橋梁隧道安全管理信息技術的應用研究

馬海波

（中鐵十六局集團第一工程有限公司，北京 101300）

橋梁隧道工程建設具有資金投入多、技術要求高、管理難度大的特點[1]。為了提升橋梁隧道工程施工過程的安全管理水平，我國出臺了多項政策法規(guī)，促進新技術、新工藝與安全管理充分結合。如2019年發(fā)布的《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》中明確指出，需要強化信息技術手段的應用，提升事故的可預知能力；2020年發(fā)布的《高速鐵路安全防護管理辦法》中強調，采用信息化管理辦法合理安排橋梁隧道工程的施工工序，減少資源浪費和管理混亂現(xiàn)象[2]。

傳統(tǒng)橋梁隧道工程施工安全管理工作以人工為主，采用現(xiàn)場巡檢巡查、事故數據對比、隱患風險分析等方法開展管理活動，容易出現(xiàn)工作效率較低、監(jiān)管質量不夠嚴格、時效性和科學性較差等情況，不符合“智能基建”的發(fā)展要求[3]。

文章基于互聯(lián)網、傳感器、有限元分析、數據回歸與預測等技術手段，對風險因素實時監(jiān)測、提前發(fā)現(xiàn)、提前預警并進行及時信號傳送，探索橋梁隧道工程施工安全管理技術，實現(xiàn)施工安全監(jiān)管工作的模式創(chuàng)新、應用創(chuàng)新與理論創(chuàng)新。

1 橋梁隧道工程施工安全影響因素分析

1.1 地基穩(wěn)定性探測

橋梁隧道工程對地質結構的穩(wěn)定性要求較高，主要結構管控內容包括洞頂結構承重能力以及通行車輛與橋梁結構發(fā)生共振時對地基的沖擊。橋梁隧道工程多處于山區(qū)，巖土力學特性測算難度較高。地基穩(wěn)定性是保證橋梁隧道工程安全、可長期使用的重要控制內容，在初設階段應詳細掌握區(qū)域內水文地質條件，重點關注自然氣候特征[4]。

1.2 洞內作業(yè)安全性

橋梁隧道施工主要在山體內開展，投入大型機械設備較多。應重點關注結構共振、受力不均勻以及有毒有害氣體、涌水等情況。傳統(tǒng)安全管理工作主要以人工隱患排查為主，機械加固為輔，風險控制范圍有限，無法有效排查事故源，預防效果較低。利用聲波傳導、視頻監(jiān)控等手段可有效提升事故排查能力。

1.3 洞內涌水

施工過程中，涌水情況較為常見。若涌水得不到及時處理，將嚴重影響施工進度，影響洞內金屬結構耐久性。可通過在隧道壁安裝盲管輔助排水進行處理，但盲管的安裝定位較難，易出現(xiàn)盲管失效導致的涌水漫灌情況[5]。

2 橋梁隧道工程施工安全信息化手段

2.1 非接觸式無損探測

為了獲得詳實的地下巖土結構和水資源分布資料，減少地面氣候條件干擾，在橋梁隧道工程地基探測過程中，可以采用非接觸式無損探測技術。非接觸式無損探測采用有源波設備向探測點發(fā)射電磁信號，通過對比反射信號與發(fā)射信號的功率差異可以對地質結構特點進行判斷。探地雷達利用高頻電磁波反射獲取地層結構分布，采用毫米波雷達向地下發(fā)射雷達波，通過檢測回傳信號的衰減程度繪制地下巖土層的分布情況，并進行三維可視化顯示。文章使用的探地雷達型號為GP8000，GP8000探地雷達關鍵參數如表1所示。

表1 GP8000探地雷達關鍵參數

為了滿足精度需求，可以搭配使用有源傳感器持續(xù)監(jiān)測地面振動情況，通過對地面振動波的傳輸衰減監(jiān)測數據獲知地下水文信息，掌握詳細的地基情況。非接觸式無損有源探測技術可以避免工作環(huán)境影響，數據結果更加詳實和全面，采用專業(yè)的數據分析軟件實現(xiàn)實時顯示和三維顯示。

2.2 支架施工檢測預警系統(tǒng)

