探討公路隧道施工安全信息化監(jiān)控技術(shù)

李貽先

（貴州路橋集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

公路隧道需貫穿各種類型的巖體，施工環(huán)境多變，施工勘測覆蓋面有限可能導(dǎo)致巖體類型實(shí)測數(shù)據(jù)和施工設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)不符，增加公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)，甚至造成施工人員傷亡等。因此，隧道工程被認(rèn)為是高速公路項(xiàng)目建設(shè)中的高風(fēng)險(xiǎn)工程[1-2]。為提高隧道施工安全性應(yīng)積極運(yùn)用先進(jìn)的信息化監(jiān)控技術(shù)全面開展施工安全信息化管理，保障隧道施工安全[3]。

1 信息化監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用價(jià)值

早在1950年，學(xué)術(shù)界就提出了初步的公路隧道施工安全監(jiān)控體系。相較于歐美發(fā)達(dá)國家，我國的施工安全監(jiān)控技術(shù)研究起步晚，相關(guān)理論和實(shí)踐方法不完善，現(xiàn)有施工安全監(jiān)控技術(shù)的監(jiān)控效果不理想，實(shí)踐中暴露出很多問題。但隨著我國科技的不斷進(jìn)步，信號處理技術(shù)、結(jié)構(gòu)振動理論、傳感技術(shù)等先進(jìn)理論方法的出現(xiàn)與應(yīng)用大大豐富了國內(nèi)公路隧道施工安全信息化監(jiān)控體系，該領(lǐng)域整體技術(shù)水平顯著提升[4]。

工程實(shí)踐表明導(dǎo)致公路隧道施工安全事故的原因主要有：

（1）隧道施工場地狹小，空氣不流通，施工設(shè)備多。

（2）施工機(jī)械設(shè)備操作不當(dāng)容易引發(fā)施工安全事故。

（3）開挖作業(yè)擾動圍巖結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致其應(yīng)力變化，如施工支護(hù)不到位易導(dǎo)致隧道塌方、涌水，安全風(fēng)險(xiǎn)大。

（4）公路隧道施工需使用多種電氣設(shè)備，且布局零散，如臨時(shí)用電規(guī)劃不合理及設(shè)備管理不到位容易造成設(shè)備漏電事故。因此需認(rèn)真對待公路隧道施工的安全監(jiān)管，積極運(yùn)用信息化安全監(jiān)控技術(shù)和設(shè)備實(shí)時(shí)監(jiān)控施工過程，盡快解決安全隱患，降低公路隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 隧道施工安全管理技術(shù)分析

2.1 信息化分析策略

公路隧道工程中廣泛應(yīng)用的新奧法體現(xiàn)了工程監(jiān)測的重要作用。新奧法采用的支護(hù)結(jié)構(gòu)形式包括噴射混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)、錨桿支護(hù)結(jié)構(gòu)等。與常規(guī)厚混凝土支護(hù)結(jié)構(gòu)擾動圍巖的機(jī)制不同，新奧法施工技術(shù)將巖體視為不間斷的介質(zhì)。公路隧道開挖后，根據(jù)巖體破壞機(jī)制和規(guī)律選擇適當(dāng)時(shí)機(jī)建立薄壁的柔性支護(hù)結(jié)構(gòu)，可緊密貼合隧道圍巖，防止圍巖結(jié)構(gòu)破壞影響其承載性能，使圍巖成為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的主體，圍巖和支護(hù)構(gòu)件牢固結(jié)合呈整體，可保證隧道結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性[5]。根據(jù)工程測量數(shù)據(jù)可以判斷隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，作為隧道施工管理的基本依據(jù)。

當(dāng)前，公路隧道施工信息化安全分析基本步驟包括：

（1）按照施工設(shè)計(jì)開挖隧道斷面，推進(jìn)掌子面后利用工程測量設(shè)備采集施工現(xiàn)場數(shù)據(jù)，如通過收斂儀采集隧道圍巖位移，利用應(yīng)力盒采集支護(hù)結(jié)構(gòu)圍巖應(yīng)力。

（2）根據(jù)工程測量數(shù)據(jù)綜合分析圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形規(guī)律，按照施工設(shè)計(jì)要求明確公路隧道的圍巖、支護(hù)結(jié)構(gòu)變形安全閾值。

（3）對比計(jì)算分析數(shù)值及安全閾值判斷公路隧道圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)的是否穩(wěn)定，在此基礎(chǔ)上會同施工監(jiān)理部門共同評估施工安全性，如存在較大安全風(fēng)險(xiǎn)需及時(shí)調(diào)整施工計(jì)劃，以控制施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

