高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)研制與應(yīng)用

朱學(xué)輝

高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)研制與應(yīng)用

朱學(xué)輝

摘 要：針對(duì)高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全存在的諸多難點(diǎn)，以中川鐵路九合二號(hào)高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全管理為平臺(tái)，應(yīng)用信息技術(shù)和隧道模型仿真技術(shù)搭建高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道的“可視化建造”和“安全風(fēng)險(xiǎn)的可視化預(yù)警管理”。在實(shí)際應(yīng)用中，通過地質(zhì)勘探報(bào)告、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的指標(biāo)化存取和量化分析，融合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)異常報(bào)告、專家遠(yuǎn)程支持等資源構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的參數(shù)化模型。系統(tǒng)具備開放性工程項(xiàng)目資料管理、多媒體隧道工程知識(shí)庫等相關(guān)的應(yīng)用性、擴(kuò)展性和推廣性功能。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險(xiǎn)矢量模型；地質(zhì)勘測(cè)；數(shù)據(jù)標(biāo)量化；Web 3D模型；動(dòng)態(tài)分析

1 研制背景

隨著經(jīng)濟(jì)的迅速發(fā)展，我國隧道建設(shè)日新月異。由于城市地鐵、鐵路隧道和高速公路隧道能改善路線技術(shù)指標(biāo)，縮短路程和行車時(shí)間，提高運(yùn)營效益，因此國家不斷加大隧道的建設(shè)力度。然而隧道施工投資大、周期長、項(xiàng)目多、技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)因素多、社會(huì)影響大，由于技術(shù)與管理力量難以充分保證，對(duì)隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不客觀，施工風(fēng)險(xiǎn)管理的科學(xué)性欠缺和信息化程度不高等因素的存在，我國隧道施工事故頻發(fā)，形勢(shì)嚴(yán)峻。

1.1 我國鐵路隧道施工信息化水平較低

隧道工程的基本特點(diǎn)是“地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，基礎(chǔ)信息匱乏”，目前我國隧道安全風(fēng)險(xiǎn)管理與控制策略研究仍在起步階段，管理模型的自動(dòng)化程度不高，影響風(fēng)險(xiǎn)管理及控制的可靠性和時(shí)效性。因此，一種集設(shè)計(jì)、施工、監(jiān)測(cè)、反饋設(shè)計(jì)于一體的“多級(jí)自優(yōu)化”隧道信息化設(shè)計(jì)與施工方法已成為推動(dòng)隧道工程建設(shè)日趨規(guī)范、科學(xué)、合理的主導(dǎo)動(dòng)力。隧道工程現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)是該方法得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，是從個(gè)體到群體解決隧道與地下工程力學(xué)、設(shè)計(jì)、施工問題的一種重要手段。只有實(shí)時(shí)獲取到反映隧道圍巖整體穩(wěn)定狀態(tài)的各種信息并及時(shí)分析、處理與反饋，才能真正反映隧道工程開挖過程的動(dòng)態(tài)變化，體現(xiàn)其“信息化”的特點(diǎn)。

1.2 高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全面臨巨大考驗(yàn)

按照設(shè)計(jì)方案，蘭州至中川機(jī)場(chǎng)線一共包含9大隧道工程，其中3條隧道都被定義為高風(fēng)險(xiǎn)隧道，最為特殊的是九合二號(hào)隧道，隧道全長2870m，洞身穿越第三系砂巖，洞身（口）下穿京藏高速公路和約80m長的細(xì)沙地層。高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管理面臨的問題：地質(zhì)條件復(fù)雜多變；隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)不客觀；風(fēng)險(xiǎn)管理的科學(xué)性欠缺；信息化程度不高；技術(shù)與管理力量難以充分保證。

1.3 隧道施工檢測(cè)、監(jiān)測(cè)信息的自動(dòng)化管理

高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)項(xiàng)目研究基于高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工面臨的巨大風(fēng)險(xiǎn)，重在探索高風(fēng)險(xiǎn)隧道管理信息化和風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警控制，從而構(gòu)造一個(gè)隧道地質(zhì)信息結(jié)合施工進(jìn)程的三維信息模型，實(shí)現(xiàn)可視化的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警評(píng)估管理。系統(tǒng)以九合二號(hào)隧道為研究載體，以隧道工程的監(jiān)測(cè)信息為研究對(duì)象，并通過計(jì)算機(jī)編程，由軟件系統(tǒng)進(jìn)行信息錄入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖形繪制、結(jié)果分析而實(shí)現(xiàn)。把隧道的預(yù)設(shè)計(jì)與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)、信息化反饋技術(shù)巧妙結(jié)合，采用及時(shí)支護(hù)、分期實(shí)施、柔剛適度、全環(huán)封閉等一整套充分發(fā)揮圍巖自承能力的原則和方法，并用計(jì)算機(jī)編程實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)信息錄入方便、快速，圖線繪制快捷、美觀，信息反饋及時(shí)、準(zhǔn)確的綜合功能。

