鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)信息管理系統(tǒng)研究

劉潤(rùn)華 李永志 王 華 田洪義

(中鐵隧道局集團(tuán)有限公司，廣東廣州 511458)

鐵路隧道工程往往需要穿越地質(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，如斷層、高地應(yīng)力、高地溫、強(qiáng)地震帶、塌方、涌水(泥、沙)、巖爆、巖溶、瓦斯等，這些不良地質(zhì)阻礙了隧道的正常開(kāi)挖，并對(duì)施工人員的人身安全構(gòu)成威脅。 因此，在隧道建設(shè)的過(guò)程中開(kāi)展超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，及時(shí)掌握工作面前方的不良地質(zhì)信息，對(duì)隧道的安全快速施工意義重大[1-2]。

在隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)及應(yīng)用方面，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究工作:郭安福等[3]研發(fā)構(gòu)建了復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工超前地質(zhì)信息化系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了物探等超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法的數(shù)據(jù)管理。 孟陸波等[4-5]研發(fā)了長(zhǎng)大深埋條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)軟件，實(shí)現(xiàn)了隧道基本地質(zhì)條件預(yù)報(bào)、施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報(bào)、物理探測(cè)地質(zhì)預(yù)報(bào)、綜合查詢等。 李濤等[6]基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算，構(gòu)建了隧道工作面地質(zhì)信息管理平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了隧道工作面地質(zhì)信息化管理。

以往的隧道施工超前地質(zhì)信息管理系統(tǒng)功能較少，難以滿足實(shí)際需求。 為此，利用數(shù)據(jù)庫(kù)、移動(dòng)互聯(lián)等信息技術(shù)，研發(fā)功能強(qiáng)大的鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理信息化系統(tǒng)[6]，實(shí)現(xiàn)了隧道多種預(yù)報(bào)方法的數(shù)據(jù)上傳、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)共享，以及預(yù)報(bào)提醒、預(yù)警警示、設(shè)計(jì)管理、施工進(jìn)度管理、工程資料管理、報(bào)表查詢輸出等諸多功能，并將系統(tǒng)數(shù)據(jù)與鐵總工管平臺(tái)進(jìn)行無(wú)縫對(duì)接，極大地促進(jìn)了鐵路隧道信息化施工技術(shù)的發(fā)展，對(duì)隧道安全快速施工有著重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是通過(guò)地質(zhì)調(diào)查、超前鉆探、物探、超前導(dǎo)坑預(yù)報(bào)等方法[8]，采集隧道的相關(guān)信息(包括隧道的工作面信息、工程地質(zhì)信息、水文地質(zhì)信息等)，并對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和整理[9]，推測(cè)前方不良地質(zhì)信息的技術(shù)。 同時(shí)，該技術(shù)亦可為隧道信息化施工提供詳實(shí)的資料[7]。

鐵路隧道地質(zhì)超前預(yù)報(bào)系統(tǒng)從線路、標(biāo)段、構(gòu)筑物、隧道工點(diǎn)四個(gè)層次對(duì)已完成的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果進(jìn)行統(tǒng)一管理，鐵路建設(shè)方、監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方和施工方的各級(jí)管理者(不同用戶的權(quán)限不同)可以通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)，實(shí)時(shí)掌握隧道施工進(jìn)展及地質(zhì)預(yù)報(bào)情況。

2 系統(tǒng)平臺(tái)的架構(gòu)與運(yùn)行流程

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫(kù)設(shè)計(jì)

