王輝麟，蔣秋華，索 寧，馬偉斌，赫永鋒

(1.中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081;2.京沈客運(yùn)專線遼寧有限責(zé)任公司，遼寧沈陽 710014)

近年來，隨著量測(cè)技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展和滲透，在隧道施工中采用信息化技術(shù)有了很大發(fā)展。如日本的佐藤工業(yè)(株)開發(fā)的“SIT”系統(tǒng)，通過把隧道內(nèi)的測(cè)量數(shù)據(jù)、機(jī)械運(yùn)行數(shù)據(jù)、通信數(shù)據(jù)等，用單一的通信線路進(jìn)行傳輸，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)施工的一體化管理。西松建設(shè)也開發(fā)了“隧道綜合管理系統(tǒng)”，該系統(tǒng)是由信息化施工、設(shè)計(jì)支援、質(zhì)量管理和隧道形狀管理四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成的。其中信息化系統(tǒng)由TSP、DRISS、TDEM三個(gè)掌子面地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)組合而成。

1 工程概況

沈丹客專錦江山隧道位于遼寧省丹東市附近，隧道進(jìn)口里程為DK247+375，出口里程為DK251+980，全長(zhǎng)4 605m。錦江山隧道為三標(biāo)段最長(zhǎng)隧道，沿線通過低山區(qū)，隧道范圍內(nèi)丘間溝谷內(nèi)表層多為粉質(zhì)黏土、碎石土覆蓋，隧道洞身通過地層主要為混合花崗巖，洞身范圍有少量基巖裂隙水。從以上信息可以得出，影響錦江山隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素主要包括斷層引起的塌方和周圍的水系統(tǒng)可能導(dǎo)致的涌水突泥危險(xiǎn)，屬于典型的淺埋隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)，最淺處距離地面4 m左右。其中Ⅱ級(jí)圍巖2 865m，Ⅲ級(jí)圍巖175m，Ⅳ級(jí)圍巖250m，Ⅴ級(jí)圍巖1 315m。同時(shí)，丹大客專隧道下穿本隧道，存在隧道交叉施工情況，也是錦江山隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)因素之一。需要采取一套切實(shí)可行、合理有效的隧道施工安全監(jiān)測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方案。

2 鐵路隧道施工安全管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警方案

2.1 鐵路隧道結(jié)構(gòu)監(jiān)控量測(cè)內(nèi)容

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)條件情況對(duì)軟弱圍巖段進(jìn)行地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)，以了解掌子面前方地質(zhì)情況，為正確選擇開挖斷面、支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)和優(yōu)化施工方案提供依據(jù)，并為預(yù)防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災(zāi)害性事故及時(shí)提供信息，保證施工安全。并結(jié)合對(duì)隧道典型斷面監(jiān)控量測(cè)，來掌握圍巖的變化動(dòng)態(tài)，對(duì)圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行評(píng)價(jià)，提供判斷圍巖和支護(hù)系統(tǒng)基本穩(wěn)定的依據(jù)，及時(shí)掌握圍巖的變化動(dòng)態(tài)，采取相應(yīng)的措施，確保隧道工程施工安全，對(duì)隧道施工進(jìn)行安全監(jiān)控。另外，還可以利用監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果進(jìn)行分析比較，反演出更為準(zhǔn)確的土工計(jì)算參數(shù)，以便仿真分析結(jié)果更接近于工程實(shí)際情況，對(duì)施工質(zhì)量和隧道安全做出綜合判斷，真正實(shí)現(xiàn)信息化施工。

典型斷面的監(jiān)控量測(cè)應(yīng)由具備一定監(jiān)測(cè)經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)實(shí)力的第三方監(jiān)測(cè)單位完成，以保證數(shù)據(jù)的精確性和真實(shí)可靠性。每個(gè)典型監(jiān)測(cè)斷面應(yīng)包括下列監(jiān)測(cè)項(xiàng)目:

1)地表沉降(隧道淺埋段)。淺埋隧道段圍巖一般具有軟弱、破碎、自穩(wěn)時(shí)間極短等特性，施工方法不妥極易發(fā)生冒頂塌方或地表下沉。淺埋隧道開挖時(shí)可能會(huì)引起地層沉陷而波及地表，因此，通過地表沉降觀測(cè)來了解地表下沉的范圍以及下沉量的大小、地表下沉量隨掌子面推進(jìn)的變化規(guī)律，以判斷淺埋段隧道拱頂圍巖的穩(wěn)定程度。

