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(shè)計(jì)研究院股份有限公司 貴陽 550081)

近年，由于公路隧道建設(shè)突飛猛進(jìn)，建設(shè)中的各種地質(zhì)災(zāi)害引發(fā)的施工安全事故也層出不窮。據(jù)調(diào)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(diào)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(jì)43次，死亡327人、受傷114人，經(jīng)濟(jì)損失約6.38億元，數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)見圖1。由此可見，有效地解決隧道防災(zāi)減災(zāi)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(diào)研分析發(fā)現(xiàn)，有效防災(zāi)減災(zāi)的前提是對隧道施工全過程做好安全風(fēng)險(xiǎn)防控，于此，在既有隧道風(fēng)險(xiǎn)防控技術(shù)和防控現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，文中介紹借鑒互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等新技術(shù)，開展公路隧道施工數(shù)智化安全防控技術(shù)的研究及平臺(tái)建設(shè)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(dān)圍巖應(yīng)力重分布所帶來的荷載，而導(dǎo)致巖土體坍塌的現(xiàn)象。造成塌方的因素主要有：地質(zhì)因素、設(shè)計(jì)因素、施工因素、認(rèn)識(shí)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(gòu)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(shí)則稱為突水；當(dāng)突出的地下水中含有泥沙等物質(zhì)且含量超過50%時(shí)，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(guān)文獻(xiàn)展開調(diào)研，瓦斯隧道災(zāi)害事故分為瓦斯爆炸和瓦斯突涌2種。瓦斯爆炸需要同時(shí)具備3個(gè)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(diǎn)火能量(0.28 mJ)、溫度高于最低點(diǎn)火溫度(595 ℃)且高溫?zé)嵩创嬖跁r(shí)間大于瓦斯引火感應(yīng)期0.010～1.64 s[5]。

瓦斯突涌相當(dāng)于硬質(zhì)巖產(chǎn)生的巖爆，其判斷指標(biāo)為(《鐵路隧道瓦斯技術(shù)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(jiān)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(diào)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(gè)方面。

1) 災(zāi)害隱患識(shí)別預(yù)報(bào)預(yù)警體系尚未完善。施工前，既有隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估與施工銜接較差，不能發(fā)揮較好的警示作用，導(dǎo)致勘察設(shè)計(jì)資料在隧道施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警中未得到充分利用。施工中，缺乏開挖揭示地質(zhì)信息的動(dòng)態(tài)評估預(yù)警。

2) 監(jiān)控量測工作缺乏標(biāo)準(zhǔn)化管控。①監(jiān)測單位、監(jiān)測人員技術(shù)水平參差不齊，數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)分析、控制標(biāo)準(zhǔn)、報(bào)告形式、預(yù)警流程尚未實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化管理，導(dǎo)致監(jiān)測成果的可靠性難以保證，進(jìn)而不能快速、有效地應(yīng)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(shí)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(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的防控能力。

3) 風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀管控體系尚未健全。①監(jiān)測反饋及預(yù)警預(yù)報(bào)存在滯后性，目前仍采用監(jiān)測成果定期閱讀、風(fēng)險(xiǎn)警情逐層上報(bào)等方式。②尚未建立“識(shí)別警情→確認(rèn)警情→發(fā)布警情→消除警情”的閉環(huán)式風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警機(jī)制。③缺乏線路隧道風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀實(shí)時(shí)統(tǒng)籌管理體系，不便于項(xiàng)目管理人員實(shí)時(shí)、高效地統(tǒng)籌監(jiān)管。

4) 風(fēng)險(xiǎn)隧道潛在致災(zāi)區(qū)的安全防控意識(shí)薄弱。在監(jiān)測預(yù)警方面，缺乏隱患點(diǎn)、隱患區(qū)段的專項(xiàng)安全防控預(yù)警策略，主要依靠監(jiān)控量測日常預(yù)報(bào)預(yù)警，導(dǎo)致未引起足夠的重視，管理薄弱，進(jìn)而增加風(fēng)險(xiǎn)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(diào)研相關(guān)研究成果及工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，系統(tǒng)規(guī)劃了監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、塌方監(jiān)測、突水突泥監(jiān)測、巖爆監(jiān)測6個(gè)子系統(tǒng)，其中超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)納入到相應(yīng)子系統(tǒng)的災(zāi)害識(shí)別板塊，并未單獨(dú)列出，其余5個(gè)系統(tǒng)并列共存。將每個(gè)系統(tǒng)公用的信息單獨(dú)作為一個(gè)模塊，但能在相關(guān)的子系統(tǒng)中展示，例如隧道基本信息、隧道施工進(jìn)度、報(bào)文管理等。各子系統(tǒng)之間的關(guān)系見圖2。