數(shù)據(jù)庫(kù)作為保存和查詢數(shù)據(jù)等的主要手段，為整個(gè)系統(tǒng)功能的實(shí)現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用[10]。 按照系統(tǒng)平臺(tái)的功能分類，數(shù)據(jù)庫(kù)信息主要分為隧道設(shè)計(jì)信息、地質(zhì)探測(cè)信息、不良地質(zhì)信息、綜合結(jié)論信息、延誤/臨近信息等[11]。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)是以BS(Browser/Server-瀏覽器/服務(wù)器)為核心的MIS 系統(tǒng)[12]，相較于傳統(tǒng)的以CS(Client/Server-客戶端/服務(wù)器)為核心的MIS 系統(tǒng)，其技術(shù)理念相似，但在技術(shù)的實(shí)現(xiàn)上具有較大優(yōu)勢(shì):傳統(tǒng)的MIS 系統(tǒng)依賴于專門的操作環(huán)境，使操作者的活動(dòng)空間受到了極大限制;而BS 架構(gòu)則不受操作環(huán)境的限制，只需接入網(wǎng)絡(luò)即可操作[13]。

該系統(tǒng)屬于地質(zhì)預(yù)報(bào)采集端小平臺(tái)，可與終端(鐵路工程管理平臺(tái))形成數(shù)據(jù)對(duì)接。 客戶端分為PC端和移動(dòng)端，PC 端利用 BS 架構(gòu)，只需接入互聯(lián)網(wǎng)，即可將填錄的地質(zhì)預(yù)報(bào)、綜合結(jié)論、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、預(yù)報(bào)計(jì)劃、設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)、設(shè)計(jì)不良地質(zhì)等信息傳輸?shù)借F路工程管理平臺(tái)。 各級(jí)管理者只需接入網(wǎng)絡(luò)，即可通過(guò)瀏覽器對(duì)已上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)、查看;移動(dòng)端采用CS 架構(gòu)，只需有網(wǎng)絡(luò)即可通過(guò)手機(jī)App 查看、接收、推送消息，進(jìn)行輕量級(jí)的事務(wù)處理。

2.3 運(yùn)行流程

①采集端與鐵路工程管理平臺(tái)數(shù)據(jù)對(duì)接。

②建設(shè)單位對(duì)隧道標(biāo)段、構(gòu)筑物、隧道工點(diǎn)、設(shè)計(jì)人員信息等進(jìn)行錄入。

③系統(tǒng)開(kāi)發(fā)人員對(duì)建設(shè)單位錄入的信息進(jìn)行授權(quán)。

④對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)、綜合結(jié)論、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、預(yù)報(bào)計(jì)劃、設(shè)計(jì)圍巖管理、設(shè)計(jì)不良地質(zhì)等信息進(jìn)行錄入，對(duì)完成率和地質(zhì)探測(cè)信息等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，并對(duì)各工點(diǎn)延誤/臨近情況進(jìn)行提醒。

⑤參建各方可對(duì)已上傳的數(shù)據(jù)進(jìn)行查看，監(jiān)理單位、建設(shè)單位有權(quán)限對(duì)其進(jìn)行審核。

⑥針對(duì)已上傳的歷史數(shù)據(jù)，可在征得建設(shè)單位同意的情況下，向鐵路工程管理中心發(fā)起數(shù)據(jù)修改申請(qǐng)。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計(jì)

鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理信息系統(tǒng)包括PC 端和移動(dòng)端。 現(xiàn)場(chǎng)負(fù)責(zé)填報(bào)的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)人員通常使用PC 端，各級(jí)管理者對(duì)已上傳的地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)進(jìn)行訪問(wèn)時(shí)，一般采用移動(dòng)端與PC 端相結(jié)合的方式。

3.1 平臺(tái)登錄

(1)PC 端

輸入網(wǎng)址，登錄PC 端Web 信息管理平臺(tái)，平臺(tái)登錄界面見(jiàn)圖1。

(2)移動(dòng)端

圖1 PC 端平臺(tái)登錄界面

通過(guò)系統(tǒng)平臺(tái)頁(yè)面，掃碼下載手機(jī)APP，輸入賬號(hào)及口令即可實(shí)現(xiàn)登錄。 手機(jī)APP 主界面如圖2所示。