2)周邊位移(收斂)。①周邊位移是隧道圍巖應(yīng)力變化的最直觀反映，量測(cè)周邊位移可為判斷隧道空間的穩(wěn)定性提供可靠的信息;②根據(jù)變位速度判斷隧道圍巖的穩(wěn)定程度，為二次襯砌提供合理的支護(hù)時(shí)機(jī)。

3)拱頂沉降。拱頂沉降觀測(cè)的作用是判斷圍巖穩(wěn)定性及進(jìn)行位移反分析，為二次襯砌的實(shí)施提供依據(jù)。

4)鋼架應(yīng)力。①判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的可靠性以及安全程度;②檢驗(yàn)初次襯砌設(shè)計(jì)的合理性，積累資料為判定提供依據(jù)。

5)圍巖壓力。圍巖壓力觀測(cè)的作用是監(jiān)控圍巖的穩(wěn)定性，保證施工安全并為二次襯砌的構(gòu)造、實(shí)施時(shí)間等提供依據(jù)。

6)二次襯砌應(yīng)力。①了解二次襯砌的受力條件;②判斷支護(hù)結(jié)構(gòu)長(zhǎng)期使用的可靠性及安全程度;③檢驗(yàn)二次襯砌設(shè)計(jì)的合理性，積累資料為判定提供依據(jù)。

上述監(jiān)測(cè)斷面間距隨著圍巖類別的不同而不同，地表沉降觀測(cè)、周邊位移觀測(cè)以及拱頂沉降觀測(cè)均為必測(cè)項(xiàng)目，在圍巖級(jí)別為Ⅴ～Ⅵ時(shí)，斷面間距為5～10m;圍巖級(jí)別為Ⅳ時(shí)，斷面間距為10～30m;圍巖級(jí)別為Ⅲ時(shí)，斷面間距為30～50m。對(duì)于鋼筋應(yīng)力、圍巖壓力及二次襯砌應(yīng)力為選測(cè)斷面，一般每個(gè)代表性地段選擇一個(gè)斷面。

7)地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)。地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)的主要目的是查明隧道掌子面前方20m左右范圍內(nèi)軟弱圍巖及裂隙發(fā)育的分布情況，為隧道施工工藝及施工方法的選擇提供依據(jù)。

2.2 鐵路隧道施工安全管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型

鐵路隧道施工安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警系統(tǒng)采用三層的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，數(shù)據(jù)采集層主要將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的地質(zhì)數(shù)據(jù)、自動(dòng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)以及監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)采集到數(shù)據(jù)庫中;數(shù)據(jù)庫層主要將前期采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行分類存儲(chǔ)，同時(shí)進(jìn)行智能的數(shù)據(jù)分析與判斷、數(shù)據(jù)整合，根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)警;數(shù)據(jù)訪問層/展示層主要將前期數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化、信息化的展示，通過強(qiáng)大的GIS平臺(tái)可以直觀地看到預(yù)報(bào)警信息，同時(shí)可以及時(shí)方便地查詢預(yù)警信息、風(fēng)險(xiǎn)情況以及應(yīng)急處理情況。如圖1所示。

2.3 鐵路隧道施工安全管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)采用三層結(jié)構(gòu)模式進(jìn)行設(shè)計(jì)。①前端為監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，包括自動(dòng)化檢測(cè)設(shè)備，人工監(jiān)控量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)等。②中端為數(shù)據(jù)傳輸途徑，包括GPRS方式、Internet、無線方式等。③后端為基于GIS的安全管理與風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)，包括GIS地圖模塊、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集模塊、監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析模塊、巡查監(jiān)控與動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

