多元信息预警系统在头道穴隧道施工过程中的安全评价方法研究

韩成珂，叶 英

(北京市市政工程研究院，北京 100037)

0 引言

隧道在施工过程中存在着大量的风险，且风险具有复杂性、隐蔽性和不确定性等特点，难以识别，随时可能引发安全事故，造成严重后果，如何识别这些风险并准确评价隧道施工过程的安全状态，已经成为摆在人们面前必须要面对的问题。进行安全评价的前提是要获取如施工人员情况、作业环境、工程地质等各方面的施工信息。传统的信息获取方式是人工获取，这种方式效率低且不能保证准确性。随着信息技术的发展，越来越多的隧道工程开始运用信息技术来获取施工信息。在国外，意大利的Vaglia隧道采用了ADECORS系统来获取地质变化信息;哥伦比亚的Buenavista隧道，运用信息化技术来模拟不良地质带。在国内，上海地铁隧道施工运用了内管壁位移网络监测，深圳地铁运用信息化施工技术监测重叠隧道风险［1］。受一些技术条件的限制，以上方法存在一定的局限性:1)获取的信息比较单一，无法掌握施工的整体安全状况;2)通常是获取足够信息后再进行安全评价，使得评价结果存在滞后性，当发现风险时，可能为时已晚［2］。

基于这样的背景，提高隧道施工过程安全评价的全面性、准确性和实时性已迫在眉睫。多元信息预警系统能够在隧道施工过程中进行全方位实时监测，采集大量的、多元的施工信息，利用数字化和网络化等前沿技术，对多元信息进行综合分析判断，集成预报预警、信息系统、安全管理于一体，克服了一般隧道施工安全评价方法的单一性和滞后性问题，实现了施工全面和综合评价，为隧道工程施工保驾护航。

1 多元信息预警系统设计

多元信息预警系统是北京市市政工程研究院、北京交通大学等单位联合研制的地下工程安全保障系统，系统由三维激光仪、各种类型传感器、摄像头、传输基站、采集基站、网络服务器和用户终端构成，所有设备采用无线信号连接［3］。为了获取全面的隧道施工信息，在隧道内安装连接传感器的采集基站，采集瓦斯体积质量、CO体积质量、粉尘体积质量、温度、湿度和噪声强度等，安装激光仪可以实现断面扫描、监测隧道围岩变形，安放无线摄像头可采集现场视频。所有信息通过无线网关上传到后台服务器，施工管理人员能够随时掌握施工现场情况。系统工作链路如图1所示。

图1 系统工作链路Fig.1 System working link

整套系统在隧道施工过程中持续采集信息，在系统中植入科学合理的评价方法，将多元信息整合成一个直观的安全评价结果，供施工管理人员参考。如该评价结果超过了警戒值就会触发预警机制，系统将在第一时间启动应急预案，通知工程人员及时采取有效措施控制风险［4］。

2 隧道施工安全评价方法研究

2.1 建立安全评价指标体系

隧道施工过程的安全状态主要受3方面的影响。1)人员因素。人是工程活动的主体，作业人员应具有很强的安全意识和熟练的技术，此外，科学、健全的规章制度也是隧道安全施工的前提，要求所有人员照章办事、有序施工。2)设备因素。先进的设备是保障隧道安全施工的有效手段，要求设备能在施工过程中采集准确的施工信息，能通过这些信息来掌握施工安全状态。3)环境因素。包括作业环境和支护结构稳定性，作业环境包括噪声、粉尘及有害气体等，支护结构稳定性是指支护结构及围岩的可靠性［5－7］。

通过以上分析，结合多元信息预警系统工作机制，建立安全评价指标体系。通过对相关规范的研究，以及对以往隧道施工事故原因的分析，结合专家意见与隧道施工实际情况，对各项指标进行相对重要度比较，采用层次分析法计算权重［8］。

