高风险隧道施工安全预警管理系统研制与应用

朱学辉

高风险隧道施工安全预警管理系统研制与应用

朱学辉

摘 要：针对高风险隧道施工安全存在的诸多难点，以中川铁路九合二号高风险隧道施工安全管理为平台，应用信息技术和隧道模型仿真技术搭建高风险隧道施工安全预警管理系统，实现隧道的“可视化建造”和“安全风险的可视化预警管理”。在实际应用中，通过地质勘探报告、超前地质预报、监控量测数据的指标化存取和量化分析，融合风险评估报告、现场异常报告、专家远程支持等资源构建风险识别的参数化模型。系统具备开放性工程项目资料管理、多媒体隧道工程知识库等相关的应用性、扩展性和推广性功能。

关键词：风险矢量模型；地质勘测；数据标量化；Web 3D模型；动态分析

1 研制背景

随着经济的迅速发展，我国隧道建设日新月异。由于城市地铁、铁路隧道和高速公路隧道能改善路线技术指标，缩短路程和行车时间，提高运营效益，因此国家不断加大隧道的建设力度。然而隧道施工投资大、周期长、项目多、技术复杂、不可预见风险因素多、社会影响大，由于技术与管理力量难以充分保证，对隧道施工安全风险认识不客观，施工风险管理的科学性欠缺和信息化程度不高等因素的存在，我国隧道施工事故频发，形势严峻。

1.1 我国铁路隧道施工信息化水平较低

隧道工程的基本特点是“地质环境复杂，基础信息匮乏”，目前我国隧道安全风险管理与控制策略研究仍在起步阶段，管理模型的自动化程度不高，影响风险管理及控制的可靠性和时效性。因此，一种集设计、施工、监测、反馈设计于一体的“多级自优化”隧道信息化设计与施工方法已成为推动隧道工程建设日趋规范、科学、合理的主导动力。隧道工程现场监测是该方法得以广泛应用的关键，是从个体到群体解决隧道与地下工程力学、设计、施工问题的一种重要手段。只有实时获取到反映隧道围岩整体稳定状态的各种信息并及时分析、处理与反馈，才能真正反映隧道工程开挖过程的动态变化，体现其“信息化”的特点。

1.2 高风险隧道施工安全面临巨大考验

按照设计方案，兰州至中川机场线一共包含9大隧道工程，其中3条隧道都被定义为高风险隧道，最为特殊的是九合二号隧道，隧道全长2870m，洞身穿越第三系砂岩，洞身（口）下穿京藏高速公路和约80m长的细沙地层。高风险隧道施工风险管理面临的问题：地质条件复杂多变；隧道施工安全风险认识不客观；风险管理的科学性欠缺；信息化程度不高；技术与管理力量难以充分保证。

1.3 隧道施工检测、监测信息的自动化管理

高风险隧道施工安全预警管理系统项目研究基于高风险隧道施工面临的巨大风险，重在探索高风险隧道管理信息化和风险预警控制，从而构造一个隧道地质信息结合施工进程的三维信息模型，实现可视化的风险预警评估管理。系统以九合二号隧道为研究载体，以隧道工程的监测信息为研究对象，并通过计算机编程，由软件系统进行信息录入、数据转换、图形绘制、结果分析而实现。把隧道的预设计与现场监控量测、信息化反馈技术巧妙结合，采用及时支护、分期实施、柔刚适度、全环封闭等一整套充分发挥围岩自承能力的原则和方法，并用计算机编程实现监测信息录入方便、快速，图线绘制快捷、美观，信息反馈及时、准确的综合功能。

2 系统内涵及特点

2.1 系统内涵

通过最新的计算机信息技术对隧道工程中的设计信息、过程信息、进度信息、风险信息等进行采集、存储、分析、挖掘利用；借助三维虚拟仿真技术对隧道的地质模型、进度模型、隧道内外部实体模型进行重现；以高度可视化的形式对隧道施工过程中的潜在风险进行识别、评估、提示和预警。