圖1 鐵路隧道施工安全監(jiān)測(cè)和預(yù)警模型

2.4 鐵路隧道施工安全管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)的功能

針對(duì)隧道實(shí)施施工監(jiān)測(cè)、第三方監(jiān)測(cè)，通過數(shù)據(jù)分析與安全評(píng)估，可綜合反映整個(gè)施工階段的安全狀況，在出現(xiàn)異常與安全隱患時(shí)可及時(shí)發(fā)出預(yù)報(bào)警信息。然而以往的監(jiān)測(cè)通常只是簡(jiǎn)單地統(tǒng)計(jì)與匯總形成監(jiān)測(cè)報(bào)告，在數(shù)據(jù)有效性控制、結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)情況、利用專家經(jīng)驗(yàn)等方面不夠深入。因此，通過對(duì)隧道進(jìn)行信息化監(jiān)測(cè)和安全評(píng)估管理主要應(yīng)注意以下幾點(diǎn):

1)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集與整合

整套系統(tǒng)考慮到了目前監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集的三種主要方式:人工錄入、儀器自動(dòng)采集并實(shí)時(shí)傳輸和通過數(shù)據(jù)文件導(dǎo)入。能夠提供直觀易用的交互界面，以適應(yīng)各種監(jiān)測(cè)手段;同時(shí)要對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行識(shí)別與篩選，保證采集到真實(shí)有效的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，確保后續(xù)安全評(píng)估與技術(shù)分析的科學(xué)性和可靠性。

同時(shí)，系統(tǒng)也將集成超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與自動(dòng)化監(jiān)控量測(cè)設(shè)備(斷面儀、激光測(cè)量設(shè)備)等，使得系統(tǒng)具備實(shí)時(shí)統(tǒng)計(jì)、查詢工程施工現(xiàn)狀的功能。

此外，系統(tǒng)中存儲(chǔ)著豐富的既有工程資料信息，包括地形資料、基礎(chǔ)地質(zhì)資料(地層巖性、地質(zhì)構(gòu)造、地下水、不良地質(zhì))、勘探資料(鉆孔、物探等)、試驗(yàn)成果、以及工程設(shè)計(jì)信息，把監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與這些基礎(chǔ)信息進(jìn)行有效的整合，將極大地提高后續(xù)安全與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的高效性與通用性。

2)監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析

海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)隱含著豐富的結(jié)構(gòu)受力狀態(tài)、周邊環(huán)境影響等安全信息，應(yīng)在采集的同時(shí)對(duì)其進(jìn)行初步的分析與趨勢(shì)判斷，向管理者與技術(shù)人員實(shí)時(shí)提供直觀的時(shí)程曲線、空間動(dòng)態(tài)曲線、安全儲(chǔ)備余量、測(cè)點(diǎn)發(fā)展速率等圖表與文字信息，為下一步安全分析與風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供分析依據(jù)。

監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析技術(shù)有助于對(duì)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行初步判斷，能夠全面反映數(shù)據(jù)異常波動(dòng)的情況，有效控制人員因素、設(shè)備因素、環(huán)境因素引起的異常，從而有效地甄別監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常是否屬于工程安全問題引起的波動(dòng)。

3)安全評(píng)估

定期對(duì)監(jiān)測(cè)工程進(jìn)行安全評(píng)估，是施工安全控制的重要內(nèi)容，是對(duì)工程安全狀態(tài)的進(jìn)一步分析。通過監(jiān)測(cè)實(shí)時(shí)分析匯總情況，系統(tǒng)自動(dòng)形成某時(shí)期內(nèi)工程監(jiān)測(cè)安全評(píng)估報(bào)告初稿，技術(shù)人員在此基礎(chǔ)上結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工工況，編輯定稿，提交到系統(tǒng)中。在定稿過程中，技術(shù)人員可利用系統(tǒng)工具定制諸如橫縱斷面、各類型曲線對(duì)比等分析內(nèi)容，導(dǎo)入各種圖表文字等補(bǔ)充內(nèi)容，完善安全評(píng)估報(bào)告。

4)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)超過臨界值或警戒值，經(jīng)系統(tǒng)自動(dòng)判斷或人工判斷確認(rèn)后，則啟動(dòng)異常分析處理機(jī)制，由相關(guān)技術(shù)人員進(jìn)行技術(shù)分析，對(duì)于特別危險(xiǎn)的監(jiān)測(cè)點(diǎn)，還需要啟動(dòng)遠(yuǎn)程專家會(huì)診，形成專家鑒定意見。如果鑒定意見一致判定為超過安全控制范圍，則需要進(jìn)一步啟動(dòng)預(yù)警或報(bào)警機(jī)制，采取應(yīng)急預(yù)案迅速解決現(xiàn)場(chǎng)安全問題。