在设置风险权重时，应根据不同的隧道工程，具体情况具体分析。例如，对于有地下水活动的隧道施工，应在评价指标体系中加入地下水监测项目，同时在隧道围岩内埋设振弦式孔压计，用于监测围岩深层水压力;对于围岩极不稳定、随时可能突发冒顶的隧道，应加密监测，将围岩变形作为重要监测项目并设置较高的权重［9］。对于头道穴隧道施工过程，其周边岩体不存在地下水活动，围岩以微风化花岗岩为主，采用新奥法施工，支护结构稳定性是施工的主要风险源，因此，在设置风险权重时，应对支护结构稳定性有所侧重，评价指标体系如图2所示。

图2 安全评价指标体系Fig.2 Safety evaluation index system

2.2 风险因素评分

将各风险因素按照不同的危险程度，综合分析工程实际与相关规范制定合理的分值，满分为100分，分值越高表示越安全。

2.2.1 人员因素

1)技术素质是指根据隧道工程规模、工期和施工技术难度，配备相应的各类技术人员。隧道施工作业人员应经过岗前专业培训，定期组织专业技能考核，具有过硬的专业技术技能，持证上岗。

2)健康状况是指管理与作业人员须在身体条件符合工作要求的条件下工作。依据《中华人民共和国职业病防治法》相关规定，用人单位应当组织员工进行职业健康检查，符合职业健康规定后才能上岗。

3)系统相关培训是指针对多元信息预警系统使用的培训，要求相关人员掌握多元信息预警系统的工作原理、使用规则，能够正确安装、设定参数、配合系统进行预警响应，以及能够对多元信息预警系统进行有效的管理。

4)安全培训是指施工管理方组织工人进行安全宣传教育和培训，宣传安全规定，普及安全常识，对工人反映的安全防治问题进行协调并督促解决，施工前每个班组成员必须掌握安全防护技能。

5)应急预案编制是指面对突发事件的应急指挥和救援计划编制等。应急预案与多元信息预警系统有机结合，当危险预警时，根据危险程度采取不同级别的补救措施和抢救行动。

6)应急预案演练是指工程管理人员按照应急预案内容，组织工程人员对应急预案进行模拟演练，检验预案能否有效控制可能出现的意外情况，不断优化预案内容。建设单位应经常开展应急演练，使之成为施工管理的一项重要日常工作。

7)工程建设法律法规是指《中华人民共和国安全生产法》《中华人民共和国建筑法》《建设工程质量管理条例》《建设工程安全生产管理条例》等法律体系，规定了建设单位、勘察单位、设计单位、施工单位、工程监理等单位的质量和安全责任。

8)施工现场安全规定是指工程管理人员结合施工现场实际情况制定安全规定，明确各级人员的安全责任，建立各级人员安全生产责任制，定期检查安全责任落实情况。

以上8项是构成人员因素的基本风险因素，打分准则如表1所示。

2.2.2 系统因素

1)系统监测频率是指多元信息预警系统能够针对不同的工程方案设定不同的监测频率。对于不同的隧道工程，其安全风险程度也不同，一般来说，风险越大对应的监测频率越高，但监测频率越高对系统的要求也越高，从而会降低折减系统寿命。

2)系统安装布置是指工程技术人员应按照多元信息预警系统安装要求，在对隧道施工工程充分掌握的情况下进行安装布置，设备布置应符合“覆盖全面，有所侧重”的原则，使多元信息预警系统对整个隧道施工过程进行监控，对施工薄弱环节加强监控，保证信息采集的完整性。

表1 人员因素评分Table 1 Human factor score

3)系统设备完好程度是指在施工活动中，由于外界环境和施工机械设备活动可能会对隧道内的系统设备造成损坏，影响多元信息预警系统的正常工作。一旦出现设备损坏，系统能自动监测到损坏情况，并决定是否启动预警机制，工作人员根据情况采取措施。所有设备具有坚固的外壳，采用防水、防尘工艺，内置应急电池，设备之间互相覆盖，如果个别设备受到损坏，其他设备仍能继续工作，最大限度地保证在复杂环境下监测工作的连续性。