圖2 移動(dòng)端平臺(tái)登錄界面

3.2 平臺(tái)功能介紹

客戶端主控模塊界面由APP 應(yīng)用管理、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理、系統(tǒng)管理、工程管理四個(gè)菜單組成。 下拉菜單以樹形非線性結(jié)構(gòu)展示 ，其響應(yīng)模塊均以窗口的形式出現(xiàn)(見(jiàn)表1)。在“APP 應(yīng)用管理”的下一級(jí)菜單中有“審核管理”、“應(yīng)用信息管理”兩個(gè)模塊，用戶可在此處了解到系統(tǒng)APP 應(yīng)用的基本應(yīng)用情況(如圖3)[14]。

表1 平臺(tái)功能介紹

圖3 APP 應(yīng)用管理

在“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理”的下一級(jí)菜單中有“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)”、“鐵總用戶管理”、“人員信息管理”和“標(biāo)段用戶管理”4 個(gè)模塊。 可在此分別對(duì)平臺(tái)進(jìn)行錄入預(yù)報(bào)、信息配置、用戶管理等操作(如圖4)。

圖4 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理

在“系統(tǒng)管理”的下一級(jí)菜單中，有“用戶組管理”、“用戶管理”和“修改密碼”3 個(gè)模塊[15]，管理員可在此對(duì)用戶組進(jìn)行編輯、刪除以及權(quán)限分配等操作;對(duì)用戶進(jìn)行編輯、權(quán)限分配、凍結(jié)用戶、重置密碼等操作;并可在此修改通行證賬號(hào)的個(gè)人密碼(如圖5)[16]。

圖5 系統(tǒng)管理

在“工程管理”的下一級(jí)菜單中，有“工點(diǎn)擴(kuò)展信息”、“構(gòu)筑物管理”兩個(gè)模塊，用戶通過(guò)簡(jiǎn)單操作就可了解到系統(tǒng)的基本應(yīng)用情況(如圖6)[15]。

圖6 工程管理

3.3 平臺(tái)界面布局特點(diǎn)

①在界面左上方“功能菜單”對(duì)應(yīng)的各種功能模塊管理中，打開(kāi)下拉式菜單 ，其響應(yīng)模塊均以窗口的形式出現(xiàn)。

②左側(cè)操作框以項(xiàng)目樹的形式展現(xiàn)整個(gè)工程信息，可訪問(wèn)各個(gè)項(xiàng)目層的詳細(xì)內(nèi)容。

③主頁(yè)的背景為工程進(jìn)度。

④主頁(yè)內(nèi)容包括“預(yù)報(bào)工作進(jìn)度”和“當(dāng)前延誤列表”，選中“預(yù)報(bào)工作進(jìn)度”的餅圖，即可彈出當(dāng)前預(yù)報(bào)工作完成和未完成的詳細(xì)數(shù)據(jù)(如圖7)。

圖7 橋梁和隧道布置示意

3.4 平臺(tái)整體優(yōu)勢(shì)

①平臺(tái)界面簡(jiǎn)潔明了，操作簡(jiǎn)便易懂，適用性強(qiáng)。

②具備預(yù)報(bào)信息的遠(yuǎn)程傳輸功能，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)查詢與模版自動(dòng)導(dǎo)入、信息上傳、報(bào)告下載等，滿足隧道施工管理需求。

③具備延誤臨近管理功能，有效提高了預(yù)報(bào)填錄工作的及時(shí)性和規(guī)范性。

④能及時(shí)對(duì)地質(zhì)預(yù)報(bào)異常段落進(jìn)行預(yù)警，使參建各方能及時(shí)掌握前方不良地質(zhì)的風(fēng)險(xiǎn)情況。

⑤實(shí)現(xiàn)了各隧道工點(diǎn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作的全過(guò)程管理流程。

4 應(yīng)用實(shí)例

該系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于大瑞鐵路保端二標(biāo)，銀西高鐵二標(biāo)，贛深高鐵二、三、四標(biāo)，中蘭鐵路二標(biāo)等。 現(xiàn)以大瑞鐵路保端二標(biāo)高黎貢山隧道工點(diǎn)為例。