2.2 施工安全性評估指標(biāo)

公路隧道施工安全信息化監(jiān)控的關(guān)鍵在于明確合理的施工圍巖變形安全閾值，安全閾值是否合理關(guān)乎公路隧道施工安全。當(dāng)前高速公路隧道施工安全評估指標(biāo)主要包括隧道圍巖收斂變形大小、圍巖收斂變形速率。

按照相關(guān)施工技術(shù)規(guī)范及施工設(shè)計(jì)要求規(guī)定的安全評價(jià)指標(biāo)閾值評判隧道圍巖變形是否可控，支護(hù)結(jié)構(gòu)是否穩(wěn)定，并結(jié)合隧道工程施工經(jīng)驗(yàn)及工程測量數(shù)據(jù)繪制施工安全評估指標(biāo)曲線，根據(jù)曲線評估圍巖結(jié)構(gòu)的變形情況，從而確定施工安全風(fēng)險(xiǎn)等級[6]。

3 信息化監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用

3.1 精確定位應(yīng)用

通過現(xiàn)代信息技術(shù)實(shí)時(shí)準(zhǔn)確定位隧道施工人員，掌握公路隧道施工現(xiàn)場人員分布情況，方便管理人員根據(jù)實(shí)際情況靈活安排施工人員的布局，以提高施工效率，同時(shí)有助于盡快發(fā)現(xiàn)施工中存在的人為安全隱患，并提出解決措施。

運(yùn)用施工人員定位系統(tǒng)可定位施工人員進(jìn)行崗位考勤管理，了解每一個(gè)施工崗位的人員到崗情況。如出現(xiàn)施工安全事故，管理人員可基于定位系統(tǒng)及時(shí)掌握施工人員的位置，提高救援效率，保障施工人員的生命健康。

3.2 測量及安全性監(jiān)控應(yīng)用

公路隧道施工中，為提高其安全性，需認(rèn)真開展施工前期準(zhǔn)備，如施工現(xiàn)場勘測。因此，施工安全信息化監(jiān)控體系中，施工測量技術(shù)的應(yīng)用至關(guān)重要。通過施工測量技術(shù)可以高效采集公路隧道施工現(xiàn)場信息，實(shí)時(shí)掌握施工現(xiàn)場環(huán)境，制定合理的施工設(shè)計(jì)方案，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)減輕施工安全管理人員的工作壓力[7]。

（1）隧道主要采用的施工監(jiān)控量測技術(shù)為新奧法技術(shù)，通過長期工程實(shí)踐應(yīng)用，新奧法施工技術(shù)已從根據(jù)施工測量保障施工安全的技術(shù)層面逐步完善為基于隧道施工現(xiàn)場水文地質(zhì)情況的實(shí)時(shí)勘測指導(dǎo)施工過程，合理調(diào)整施工設(shè)計(jì)方案。

（2）根據(jù)公路隧道施工實(shí)際需要制定切實(shí)可行的工程測量方案，基于實(shí)際測量數(shù)據(jù)采取有效的安全監(jiān)控方法，通過施工現(xiàn)場地質(zhì)情況分析及開挖作業(yè)質(zhì)量檢驗(yàn)，根據(jù)支護(hù)結(jié)構(gòu)變形測量數(shù)據(jù)及隧道圍巖狀態(tài)測量數(shù)據(jù)評估隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)大小，基于安全評判結(jié)果調(diào)整隧道施工計(jì)劃，保證公路隧道施工的高效開展。

（3）利用計(jì)算機(jī)根據(jù)施工測量數(shù)據(jù)得到隧道圍巖位移大小、位移速度曲線，幫助施工人員掌握隧道圍巖結(jié)構(gòu)狀態(tài)及其位移變化，隧道圍巖變形是其應(yīng)力變化后重新構(gòu)建平衡的過程。在公路隧道施工實(shí)踐中需實(shí)際測量隧道周邊及拱頂部位的沉降，觀測圍巖方向及位移速度是否出現(xiàn)明顯變化，最終圍巖位移速度趨于穩(wěn)定。因此，施工管理人員需實(shí)時(shí)采集隧道洞內(nèi)外的工程量測數(shù)據(jù)，根據(jù)量測結(jié)果合理調(diào)整施工計(jì)劃，保證施工測量數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性、準(zhǔn)確性，最大限度地降隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)。