圖2 各子系統(tǒng)之間的關(guān)系

2.1 系統(tǒng)構(gòu)架

根據(jù)圖2各子系統(tǒng)之間的關(guān)系，綜合軟件開發(fā)技術(shù)的可實(shí)施生，以及各方面用戶使用需求，設(shè)計(jì)系統(tǒng)構(gòu)架見圖3。

圖3 系統(tǒng)構(gòu)架

2.2 系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵技術(shù)

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(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)、靜態(tài)數(shù)據(jù)、準(zhǔn)靜態(tài)數(shù)據(jù)。

根據(jù)監(jiān)測系統(tǒng)工作業(yè)務(wù)，系統(tǒng)數(shù)據(jù)可分為基礎(chǔ)信息數(shù)據(jù)、動(dòng)態(tài)施工數(shù)據(jù)、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)、災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警數(shù)據(jù)。監(jiān)測數(shù)據(jù)狀態(tài)關(guān)系見圖4。

圖4 監(jiān)測數(shù)據(jù)狀態(tài)關(guān)系

2) 狀態(tài)管理

隧道施工安全監(jiān)測對于隧道建設(shè)而言，一直持續(xù)至隧道施工結(jié)束，對于某個(gè)斷面、某個(gè)指標(biāo)、某個(gè)測點(diǎn)而言周期較短，例如監(jiān)控量測每個(gè)斷面監(jiān)測周期約為1個(gè)月。通過調(diào)研分析，繪制得監(jiān)測方式與施工節(jié)點(diǎn)關(guān)系見圖5。

圖5 監(jiān)測方式與施工節(jié)點(diǎn)關(guān)系

為保證系統(tǒng)監(jiān)控量測、監(jiān)測預(yù)警與隧道施工節(jié)點(diǎn)協(xié)調(diào)，系統(tǒng)設(shè)置了監(jiān)測狀態(tài)，將不再進(jìn)行監(jiān)測的隧道、斷面進(jìn)行“在線、下線”狀態(tài)管理設(shè)置，這樣系統(tǒng)的邏輯業(yè)務(wù)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(biāo)報(bào)警技術(shù)

1) 系統(tǒng)預(yù)警方式

監(jiān)測預(yù)警方式有單指標(biāo)預(yù)警和多指標(biāo)綜合預(yù)警2種，其中單指標(biāo)預(yù)警較為常用，綜合預(yù)警可靠性有待考證，相比之下應(yīng)用較少。系統(tǒng)開發(fā)時(shí)統(tǒng)一采用單指標(biāo)進(jìn)行預(yù)警，以斷面為準(zhǔn)采用就高原則，即某一斷面某項(xiàng)目、某測點(diǎn)預(yù)警等級(jí)最高，則以最高警級(jí)代表該斷面警情。系統(tǒng)判斷首先判斷同斷面同項(xiàng)目同測點(diǎn)警情，再判斷同斷面不同項(xiàng)目警情，最終以高警情輸出。

2) 監(jiān)控量測預(yù)警閾值設(shè)置

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

3) 災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警閾值設(shè)置

災(zāi)害監(jiān)測預(yù)警主要通過自動(dòng)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警，要充分體現(xiàn)災(zāi)害預(yù)警的及時(shí)性，因此，系統(tǒng)設(shè)置了累計(jì)報(bào)警和速率報(bào)警2種方式，報(bào)警等級(jí)分為四級(jí)。災(zāi)害監(jiān)測警限值設(shè)定方式見圖6。

圖6 災(zāi)害監(jiān)測警限值設(shè)定方式

2.2.3數(shù)據(jù)分析處理

1) 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)修約

在有要求時(shí)，按項(xiàng)目要求進(jìn)行修約，無要求時(shí)，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(shù)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(yīng)滿足相應(yīng)精度錄入要求。

2) 趨勢圖繪制

趨勢圖包含時(shí)間-累計(jì)曲線、時(shí)間-速率變化曲線2張圖，宜增加雙坐標(biāo)軸表達(dá)測點(diǎn)距掌子面的距離。此外，同斷面的同類監(jiān)測點(diǎn)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(wù)方面，系統(tǒng)包括風(fēng)險(xiǎn)評估、監(jiān)控量測、災(zāi)害監(jiān)測3個(gè)業(yè)務(wù)板塊，可由3家單位分別完成各自的工作業(yè)務(wù)。同一隧道中3個(gè)板塊是相互獨(dú)立的，其中監(jiān)控量測是必做項(xiàng)目，其余兩項(xiàng)可根據(jù)工程實(shí)踐情況增減。風(fēng)險(xiǎn)評估、監(jiān)控量測與災(zāi)害監(jiān)測工作關(guān)系見圖7。

圖7 風(fēng)險(xiǎn)評估、監(jiān)控量測與災(zāi)害監(jiān)測工作關(guān)系

2.3 系統(tǒng)開發(fā)

