高寒高海拔地區(qū)長大隧道信息集成應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

梁栓民，吳建強，劉力靈，張延峰

（1.中國鐵路蘭州局集團有限公司 建設(shè)部，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅信達建設(shè)工程咨詢有限公司 監(jiān)管部，甘肅 蘭州 730000；3.中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

隨著我國經(jīng)濟的不斷發(fā)展，國民經(jīng)濟對于鐵路的依賴性越來越高，鐵路的建設(shè)規(guī)模也在不斷擴大，如何提高鐵路建設(shè)過程中的安全與效率，一直是鐵路建設(shè)管理面臨的主要難題。信息化、智能化在數(shù)據(jù)采集、預(yù)警分析、輔助決策等方面具有諸多優(yōu)勢，通過積極采用新技術(shù)和新方法，獲取整個項目建設(shè)過程信息，并對這些信息進行關(guān)聯(lián)分析，可極大提高項目管理效率［1-3］。

通過新烏鞘嶺隧道建設(shè)過程中的信息集成應(yīng)用成果，對高寒高海拔地區(qū)的長大隧道信息化應(yīng)用情況做一些探討，并提出幾點鐵路信息化建設(shè)的要點。

1 工程概況

新烏鞘嶺隧道全長17.1 km，位于既有蘭武二線烏鞘嶺特長隧道東側(cè)、上方，呈平行之勢，是新建蘭張三四線鐵路控制性工程。中鐵三局集團有限公司管段內(nèi)共設(shè)有4 座輔助坑道，其中3 座為利用既有隧道的8 號、9 號、10 號斜井，并在斜井內(nèi)新修支洞進入正洞施工，利用既有斜井長度5 130 m，新修支洞長度1 548 m；新建1座橫洞279 m。新烏鞘嶺隧道平均海拔2 800 m，年均氣溫0.8 ℃，每年冬施工期長達7 個月，隧道主要穿越F7 斷層破碎帶、志留系下統(tǒng)板巖夾千枚巖、三疊系上統(tǒng)砂巖夾頁巖及煤層、白堊系礫巖夾砂巖夾泥巖，存在高地應(yīng)力軟巖大變形、溜塌等多種風險。同時設(shè)計利用既有斜井進行隧道施工，既有斜井斷面小，錯車道布置間距大、數(shù)量少，斜井坡度大，物流組織困難，效率低下。

2 生產(chǎn)管理系統(tǒng)平臺建設(shè)

為充分發(fā)揮信息化、智能化在工程建設(shè)項目管理中的優(yōu)勢，提升項目管理水平，通過集成應(yīng)用信息化管理平臺，建立了以進度、設(shè)備、安全、質(zhì)量為四大模塊的生產(chǎn)管理系統(tǒng)，實現(xiàn)了12 項管理功能［4］（見圖1）。進度管理模塊集成了生產(chǎn)進度管理平臺，實現(xiàn)了4項功能；設(shè)備管理模塊利用鐵甲云盒系統(tǒng)進行設(shè)備專項管理，同時獨立開發(fā)車輛智能管理系統(tǒng)，在既有斜井內(nèi)完成車輛智能調(diào)度，實現(xiàn)了2項功能；安全管理模塊集成了安全質(zhì)量隱患排查治理系統(tǒng)及培訓(xùn)系統(tǒng)，同時獨立開發(fā)了人員定位實名制系統(tǒng)及視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)了4項功能；質(zhì)量管理模塊通過獨立開發(fā)的系統(tǒng)平臺，實現(xiàn)對三維激光斷面掃描數(shù)據(jù)與襯砌防脫空數(shù)據(jù)的分析與預(yù)警，實現(xiàn)了2項功能［5］。

圖1 生產(chǎn)管理系統(tǒng)

3 實現(xiàn)功能

3.1 進度管理模塊

（1）工程數(shù)量管理：根據(jù)系統(tǒng)“WBS 字典”勾選相應(yīng)工程分類，按工區(qū)進行工程實體分解，根據(jù)系統(tǒng)模板格式導(dǎo)入設(shè)計工程數(shù)量，系統(tǒng)將自行同施工數(shù)量和清單數(shù)量進行對比分析，計算施工圖量差和清單量差。同時，管理系統(tǒng)自動生成工程量臺賬并根據(jù)工程量臺賬匹配相應(yīng)材料總控臺賬、材料使用計劃等，用于項目日常驗工管理和物資管理。

