李昌龍 盧鳳文 姬同旭 廖 斌 吳維義

(貴州省交通規(guī)劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

近年，由于公路隧道建設突飛猛進，建設中的各種地質災害引發(fā)的施工安全事故也層出不窮。據(jù)調研分析，公路隧道施工過程中常見的施工安全事故有塌方、突水突泥、瓦斯突涌及瓦斯爆炸。調研2003年初至2019年底公開的事故數(shù)據(jù)，塌方、突水突泥、瓦斯突涌及瓦斯爆炸事故共計43次，死亡327人、受傷114人，經(jīng)濟損失約6.38億元，數(shù)據(jù)統(tǒng)計見圖1。由此可見，有效地解決隧道防災減災的問題需求十分迫切。

圖1 2003-2019年隧道施工安全事故分布

調研分析發(fā)現(xiàn)，有效防災減災的前提是對隧道施工全過程做好安全風險防控，于此，在既有隧道風險防控技術和防控現(xiàn)狀的基礎上，文中介紹借鑒互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計算等新技術，開展公路隧道施工數(shù)智化安全防控技術的研究及平臺建設工作。

1 典型隧道防控現(xiàn)狀

1.1 隧道施工安全事故

1.1.1塌方

公路隧道施工過程中的塌方，是指隧道開挖過程中因成形或正在成形的隧洞圍巖體自身穩(wěn)定性較差，不能承擔圍巖應力重分布所帶來的荷載，而導致巖土體坍塌的現(xiàn)象。造成塌方的因素主要有：地質因素、設計因素、施工因素、認識及管理因素[1-2]。

1.1.2突水突泥

隧道突水突泥是指在鐵路、公路、水利水電、礦井等地下工程開挖過程中，由于揭露巖溶通道的組成部分、構造富水帶或滲流擊穿隧洞壁而產(chǎn)生的突水現(xiàn)象。水流量大于0.1 m3/s，并有一定壓力和流速時則稱為突水；當突出的地下水中含有泥沙等物質且含量超過50%時，稱為突泥[3-4]。

1.1.3瓦斯爆炸及瓦斯突涌

通過對瓦斯隧道的規(guī)范及相關文獻展開調研，瓦斯隧道災害事故分為瓦斯爆炸和瓦斯突涌2種。瓦斯爆炸需要同時具備3個基本條件：①瓦斯?jié)舛忍幱谕咚贡ń缦薹秶?%～16%，②含瓦斯空氣中氧氣濃度大于12%，③引火源的能量大于最小點火能量(0.28 mJ)、溫度高于最低點火溫度(595 ℃)且高溫熱源存在時間大于瓦斯引火感應期0.010～1.64 s[5]。

瓦斯突涌相當于硬質巖產(chǎn)生的巖爆，其判斷指標為(《鐵路隧道瓦斯技術規(guī)范》條文4.14)：瓦斯壓力(>0.74 MPa)、瓦斯放散初速度(>10 mL/s)、煤的堅固性系數(shù)、煤的破壞類型(III類以上)。

2.2 隧道施工安全防控現(xiàn)狀

通過調研分析，將目前隧道施工安全防控過程中主要存在的問題歸納為如下4個方面。

1) 災害隱患識別預報預警體系尚未完善。施工前，既有隧道施工風險評估與施工銜接較差，不能發(fā)揮較好的警示作用，導致勘察設計資料在隧道施工風險預警中未得到充分利用。施工中，缺乏開挖揭示地質信息的動態(tài)評估預警。

2) 監(jiān)控量測工作缺乏標準化管控。①監(jiān)測單位、監(jiān)測人員技術水平參差不齊，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、控制標準、報告形式、預警流程尚未實現(xiàn)標準化管理，導致監(jiān)測成果的可靠性難以保證，進而不能快速、有效地應用監(jiān)測成果。②監(jiān)測過程缺乏有效的信息化管理：缺乏有效的工作痕跡管理，監(jiān)測頻率、監(jiān)測時效性得不到保證。數(shù)據(jù)存檔方式傳統(tǒng)、數(shù)據(jù)使用不方便，從而降低災害風險的防控能力。

3) 風險現(xiàn)狀管控體系尚未健全。①監(jiān)測反饋及預警預報存在滯后性，目前仍采用監(jiān)測成果定期閱讀、風險警情逐層上報等方式。②尚未建立“識別警情→確認警情→發(fā)布警情→消除警情”的閉環(huán)式風險預警機制。③缺乏線路隧道風險現(xiàn)狀實時統(tǒng)籌管理體系，不便于項目管理人員實時、高效地統(tǒng)籌監(jiān)管。

4) 風險隧道潛在致災區(qū)的安全防控意識薄弱。在監(jiān)測預警方面，缺乏隱患點、隱患區(qū)段的專項安全防控預警策略，主要依靠監(jiān)控量測日常預報預警，導致未引起足夠的重視，管理薄弱，進而增加風險事故發(fā)生的概率。