異常分析處理流程要標(biāo)準(zhǔn)化，并且靈活高效，結(jié)合技術(shù)人員、專家分析與經(jīng)驗(yàn)判斷，使管理各方能夠迅速采取措施，把安全風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

5)巡查監(jiān)控與動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析通常是以有限個(gè)離散測(cè)點(diǎn)來評(píng)價(jià)工程整體的安全狀況，反映在數(shù)據(jù)分析上可能存在以偏概全的傾向。因此，進(jìn)行定期或不定期的現(xiàn)場(chǎng)巡查，實(shí)地查看監(jiān)測(cè)布置點(diǎn)是否偏離工程監(jiān)控要求，同時(shí)還可以檢查測(cè)點(diǎn)以外的現(xiàn)場(chǎng)安全狀況。經(jīng)巡查后，給出巡查分析報(bào)告，結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)技術(shù)分析，可判斷工程整體的風(fēng)險(xiǎn)控制是否在既定目標(biāo)內(nèi)，同時(shí)也能給出動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分析成果，使項(xiàng)目安全風(fēng)險(xiǎn)可控。

6)GIS工程地圖

GIS地圖功能是以地理信息系統(tǒng)技術(shù)為基礎(chǔ)，將工程安全監(jiān)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)管理等信息在工程地圖上顯示，方便用戶直觀地查詢與管理。①工程地圖信息，在工程地圖上顯示各工點(diǎn)的測(cè)量數(shù)據(jù)報(bào)警情況、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估情況和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警情況。能夠進(jìn)行地圖放大縮小和移動(dòng)，方便了解工地周邊環(huán)境情況，通過點(diǎn)擊能夠直接進(jìn)入工點(diǎn)風(fēng)險(xiǎn)管理界面，迅速了解工點(diǎn)詳細(xì)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警報(bào)告等信息。②工點(diǎn)測(cè)點(diǎn)設(shè)計(jì)圖，對(duì)工點(diǎn)測(cè)量的布置以圖形的方式顯示，用戶能夠通過選擇顯示所關(guān)心的測(cè)點(diǎn)和斷面，點(diǎn)擊測(cè)點(diǎn)和斷面的圖標(biāo)能夠顯示相應(yīng)的曲線。

3 結(jié)束語

本文針對(duì)鐵路隧道中施工過程存在的安全風(fēng)險(xiǎn)，初步提出一套針對(duì)淺埋隧道和立體交叉隧道施工安全管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型，研發(fā)出了相應(yīng)的鐵路隧道施工安全管理和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警平臺(tái)軟件，通過錦江山隧道進(jìn)行工程試點(diǎn)應(yīng)用研究，為整個(gè)隧道的信息化施工和安全評(píng)估提供及時(shí)而準(zhǔn)確的判斷，以便采取相應(yīng)措施，保證隧道的安全施工，初步達(dá)到了對(duì)淺埋隧道和立體交叉隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)和預(yù)警效果。自隧道工程開工以來，從未發(fā)生重大生產(chǎn)安全事故。

由于鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)包括塌方、涌水突泥、瓦斯、大變形、巖爆、高地?zé)岬雀鞣N復(fù)雜因素，針對(duì)變形(位移)監(jiān)測(cè)、壓力(應(yīng)力)監(jiān)測(cè)、影像信息收集、溫度監(jiān)測(cè)、氣體監(jiān)測(cè)等多元信息進(jìn)行計(jì)算分析，確立隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警閾值，根據(jù)不同鐵路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素采用不同預(yù)警模型，還需要進(jìn)一步研究和探索。

［1］梅志榮，馬士偉.隧道工程監(jiān)測(cè)技術(shù)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方法的新進(jìn)展［C］//中國科協(xié)2004年學(xué)術(shù)年會(huì)鐵道分會(huì)場(chǎng)論文集.北京:中國科學(xué)技術(shù)出版社，2004.

［2］陳翔.變形監(jiān)測(cè)信息管理及施工安全預(yù)警系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用［D］.長(zhǎng)沙:中南大學(xué)，2007.

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