4)信号连接强度是指隧道内复杂的环境，包括钢筋网、渗水、机械设备等可能会对多元信息预警系统的无线连接信号造成干扰，降低信号传输效率，甚至会断开连接，对多元信息采集造成影响。一旦断开连接，系统将根据掉线设备情况，决定是否触发预警机制［10］。

以上4项是构成设备因素的基本风险因素，基于对隧道施工安全综合分析的打分准则如表2所示。

表2 设备因素评分Table 2 Equipment factor score

2.2.3 环境因素

隧道内的作业环境对工人健康有重要影响，环境恶劣时，需采取加强通风等措施改善。粉尘体积质量选取具有典型参考意义的硅灰石粉尘(总尘)作为评分指标;有害气体根据工程具体情况，主要采用CO和瓦斯(CH4)体积质量作为监测评分指标;湿度对隧道内混凝土养护、供电设备以及人体舒适度均有影响。参考相关规范及试验调查［11］，得出评分标准如表3所示。

表3 空间环境评分Table 3 Environment factor score

支护结构稳定性是隧道结构安全的重要监测指标，对隧道安全评价结果有直接影响。由激光仪进行围岩变形自动监测，其目的与人工监控量测一致，通过持续监测围岩的变形程度来判断其稳定性。《公路隧道施工技术细则》中规定实测位移值不应大于极限位移，一般情况下，将隧道设计的预留变形量作为极限位移［14］，根据位移管理等级设置分值，分值如表4所示。

表4 围岩变形评分Table 4 Surrounding rock deformation factor score

围岩分级是勘察方借助专业经验，综合考虑岩石的坚硬程度和岩体完整程度2个基本因素以及岩体基本质量指标BQ进行初步分级，并在此基础上考虑修正因素，最终结合岩体的定性特征综合确定围岩的详细分级。围岩分级评分方案如表5所示。

表5 围岩分级评分Table 5 Surrounding rock classification factor score

在隧道施工过程中，根据多元信息预警系统采集到的数据信息和工程实际情况，按照以上评分标准进行打分，最后按各自权重得出加权分值。

2.3 安全评价及预警

安全评价分为单项评价和综合评价。单项评价是为了防止个别指标超过限值(如瓦斯体积质量超过限值)引发风险，综合评价则可以实现对隧道施工整体安全状况的评价。

由于围岩级别是客观存在的，是无法人为改变的事实，所以在设置单项预警时不考虑围岩级别这一风险因素，除此之外，其他各项指标均应进行单项风险评价。进行综合评价时，系统根据各项指标对应分值加权计算总分。将隧道工程施工风险预警划分为4级，预警级别由高到低分别为红色、橙色、黄色、蓝色4色预警。当系统发出风险预警时，工程管理人员立即与预警系统联动起来进行洞内外的联合预警响应，根据风险预警级别和具体风险情况采取补救措施。综合预警和单项预警的级别设置与整改建议如表6所示。

表6 综合与单项预警级别设置与整改建议Table 6 Corrective recommendations ofcomprehensive and single warning

3 头道穴隧道施工安全评价

3.1 工程概况

头道穴隧道位于北京市怀柔区喇叭沟门乡头道穴村东南侧，为111国道改建过程的一部分，复合式衬砌结构，天然地基，隧道长591 m。隧道全线地形复杂，地势陡峭，不良地质多。出露地层围岩为第四纪冲洪积形成物，且隧道左、右线(北京端)偏压较严重。隧道围岩分级如表7所示。