（4）安全性監(jiān)控設(shè)置原則及要求：1）監(jiān)控點(diǎn)選擇必須全面結(jié)合現(xiàn)場環(huán)境條件、風(fēng)險(xiǎn)等級等相關(guān)因素，重點(diǎn)選擇在施工危險(xiǎn)性較大的部位；2）根據(jù)前期工程實(shí)踐，在隧道口部位布設(shè)監(jiān)控點(diǎn)，所取得的監(jiān)控效果不太明顯，而在隧道內(nèi)部掌子面位置，由于監(jiān)控范圍較大，獲得的信息更多也更能反映現(xiàn)場實(shí)際情況；3）根據(jù)施工現(xiàn)場的實(shí)際地形特征及監(jiān)控信息傳送途徑，科學(xué)合理地選擇監(jiān)控布設(shè)位置，在全面保證監(jiān)控效果的基礎(chǔ)上，盡可能減少監(jiān)控點(diǎn)布設(shè)的數(shù)量，從而降低線路布設(shè)的難度，并大大降低購置設(shè)備的費(fèi)用；4）在標(biāo)段項(xiàng)目部構(gòu)建媒體服務(wù)器、轉(zhuǎn)發(fā)服務(wù)器等系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器的基礎(chǔ)上，全面實(shí)現(xiàn)了施工視頻監(jiān)控在安全監(jiān)控系統(tǒng)內(nèi)部的信息共享與在項(xiàng)目部、工程管理處等各級客戶端的傳輸，并經(jīng)分級控制管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)各級客戶端對監(jiān)控系統(tǒng)的有效控制；5）為確保信息傳輸?shù)母咝?、穩(wěn)定性和真實(shí)性，并最大限度地降低網(wǎng)絡(luò)寬帶占用，每臺相機(jī)固定占用一路寬帶[8]。

3.3 空氣監(jiān)測應(yīng)用

（1）與高速公路路面工程相比，隧道工程對施工現(xiàn)場的破壞較大，造成的施工環(huán)境污染較為嚴(yán)重，其施工產(chǎn)生的大量粉塵和有害氣體，對施工人員的健康帶來較大威脅。此外，公路隧道施工過程中往往會對施工區(qū)域的地質(zhì)條件造成較大擾動，當(dāng)隧道圍巖支護(hù)結(jié)構(gòu)失穩(wěn)時(shí)，施工時(shí)產(chǎn)生的擾動可能導(dǎo)致隧道塌方、涌水、崩石，直接對施工人員的生命安全造成威脅。

（2）施工中的部分機(jī)械設(shè)備產(chǎn)生的有害氣體體積累到一定量時(shí)會導(dǎo)致施工人員呼吸困難、窒息，嚴(yán)重危害施工人員的生命健康。而利用施工安全信息化監(jiān)控系統(tǒng)的空氣質(zhì)量監(jiān)測設(shè)備可以實(shí)時(shí)采集隧道施工現(xiàn)場的空氣樣本并自動分析空氣成分，將分析結(jié)果發(fā)送到施工安全監(jiān)控中心，當(dāng)有害氣體濃度達(dá)到安全閾值時(shí)，系統(tǒng)自動告警，提醒施工安全管理人員及時(shí)處置，及時(shí)疏散施工人員，保障隧道施工安全。

3.4 語音交互應(yīng)用

（1）施工安全信息化系統(tǒng)中的語音交互子系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)隧道施工人員之間的高效溝通。

（2）施工時(shí)，施工安全管理人員可利用語音交互系統(tǒng)指導(dǎo)施工人員施工，確保施工現(xiàn)場人員嚴(yán)格按照施工設(shè)計(jì)要求施工，確保施工的規(guī)范性。如出現(xiàn)施工安全事故，施工安全管理人員可利用語音交互系統(tǒng)引導(dǎo)現(xiàn)場人員緊急疏散。

4 信息化監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用

4.1 加強(qiáng)信息化監(jiān)控技術(shù)水平

（1）工程建設(shè)領(lǐng)域的信息化建設(shè)快速推進(jìn)，但依然有很多工程公司對工程建設(shè)信息化管理重視程度不足，其信息化監(jiān)控技術(shù)水平相對薄弱，缺乏先進(jìn)的信息化監(jiān)控設(shè)備。

（2）公路隧道工程屬于高風(fēng)險(xiǎn)工程，因此，隧道施工應(yīng)更加重視信息監(jiān)測技術(shù)，確保施工安全信息化監(jiān)測設(shè)施設(shè)備滿足施工實(shí)際需要，落實(shí)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)措施，確保設(shè)備運(yùn)行正常，保證隧道施工安全。

4.2 加強(qiáng)緊急救援和應(yīng)急功能設(shè)計(jì)