2.2 系统特点

（1）灵活性：基于B/S架构设计开发，发布方式灵活，只要有网络可随时随地访问。

（2）统一性：各模块间功能高度统一、存在有机的内在联系、实现工程资料及相关数据的完整性，达到统一管理、统一开发利用。

（3）高可视化：基于三维视图模型技术，实现风险数据、进度数据、地质信息、量测数据等与三维视图模型的有机整合与互动。

（4）一致性及兼容性：系统功能表现完全一致，具备良好的兼容性，平台各模块与数据之间也存在高度的一致性和协作性。

3 系统特征和主要功能

3.1 系统特征

高风险隧道施工安全预警管理系统以JAVA语言为开发介质，系统管理部分采用：Structs+Spring+Hibernate的模式，分别用于表现层、对象控制层与数据持久层的构建。其系统结构见图1。

（1）实现隧道地质信息、设计信息、过程信息、进度信息、风险信息等的电子化档案管理。

（2）对地质勘察报告、超前地质预报、监控量测数据进行电子采集，生成隧道的三维地质漫游模型及静态风险模型，辅助设计人员和工程师提供动态风险的识别、管理和预警功能。

（3）实现隧道施工进度和过程的电子化管理，用高仿真三维模型对隧道的施工进程进行模拟展示。

（4）着重对地质勘探、超前地质预报、监控量测、施工工法、风险识别、风险预警等内容进行收集、整合和索引，并提供多方位的知识检索服务。

3.2 系统主要功能

（1）实现超前地质预报成果记载、地质风险的表格化看板预警揭示，初步构建一个四方会审的专家决策模型。

①超前地质预报：将超前地质预报文档进行数据量化处理，为风险判断提供数据支持（见图2）。

②通过地质勘探报告、超前地质预报、监控量测数据的指标化存取和量化分析，融合风险评估报告、现场异常报告、专家远程支持等资源构建风险识别的参数化模型。

隧道施工中的风险等级提示：提示内容包括可能风险、风险来源、风险类型等，对于围岩量测和超前地质预报区别对待。

图1 高风险隧道施工安全预警管理系统结构

图2 超前地质预报

风险报告的产生流程：量测数据录入—数据提交—预报结论生成—风险预警提示。

如果施工中出现较为严重的风险预警，系统可利用远程网络召集建设方、施工方、设计方、监理方四方进行风险会审（见图3），最终产生风险报告，从时间和空间上节约成本。

（2）构建从原始几何尺寸到施工量测系统的数据模型，实施施工进度的可视化管理。

①对“风险评估报告、超前地质报告、监控量测数据”进行矢量化风险评估模型的构建。通过对量测人员录入的数据进行地质勘测数据标量化，自动绘制时间-位移曲线，产生风险矢量模型。通过对量测数据动态分析，当监测数据大于预定警戒值后，系统会及时发出警告信息，由专业技术人员分析原因并制定相应的处理措施。

②实现隧道的“可视化建造”。通过对施工进度报告的量化分析形成可视的施工进度报告（见图4），方便施工方对施工进度的直观认识。

（3）搭建“隧道地质信息与施工过程管理信息”融合的精细化三维实体模型。虚拟现实（VR）是一种可创建和体验虚拟世界的计算机系统。Web3D模型由计算机生成，用户可借助视觉、听觉及触觉等多种传感通道与虚拟隧道进行自然的交互。以仿真的方式给用户创造实时反映实体对象变化与相互作用的三维虚拟世界（见图5），提供给用户一个观测及与该虚拟世界交互的三维界面，使用户可直接参与并探索仿真对象在所处环境中的作用与变化，产生沉浸感。具有沉浸性、交互性和构想性，形成具有交互效能多维化的信息环境。

图3 四方风险会审

图4 施工进度报告

图5 精细化三维实体模型

（4）具备开放性工程项目资料管理、多媒体隧道工程知识库。系统具有统一的、先进的平台标准，符合国家关于信息化平台建设的有关标准，并与现有的网络资源和各种信息资源达成共享，使这些系统能方便接入本系统。

①开放性工程项目资料管理。本课题虽以在建的九合二号高风险隧道为研究载体，以其工程为数据支撑，但可扩展进行多个隧道的管理，包括建设方、监理方、施工方、设计方等当前项目的基本信息的管理。