2 系統(tǒng)內(nèi)涵及特點(diǎn)

2.1 系統(tǒng)內(nèi)涵

通過最新的計(jì)算機(jī)信息技術(shù)對(duì)隧道工程中的設(shè)計(jì)信息、過程信息、進(jìn)度信息、風(fēng)險(xiǎn)信息等進(jìn)行采集、存儲(chǔ)、分析、挖掘利用；借助三維虛擬仿真技術(shù)對(duì)隧道的地質(zhì)模型、進(jìn)度模型、隧道內(nèi)外部實(shí)體模型進(jìn)行重現(xiàn)；以高度可視化的形式對(duì)隧道施工過程中的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識(shí)別、評(píng)估、提示和預(yù)警。

2.2 系統(tǒng)特點(diǎn)

（1）靈活性：基于B/S架構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)，發(fā)布方式靈活，只要有網(wǎng)絡(luò)可隨時(shí)隨地訪問。

（2）統(tǒng)一性：各模塊間功能高度統(tǒng)一、存在有機(jī)的內(nèi)在聯(lián)系、實(shí)現(xiàn)工程資料及相關(guān)數(shù)據(jù)的完整性，達(dá)到統(tǒng)一管理、統(tǒng)一開發(fā)利用。

（3）高可視化：基于三維視圖模型技術(shù)，實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)據(jù)、進(jìn)度數(shù)據(jù)、地質(zhì)信息、量測(cè)數(shù)據(jù)等與三維視圖模型的有機(jī)整合與互動(dòng)。

（4）一致性及兼容性：系統(tǒng)功能表現(xiàn)完全一致，具備良好的兼容性，平臺(tái)各模塊與數(shù)據(jù)之間也存在高度的一致性和協(xié)作性。

3 系統(tǒng)特征和主要功能

3.1 系統(tǒng)特征

高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)以JAVA語言為開發(fā)介質(zhì)，系統(tǒng)管理部分采用：Structs+Spring+Hibernate的模式，分別用于表現(xiàn)層、對(duì)象控制層與數(shù)據(jù)持久層的構(gòu)建。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

（1）實(shí)現(xiàn)隧道地質(zhì)信息、設(shè)計(jì)信息、過程信息、進(jìn)度信息、風(fēng)險(xiǎn)信息等的電子化檔案管理。

（2）對(duì)地質(zhì)勘察報(bào)告、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行電子采集，生成隧道的三維地質(zhì)漫游模型及靜態(tài)風(fēng)險(xiǎn)模型，輔助設(shè)計(jì)人員和工程師提供動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)的識(shí)別、管理和預(yù)警功能。

（3）實(shí)現(xiàn)隧道施工進(jìn)度和過程的電子化管理，用高仿真三維模型對(duì)隧道的施工進(jìn)程進(jìn)行模擬展示。

（4）著重對(duì)地質(zhì)勘探、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)、施工工法、風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警等內(nèi)容進(jìn)行收集、整合和索引，并提供多方位的知識(shí)檢索服務(wù)。

3.2 系統(tǒng)主要功能

（1）實(shí)現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)成果記載、地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)的表格化看板預(yù)警揭示，初步構(gòu)建一個(gè)四方會(huì)審的專家決策模型。

①超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：將超前地質(zhì)預(yù)報(bào)文檔進(jìn)行數(shù)據(jù)量化處理，為風(fēng)險(xiǎn)判斷提供數(shù)據(jù)支持（見圖2）。

②通過地質(zhì)勘探報(bào)告、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)的指標(biāo)化存取和量化分析，融合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告、現(xiàn)場(chǎng)異常報(bào)告、專家遠(yuǎn)程支持等資源構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別的參數(shù)化模型。

隧道施工中的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提示：提示內(nèi)容包括可能風(fēng)險(xiǎn)、風(fēng)險(xiǎn)來源、風(fēng)險(xiǎn)類型等，對(duì)于圍巖量測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)區(qū)別對(duì)待。

圖1 高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告的產(chǎn)生流程：量測(cè)數(shù)據(jù)錄入—數(shù)據(jù)提交—預(yù)報(bào)結(jié)論生成—風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警提示。

如果施工中出現(xiàn)較為嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警，系統(tǒng)可利用遠(yuǎn)程網(wǎng)絡(luò)召集建設(shè)方、施工方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方四方進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)會(huì)審（見圖3），最終產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)報(bào)告，從時(shí)間和空間上節(jié)約成本。