表7 隧道围岩分级Table 7 Classification of surrounding rock of Toudaoxue tunnel

选取该工程左线隧道进尺区间F1K41+710～+770段进行施工过程安全评价。

3.2 多元信息预警系统监测方案

为了实现施工全过程的安全评价，结合头道穴隧道具体情况，采用的多元信息预警系统设备包括:GPRS无线网关、传输基站、采集基站、传感器集成基站、激光基站、三维激光仪及摄像头。将这些设备按照说明书要求安装在隧道内，形成一条整体链路覆盖整个施工区域。具体布置方案为:

1)在头道穴隧道左幅隧道洞口安装GPRS无线网关，所有监测数据信息通过该网关传输至后台服务器。

2)从网关位置开始，在二次衬砌完工段内每隔100 m安装1台传输基站用于数据传输，共安装4台，间距100 m能保证各基站间稳定的无线连接。通常认为二次衬砌完工段是稳定的、安全的，因此，在二次衬砌完工段不进行监测。

3)在掌子面附近安装1台采集基站用于施工信息采集，基站下连接1台传感器集成基站，集成粉尘、噪声、有害气体、温度和湿度传感器。由于初期支护段围岩不稳定，同时施工人员、机械、车辆都集中在这部分区域进行施工活动，因此，该段是风险高发区域，是监测的重点。网关与摄像头的安装如图3所示。

图3 洞口网关与摄像头Fig.3 Gateway and camera

3.3 人员因素风险分析

3.3.1 人员素质

1)技术素质方面。头道穴隧道作为111国道改建工程重点项目，选拔了有丰富施工经验的人员组建项目班子，配备了满足工程需要的专业技术人员，定期组织施工人员学习，进行施工前岗位培训，以满足工程施工的技术素质要求。

2)健康状况方面。施工单位高度重视员工的身体状况，员工因工死亡率为0，因工重伤率小于0.4‰，职业病发生率小于0.5‰。施工现场配备医务人员，经常开展卫生防疫宣传教育工作，对受伤员工及时治疗。

3.3.2 人员培训

1)系统相关培训方面。从前期安装测试到数据采集与设备维护，由专业技术人员负责，专业人员经过系统相关专业培训并合格，掌握系统工作原理，能够熟练使用设备。

2)安全培训方面。所有进场人员必须接受安全培训，经考试合格并取得相关安全证书后，方准持证上岗，凡入场人员必须接受公司、项目部、班组3级安全教育，3级教育面达到100%。

3.3.3 应急预案情况

1)应急预案编制方面。成立应急救援指挥中心，下设信息组、抢险组、医疗组、协调组和保障组。指挥中心设指挥长1名，副指挥长1名，负责对突发事件的辨识及各应急救援组的调度和指挥。

2)应急预案演练方面。做到施工前经常组织专门抢险培训和抢险演练，做到施工明确、责任到人、组织有力、行动迅速，在2013年内，对应急预案进行了多次不同规模的演练。

3.3.4 安全制度管理

1)工程建设法律法规方面。贯彻执行国家、交通部、地方及甲方、监理对施工安全的相关法律、法规、标准、规范及规定，组织落实公司的质量管理体系文件。

2)施工现场安全规定方面。制定了详细的现场安全管理规定，做好施工现场安全措施的规范化。遵守JTJ 076—95《公路工程施工安全技术规程》和《危险性较大的分部分项工程安全管理办法的规定》等规定，组织定期检查。

3.4 设备因素风险分析

3.4.1 设备设置

1)系统监测频率方面。专业技术人员考虑到系统的布置情况，结合隧道实际情况，将监测频率设置为15 min。

2)系统安装布置方面。专业技术人员按照系统设计构架，在隧道内依说明书要求合理安装设备，随着施工的进行，技术人员需对设备安装布置进行不断调整，以适应复杂的施工环境。

3.4.2 设备状态

1)系统设备完好程度方面，由于隧道内施工环境复杂，评价周期内存在少量传感器、摄像头等非关键设备受损情况，损坏数量不超过10%。在发现损坏后，专业技术人员会在第一时间进行修复。

