地下洞群施工安全智能化管理系统设计应用

景通，古小梦，孟凡杰

（1.中国水利水电第十一工程局有限公司，河南 郑州 450000；2.华电金沙江上游水电开发有限公司巴塘分公司，四川 巴塘 627650）

0 引言

随着水电市场向西部偏远山区的推进，受西部偏远山区特殊的高山峡谷地貌影响，水电站场内道路或水工过流建筑物的设计多采用地下洞室形式，而且在布置上纵横交叉，大多以地下洞群形成，因此给工程施工的安全管理带来较大的难度。而在地下洞群施工过程中，施工安全管理存在诸多的不确定性，一旦发生安全事故，将会给企业带来较大的负面影响和人力财力损失，所以，施工安全管理是参建各方都比较关注的问题。传统的地下洞室施工安全管理大多依靠人工进行单方面管理，近年来随着施工管理信息化的发展，洞室施工安全管理也逐步向智能化、动态化、信息化方向发展。文献［1-4］介绍了智能化安全管理在公路、铁路隧道中的应用情况，并取得了较好的效果。在此基础上，为了提高地下洞群施工安全管理效率，引入隧道施工安全智能化管理系统不仅具有重要的意义，还是施工安全管理的一个重要研究方向。

1 工程概况

拉哇水电站是金沙江上游13 级开发方案中的第8 级，电站筹建期右岸交通道路工程主要为②、④、⑧、⑫道路，受地形条件限制，道路设计以隧道为主。道路处于海拔2 600.0～2 700.0 m，其中隧道长度分别为3 170.0，3 830.0，1 257.7，1 088.0 m。各道路具体布置：以②道路（右岸上坝道路）作为主线，道路起点为电站下游跨河大桥右岸桥头，终点在大坝右岸坝顶，全长3 173.0 m；从②道路隧道K0+200 桩号开始分别向上、下游方向引出④道路和⑫道路，其中④道路全长3 874.9 m，通向上游围堰右岸堰头，为右岸低线道路，⑫道路全长1 104.3 m，通向右岸曲引朗沟渣场；从②道路隧道K2+340 桩号开始向上游方向引出⑧道路，全长1 274.7 m，为发电进水口、泄洪洞、放空洞进水口施工道路。道路总体布置纵横交叉，形成道路隧道群，其中4 条隧道中有2 条长度超过3 000.0 m，为特长隧道，特长隧道数量上占隧道总数的50.0%，长度上占隧道总长的73.9%。

2 系统的设计

2.1 系统原理

地下洞群施工过程中，先给地下洞群中每条隧洞作业面安装一套隧洞施工安全智能化管理系统，再将各系统采集的数据通过有线和无线相结合的方式远程传输至后台服务器，通过服务器处理功能将数据直观地显示在可视化电视墙上，项目管理者可及时查询地下洞群内任意作业面当前的施工状况及相关数据，从而清晰直观地了解地下洞群施工情况。

2.2 系统组成

地下洞群施工安全智能化管理系统由多套相同的分系统组成，一套分系统安装在一个地下隧洞作业面上，用于该作业面的施工安全管理，每套分系统由6 个子系统组成。

2.2.1 人员进出、定位管理系统

系统分为人员进出考勤管理和定位信息管理，主要由监控主机、读卡基站、人员识别卡、传输数据接口转换器等组成。系统主要是通过安装在洞口和洞内的读卡基站，识别所有进、出隧洞人员或洞内作业人员安全帽内佩戴的人员识别卡，再通过传输系统将基站采集的数据传输至监控主机，并转换为人员活动轨迹来实现人员定位及考勤功能。为了确保识别信息不中断，根据有效作业范围每隔一段距离安装一台读卡基站。当洞内发生危险情况时，人员可以通过按下识别卡上的按钮及时将情况通知洞外值班室，值班室人员及时通过警报形式通知所有带识别卡的人员，实现洞内洞外双向通讯，以便做好危险预防及救助。

2.2.2 施工人员、车辆门禁通道系统

系统主要由监控主机、控制板、道闸、三辊闸、读卡基站、人员识别卡、车辆识别卡等组成。系统预先在人员、车辆识别卡中储存相关信息，通过安装在洞口的读卡基站识别所有进、出隧洞人员及车辆的识别卡，然后由传输系统将基站采集的数据传输至监控主机，主机根据预先储存的人员、车辆信息控制道闸、三辊闸，限制人员、车辆进、出隧洞，可自动限制、禁止非工作人员或非工程车辆私自进出施工区域，同时可将信息同步显示在LED大屏幕上，方便现场管理人员及时处理。

2.2.3 隧洞内气体检测及报警系统

系统通过安装在检测环境中的气体传感器来检测环境中存在的气体种类、成份、含量等信息。如果检测的含量超过设定值时系统自动报警，同时通过信息传输线路将检测的信息传输至服务器，由服务器通过同步显示系统卡显示至洞口LED 大屏幕，使管理人员及时掌握隧洞内的气体状况，并做好应急准备。