橋梁隧道工程建設過程中，鋼結構支架較為普遍，但作為臨時設施，鋼結構支架脆性較高、易曲折、結構穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)安全事故。工程安全風險評級中，將鋼結構支架系統(tǒng)評定為中級或更高級別風險源。為了提高支架風險監(jiān)測水平，應構建完善的安全預警系統(tǒng)。在支架軸力產生部位加裝力敏型傳感器，對軸力變化情況進行在線監(jiān)測，設定軸力變化閾值，對超閾值情況進行聲光警報。實時收集軸力變化的監(jiān)測數據，并進行分類保存。利用1553總線搭建數據傳輸平臺，將現(xiàn)場數據傳輸到系統(tǒng)后臺進行存儲和備份。利用有限元分析軟件生成軸力沿支架的立體分布，輔助工程師進行結構調整方案。支架風險安全預警系統(tǒng)結構如圖1所示。

圖1 支架風險安全預警系統(tǒng)結構

利用安全預警系統(tǒng)可以對支架的結構安裝合理性進行在線復核，對支架的結構受力薄弱點進行預測。根據預測結果加裝振動傳感器，對振動數據進行單獨監(jiān)測，控制共振風險。支架預警系統(tǒng)可以有效監(jiān)測軸力變化，為支架結構穩(wěn)定性提供數據支持。定制版圓環(huán)狀電阻應變式軸力傳感器關鍵參數如表2所示。

表2 定制版圓環(huán)狀電阻應變式軸力傳感器關鍵參數

圓環(huán)狀電阻應變式軸力傳感器可以根據支架鋼管尺寸設計傳感器圓環(huán)半徑，安裝后與支架形成整體。通過對支架內部應力值的實時監(jiān)測，可以掌握鋼結構支架、與支架接觸的山體以及其他受力部位的力學變化情況，提前預判極端情況，為工程技術人員采取減震措施提供數據支持。

2.3 ZigBee網絡構建

橋梁隧道工程實施時，山體內部環(huán)境特征復雜，無法有效架設有線網，且墻壁掩體的不規(guī)則反射易導致無線信號傳輸受到干擾，嚴重影響通信質量。為了提高信號傳輸水平，可以在隧洞內架設ZigBee網絡。ZigBee網絡采用分布式節(jié)點傳輸，衰減率低，無須設置基站，適合在山體空間內使用。ZigBee網絡關鍵參數如表3所示。

表3 ZigBee網絡關鍵參數

利用ZigBee網絡可以實現(xiàn)多種傳感器數據的冗余傳送，能夠開辟專用信道傳輸指揮信號。ZigBee網絡可以實現(xiàn)現(xiàn)場數據的高效回傳，有效提高數據分析的效率，方便工程指揮人員快速作出決策，提高施工現(xiàn)場的應急處置能力。

2.4 利用BIM三維模擬安排工程項目進度并演練

BIM技術是一種多功能實時在線三維建模技術，在建筑工程項目管理領域應用廣泛。橋梁隧道工程建設管理過程中，并行工序較多，工序管理相對復雜。工序安排的有序性是確保工程項目穩(wěn)步實施的關鍵。

結合BIM技術的橋梁隧道施工流程如圖2所示。

圖2 結合BIM技術的橋梁隧道施工流程

利用BIM技術進行橋梁工程施工工序管控時，應結合各種傳感器采集的工程項目參數，構建橋梁主體的三維模型，在模型中明確標注各關鍵部位的結構參數。結合工程建設目標，將待建項目所需的各種資源，如施工機械、人力資源、材料配件等在三維模型中進行標簽化處理。統(tǒng)計各關鍵結構建設所需的資源量和施工時間，根據工程項目建設需求對各工序進行合理編排。利用BIM技術動態(tài)演示完整施工過程，重點關注施工機械的調度、各項材料配件的投入等，對工序之間的沖突節(jié)點進行動態(tài)調整，并重新演練，直到完整的工程項目施工流程順利實施。各工藝之間沒有矛盾節(jié)點或者冗余項之后停止演練，將施工流程導出，最大限度地減少具體實施過程中可能存在的節(jié)點沖突。

3 結語

橋梁隧道工程在實施過程中，應采取多種方法確保施工安全。文章對信息化手段提升橋梁隧道工程施工安全管理水平進行探索研究。通過多種措施的綜合運用，有效提升了橋梁隧道工程的安全管理水平和信息化覆蓋效果，強化了對地質信息以及施工現(xiàn)場結構件穩(wěn)定情況的數據采集能力。能夠為工程技術人員開展安全管理巡查和監(jiān)測提供完善的數據支持。信息化技術應妥善融合傳統(tǒng)工藝和技術手段，結合工程實際情況與技術成本，進一步優(yōu)化橋梁隧道工程信息化安全檢測的技術方案，確保信息技術投入精準有效，有效完成橋梁隧道工程安全管理信息化轉型，提高工程安全管理水平與建設質量。