②开放性多媒体隧道工程知识库。一个多学科、多技术、专业性极强的信息化数据系统，对于普通的使用者在使用过程中，不可能了解和掌握项目相关的专业知识，从而充分发挥系统的优势。为把用户培养成专家型用户，充分利用和发挥系统的特点，构建一个开放性的多媒体隧道工程知识库，可随时通过系统平台进行新知识、新内容的添加、编辑和修改。

知识库在设计上考虑与工程相关的专业信息、科学文献、专家经验、知识模型等各类电子资料。如：工程设计的数据报告、设计方案、施工图纸、风险度评估报告，地质围岩分级、分类信息、相关参数信息、水文气象条件，施工规范及施工工法，风险等级、风险事件、风险评估模型、风险应对措施。这些信息的收集，使用户在使用平台时，能更好解读数据报告、量测数据，更加科学有效地使用系统，把风险降到最低。

4 实施效果

系统以在建的九合二号高风险隧道工程为数据支撑，有效推动隧道施工项目的信息化、科学化管理，系统功能丰富，覆盖施工过程中所有可管控环节，尤其对超前地质预报、监控量测管理及工程进度等常用管理事务具有很好支撑。风险预警功能和三维模型技术的应用，为隧道安全风险管理开启了一扇大门，提供直观和高效的辅助或帮助，主要表现在以下几个方面：

（1）及时发现问题及时报警，工作效率提高。标准化工程管理的业务流程，真正实现工程项目管理的业务自动化、规范化，生产效率得到有效提升。考虑到平台建设的现状和发展需求，系统应用平台具备跨平台、支持多种数据类型环境的能力，采用构件化设计方式，易于扩展和维护。系统从逻辑上看可分解为5个层次：决策层、应用层、服务层、数据层和硬件层（见表1）。

表1 高风险隧道施工安全预警管理系统逻辑层次

（2）信息共享程度提高，建设方、施工方、设计方、监理方四方可以进行风险会审。以往的工程中经常出现由于信息不能及时沟通，造成资源浪费或者影响施工进度。通过业务流程与核心业务模块的整合，实现工作分发、进度汇报和各种数据的共享，每个用户都可通过网络查询相关信息，使计划管理部门，工程、物资等项目部管理人员随时了解项目进展情况，获得所需数据。

（3）实现“安全风险的可视化预警管理”。以往的隧道施工中主要以二维图为主，施工数据不完整，隧道施工基本处于“盲打”的情况，系统的实施使得隧道施工可视化，能真实体现施工现场的进展情况，及时准确地统计各种数据。一些重要数据通过设置预警阀值，超过范围时自动通知相关各部门，提醒工作人员处理。各级管理人员能及时发现、解决问题，帮助管理者对项目进行实时控制、进度预测和风险分析。决策人员能及时掌握足够的信息进行正确的决策，提高企业的决策水平和对市场变化的响应速度。

（4）施工过程动态管理，提升管理水平。设计风险与现场风险相结合（设计报告、监控量测、超前地质预报），提高管理的规范化程度和管理水平，使企业管理由粗放管理变为精细化管理，由定性管理变为定量管理，由静态管理变为动态管理。

（5）软件具有自主知识产权，通过鉴定评审。“高风险隧道施工安全预警管理系统”已在中国版权保护中心申请并取得软件著作权登记证书（证书编号：2015SR003606）。该系统的实施大大提高企业在市场中的竞争能力，有利于企业的进一步发展。系统经过一年的实施及应用，建设方、施工方、设计方、监理方四方对项目部原业务流程作了新的调整，明确了岗位职责。项目部工作井然有序，建设方对项目成本的动态变化能够及时掌握。通过成本分析，紧抓成本管理的重要环节，细致分析每一分项的成本构成，为以后的高风险隧道施工管理积累第一手资料。

朱学辉：中川铁路有限公司，高级工程师，甘肃 兰州，730000

责任编辑 苑晓蒙

中图分类号：U458

文献标识码：A

文章编号：1672-061X（2015）05-0082-04