞身讀卡機(jī)、信息編輯采集設(shè)備構(gòu)成，將作業(yè)人員信息(姓名、年齡、工種)通過信息采集設(shè)備錄入安全帽內(nèi)置芯片，洞門口、隧道洞身及臺(tái)車位置處分別安裝讀卡器，進(jìn)入洞內(nèi)的人員信息可以自動(dòng)傳輸至控制臺(tái)。

2)作業(yè)面綜合安全監(jiān)控系統(tǒng)：主要由360°球形高清防爆攝像機(jī)、通訊應(yīng)答器、有害氣體報(bào)警檢測系統(tǒng)等組成，對(duì)掌子面至二襯之間施工區(qū)域進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，且可以通過控制臺(tái)與掌子面的實(shí)時(shí)通信能力，遇有爆破作業(yè)或突發(fā)險(xiǎn)情，可由施工人員向控制臺(tái)提出申請(qǐng)，然后控制臺(tái)操作人員遙控發(fā)出提示警報(bào)，指揮作業(yè)人員撤離。

3)洞口控制系統(tǒng)：主要由控制臺(tái)、洞口紅外高清攝像機(jī)、LED人員進(jìn)洞信息屏以及電動(dòng)伸縮門組成，主控制臺(tái)能夠及時(shí)反映攝像機(jī)所監(jiān)控到的施工畫面，自動(dòng)生成洞內(nèi)人員位置形象圖，并具有即時(shí)通信和報(bào)警功能，通過呼叫器指導(dǎo)安排現(xiàn)場施工，解決了長大隧道信息溝通困難的問題，同時(shí)便于突發(fā)事件應(yīng)急救援。

3.2 隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)特點(diǎn)

此系統(tǒng)特點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面：

1)人員動(dòng)態(tài)管理：記錄相關(guān)人員及設(shè)備在掌子面附近的工作時(shí)間和工作情況，可監(jiān)督和落實(shí)現(xiàn)場管理人員實(shí)地檢查情況，能夠有效防止人為因素造成安全質(zhì)量事故。

2)區(qū)域警戒功能：通過防水板鋪設(shè)臺(tái)車上安裝的警報(bào)裝置能夠發(fā)出警報(bào)信號(hào)，及時(shí)通知相關(guān)人員避險(xiǎn)。

3)實(shí)時(shí)通訊監(jiān)控：通過控制臺(tái)可控制攝像機(jī)拉近視野，對(duì)特定部位或工序進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)監(jiān)控，同時(shí)管理人員還可利用臺(tái)車上安裝的通信設(shè)備與洞外聯(lián)系，解決了洞內(nèi)無通信信號(hào)，信息傳遞不及時(shí)的問題。

4)指導(dǎo)應(yīng)急救援處置：一旦發(fā)生安全事故，特別是“關(guān)門式”塌方事故，控制臺(tái)可以立即顯示出事故地點(diǎn)的人員數(shù)量、人員信息、人員位置等情況，為隨后的搶險(xiǎn)救援工作提供幫助。根據(jù)事故發(fā)生前的視頻記錄還可以為后期事故調(diào)查、原因分析提供可靠依據(jù)。

4 結(jié)語

1)隧道圍巖量測信息化系統(tǒng)利用現(xiàn)代化信息網(wǎng)絡(luò)和技術(shù)，規(guī)避了量測數(shù)據(jù)人為干預(yù)和造假現(xiàn)象，通過準(zhǔn)確、及時(shí)、自動(dòng)的信息采集、分析和預(yù)警，對(duì)異常情況得到及時(shí)、快速的響應(yīng)和處理，杜絕隧道“關(guān)門”塌方風(fēng)險(xiǎn)，實(shí)現(xiàn)了寧西二線35座隧道施工“零塌方、零死亡”的目標(biāo)。

2)隧道圍巖監(jiān)控量測變形量預(yù)警值直接影響預(yù)警級(jí)別及對(duì)應(yīng)工程措施，實(shí)際應(yīng)用中建設(shè)單位牽頭組織設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)理單位進(jìn)行研究，并經(jīng)實(shí)測資料積累作適當(dāng)?shù)男拚?/p>

3)隧道安全綜合監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)際應(yīng)中對(duì)安全監(jiān)控效果顯著，但也存在無法確定作業(yè)人員具體里程、位置，僅能確定區(qū)段范圍，影響塌方后人員搜救的時(shí)效性，需今后進(jìn)一步研究予以解決。

[1] TB 10301—2009，鐵路工程基本作業(yè)施工安全技術(shù)規(guī)程[S].

[2] TZ 204—2008，鐵路隧道工程施工技術(shù)指南[S].

Application of monitoring and measuring system and comprehensive monitoring system for the surrounding rock of Ning-Xi double railway line

Fu Xinyuan

(Xi’anRailwayBureau,Xi’an710054,China)

Through the analysis on tunnel safety construction difficulty of Ning-Xi double line, in the line firstly introduction to tunnel monitoring measurement, safety comprehensive monitoring system and other information technology, and described the composition and characteristics of tunnel safety comprehensive monitoring system, pointed out that the use of information technology had greatly reduce the risk in tunnel construction section, solved the existing problems of surrounding rock measurement in traditional tunnel construction section, to achieve the goal of full tunnel construction “zero collapse, zero accident”.

tunnel, information technology, monitoring and measurement, safety management

1009-6825(2017)07-0186-03

2016-12-26

付新元(1981- )，男，工程師

U456.3

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