“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)”板塊又可分為“設(shè)計(jì)預(yù)報(bào)管理”、“地質(zhì)預(yù)報(bào)管理”、“設(shè)計(jì)圍巖管理”、“設(shè)計(jì)地質(zhì)管理”、“綜合結(jié)論管理”、“補(bǔ)充預(yù)報(bào)段管理”、“臨近延誤管理”7 個(gè)功能模塊[17]，見(jiàn)圖8。

圖8 平臺(tái)工點(diǎn)首頁(yè)

(1)設(shè)計(jì)預(yù)報(bào)管理

該功能模塊與鐵路工程管理平臺(tái)的“預(yù)報(bào)計(jì)劃”接口對(duì)接。 在此功能模塊下，用戶可根據(jù)施工圖紙，對(duì)隧道開(kāi)挖過(guò)程中所需要的各種超前地質(zhì)預(yù)報(bào)手段，以及預(yù)報(bào)長(zhǎng)度、隧道最小埋深、鉆孔取芯數(shù)量等，進(jìn)行預(yù)報(bào)計(jì)劃的編寫、填錄(見(jiàn)圖9)。

圖9 設(shè)計(jì)預(yù)報(bào)管理

(2)地質(zhì)預(yù)報(bào)管理

根據(jù)接口文件要求，將“地質(zhì)預(yù)報(bào)管理”模塊分為5 個(gè)操作欄，分別是“物探法”、“工作面素描”、“洞身素描”、“鉆探法”、“地表補(bǔ)充調(diào)查”。 選中任意一個(gè)操作欄，即可對(duì)相應(yīng)的預(yù)報(bào)方法進(jìn)行實(shí)時(shí)編輯(見(jiàn)圖10、圖11)。

圖10 地質(zhì)預(yù)報(bào)管理

(3)設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)管理

可對(duì)隧道工點(diǎn)的各個(gè)里程段進(jìn)行圍巖分級(jí)(見(jiàn)圖12)。

圖12 設(shè)計(jì)圍巖等級(jí)管理

(4)設(shè)計(jì)地質(zhì)管理

可對(duì)隧道工點(diǎn)的各個(gè)里程段進(jìn)行主要影響因素的判別和復(fù)雜程度分級(jí)(見(jiàn)圖13)。

圖13 設(shè)計(jì)地質(zhì)管理

(5)綜合結(jié)論管理

在復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)條件下，可根據(jù)相關(guān)規(guī)程、細(xì)則，對(duì)已開(kāi)挖隧道工點(diǎn)展開(kāi)綜合結(jié)論分析(見(jiàn)圖14)。

圖14 綜合結(jié)論管理

(6)補(bǔ)充預(yù)報(bào)段管理

該功能模塊可對(duì)已上傳但有所缺失的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)充(見(jiàn)圖15)。

(7)延誤臨近管理

對(duì)各標(biāo)段隧道工點(diǎn)已上傳的預(yù)報(bào)里程進(jìn)行實(shí)時(shí)延誤臨近提醒，并反饋到采集端，用戶可通過(guò)采集端平臺(tái)在此功能欄下進(jìn)行查看(見(jiàn)圖16)。

圖15 補(bǔ)充預(yù)報(bào)段管理

圖16 延誤臨近管理

5 結(jié)束語(yǔ)

地質(zhì)預(yù)報(bào)信息管理平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了隧道多種預(yù)報(bào)方法的數(shù)據(jù)上傳、存儲(chǔ)及數(shù)據(jù)共享，以及預(yù)報(bào)提醒、預(yù)警警示、設(shè)計(jì)管理、施工進(jìn)度管理、工程資料管理、報(bào)表查詢輸出等諸多功能，使管理者能及時(shí)掌握預(yù)報(bào)信息，有效降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生的幾率和危害程度，提高了工作效率，同時(shí)也是保證隧道施工安全、優(yōu)化工程設(shè)計(jì)、實(shí)現(xiàn)施工信息化管理的重要基礎(chǔ)[18]。