探討地鐵工程施工中監(jiān)測(cè)技術(shù)與安全風(fēng)險(xiǎn)管理

劉林平

（廣州地鐵設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，廣東廣州510010）

地鐵是一種特殊的地下工程，空間狹小、環(huán)境復(fù)雜，隧道在地面建筑設(shè)施和地下施工環(huán)境的影響下時(shí)常出現(xiàn)變形，而隨著我國(guó)地鐵線路開通數(shù)的增加，相應(yīng)的地鐵事故頻繁發(fā)生，給國(guó)家和個(gè)人帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。為確保地鐵周邊環(huán)境及設(shè)施的安全，使地鐵隧道施工能夠順利進(jìn)行，加強(qiáng)施工過程中的地鐵隧道監(jiān)測(cè)和基坑具有非常重要的意義。地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)具有高精度、高頻率和高時(shí)效性的特點(diǎn)，但是地鐵隧道變形監(jiān)測(cè)環(huán)境復(fù)雜，天窗時(shí)間段，存在安全隱患，傳統(tǒng)人工作業(yè)模式難以滿足地鐵監(jiān)測(cè)的要求。采用全天候、自動(dòng)化的變形監(jiān)測(cè)方式是地鐵隧道監(jiān)測(cè)的最優(yōu)方案，全站儀自動(dòng)化變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以對(duì)變形監(jiān)測(cè)區(qū)域進(jìn)行全天候、高精度、高頻率、安全穩(wěn)定的數(shù)據(jù)采集分析，生成變形曲線和變形報(bào)告，預(yù)測(cè)安全事故、消除隱患，保證地鐵的安全施工和運(yùn)營(yíng)。

1 地鐵工程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)分析

完整的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要是指沒有人員干預(yù)的條件下進(jìn)行數(shù)據(jù)自動(dòng)化觀測(cè)記錄，處理儲(chǔ)存信息，實(shí)現(xiàn)報(bào)表編制和預(yù)警預(yù)報(bào)等功能，通過一系列的軟件、硬件構(gòu)成?；跍y(cè)量機(jī)器人自動(dòng)化變形檢測(cè)系統(tǒng)主要包括以下幾個(gè)方面，測(cè)量機(jī)器人監(jiān)測(cè)站、計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)、CDMA通信網(wǎng)以及英特網(wǎng)、基準(zhǔn)點(diǎn)與變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

1.1 自動(dòng)化全站儀

在監(jiān)測(cè)過程中，自動(dòng)地開展整平工作，調(diào)焦和正導(dǎo)向觀測(cè)，對(duì)數(shù)據(jù)自動(dòng)化記錄，能夠自動(dòng)化識(shí)別以及對(duì)準(zhǔn)功能。只要將儀器對(duì)目標(biāo)對(duì)準(zhǔn)，便能對(duì)目標(biāo)棱鏡自動(dòng)尋找，開展自動(dòng)瞄準(zhǔn)并進(jìn)行鎖定，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)效率得到了大幅提升。

1.2 自動(dòng)化實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件

在變形實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)過程當(dāng)中SMOS自動(dòng)化系統(tǒng)軟件，在有線和無線控制儀器基礎(chǔ)上，通式監(jiān)測(cè)點(diǎn)和儀器前，對(duì)設(shè)置在自然物體上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及目標(biāo)設(shè)施開展動(dòng)態(tài)化的三維坐標(biāo)監(jiān)測(cè)，并通過近距離差分后，使其精度達(dá)到亞毫米級(jí)，不僅自動(dòng)化程度高，而且具有很高的精度，同時(shí)非常便捷與自動(dòng)，還能自動(dòng)化實(shí)時(shí)化的處理數(shù)據(jù)。

1.3 結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)

此項(xiàng)工作是通過結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，主要包括對(duì)數(shù)據(jù)的分析監(jiān)測(cè)，歷史數(shù)據(jù)的定期監(jiān)測(cè)，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行設(shè)定，分析監(jiān)測(cè)結(jié)構(gòu)，如分析建筑物的穩(wěn)定性以及安全性，對(duì)全部的結(jié)果進(jìn)行顯示、存檔以及儲(chǔ)存，在此基礎(chǔ)上生成安全檢測(cè)報(bào)告以及評(píng)估報(bào)告。

