段軍朝 申興柱 徐朝陽

(1.中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司，430064，武漢;2.華中科技大學(xué)土木工程與力學(xué)學(xué)院，430074，武漢;3.中建三局集團(tuán)有限公司，430064，武漢;4.中建三局軌道交通公司，430064，武漢∥第一作者，高級(jí)工程師)

地鐵線路穿越瓦斯地層等重大危險(xiǎn)源時(shí)，施工風(fēng)險(xiǎn)大、安全管控難，如何通過信息化的手段高效地進(jìn)行安全管理成為各方關(guān)注的焦點(diǎn)。文獻(xiàn)［1］利用物聯(lián)網(wǎng)、GIS(地理信息系統(tǒng))等現(xiàn)代技術(shù)搭建了專業(yè)信息化的地鐵建設(shè)管理平臺(tái)，該平臺(tái)具有評(píng)估預(yù)警與響應(yīng)處置等功能，通過人工監(jiān)測、實(shí)時(shí)監(jiān)測、現(xiàn)場巡視和視頻監(jiān)控4種手段對(duì)地下工程安全情況進(jìn)行管理。文獻(xiàn)［2］構(gòu)建了城市軌道交通土建施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控預(yù)警系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車站基坑和區(qū)間隧道施工點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，提高了監(jiān)測數(shù)據(jù)使用效率及施工管理的現(xiàn)代化水平。文獻(xiàn)［3］提出了多用戶警情信息與應(yīng)急預(yù)案信息的協(xié)同在線風(fēng)險(xiǎn)管控方法，方便了城市軌道交通建設(shè)各單位用戶之間的信息共享交流，實(shí)現(xiàn)了施工過程中各類安全風(fēng)險(xiǎn)的有效管控。文獻(xiàn)［4］依托石家莊地鐵工程項(xiàng)目，建立了施工安全管理信息平臺(tái)，該平臺(tái)涵蓋實(shí)時(shí)監(jiān)控、遠(yuǎn)程控制、預(yù)警報(bào)警、數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)與分析等功能，為地鐵建設(shè)安全平穩(wěn)推進(jìn)提供了保障。文獻(xiàn)［5］研發(fā)了城市地鐵施工安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，該系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)預(yù)警、及時(shí)發(fā)布信息與多用戶協(xié)同管理的功能，并以杭州地鐵項(xiàng)目為案例進(jìn)行驗(yàn)證。文獻(xiàn)［6］通過進(jìn)行功能需求分析，開發(fā)了天津城市軌道交通安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控管理系統(tǒng)，主要包含工程信息管理、施工進(jìn)度、監(jiān)測預(yù)警管理等3大功能。

上述研究對(duì)地鐵工程土建施工階段的安全風(fēng)險(xiǎn)管理體系進(jìn)行了研究，并取得了一些成功的經(jīng)驗(yàn)和方法。但已有管理體系的監(jiān)管覆蓋范圍小，未有效包含地鐵隧道施工作業(yè)面中的各類危險(xiǎn)源，同時(shí)在功能和適用性等方面存在一定的缺陷。此外，當(dāng)?shù)罔F線路穿越瓦斯地層時(shí)，尚無適用于該復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境下的瓦斯隧道安全防控管理體系。鑒于此，本文利用物聯(lián)網(wǎng)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)和無線傳輸?shù)燃夹g(shù)，集成瓦斯監(jiān)測、風(fēng)速檢測和盾構(gòu)施工監(jiān)控等專業(yè)應(yīng)用，運(yùn)用流媒體、大數(shù)據(jù)等手段搭建了多方參與、共同監(jiān)管的地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系，旨在構(gòu)建全線覆蓋、全員參與、全過程管理的集約化管控模式，實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)源實(shí)時(shí)智能監(jiān)測、迅速響應(yīng)、合理處置。研究成果可為國內(nèi)外地鐵工程施工階段的安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供借鑒和指導(dǎo)。

1 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系

1.1 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系架構(gòu)