2 施工安全防控系統(tǒng)集成與開發(fā)

通過調研相關研究成果及工程實踐經(jīng)驗，系統(tǒng)規(guī)劃了監(jiān)控量測、超前地質預報、塌方監(jiān)測、突水突泥監(jiān)測、巖爆監(jiān)測6個子系統(tǒng)，其中超前地質預報系統(tǒng)納入到相應子系統(tǒng)的災害識別板塊，并未單獨列出，其余5個系統(tǒng)并列共存。將每個系統(tǒng)公用的信息單獨作為一個模塊，但能在相關的子系統(tǒng)中展示，例如隧道基本信息、隧道施工進度、報文管理等。各子系統(tǒng)之間的關系見圖2。

圖2 各子系統(tǒng)之間的關系

2.1 系統(tǒng)構架

根據(jù)圖2各子系統(tǒng)之間的關系，綜合軟件開發(fā)技術的可實施生，以及各方面用戶使用需求，設計系統(tǒng)構架見圖3。

圖3 系統(tǒng)構架

2.2 系統(tǒng)建設關鍵技術

2.2.1數(shù)據(jù)分塊管理

1) 數(shù)據(jù)分塊

根據(jù)數(shù)據(jù)狀態(tài)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為動態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、準靜態(tài)數(shù)據(jù)。

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)工作業(yè)務，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為基礎信息數(shù)據(jù)、動態(tài)施工數(shù)據(jù)、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、災害監(jiān)測預警數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)狀態(tài)關系見圖4。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)狀態(tài)關系

2) 狀態(tài)管理

隧道施工安全監(jiān)測對于隧道建設而言，一直持續(xù)至隧道施工結束，對于某個斷面、某個指標、某個測點而言周期較短，例如監(jiān)控量測每個斷面監(jiān)測周期約為1個月。通過調研分析，繪制得監(jiān)測方式與施工節(jié)點關系見圖5。

圖5 監(jiān)測方式與施工節(jié)點關系

為保證系統(tǒng)監(jiān)控量測、監(jiān)測預警與隧道施工節(jié)點協(xié)調，系統(tǒng)設置了監(jiān)測狀態(tài)，將不再進行監(jiān)測的隧道、斷面進行“在線、下線”狀態(tài)管理設置，這樣系統(tǒng)的邏輯業(yè)務分明，方便數(shù)據(jù)操作和快速獲取有效決策數(shù)據(jù)。

2.2.2指標報警技術

1) 系統(tǒng)預警方式

監(jiān)測預警方式有單指標預警和多指標綜合預警2種，其中單指標預警較為常用，綜合預警可靠性有待考證，相比之下應用較少。系統(tǒng)開發(fā)時統(tǒng)一采用單指標進行預警，以斷面為準采用就高原則，即某一斷面某項目、某測點預警等級最高，則以最高警級代表該斷面警情。系統(tǒng)判斷首先判斷同斷面同項目同測點警情，再判斷同斷面不同項目警情，最終以高警情輸出。

2) 監(jiān)控量測預警閾值設置

監(jiān)控量測主要服務于隧道信息化施工和施工狀態(tài)安全預警，目前已有規(guī)范可循，系統(tǒng)主要遵循規(guī)范通過累計變化值進行報警(不設置速率預警)，通過速率變化值判斷圍巖穩(wěn)定狀態(tài)。

3) 災害監(jiān)測預警閾值設置

災害監(jiān)測預警主要通過自動采集數(shù)據(jù)進行預警，要充分體現(xiàn)災害預警的及時性，因此，系統(tǒng)設置了累計報警和速率報警2種方式，報警等級分為四級。災害監(jiān)測警限值設定方式見圖6。

圖6 災害監(jiān)測警限值設定方式

2.2.3數(shù)據(jù)分析處理

1) 監(jiān)控數(shù)據(jù)修約

在有要求時，按項目要求進行修約，無要求時，數(shù)據(jù)修約宜修約至測試精度的下一位。以JTG/T 3660-2020 《公路隧道施工技術規(guī)范》條文表18.1.6中地表下沉為例，其測試精度要求為0.5 mm，則測量記錄宜保留至0.05 mm，管理系統(tǒng)也應滿足相應精度錄入要求。

2) 趨勢圖繪制

趨勢圖包含時間-累計曲線、時間-速率變化曲線2張圖，宜增加雙坐標軸表達測點距掌子面的距離。此外，同斷面的同類監(jiān)測點宜繪制在一張趨勢圖上。

2.2.4系統(tǒng)工作方式

在專業(yè)業(yè)務方面，系統(tǒng)包括風險評估、監(jiān)控量測、災害監(jiān)測3個業(yè)務板塊，可由3家單位分別完成各自的工作業(yè)務。同一隧道中3個板塊是相互獨立的，其中監(jiān)控量測是必做項目，其余兩項可根據(jù)工程實踐情況增減。風險評估、監(jiān)控量測與災害監(jiān)測工作關系見圖7。