2 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全預(yù)警體系設(shè)計(jì)思路

2.1 感知層

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將視頻監(jiān)控、智能測(cè)斜管、光電式雙位移計(jì)、壓力傳感器、超聲波水位計(jì)、空隙水壓力計(jì)、應(yīng)力計(jì)、軸力計(jì)、超聲波測(cè)距儀等信息采集設(shè)備按監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要求安裝于施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于收集施工現(xiàn)場(chǎng)的各類信息。

2.2 數(shù)據(jù)傳輸層

位于工地前端的信息采集設(shè)備通過互聯(lián)網(wǎng)、有線通信和無線通信等，將底層采集到的信息與上層服務(wù)器進(jìn)行連接和交換。

2.3 數(shù)據(jù)處理層

從底層感知層采集到的原始數(shù)據(jù)不僅數(shù)量大，而且含有大量重復(fù)且對(duì)用戶無用的，所以需要數(shù)據(jù)處理層對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪、整合處理，并能生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)匯總、分析的報(bào)表、圖表等，可以供用戶查詢、使用。

2.4 數(shù)據(jù)應(yīng)用層

要實(shí)現(xiàn)對(duì)工程施工安全的預(yù)警功能，需要對(duì)采集到數(shù)據(jù)做特殊處理。例如對(duì)于地鐵施工地表沉降問題，可以用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卡爾曼濾波、ARIMI等模型，構(gòu)建地表沉降預(yù)測(cè)模型，使用戶提早掌握沉降的未來走勢(shì)，并根據(jù)設(shè)置的閾值實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

2.5 服務(wù)層

利用終端設(shè)備，為用戶提供可視化操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的實(shí)時(shí)響應(yīng)。基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全預(yù)警架構(gòu)如圖1所示。

圖1 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全預(yù)警架構(gòu)

3 基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的施工安全預(yù)警功能模塊

3.1 地鐵工程本體施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

地鐵工程本體施工安全預(yù)警指標(biāo)主要包括支護(hù)樁（墻）頂部水平（豎向）位移、支撐軸力、錨桿拉力、地表沉降、地下水位、管片結(jié)構(gòu)豎向位移、管片結(jié)構(gòu)凈空收斂、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)凈空收斂等。通過位移、應(yīng)力等傳感器來獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)中心處理，得出即時(shí)變化值及變化速率和預(yù)測(cè)的變化值及變化速率，根據(jù)事先設(shè)置好的閾值，進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

3.2 地鐵工程施工設(shè)備監(jiān)測(cè)預(yù)警

通過對(duì)地鐵工程施工大型設(shè)備安裝傳感器，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的大型設(shè)備運(yùn)行情況，需事先設(shè)置好閾值，進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

3.3 地鐵工程施工環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警

地鐵施工多處于地下，施工環(huán)境相對(duì)比較密閉，易發(fā)生爆炸、中毒等事故。在此通過實(shí)時(shí)采集施工現(xiàn)場(chǎng)的可燃和有毒有害氣體濃度、粉塵、溫濕度等數(shù)值，進(jìn)行閾值判斷，實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)警。

3.4 地鐵工程施工注意事項(xiàng)

（1）地鐵施工是一個(gè)涉及沿線地質(zhì)情況、周邊構(gòu)（建）筑物、地下管線等綜合性、復(fù)雜性的施工過程。本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)走勢(shì)，實(shí)現(xiàn)地鐵施工過程的安全預(yù)警，確保了施工過程的安全性，減少施工安全事故所帶來的損失。

（2）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，減少了人工參與的工作量，保證數(shù)據(jù)正確性的同時(shí)提高了工作效率。

（3）為確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的正常、正確傳輸，在實(shí)際工作中應(yīng)該做好對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感設(shè)備的保護(hù)工作；同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)日常安全巡視工作，發(fā)現(xiàn)周邊環(huán)境有異常情況，及時(shí)反饋信息。