（2）計劃管理：首先將施工總進度計劃、年度計劃、月度計劃輸入系統(tǒng)，系統(tǒng)會根據(jù)計劃按照旬、周、日自動進行下一級計劃分解，通過每日對各工點施工數(shù)據(jù)錄入，系統(tǒng)可自行計算當前工程剩余量，根據(jù)錄入計劃工效，自行計算剩余施工天數(shù)。過程中，將計劃工效與實際工效進行對比，便于管理人員日常進度管控。同時還可根據(jù)系統(tǒng)關(guān)聯(lián)的工程量清單自動計算施工產(chǎn)值，輔助進行計劃管理［6］。

（3）形象進度管理：系統(tǒng)根據(jù)每日進度情況，自動形成周報、月報、年報等，進度以餅圖、柱狀圖、大屏看板等形式進行展示（見圖2），結(jié)果直觀、形象、可視化，利于管理人員及時糾偏。

圖2 形象進度管理

（4）進度預(yù)警管理：根據(jù)施工計劃完成情況，當施工進度滯后時，系統(tǒng)將根據(jù)進度滯后情況（T），按藍、黃、橙、紅4種等級進行預(yù)警（通常設(shè)置嚴重滯后T≥20%顯示紅色，一般滯后10%≤T≤20%顯示橙色，輕微滯后0≤T≤10%顯示黃色，正常T≤0顯示藍色），并可根據(jù)預(yù)警等級將預(yù)警信息推送給不同層級管理人員，提醒管理人員調(diào)整施工計劃或采取其他有效措施改善進度滯后狀況。

3.2 設(shè)備管理模塊

（1）設(shè)備專項管理：利用鐵甲云盒系統(tǒng)對進場設(shè)備進行專項管理。對進場機械設(shè)備均安裝定位芯片及監(jiān)控探頭，當機械啟動時定位芯片及監(jiān)控探頭同時啟動，對工作狀態(tài)下機械設(shè)備的工作內(nèi)容和作業(yè)環(huán)境進行實時監(jiān)控，并形成運行軌跡，記錄設(shè)備工作狀態(tài)參數(shù)；同時對進場設(shè)備銘牌、新舊程度、外觀質(zhì)量、機械參數(shù)統(tǒng)一錄入系統(tǒng)，進行“一機一檔”建檔管理；機械油箱內(nèi)設(shè)置液位傳感器，隨時記錄油料消耗情況。通過對設(shè)備油耗情況、工作實效和故障情況進行統(tǒng)計，綜合分析設(shè)備使用經(jīng)濟性（見圖3、圖4）。

圖3 設(shè)備專項管理

圖4 車載監(jiān)控

（2）車輛智能管理：為解決既有斜井斷面狹小造成的物流組織困難問題，通過車載智能終端設(shè)備、遠距離無線電（Lora） 通信網(wǎng)絡(luò)、隧道內(nèi)定位網(wǎng)絡(luò)、GPS 網(wǎng)絡(luò)與軟件云平臺建立車輛信息數(shù)據(jù)庫，通過后臺計算分析車輛終端、錯車道等相對位置信息關(guān)系后，發(fā)送指令至車輛終端，提醒洞內(nèi)行駛車輛及時就近避讓，實現(xiàn)洞內(nèi)車輛精確定位、智能調(diào)度、交通管控（見圖5）。

圖5 車輛智能管理

3.3 安全管理模塊

（1）人員定位實名制管理：人員定位系統(tǒng)集計算機信息安全技術(shù)、通道閘門自動化控制技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)通信技術(shù)、數(shù)字信號模擬技術(shù)、人臉識別技術(shù)、人臉拍照采集、視頻傳輸技術(shù)等于一體，以終端管理平臺為載體，前端設(shè)備接入通道閘，人臉識別、定位基站、無線網(wǎng)橋、聯(lián)動設(shè)備（包括攝像機、視頻監(jiān)控、顯示屏等），后端通過統(tǒng)一數(shù)據(jù)庫進行數(shù)據(jù)存儲管理。

①門禁系統(tǒng)由人臉識別人行翼閘和人臉識別行車道閘構(gòu)成。作業(yè)人員通過翼閘和道閘通道人臉識別進入，管理人員通過該系統(tǒng)能夠精準掌握現(xiàn)場出勤情況，非本項目人員、設(shè)備不能進入施工現(xiàn)場。

