信息化管理系统在高速公路施工安全管理中的应用

刘学仕

中铁十四局集团第二工程有限公司 山东 泰安 271000

1 工程概况

本文分析的项目即延崇高速，该项目为北京和张家口之间联手上线的2022年冬奥会的关键项目。本文所分析的北京段项目起点为延庆、项目终点为市区分界线，链接兴延高速以及延崇河北段，本区段的整体长度约32.2km。规划中的车速80km/h，采取双向四车道的建设方式，实际路基宽数据是26m。

本项目的七标全线，实际位置是张山营镇，沿线有X012县道、康张路、古龙路，出京线（YK21+105-YK26+140）全长5035m，进京线（ZK21+045-ZK26+098）全长5053m。本标段主要工程：隧道单线总长9627m，温泉隧道斜井长472.9m。根据现场勘察，延崇高速（北京段）第七合同段沿线300m范围内无民房、建筑物等重要保护对象，最近的民房距爆破施工点距离超过560m，根据项目总包方实际勘查，沿线无地下管线、地面供电线路等重要保护设施，此外，温泉隧道崇礼端位于松山自然保护区内，其他处于保护区外，作业周边环境较好。

2 工程地质及水文情况

2.1 地质构造

从地质的视角来分析，本项目的基本构成即燕山期相应的二长花岗岩。这一段实际覆盖率数据是85%，海拔高程的具体数据是812～1168m，进洞口位置实际的高程数据相对最低，向西逐步升高，线路基本沿兰角沟南侧山坡延伸，地形起伏较大。

2.2 水文情况

延庆归入到大陆季风的范畴，作为温带中温带之间所存在的过渡区域。因为该区域的海拔相对偏高，地形表现为口袋，整体走势为西南开口的形式，因此季风影响较为显著，季节划分较为显著，冬季的时候相对较为寒冷，夏季的时候较为多雨，春秋两个季节的时候冷暖气团影响较多，对流出现了较为特殊的活跃现象，天气和气候变化相对较大，多风少雨。全区多年平均降水量为436mm。各个年度的均值温度是8.7℃，7月的均值23.2℃，1月份的具体参数是8.8℃，最高气温39℃，最低气温-27.3℃。每年有过半区域的无霜期，平原地带实际数据是180～190天，山区地带实际的150～160天。

2.3 气候气象

工程区划入到大陆季风的范畴，作为温带中温带之间所存在的过渡区域。因为该区域的海拔相对偏高，地形表现为口袋，整体走势为西南开口的形式，因此季风影响较为显著，季节划分较为显著，冬季的时候较为干冷，夏季的时候则是由较多的降水，但是有着不炎热的特征，春秋季节之时的冷暖气团有着相对较多的接触影响，对流方面有着较为活跃的特征，进而造成天气以及气候的波动较为显著。

张山营以及靳家堡之间归属于偏冷地带，均值温度数据是6～7℃；山顶局部地区气温2～4℃。均值温度数据在7月为最大数据，实际的数据为23℃，最低数据是一月的-8.8℃。最大温度数据是33.9～39.8℃，大多数产生于6、7。极限低温的数据是-27℃，大多数产生于1、2月。

3 工程地质评价

隧道出京线洞口20m深度范围内均为第四系冲洪积成因的碎石、块石等，隧道出京线位置经过地层，终点是第四系冲洪积等形式。洞口附近分布的第四系冲洪积、坡积块石②层较厚，以块石为主，局部含碎石，充填黏性土，工程性质较差。

依据《公路隧道设计细则》的相关内容，重点涉及配套的定性分级方案，整体考虑当前较为接近的工程经验等数据，进而将隧道位置的洞口围岩划入到Ⅴ级，围岩方面实际的成洞性指标相对较差，近乎不存在自稳能力。

4 信息化施工重难点

4.1 管理难点

通常情况下信息化施工在管理方面表现出3类困难点：

4.1.1 作业设计和工程设计的区别较为显著。工程项目的具体状况和初期阶段的预估数据必定会有区别，这是一种无法完全避免的情况，因此在施工中相关施工单位往往需要根据实际情况做出适当的调整，由此自然也造成降低变更量的困难度增大。

4.1.2 注重监测过程，缺乏有效分析。在实际推进的信息化管理模式中，信息化作业场景中经常出现下述的问题：在施工之前过于注重对相关监测设备的布置，希望以此来获得更加详细的现场施工数据信息。但是在通过这些监测设施完成数据采集之后，却缺乏对这些数据信息的有效分析，不能与施工队伍现场勘测信息相结合，对于施工管理造成极大的威胁，导致了显著的浪费现象。