地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系集成了隧道瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)監(jiān)控(G)、盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控(S)、重大危險(xiǎn)源視頻監(jiān)控(H)、隧道施工人員定位(P)及勞務(wù)人員人臉識(shí)別實(shí)名制管理(R)5大系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了重大安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)綜合監(jiān)控管理。其架構(gòu)如圖1所示。該體系基于互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，構(gòu)建廣域網(wǎng)和局域網(wǎng)通信傳輸網(wǎng)絡(luò)，依托短距離無線通信技術(shù)，實(shí)現(xiàn)溝通和傳輸?shù)亩嘞蛐浴Ｍ瑫r(shí)，采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，通過對(duì)目標(biāo)智能化的跟蹤及監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)監(jiān)測、盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)傳輸、隧道施工人員定位及人員的實(shí)名制管理等諸多功能;借助流媒體視頻點(diǎn)播及回訪、遠(yuǎn)程監(jiān)控功能，應(yīng)用于重大危險(xiǎn)源的全方位監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)了空間和時(shí)間的解放。

圖1 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系架構(gòu)圖Fig.1 Framework diagram of safety prevention and control management system for subway gas tunnel

地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的硬件系統(tǒng)包括上層集成中心和下層監(jiān)控平臺(tái)2個(gè)層次。其中，上層集成中心即位于項(xiàng)目公司總部的總調(diào)度指揮中心，是各種信息的集散地;下層監(jiān)控平臺(tái)位于各個(gè)施工工點(diǎn)項(xiàng)目部，負(fù)責(zé)對(duì)現(xiàn)場施工情況的具體監(jiān)控與信息上傳。具體的硬件配置主要包括應(yīng)用服務(wù)器、數(shù)據(jù)服務(wù)器、萬維網(wǎng)服務(wù)器、工程師工作站、硬件防火墻、交換機(jī)、路由器，以及各類相關(guān)監(jiān)控設(shè)備，如攝像機(jī)、傳感器、檢測儀、饋電斷電器、人臉識(shí)別閘機(jī)等。

1.2 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的主要特點(diǎn)

為了有效應(yīng)對(duì)地鐵線路穿越瓦斯地層時(shí)所面臨的諸多安全管控風(fēng)險(xiǎn)及難題，首次開發(fā)了地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系。該體系的特點(diǎn)如圖2所示，主要特點(diǎn)包括以下3個(gè)方面:

圖2 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的功能及特點(diǎn)Fig.2 Functions and characteristics of safety prevention and control management system for subway gas tunnel

1)構(gòu)建了基于互聯(lián)網(wǎng)濃度技術(shù)的復(fù)雜環(huán)境下，集隧道瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)監(jiān)測、盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)控、隧道施工人員定位和勞務(wù)人員人臉識(shí)別實(shí)名制管理為一體的城市軌道交通安全防控管理體系，實(shí)現(xiàn)了對(duì)重大安全風(fēng)險(xiǎn)綜合管控的功能。

2)攻克了復(fù)雜環(huán)境下城市地鐵瓦斯隧道安全風(fēng)險(xiǎn)管控的關(guān)鍵技術(shù)，提出了1套適用于高瓦斯暗挖隧道、低瓦斯盾構(gòu)隧道的瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)監(jiān)控系統(tǒng)，解決了風(fēng)電瓦斯閉鎖等難題。

3)實(shí)現(xiàn)了全員參與、全線覆蓋、全過程監(jiān)控的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)管理。標(biāo)段項(xiàng)目部、項(xiàng)目公司、第三方單位等參與方可以隨時(shí)隨地查詢各工點(diǎn)的施工信息，獲知目前的安全狀態(tài)，同時(shí)進(jìn)行雙向通信。