②定位系統(tǒng)由管理工作站（終端設(shè)備）、信息基站、人員（設(shè)備）標簽、網(wǎng)橋組成，被允許進入隧道施工現(xiàn)場的施工人員及設(shè)備上攜帶有定位標簽，定位標簽將定位信息發(fā)送給預(yù)先安裝在隧道壁上的定位基站，定位基站接收到定位標簽傳來的數(shù)據(jù)信息后通過網(wǎng)橋又把數(shù)據(jù)傳給管理終端工作站。管理人員通過定位系統(tǒng)能夠精準掌握在崗人員位置［7］。

人機定位系統(tǒng)是通過定位技術(shù)對洞內(nèi)外人員、車輛進行定位，實時掌握現(xiàn)場人員、機械設(shè)備的分布及運行狀態(tài)；通過對各區(qū)域人員數(shù)量、工作狀態(tài)進行查詢統(tǒng)計，可輔助進行人員考勤、機械考核等管理。另外，該系統(tǒng)可實現(xiàn)對超區(qū)域作業(yè)人員、機械設(shè)備進行安全提醒或警示警告。同時，對所有進洞人員按一人一檔建立電子檔案，配備專用定位設(shè)備，做到實時實名制管理［8］（見圖6）。

圖6 人員定位實名制管理

（2）視頻監(jiān)控功能：在各工點值班室、隧道洞口、隧道掌子面、棄渣場及其他重點生產(chǎn)區(qū)域安裝視頻監(jiān)控設(shè)備，利用監(jiān)控系統(tǒng)對各工點重要部位進行24 h 監(jiān)控；洞口值班人員利用廣播系統(tǒng)對現(xiàn)場存在物的不穩(wěn)定狀態(tài)、人的不安全行為、環(huán)境的不安全因素等進行提示、警示或警告（見圖7）。

圖7 視頻監(jiān)控功能

（3）隱患排查功能：各級管理人員按照規(guī)定的檢查頻次，對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的問題及時上傳至系統(tǒng)平臺，并指定整改責任人及整改期限。整改責任人收到隱患問題后，及時到達現(xiàn)場查驗核實，并對現(xiàn)場存在的問題制定整改方案，安排現(xiàn)場限期整改，并在整改完成后將資料上傳到平臺，完成問題閉環(huán)管理（見圖8）。

圖8 隱患排查功能

（4）培訓(xùn)系統(tǒng)：利用“安全生產(chǎn)遠程培訓(xùn)管理平臺”實現(xiàn)各級管理人員在線學(xué)習(xí)、培訓(xùn)及考試，也可借助手機APP，實現(xiàn)在線隨時隨地學(xué)習(xí)。

3.4 質(zhì)量管理模塊

（1）三維激光斷面掃描：通過三維激光掃描技術(shù)對隧道開挖斷面進行掃描，形成測量點云圖，分析隧道超欠挖情況（見圖9）；對隧道初支斷面進行掃描，分析初期支護是否侵限；通過計算混凝土應(yīng)澆筑數(shù)量與實際澆筑數(shù)量進行對比，分析襯砌是否澆筑密實［9］。

圖9 三維激光斷面掃描

（2）襯砌防脫空報警系統(tǒng)：利用液位繼電器工作原理，輔助配置相關(guān)裝置。當襯砌混凝土澆筑至拱頂最高點時，混凝土連通液位繼電器，聲光報警器開啟提醒功能，綜合判定混凝土澆筑結(jié)束時機。

4 結(jié)束語

信息化系統(tǒng)對項目進行全天候、全方位、數(shù)字信息化管理，以切實起到監(jiān)管、控制、指揮、調(diào)度等作用的實用性為主，充分發(fā)揮數(shù)字技術(shù)在工程領(lǐng)域的優(yōu)勢，利用“互聯(lián)網(wǎng)+”思維，提升項目管理水平，打造企業(yè)長大隧道施工品牌；利用信息化數(shù)據(jù)整合實現(xiàn)新烏鞘嶺隧道工程施工過程施組進度、安全風險、質(zhì)量檢驗、綜合輔助等信息化綜合管理，提高管理人員的全局意識、技術(shù)人員理解方案的效率，提高項目建設(shè)效率；完成信息由設(shè)計階段向建造階段的無損傳遞，實現(xiàn)基于信息化的精益化施工管理，為智能化運維提供條件。隨著信息化應(yīng)用的逐步推廣和深入，鐵路建設(shè)項目管理也會逐步向智能化管控方面發(fā)展，同時信息化應(yīng)用領(lǐng)域廣泛，前景廣闊［10］。