铁路隧道超前地质预报信息管理系统研究

刘润华 李永志 王 华 田洪义

(中铁隧道局集团有限公司，广东广州 511458)

铁路隧道工程往往需要穿越地质灾害高发区，如断层、高地应力、高地温、强地震带、塌方、涌水(泥、沙)、岩爆、岩溶、瓦斯等，这些不良地质阻碍了隧道的正常开挖，并对施工人员的人身安全构成威胁。 因此，在隧道建设的过程中开展超前地质预报，及时掌握工作面前方的不良地质信息，对隧道的安全快速施工意义重大[1-2]。

在隧道超前地质预报技术及应用方面，国内外学者已做了大量的研究工作:郭安福等[3]研发构建了复杂地质条件下的隧道施工超前地质信息化系统，实现了物探等超前地质预报方法的数据管理。 孟陆波等[4-5]研发了长大深埋条件下的隧道超前地质预报软件，实现了隧道基本地质条件预报、施工地质灾害预报、物理探测地质预报、综合查询等。 李涛等[6]基于物联网、云计算，构建了隧道工作面地质信息管理平台，实现了隧道工作面地质信息化管理。

以往的隧道施工超前地质信息管理系统功能较少，难以满足实际需求。 为此，利用数据库、移动互联等信息技术，研发功能强大的铁路隧道超前地质预报管理信息化系统[6]，实现了隧道多种预报方法的数据上传、存储及数据共享，以及预报提醒、预警警示、设计管理、施工进度管理、工程资料管理、报表查询输出等诸多功能，并将系统数据与铁总工管平台进行无缝对接，极大地促进了铁路隧道信息化施工技术的发展，对隧道安全快速施工有着重要意义。

1 系统总体设计思路

超前地质预报是通过地质调查、超前钻探、物探、超前导坑预报等方法[8]，采集隧道的相关信息(包括隧道的工作面信息、工程地质信息、水文地质信息等)，并对所采集的数据进行分析和整理[9]，推测前方不良地质信息的技术。 同时，该技术亦可为隧道信息化施工提供详实的资料[7]。

铁路隧道地质超前预报系统从线路、标段、构筑物、隧道工点四个层次对已完成的超前地质预报成果进行统一管理，铁路建设方、监理方、设计方和施工方的各级管理者(不同用户的权限不同)可以通过系统平台，实时掌握隧道施工进展及地质预报情况。

2 系统平台的架构与运行流程

2.1 系统数据库设计

数据库作为保存和查询数据等的主要手段，为整个系统功能的实现起到了至关重要的作用[10]。 按照系统平台的功能分类，数据库信息主要分为隧道设计信息、地质探测信息、不良地质信息、综合结论信息、延误/临近信息等[11]。

2.2 系统技术架构

系统技术架构是以BS(Browser/Server-浏览器/服务器)为核心的MIS 系统[12]，相较于传统的以CS(Client/Server-客户端/服务器)为核心的MIS 系统，其技术理念相似，但在技术的实现上具有较大优势:传统的MIS 系统依赖于专门的操作环境，使操作者的活动空间受到了极大限制;而BS 架构则不受操作环境的限制，只需接入网络即可操作[13]。

该系统属于地质预报采集端小平台，可与终端(铁路工程管理平台)形成数据对接。 客户端分为PC端和移动端，PC 端利用 BS 架构，只需接入互联网，即可将填录的地质预报、综合结论、风险预警、预报计划、设计围岩等级、设计不良地质等信息传输到铁路工程管理平台。 各级管理者只需接入网络，即可通过浏览器对已上传的数据进行访问、查看;移动端采用CS 架构，只需有网络即可通过手机App 查看、接收、推送消息，进行轻量级的事务处理。

2.3 运行流程

①采集端与铁路工程管理平台数据对接。

②建设单位对隧道标段、构筑物、隧道工点、设计人员信息等进行录入。

③系统开发人员对建设单位录入的信息进行授权。

④对地质预报、综合结论、风险预警、预报计划、设计围岩管理、设计不良地质等信息进行录入，对完成率和地质探测信息等进行统计，并对各工点延误/临近情况进行提醒。

⑤参建各方可对已上传的数据进行查看，监理单位、建设单位有权限对其进行审核。

⑥针对已上传的历史数据，可在征得建设单位同意的情况下，向铁路工程管理中心发起数据修改申请。

3 系统功能模块设计

铁路隧道超前地质预报管理信息系统包括PC 端和移动端。 现场负责填报的超前地质预报技术人员通常使用PC 端，各级管理者对已上传的地质预报数据进行访问时，一般采用移动端与PC 端相结合的方式。