隧道可移動式監(jiān)控車?yán)糜芯€或無線數(shù)據(jù)網(wǎng)絡(luò)，將二次襯砌臺車周邊作業(yè)人員的施工區(qū)域影像、掌子面及危險(xiǎn)性較大部位的影像信息科學(xué)高效地傳送到安全系統(tǒng)監(jiān)控中心，并經(jīng)過分級管控模式傳送至項(xiàng)目部工程管控系統(tǒng)及企業(yè)安全管控系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)與現(xiàn)場作業(yè)人員的語音交流[9]。

（1）為實(shí)現(xiàn)在隧道施工狀況下合理監(jiān)控，移動監(jiān)控車必須進(jìn)行特殊處理，不僅要配置分辨率相對較高的高清槍式攝像機(jī)，還應(yīng)采取相應(yīng)的防護(hù)措施，確保符合現(xiàn)場實(shí)際需要，滿足防潮、防水、防震、防塵的要求。

（2）隧道可移動式監(jiān)控車為更加科學(xué)高效地應(yīng)對突發(fā)狀況，必須合理配備專用應(yīng)急通信設(shè)備、應(yīng)急燈、發(fā)電機(jī)等設(shè)施，從而確保在突發(fā)事件出現(xiàn)時(shí)能夠科學(xué)應(yīng)對，保證現(xiàn)場和系統(tǒng)管控中心的正常信息交流。

（3）系統(tǒng)中相關(guān)設(shè)備必須配置漏電保護(hù)設(shè)施及應(yīng)急發(fā)電裝置，確保在現(xiàn)場電路中斷的狀況下，監(jiān)控系統(tǒng)能持續(xù)工作3 d以上，從而確保在安全事故發(fā)生后能夠正常采集并傳輸相關(guān)信息，最大限度保障應(yīng)急救援實(shí)際需要。

（4）當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)采集到危險(xiǎn)信息時(shí)，能夠在現(xiàn)場發(fā)出警報(bào)。當(dāng)出現(xiàn)安全事故后，控制系統(tǒng)主機(jī)能夠持續(xù)不斷地顯示事故發(fā)生區(qū)域、事故種類、事故涉及的人員數(shù)量以及相關(guān)位置等信息，并能夠直接和現(xiàn)場施工人員進(jìn)行語音通話。

4.3 培養(yǎng)技術(shù)人員專業(yè)素質(zhì)

施工安全管理人員擔(dān)負(fù)著保障隧道施工安全的重要職責(zé)，施工安全信息化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用人才的培養(yǎng)是保證公路隧道施工安全管理效果的重要前提。但現(xiàn)階段國內(nèi)缺乏優(yōu)秀的隧道施工安全信息化監(jiān)控系統(tǒng)應(yīng)用人才，很多施工管理人員的信息化素養(yǎng)不達(dá)標(biāo)。因此，為保證隧道施工安全管理工作成效，施工企業(yè)需充分重視管理人員專業(yè)技能培訓(xùn)，提高其信息化素養(yǎng)，幫助其熟練掌握信息化監(jiān)控技術(shù)，充分發(fā)揮信息化監(jiān)控技術(shù)的作用。

4.4 積極改變觀念

（1）現(xiàn)階段，隧道工程實(shí)踐中信息化安全監(jiān)控技術(shù)應(yīng)用越來越廣泛，且成效初顯，已成為隧道施工安全管理的重要手段。因此，施工管理人員必須充分重視新技術(shù)理論和實(shí)踐研究，積極推動隧道施工安全管理水平的提升，降低施工安全事故發(fā)生率[10]。

（2）相關(guān)施工單位和施工管理人員都必須主動轉(zhuǎn)變觀念，充分認(rèn)識到信息化監(jiān)控技術(shù)對于提高隧道施工安全性的關(guān)鍵作用，建立健全相關(guān)施工安全監(jiān)控信息化制度，更充分地發(fā)揮信息化監(jiān)控技術(shù)的作用。

5 結(jié)論

綜合上述，施工安全管理是保障各項(xiàng)工程順利開展的基本前提。隧道施工安全管理作為高速公路建設(shè)的關(guān)鍵，其管理效果直接影響整體施工安全。公路隧道施工安全信息監(jiān)測技術(shù)通過自動化測量、人員定位、實(shí)時(shí)監(jiān)測，最大限度地保障施工人員的安全和減少安全事故的發(fā)生。在復(fù)雜隧道施工環(huán)境下，施工人員需結(jié)合隧道實(shí)際情況對信息監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用存在的問題進(jìn)行深入研究，不斷提高信息監(jiān)測技術(shù)水平，加強(qiáng)技術(shù)人員的專業(yè)素質(zhì)培養(yǎng)，充分發(fā)揮該技術(shù)在隧道施工安全管理中的作用。