監(jiān)控量測系統(tǒng)采用B/S架構(gòu)，使用ASP.NET MVC 5、EF6(Entity Framework 6)框架進(jìn)行開發(fā)，運(yùn)行于.NET Framework 4.6之上。系統(tǒng)使用微軟的SQL Server數(shù)據(jù)庫進(jìn)行存儲(chǔ)，結(jié)合EF6(Entity Framework 6) ORM框架，可實(shí)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(chǔ)信息管理

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

2) 施工進(jìn)度管理

準(zhǔn)確記錄隧道掌子面、仰拱、下臺(tái)階、二襯施工進(jìn)度，提供直觀進(jìn)度圖展示，其示意見圖9。

圖9 施工進(jìn)度展示

3) 地勘信息預(yù)告

管理隧道災(zāi)害分布數(shù)據(jù)，與施工進(jìn)度協(xié)調(diào)運(yùn)作，可預(yù)告施工前方災(zāi)害情況。因此需做到：①在“總體風(fēng)險(xiǎn)評估”模塊中錄入勘察、設(shè)計(jì)信息指標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)評判隧道施工總體風(fēng)險(xiǎn)和專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)(塌方、突水突泥、瓦斯)。②在“施工前安全預(yù)警和施工中安全預(yù)警”模塊中錄入隧道勘察、設(shè)計(jì)、施工信息指標(biāo)，系統(tǒng)自動(dòng)評判災(zāi)害(塌方、突水突泥、瓦斯、巖爆)發(fā)生等級(jí)。

4) 監(jiān)測數(shù)據(jù)管理

按日期時(shí)間有序管理監(jiān)測項(xiàng)目、監(jiān)測數(shù)據(jù)，提供“在線、下線”設(shè)置匹配實(shí)際監(jiān)測工序，提供手動(dòng)錄入數(shù)據(jù)、設(shè)備導(dǎo)入數(shù)據(jù)、自動(dòng)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(yù)警

①列出了數(shù)據(jù)變化的累計(jì)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(shè)定指標(biāo)判斷施工狀態(tài)(是否可正常施工、是否滿足二次襯砌);③災(zāi)害監(jiān)測系統(tǒng)中，可根據(jù)設(shè)定的報(bào)警限值(累計(jì)值報(bào)警、速度變化值報(bào)警)進(jìn)行實(shí)時(shí)災(zāi)害預(yù)報(bào)警。

6) 自動(dòng)報(bào)告導(dǎo)出

可快速自動(dòng)導(dǎo)出監(jiān)測簡報(bào)、監(jiān)測日報(bào)、監(jiān)測周報(bào)、監(jiān)測月報(bào)，以及預(yù)警報(bào)告。

7) 報(bào)告文件管理

可對監(jiān)測過程中的工作日志、監(jiān)測報(bào)告、會(huì)議紀(jì)要、合同進(jìn)行有序管理。

8) 實(shí)時(shí)警情推送

可通過微信公眾號(hào)、web系統(tǒng)實(shí)時(shí)推送施工警情，同時(shí)可根據(jù)現(xiàn)場需要設(shè)置警報(bào)、短信提示。

9) 監(jiān)管信息統(tǒng)計(jì)

可對系統(tǒng)中所有在線監(jiān)測的項(xiàng)目進(jìn)行全局管理，包括施工進(jìn)度和風(fēng)險(xiǎn)現(xiàn)狀等。

4 結(jié)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(yàn)的基礎(chǔ)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(shè)中的各個(gè)環(huán)節(jié)防災(zāi)關(guān)鍵數(shù)據(jù)聚合在一起，深入挖掘分析進(jìn)行災(zāi)情預(yù)警。同時(shí)，系統(tǒng)的專項(xiàng)監(jiān)測預(yù)警模塊可兼容不同廠商、不同儀器的數(shù)據(jù)，并能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)采集、傳輸、管理及分析預(yù)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(shí)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(xiàng)監(jiān)測預(yù)警，多條隧道的施工安全隱患實(shí)時(shí)在線監(jiān)管等安全防控場景中。另外，系統(tǒng)還支持聲光報(bào)警器、監(jiān)控大屏、微信公眾號(hào)、手機(jī)短信等多模式的施工安全警情實(shí)時(shí)發(fā)布。

系統(tǒng)能夠解決監(jiān)控隧道基本信息和施工進(jìn)度信息管理、基于建設(shè)信息的隱患識(shí)別預(yù)報(bào)預(yù)警、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集及自動(dòng)解算報(bào)警、監(jiān)控量測工作全過程標(biāo)準(zhǔn)化管理、風(fēng)險(xiǎn)隧道潛在致災(zāi)區(qū)自動(dòng)監(jiān)測預(yù)報(bào)警等隧道施工安全防控過程中的主要問題。