1.3 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的主要功能

1.3.1 隧道瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)監(jiān)控

通過在隧道各工作面(礦山法隧道:掌子面、襯砌臺(tái)車等部位;盾構(gòu)法隧道:螺旋機(jī)出土口、1#和5#臺(tái)車尾部等部位)安裝瓦斯傳感器，以及在隧道回風(fēng)流內(nèi)安裝風(fēng)速傳感器，并將監(jiān)測信息回饋至主控計(jì)算機(jī)進(jìn)行分析處理，實(shí)現(xiàn)了對(duì)洞內(nèi)瓦斯?jié)舛群突仫L(fēng)風(fēng)速的24 h實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測。當(dāng)瓦斯?jié)舛然蛘呋仫L(fēng)風(fēng)速達(dá)到預(yù)警值時(shí)，洞內(nèi)傳感器和洞外監(jiān)控中心自動(dòng)進(jìn)行聲光報(bào)警。如圖3所示，利用設(shè)備開停傳感器、饋電斷電器等對(duì)被控設(shè)備自動(dòng)斷電，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電、瓦電閉鎖功能。同時(shí)對(duì)盾構(gòu)機(jī)、隧道內(nèi)的固定電器、內(nèi)燃設(shè)備、運(yùn)輸設(shè)備等進(jìn)行針對(duì)性防爆改裝，保證隧道施工安全。

圖3 瓦斯隧道濃度自動(dòng)監(jiān)測及風(fēng)電閉鎖原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas tunnel concentration automatic monitoring and wind power locking principle

1.3.2 盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控

通過構(gòu)建盾構(gòu)施工實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)監(jiān)控系統(tǒng)，各層級(jí)的管理人員可以實(shí)時(shí)獲得全線每臺(tái)盾構(gòu)機(jī)在低瓦斯地層中的各項(xiàng)掘進(jìn)參數(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)、工程進(jìn)度、設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)等信息。利用計(jì)算機(jī)強(qiáng)大的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和處理功能，系統(tǒng)可以對(duì)施工參數(shù)、材料消耗數(shù)據(jù)等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)和分析，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)施工過程中各種相關(guān)數(shù)據(jù)的自動(dòng)識(shí)別、有序存儲(chǔ)、信息匯總及動(dòng)態(tài)管理?？煞奖銓?duì)盾構(gòu)掘進(jìn)過程中出現(xiàn)的問題進(jìn)行分析，便于遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)掌控盾構(gòu)施工情況，從而對(duì)盾構(gòu)施工的安全、質(zhì)量和進(jìn)度等進(jìn)行全面管控。

1.3.3 重大危險(xiǎn)源視頻監(jiān)控

如圖4所示，在盾構(gòu)法隧道和礦山法隧道的關(guān)鍵位置，結(jié)合當(dāng)前工況和施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)設(shè)置施工專用監(jiān)控?cái)z像頭，利用互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將現(xiàn)場施工情況同步傳輸至監(jiān)控中心和移動(dòng)客戶端，可以實(shí)時(shí)了解施工進(jìn)度，掌握可視范圍的施工情況等，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)重大危險(xiǎn)源的全方位遠(yuǎn)程管控。地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系同時(shí)具有錄像、預(yù)警、雙向語音等功能。出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)，項(xiàng)目公司監(jiān)控中心可及時(shí)向現(xiàn)場發(fā)出警告，線下管理人員完成處置后需在系統(tǒng)上消除預(yù)警信息，實(shí)現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)閉合式管理。

圖4 重大危險(xiǎn)源視頻監(jiān)控拓?fù)鋱DFig.4 Video monitoring topology of major hazard installations

1.3.4 隧道施工人員定位

隧道施工人員定位系統(tǒng)是基于RFID(無線射頻識(shí)別)技術(shù)構(gòu)建的，系統(tǒng)構(gòu)建時(shí)導(dǎo)入了地鐵線路布局及周邊環(huán)境等信息。通過施工人員攜帶的定位器，定位系統(tǒng)能夠?qū)崟r(shí)探測和顯示洞內(nèi)人員數(shù)量及具體位置，管理人員可實(shí)時(shí)查看洞內(nèi)人員數(shù)量和位置分布等情況。定位器同時(shí)具備雙向通訊功能，能夠在緊急情況下，群發(fā)撤離通知信號(hào)或發(fā)出求救信號(hào)，達(dá)到事故預(yù)防和有效施救的目的。