2)信号连接强度方面，由于隧道内施工环境复杂，空气潮湿且灰尘大，工程机械、钢拱架、钢网等都会对无线信号有一定的干扰。据后台统计，在评价周期内，平均1周掉线1次。

3.5 环境因素风险分析

3.5.1 空间环境

数据采集显示，粉尘平均体积质量为2～4 mg/m3;噪声强度平均值为60 dB;对于有害气体，隧道内CO峰值含量不超过25 mg/m3，平均体积质量不超过20 mg/m3，隧道内瓦斯含量极低;平均气温为14℃;相对湿度保持在40% ～50%［12－13］。各项监测数据曲线如图4所示。

图4 监测数据曲线Fig.4 Monitoring data

3.5.2 支护结构稳定

在头道穴隧道左线F1K41+700处进行激光仪断面扫描，水平收敛实测最大位移为－2.7 mm，拱顶沉降实测最大位移为4 mm。头道穴隧道设计开挖预留变形量为5 cm，按规范要求，可将此预留变形量作为极限位移［15］。

隧道左线F1K41+710～+770段为Ⅳ级围岩段，围岩具有一定的自稳能力，开挖后无明显的掉块和坍塌现象，初期支护无异常。

3.6 安全评价与预警

通过对以上各项风险因素的分析，结合已构建的安全评价方法，系统逐一检查各项指标的风险程度，进行单项评价，再根据单项评分计算加权评分，实现对头道穴隧道施工过程整体安全情况的综合评价。单项评价、综合评价以及预警详细情况如表8所示。

表8 安全评价与预警Table 8 Comprehensive evaluation

3.7 施工实际情况对比分析

综合安全评价结果为蓝色预警，意味着施工方应密切注意围岩动向和环境变化趋势，并采取一定的加强措施。其中，主要风险来自于有害气体、围岩变形和围岩分级。该评价结果与当时隧道施工实际情况基本吻合，隧道施工期间实际情况如下。

1)监理方在检查时提出隧道围岩整体处于稳定状态，可正常施工，但应密切监测，开挖后及时支护，尽快闭合，有情况时随时汇报。

2)勘察方出具的勘察报告指出:通过对洞内围岩的观察，洞顶、洞身及洞底均为中风化、微风化花岗岩，节理裂隙发育，岩体较破碎，呈镶嵌碎裂结构，拱部无支护时可产生较大坍塌，侧壁有时会失稳，需及时加强支护，基底基本稳定。

3)政府安全生产有关部门对隧道施工进行检查后，认为总体情况符合安全规定，现场安全生产达标，并未提出人员安全管理方面的问题。

4 结论与讨论

本文提出了一套基于多元信息预警系统的隧道施工过程安全评价方法，得出以下主要结论。

1)解决了一般安全评价方法的滞后性问题，能够从源头上识别风险隐患，做到动态监测，提前预警。

2)提出了隧道施工风险因素与多元信息预警系统相结合的方式，能够全面地、综合地评价安全状态，解决了一般评价方法的片面性问题。

3)提出了一套可实现施工安全自动评价的指标体系，所有指标可量化、易采集、指向明确，最大限度地减少了人为主观因素的影响。

4)对头道穴隧道施工过程进行了安全评价，评价结果显示该隧道施工处于蓝色预警状态，评价结果与施工实际情况一致。

本文对信息化施工安全评价方法进行了初步研究，但该研究课题在诸多方面还有待完善，有以下几方面值得进一步思考和研究。

1)构建的隧道施工安全评价方法是否具有普适性，即在其他的隧道工程中能否有效评价安全状况，有哪些方面可以适当修改，以增强兼容性。

2)随着多元信息预警系统在更多工程中的运用，每个工程都会提供大量的多元信息，从而形成施工大数据，如何利用这些大数据，怎样从中提取有效信息来使评价结果更精确，值得研究和思考。

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