圖7 風險評估、監(jiān)控量測與災害監(jiān)測工作關系

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

監(jiān)控量測系統(tǒng)采用B/S架構，使用ASP.NET MVC 5、EF6(Entity Framework 6)框架進行開發(fā)，運行于.NET Framework 4.6之上。系統(tǒng)使用微軟的SQL Server數(shù)據(jù)庫進行存儲，結合EF6(Entity Framework 6) ORM框架，可實現(xiàn)Code First(代碼先行)編碼，提高系統(tǒng)開發(fā)效率。

2.4 系統(tǒng)基本頁面

系統(tǒng)主界面見圖8。

圖8 系統(tǒng)主界面

3 系統(tǒng)主要功能

1) 基礎信息管理

有序管理監(jiān)控隧道基本信息、監(jiān)測方案、項目圖片、項目文件，提供便利的信息編輯和查閱功能。

2) 施工進度管理

準確記錄隧道掌子面、仰拱、下臺階、二襯施工進度，提供直觀進度圖展示，其示意見圖9。

圖9 施工進度展示

3) 地勘信息預告

管理隧道災害分布數(shù)據(jù)，與施工進度協(xié)調運作，可預告施工前方災害情況。因此需做到：①在“總體風險評估”模塊中錄入勘察、設計信息指標，系統(tǒng)自動評判隧道施工總體風險和專項風險(塌方、突水突泥、瓦斯)。②在“施工前安全預警和施工中安全預警”模塊中錄入隧道勘察、設計、施工信息指標，系統(tǒng)自動評判災害(塌方、突水突泥、瓦斯、巖爆)發(fā)生等級。

4) 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

按日期時間有序管理監(jiān)測項目、監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供“在線、下線”設置匹配實際監(jiān)測工序，提供手動錄入數(shù)據(jù)、設備導入數(shù)據(jù)、自動采集數(shù)據(jù)等多種數(shù)據(jù)錄入手段。

5) 數(shù)據(jù)分析預警

①列出了數(shù)據(jù)變化的累計值曲線圖、速度變化曲線圖、速率變化曲線圖，提供圖形顯隱、縮放、下載等多種操作方式;②監(jiān)控量測系統(tǒng)中，可根據(jù)設定指標判斷施工狀態(tài)(是否可正常施工、是否滿足二次襯砌);③災害監(jiān)測系統(tǒng)中，可根據(jù)設定的報警限值(累計值報警、速度變化值報警)進行實時災害預報警。

6) 自動報告導出

可快速自動導出監(jiān)測簡報、監(jiān)測日報、監(jiān)測周報、監(jiān)測月報，以及預警報告。

7) 報告文件管理

可對監(jiān)測過程中的工作日志、監(jiān)測報告、會議紀要、合同進行有序管理。

8) 實時警情推送

可通過微信公眾號、web系統(tǒng)實時推送施工警情，同時可根據(jù)現(xiàn)場需要設置警報、短信提示。

9) 監(jiān)管信息統(tǒng)計

可對系統(tǒng)中所有在線監(jiān)測的項目進行全局管理，包括施工進度和風險現(xiàn)狀等。

4 結語

“公路隧道施工數(shù)智化安全防控系統(tǒng)”是在吸納既有研究成果和規(guī)范規(guī)程，以及工程經(jīng)驗的基礎上，通過大量分析研究集成開發(fā)的。系統(tǒng)兼容多種隧道施工安全防控工作模式，可以將隧道建設中的各個環(huán)節(jié)防災關鍵數(shù)據(jù)聚合在一起，深入挖掘分析進行災情預警。同時，系統(tǒng)的專項監(jiān)測預警模塊可兼容不同廠商、不同儀器的數(shù)據(jù)，并能夠實現(xiàn)自動采集、傳輸、管理及分析預警。

系統(tǒng)能夠較好地適用于公路隧道施工前、施工中的潛在隱患識別，隧道施工中單條隧道或多條隧道的監(jiān)控量測過程管控，隧道塌方隱患區(qū)段、突水突泥隱患區(qū)段、瓦斯隱患區(qū)段的專項監(jiān)測預警，多條隧道的施工安全隱患實時在線監(jiān)管等安全防控場景中。另外，系統(tǒng)還支持聲光報警器、監(jiān)控大屏、微信公眾號、手機短信等多模式的施工安全警情實時發(fā)布。

系統(tǒng)能夠解決監(jiān)控隧道基本信息和施工進度信息管理、基于建設信息的隱患識別預報預警、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集及自動解算報警、監(jiān)控量測工作全過程標準化管理、風險隧道潛在致災區(qū)自動監(jiān)測預報警等隧道施工安全防控過程中的主要問題。