4 安全風(fēng)險(xiǎn)管理

以深化設(shè)計(jì)模型為基礎(chǔ)，根據(jù)施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理體系增加風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)點(diǎn)模型和風(fēng)險(xiǎn)工程等信息，建立安全風(fēng)險(xiǎn)管理模塊，利用BIM數(shù)據(jù)集成與BIM信息化建設(shè)管理平臺(tái)建立環(huán)境模型與安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的關(guān)聯(lián)關(guān)系，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)的可視化動(dòng)態(tài)管理。集模型集監(jiān)測(cè)對(duì)象、監(jiān)測(cè)點(diǎn)、監(jiān)測(cè)方案和檢測(cè)數(shù)據(jù)等功能于一體，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可視化預(yù)警和自動(dòng)推送。安全風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)形成適用于既有車站不停運(yùn)改擴(kuò)建工程的專項(xiàng)施工方案、技術(shù)交底方案、設(shè)計(jì)交底方案、危險(xiǎn)源辨識(shí)計(jì)劃、施工安全策劃書等。

4.1 施工安全模擬

運(yùn)用數(shù)字化技術(shù)，依據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際情況，實(shí)時(shí)更新施工安全設(shè)施配置模型，對(duì)危險(xiǎn)源進(jìn)行動(dòng)態(tài)辨識(shí)和動(dòng)態(tài)評(píng)價(jià)。通過對(duì)實(shí)際施工方案、實(shí)施過程模擬進(jìn)行交底，直觀展示各施工步驟、施工工序之間的邏輯關(guān)系，使現(xiàn)場(chǎng)技術(shù)人員、施工人員對(duì)工程項(xiàng)目的技術(shù)要求、質(zhì)量要求、安全要求、施工方法等有透徹理解。

對(duì)施工人員進(jìn)行安全教育，對(duì)高發(fā)危險(xiǎn)事件進(jìn)行預(yù)演模擬，結(jié)合系統(tǒng)中預(yù)先設(shè)置好的人員疏散路線信息、救援路線信息、攝像頭位置點(diǎn)信息、救援設(shè)備位置點(diǎn)信息等，在人員疏散逃離及救援人員進(jìn)入現(xiàn)場(chǎng)時(shí)給予正確的處置參考信息，便于科學(xué)組織施工，提高施工人員安全意識(shí)，避免技術(shù)質(zhì)量事故的發(fā)生。

4.2 施工監(jiān)測(cè)管理

施工監(jiān)測(cè)管理是利用信息傳感設(shè)備、視頻監(jiān)測(cè)設(shè)備，或其他數(shù)字化監(jiān)測(cè)手段對(duì)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)的管理方式。對(duì)于人流量密集區(qū)域、車站商業(yè)連接區(qū)域或其他危險(xiǎn)區(qū)域進(jìn)行重點(diǎn)跟蹤監(jiān)測(cè)。采用互聯(lián)網(wǎng)云技術(shù)，及時(shí)將現(xiàn)場(chǎng)存在的問題反饋至模型，便于檢查驗(yàn)收、整改責(zé)任認(rèn)定和跟蹤解決。施工安全設(shè)施配置模型應(yīng)完善安全防護(hù)等安全設(shè)施配置信息，除不停運(yùn)改擴(kuò)建工程信息外，還應(yīng)包括腳手架防護(hù)、基坑支護(hù)、模板工程、消防疏散分區(qū)、安全通道平面布置、施工升降安全、塔吊、起重吊裝安全、施工機(jī)具安全、施工現(xiàn)場(chǎng)文明生產(chǎn)安全等信息。同時(shí)，由模型輸出相關(guān)的視圖照片、問題跟蹤記錄輔助編制施工質(zhì)量檢查與安全分析報(bào)告。

5 結(jié)語

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段存在的問題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)采集地鐵施工過程中的各類信息，進(jìn)行智能處理，實(shí)現(xiàn)地鐵工程本體施工、大型設(shè)備運(yùn)行情況、施工環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警，提升地鐵施工過程的安全事故防范能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地鐵施工安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。