1.3.5 勞務(wù)人員人臉識(shí)別實(shí)名制管理

勞務(wù)人員人臉識(shí)別實(shí)名制管理系統(tǒng)集教育培訓(xùn)、出工考勤、用工分析、工資支付等多種功能于一體。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖5所示。勞務(wù)人員在進(jìn)場施工前需辦理實(shí)名制管理卡，錄入個(gè)人基本信息、工種、技能等級(jí)等詳細(xì)信息。當(dāng)進(jìn)行安全教育培訓(xùn)、進(jìn)入或離開施工現(xiàn)場時(shí)，通過人臉識(shí)別或刷卡進(jìn)行考勤和信息統(tǒng)計(jì)。工人的從業(yè)經(jīng)歷、優(yōu)良表現(xiàn)、違章違規(guī)行為等亦會(huì)進(jìn)行全過程記錄，以作為工人技能等級(jí)認(rèn)證、務(wù)工準(zhǔn)入的重要依據(jù)。

圖5 勞務(wù)人員實(shí)名制管理系統(tǒng)架構(gòu)圖Fig.5 Architecture of real name management system for labor service personnel

2 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的應(yīng)用

成都軌道交通6號(hào)線三期工程(原11號(hào)線一期工程)全長23.37 km，采用全地下敷設(shè)。該線路有4.7 km位于高瓦斯地段、6.6 km位于低瓦斯地段，瓦斯段總長度達(dá)到11.3 km，是國內(nèi)穿越瓦斯地層最長的城市地鐵線路。依托于此工程，經(jīng)不斷改進(jìn)和優(yōu)化，地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的穩(wěn)定性和適應(yīng)性得以不斷提高。目前，該體系已成功應(yīng)用于成都軌道交通6號(hào)線三期工程建設(shè)中。圖6為地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的管理界面，全線110余項(xiàng)重大危險(xiǎn)源得到了有效監(jiān)控管理，及時(shí)發(fā)現(xiàn)并消除了多項(xiàng)安全隱患，施工過程中未發(fā)生一起安全事故，為全線瓦斯隧道的順利貫通提供了強(qiáng)有力的保障，切實(shí)提高了城市地鐵項(xiàng)目的一體化和智能化安全管理水平。

圖6 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的管理界面Fig.6 Management interface of subway gas tunnel safety prevention and control management system

同時(shí)，地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系前期投入少，整體工作性能穩(wěn)定，節(jié)約了前期搭建和后期維護(hù)成本，減輕了管理人員的工作量，提高了管理工作效率，有效降低了管理成本，為工程項(xiàng)目安全、高效、優(yōu)質(zhì)地履約提供了技術(shù)支撐。

3 結(jié)語

1)形成了集隧道瓦斯?jié)舛茸詣?dòng)監(jiān)測、盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控、重大危險(xiǎn)源遠(yuǎn)程監(jiān)控、隧道施工人員定位，以及勞務(wù)人員人臉識(shí)別實(shí)名制管理配置優(yōu)化和一體化安全管理的關(guān)鍵技術(shù)，提高了地鐵線路穿越瓦斯地層施工階段的安全管理水平。

2)提出了施工工區(qū)、標(biāo)段項(xiàng)目部、項(xiàng)目公司、第三方單位通過線上線下聯(lián)動(dòng)、全線覆蓋、全員參與、全過程管理的集約化管控模式，搭建了“點(diǎn)-線-網(wǎng)”全方位的安全防控管理體系，有效保證各監(jiān)管方的多點(diǎn)協(xié)調(diào)管控。

3)地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系能夠有效地對(duì)地鐵瓦斯隧道建設(shè)過程中的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行監(jiān)控、預(yù)警和快速處置，實(shí)現(xiàn)了地鐵瓦斯隧道建設(shè)全過程中一體化、智能化、信息化的安全監(jiān)管，有效提高了瓦斯地層中地鐵項(xiàng)目的安全風(fēng)險(xiǎn)管理效率和水平，降低了管理成本，具有較好的推廣應(yīng)用價(jià)值。