2.2.4 视频监控系统

系统主要由服务器、摄像机、视频播放器、传输数据接口转换器及通讯传输部分组成。系统通过安装在隧洞作业面及洞口附近的监控摄像头对现场情况进行信息采集，采用传输系统将采集的信息传输至服务器，再由服务器将信息反馈至视屏播放器来实现监控功能。监控信息可以通过视频、云台、放大、录像等功能，使有管理权限的用户对任何点的录像进行设置、下载、实时点播、录像等操作，同时可以通过PC 浏览器进行监控。视频监控系统可以24 h 对隧洞施工现场各视频点进行无死角地实时监控。

2.2.5 LED 同步显示系统

系统主要由服务器、同步系统卡、LED 显示屏组成。系统将监控主机中的信息通过同步系统卡直接显示在LED 屏上，做到现场信息一目了然，使隧洞施工管理人员能及时了解进、出隧洞的施工人员情况。隧洞内的有毒有害气体等实时检测数据可以通过信号处理与LED 屏幕进行联动，让值班人员能够清晰地掌握洞内施工情况。在正常情况下还可以通过LED 大屏幕显示一些安全标语和施工注意事项等，提示施工人员注意施工安全，在高温、霜冻等恶劣天气时可以及时进行温馨提示，在汛期可以及时进行水情、汛情提示。

2.2.6 通讯系统和后台处理系统

系统主要由服务器、电视墙及通讯传输线路组成。系统通过有线、无线及光纤通讯系统将前方各系统收集的数据传输至后台处理系统，系统及时将数据呈现在电视墙上，管理人员能及时查询任意隧洞当前工作状态及相关数据。

3 系统应用效果

本文通过拉哇水电站右岸交通隧道群的施工，来验证地下洞群施工安全智能化管理系统的具体使用效果。

1）由于所有管理及作业人员均在地下洞室内，施工过程中如果需要查询人员活动轨迹，传统管理模式只能靠人工完成，因此，获取数据的可靠性和人员的工作效率都较低，不能满足相关需要。而采取人员进、出定位系统可精准地定位到进、出隧道及隧道内所有人员的位置和行动轨迹，使查询者可以做到有的放矢，不仅可以获取精度较高的数据，还能降低施工成本、提高人员作业效率。

2）在地下洞室内施工，存在的安全风险和不可控因素都较大，一般仅允许工作人员和车辆进入洞室内，非工作人员和车辆一律禁止进入。传统的管理模式在每个隧洞进入口处设置一个岗亭，由人工检查和登记进入洞室的人员和车辆信息，符合要求后才能让其进入洞室，管理的不可控因素仍然较大，会给施工管理带来诸多问题。而采用施工人员、车辆门禁通道系统后，可严格落实施工管理规定，减少管理中的不确定性和人为因素，以达到施工管理需要。

3）地下洞室施工中，有毒有害气体检测是保证地下洞室作业人员作业安全的有力保障。传统的气体检测方式需人工到洞室内逐项进行量测，以确定洞室内是否满足要求，这种检测方式不能保证检测人员的自身安全和数据传输的及时性，从而降低了施工作业效率。采用隧洞内气体检测及报警系统后，不需要检测管理人员进入洞内即可获取洞内气体的浓度参数，从而判断洞内气体状况是否满足施工需要，及时确认作业人员是否可以进入洞内进行作业施工。

4）采用视频监控系统可以更精确地做到施工作业现场全方位的监控管理，用其代替传统的人工管理模式，可以减少人工的使用量，节约施工成本。

5）通过通讯系统和后台处理系统取代传统人工询问方式，利用互联网有线和无线的模式将现场采集的数据信息传递到管理后方，使后方管理人员及时了解现场的施工动态，以便后方管理人员对现场情况及时进行判断，减少中间人工过程传输的不确定性。通过LED 同步显示系统可以将现场采集的数据及时反映在视屏播放器上，使现场管理和后方管理同步接收现场获取的数据，达到前、后方管理步调一致，更有利于管理施工。

总之，通过洞群管理系统可以使地下洞室安全管理更集成化，这样可以大大减少安全管理人力资源的投入，节约施工成本。

4 结语

以智能化、动态化、信息化为代表的新一代安全管理模式正在与传统管理模式融合创新，推动隧洞建设迈入新的阶段。地下洞群施工安全智能化管理系统与传统安全管理模式相比，在生产安全保障和经济效益上均有重大意义，必将成为隧洞建设的重要组成部分。在上述研究的基础上还可以开发和研究施工质量监控系统、地质超前预报系统、语音通信系统、形象进度系统等子系统，这些子系统可以合并在地下洞群施工安全智能化管理系统中，使地下洞群施工向全方位、智能化管理的方向推进。