4.1.3 超前预报稳定性不足。虽然随着当前科学技术的快速发展，超前预报技术在应用方面取得较大的进步，但是从实际施工应用来看，依旧有显著的问题有待优化，不仅在应用模式上较为单调，而且精准性上也有所不足。

4.2 技术难点[1]

推进信息化作业的场景中，也表现为许多显著的技术难点：

4.2.1 监控测技术有问题。在初期支护施工中，采用监控量测技术来判断当前应用支护参数是否合适，由此得出的参数信息数值可能会对后期施工开展造成不良，不仅导致了显著的资源浪费，同时也对作业安全造成极大的威胁。

4.2.2 当前超前地质预报不理想。当前该技术的运用场景重点为两类：地质法和地球物理法。这两种方法在适用范围上存在一定差异，在实际应用中需结合现场情况灵活应用。但是从当前实际的施工情况来看，许多施工单位在施工中片面追求进度和造价控制，在超前地质预报技术应用上只采用一种技术进行，这也造成超前地质预报的精度遭遇影响，更易导致因此而出现地址灾害。

4.2.3 在现场地质素描工作上存在问题。依靠现场地质素描的方案可较为精准地识别掌子面围岩的详细级别，而且还可对超前预报提供支持，但是目前作业单位对此关注度有显著不足，这也干扰了工程的建设效果。

5 信息化建设总体方案

5.1 系统框架图

图1 电子标签系统设计图

5.1.1 电子标签监控电子标签监控有多个构成部分。①出入口监控：在隧道的出入口位置布设监控设施，对车辆设备出入、施工人员出入的信息进行实时监控。通常施工人员和机械设备都会配备相应的电子标签，当进出隧道时，隧道口监控设施中的读写器能够对电子标签做出探测，并将相关信息录入到系统之中，显示具体的进入或离开信息。若隧道为双洞单线隧道，虽然两个隧道口是并排的，但是为了区分施工人员进入到哪条隧道当中，要求在各大隧道口都摆放相应的两大读写设备。②掌子面监控：掌子面附近安装一台读卡器，实时探测附近相关施工人员，并通过网络传输到值班室。③闸机：闸机用于车辆出入口，通行使用，对于允许进入车辆，予以放行，对于不允许车辆，要核实后处理。对于双洞单线的情况而言，并排的两个掌子面之间并不联通，因此每一个掌子面均需要一套定位设备。④显示：通过相关的显示设备，能够在屏幕上将车辆设备出入、施工人员出入的信息显示出来，以方便管理工作开展。⑤网络：采集获取的数据需要依靠网络来进行传递。⑥系统软件：对传输到系统中的数据信息进行自动分析，然后并按照特定的程序输出结果，由此能够实现人员考勤、监控的作用。

5.1.2 视频监控。

图2 视频监控系统设计图

6 信息化施工关键措施

6.1 隧道作业人员自动登录及定位系统

隧道作业人员自动登录及定位系统可采用室内短距离无线通信技术手段对进出隧道口的施工人员进行读卡识别、记录及分析报表，通过该方式来实现考勤的效果，而且还可使用针对性的室内定位方案，对于存在显著风险的掌子面区域开展精准定位，在隧道口可以有效记录效果作业人员与掌子面的作业信息。登录以及定位系统重点构成为管理系统、基站以及客户端等多个构成部分。定位方式可采用隧道口区域和掌子面区域的区域定位法（不要求全隧道精确定位）。（系统构成见图3）

图3 隧道作业人员自动登录定位系统

6.2 人员及车辆道闸系统

为确保可以在正常秩序下完成登录操作，可以在各个隧道口的位置安装配套的道闸。每个隧道口可考虑安装两台单机芯和一台双机芯道闸，组成一套双向进出的人员通道。人员道闸的门禁卡可与人员考勤定位的识别卡共用，人员进出时可将安全帽摘下后对着人员道闸刷卡操作。

车辆道闸：由两台单层栅栏式车辆道闸组成，可通过无线遥控和手动控制开关。施工现场实现人车分流，提高施工人员进场秩序及安全，同时也加强现场的施工标准化管理（系统构成见图4）。

图4 隧道口门禁系统

6.3 超前地质预报信息系统

隧道施工超前地质预报属于重要的基础工程项目，可加强对其信息化监控，建立对应的信息化管理系统，将实际获取的数据进行采集、分析以及结果输出等操作，进而在管理中达成更为符合预期的处理效果。将超前地质预报信息数据及时反馈到远端分析技术人员，由其对数据做出分析和决策，以此能够有效提升超前地质预报的工作效率。