3.1 平台登录

(1)PC 端

输入网址，登录PC 端Web 信息管理平台，平台登录界面见图1。

(2)移动端

图1 PC 端平台登录界面

通过系统平台页面，扫码下载手机APP，输入账号及口令即可实现登录。 手机APP 主界面如图2所示。

图2 移动端平台登录界面

3.2 平台功能介绍

客户端主控模块界面由APP 应用管理、超前地质预报管理、系统管理、工程管理四个菜单组成。 下拉菜单以树形非线性结构展示 ，其响应模块均以窗口的形式出现(见表1)。在“APP 应用管理”的下一级菜单中有“审核管理”、“应用信息管理”两个模块，用户可在此处了解到系统APP 应用的基本应用情况(如图3)[14]。

表1 平台功能介绍

图3 APP 应用管理

在“超前地质预报管理”的下一级菜单中有“超前地质预报”、“铁总用户管理”、“人员信息管理”和“标段用户管理”4 个模块。 可在此分别对平台进行录入预报、信息配置、用户管理等操作(如图4)。

图4 超前地质预报管理

在“系统管理”的下一级菜单中，有“用户组管理”、“用户管理”和“修改密码”3 个模块[15]，管理员可在此对用户组进行编辑、删除以及权限分配等操作;对用户进行编辑、权限分配、冻结用户、重置密码等操作;并可在此修改通行证账号的个人密码(如图5)[16]。

图5 系统管理

在“工程管理”的下一级菜单中，有“工点扩展信息”、“构筑物管理”两个模块，用户通过简单操作就可了解到系统的基本应用情况(如图6)[15]。

图6 工程管理

3.3 平台界面布局特点

①在界面左上方“功能菜单”对应的各种功能模块管理中，打开下拉式菜单 ，其响应模块均以窗口的形式出现。

②左侧操作框以项目树的形式展现整个工程信息，可访问各个项目层的详细内容。

③主页的背景为工程进度。

④主页内容包括“预报工作进度”和“当前延误列表”，选中“预报工作进度”的饼图，即可弹出当前预报工作完成和未完成的详细数据(如图7)。

图7 桥梁和隧道布置示意

3.4 平台整体优势

①平台界面简洁明了，操作简便易懂，适用性强。

②具备预报信息的远程传输功能，可实现实时查询与模版自动导入、信息上传、报告下载等，满足隧道施工管理需求。

③具备延误临近管理功能，有效提高了预报填录工作的及时性和规范性。

④能及时对地质预报异常段落进行预警，使参建各方能及时掌握前方不良地质的风险情况。

⑤实现了各隧道工点超前地质预报工作的全过程管理流程。

4 应用实例

该系统现已应用于大瑞铁路保端二标，银西高铁二标，赣深高铁二、三、四标，中兰铁路二标等。 现以大瑞铁路保端二标高黎贡山隧道工点为例。

“超前地质预报”板块又可分为“设计预报管理”、“地质预报管理”、“设计围岩管理”、“设计地质管理”、“综合结论管理”、“补充预报段管理”、“临近延误管理”7 个功能模块[17]，见图8。

图8 平台工点首页

(1)设计预报管理

该功能模块与铁路工程管理平台的“预报计划”接口对接。 在此功能模块下，用户可根据施工图纸，对隧道开挖过程中所需要的各种超前地质预报手段，以及预报长度、隧道最小埋深、钻孔取芯数量等，进行预报计划的编写、填录(见图9)。

图9 设计预报管理

(2)地质预报管理

根据接口文件要求，将“地质预报管理”模块分为5 个操作栏，分别是“物探法”、“工作面素描”、“洞身素描”、“钻探法”、“地表补充调查”。 选中任意一个操作栏，即可对相应的预报方法进行实时编辑(见图10、图11)。

图10 地质预报管理

(3)设计围岩等级管理

可对隧道工点的各个里程段进行围岩分级(见图12)。

图12 设计围岩等级管理

(4)设计地质管理

可对隧道工点的各个里程段进行主要影响因素的判别和复杂程度分级(见图13)。

图13 设计地质管理

(5)综合结论管理

在复杂风险地质条件下，可根据相关规程、细则，对已开挖隧道工点展开综合结论分析(见图14)。

图14 综合结论管理

(6)补充预报段管理

该功能模块可对已上传但有所缺失的超前地质预报进行数据补充(见图15)。

(7)延误临近管理

对各标段隧道工点已上传的预报里程进行实时延误临近提醒，并反馈到采集端，用户可通过采集端平台在此功能栏下进行查看(见图16)。

图15 补充预报段管理

图16 延误临近管理

5 结束语

地质预报信息管理平台实现了隧道多种预报方法的数据上传、存储及数据共享，以及预报提醒、预警警示、设计管理、施工进度管理、工程资料管理、报表查询输出等诸多功能，使管理者能及时掌握预报信息，有效降低地质灾害发生的几率和危害程度，提高了工作效率，同时也是保证隧道施工安全、优化工程设计、实现施工信息化管理的重要基础[18]。