超前地质预报采集的数据包括：钻孔资料、数码图像、波形图、判释结论、预报报告和地质描述报告等。根据《铁路隧道工程施工信息化技术规程》规定，高度及以上风险的铁路隧道工程实行超前地质预报信息化管理。

6.3.1 TSP。

6.3.1.1 测试仪器及探测步骤。在本次地质预报过程中运用的型号是TSP203。探测施工首先在隧道中合理布设钻孔点，然后据此开展钻孔施工，并在此过程中收集相关的数据信息，最后依据收集到的数据信息完成报告。在探测过程中测线、测点布置是施工的关键性环节，其主要采用小型爆破的方式，影响隧道洞壁，最后获得24个孔距1.5m、孔深1.5m的效果爆破孔。这些炮孔应适当保持向下倾斜，倾斜度一般为15°-200°，以此能够方便施工后期采用灌水堵孔[2]。一般情况下探测接收器点，实际位置在最末端爆破点15-20m区域。

探测：在进行实际探测的过程中，按照事前设定的引爆顺序，逐一引爆炸药，由此将产生较为轻微的地震波，当地震波实际传递环节中遭遇异常地质界面的情况下，会出现相应反射波，起被预先放置的接收器所获取，设备结合具体的波强弱与传送时间，可分析获得界面具体的地址数据。后续结合电脑软件来完成处理，依靠该方式来获得所需求的影响点图，在此基础上判断前方信息。

6.3.1.2 分析与处理。在对收集数据信息分析中，主对岩层的划分工作主要根据P波资料来完成，并采用横波资料对之做出解释。解释中主要应注意以下几点[3]：①正反射振幅应和硬岩层对应，负反射振幅应和软岩层对应。②当获取到的S波反射强度相对更高时，则说明前方的岩层中含有较多地下水。③探测中发现Vp/Vs数值增大，一般为前方地质存在流体。④如果探测中发现Vp数值降下降，则说明前方地质存在空隙增大。

6.3.1.3 预报结果分析。实际探测中，设置24个爆点，只激发了其中的22个，预估探测深度设置为隧道掌子面前方90m。预报结果显示如图5所示，由此可分析出前方围岩的具体情况，在30m范围内有着较为良好的条件，而在30～60m范围内的围岩条件相对较差，在施工时可能存在安全隐患；在60～90m范围内的围岩条件逐渐转好。

图5 SP探测岩体物性图

因此，在实际施工中需注意结合地质雷达对前方围岩情况做进一步探测，并在此过程中发现大约位于掌子面前方45m处的围岩确实存在条件较差的情况，在开挖时可能会出现塌方、掉落等不良情况，在施工中需对之引起注意。由此，也证明超前预报结果具有较高的准确性。

6.3.2 地质雷达。

6.3.2.1 测试仪器及探测流程。本工程采用地质雷达型号为SIR－3000。探测注意事项：①探测前对需要探测围岩的情况做详细了解，并记录相关信息。②完成探测设备的连接工作。③在数据采集过程中尽可能避免电磁干扰。

6.3.2.2 预报结果分析。采用与该设备配套的处理软件完成数据处理。本次工程中采用地质雷达探测检测到的异常情况如图6所示。

图6 地质雷达成果解译图

基于实际分析状况来判断，在雷达探测的区间中，有着围岩条件相对较差的问题，岩体方面也表现为相对特殊的破碎形态。此外在距离掌子面大约10m的位置处存在含水裂隙，在实际开挖时挖深约9m时掌子面出现强度较大的渗水，由此证明此次预测结果准确。

6.4 隧道围岩监测量测系统

隧道围岩的监控数据可达成对变形速率以及变形规模大有效监控。具体包括：地表沉降、拱顶下沉、净空变化等。依靠手持终端或者上App等方式，链接全站设备来达成有效的传动，实现超标报警的效果，减少整体的安全风险状况，增强最终的风险控制能力。本系统涉及专业级别的软硬件方案。

专业软件应当提供的基础功能为：原始数据的查询；输出日报等信息；预测可能最大变形量，根据监控量测管理登记自动发布预警信息，记录预警处理结果等功能；测点埋设位置防护侵限提醒；监控量测以及进度管理；可以自行获得所需求的监控数据。隧道围岩量测的基本需求：

表1 隧道围岩监测量测系统

7 结束语

需要贯彻科技兴安的基础策略，安全产出方案需要以安全技术作为基础，尽可能控制事故问题。同时还需要考虑隐患与事故等多个方面的管控，这些都需要安全科技的进一步发展。高速项目的信息化作业有漫长的路要走，在实践之中也存在很多困难。它需要不断的实践和总结经验来不断发展和完善，只有不断改进工作，才能在今后的工作中有更大的突破。