（2）構(gòu)建從原始幾何尺寸到施工量測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，實(shí)施施工進(jìn)度的可視化管理。

①對(duì)“風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告、超前地質(zhì)報(bào)告、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)”進(jìn)行矢量化風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型的構(gòu)建。通過對(duì)量測(cè)人員錄入的數(shù)據(jù)進(jìn)行地質(zhì)勘測(cè)數(shù)據(jù)標(biāo)量化，自動(dòng)繪制時(shí)間-位移曲線，產(chǎn)生風(fēng)險(xiǎn)矢量模型。通過對(duì)量測(cè)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)分析，當(dāng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)大于預(yù)定警戒值后，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出警告信息，由專業(yè)技術(shù)人員分析原因并制定相應(yīng)的處理措施。

②實(shí)現(xiàn)隧道的“可視化建造”。通過對(duì)施工進(jìn)度報(bào)告的量化分析形成可視的施工進(jìn)度報(bào)告（見圖4），方便施工方對(duì)施工進(jìn)度的直觀認(rèn)識(shí)。

（3）搭建“隧道地質(zhì)信息與施工過程管理信息”融合的精細(xì)化三維實(shí)體模型。虛擬現(xiàn)實(shí)（VR）是一種可創(chuàng)建和體驗(yàn)虛擬世界的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。Web3D模型由計(jì)算機(jī)生成，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬隧道進(jìn)行自然的交互。以仿真的方式給用戶創(chuàng)造實(shí)時(shí)反映實(shí)體對(duì)象變化與相互作用的三維虛擬世界（見圖5），提供給用戶一個(gè)觀測(cè)及與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對(duì)象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境。

圖3 四方風(fēng)險(xiǎn)會(huì)審

圖4 施工進(jìn)度報(bào)告

圖5 精細(xì)化三維實(shí)體模型

（4）具備開放性工程項(xiàng)目資料管理、多媒體隧道工程知識(shí)庫。系統(tǒng)具有統(tǒng)一的、先進(jìn)的平臺(tái)標(biāo)準(zhǔn)，符合國家關(guān)于信息化平臺(tái)建設(shè)的有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，并與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和各種信息資源達(dá)成共享，使這些系統(tǒng)能方便接入本系統(tǒng)。

①開放性工程項(xiàng)目資料管理。本課題雖以在建的九合二號(hào)高風(fēng)險(xiǎn)隧道為研究載體，以其工程為數(shù)據(jù)支撐，但可擴(kuò)展進(jìn)行多個(gè)隧道的管理，包括建設(shè)方、監(jiān)理方、施工方、設(shè)計(jì)方等當(dāng)前項(xiàng)目的基本信息的管理。

②開放性多媒體隧道工程知識(shí)庫。一個(gè)多學(xué)科、多技術(shù)、專業(yè)性極強(qiáng)的信息化數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對(duì)于普通的使用者在使用過程中，不可能了解和掌握項(xiàng)目相關(guān)的專業(yè)知識(shí)，從而充分發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。為把用戶培養(yǎng)成專家型用戶，充分利用和發(fā)揮系統(tǒng)的特點(diǎn)，構(gòu)建一個(gè)開放性的多媒體隧道工程知識(shí)庫，可隨時(shí)通過系統(tǒng)平臺(tái)進(jìn)行新知識(shí)、新內(nèi)容的添加、編輯和修改。

知識(shí)庫在設(shè)計(jì)上考慮與工程相關(guān)的專業(yè)信息、科學(xué)文獻(xiàn)、專家經(jīng)驗(yàn)、知識(shí)模型等各類電子資料。如：工程設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)報(bào)告、設(shè)計(jì)方案、施工圖紙、風(fēng)險(xiǎn)度評(píng)估報(bào)告，地質(zhì)圍巖分級(jí)、分類信息、相關(guān)參數(shù)信息、水文氣象條件，施工規(guī)范及施工工法，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)、風(fēng)險(xiǎn)事件、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。這些信息的收集，使用戶在使用平臺(tái)時(shí)，能更好解讀數(shù)據(jù)報(bào)告、量測(cè)數(shù)據(jù)，更加科學(xué)有效地使用系統(tǒng)，把風(fēng)險(xiǎn)降到最低。

4 實(shí)施效果

系統(tǒng)以在建的九合二號(hào)高風(fēng)險(xiǎn)隧道工程為數(shù)據(jù)支撐，有效推動(dòng)隧道施工項(xiàng)目的信息化、科學(xué)化管理，系統(tǒng)功能豐富，覆蓋施工過程中所有可管控環(huán)節(jié)，尤其對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)管理及工程進(jìn)度等常用管理事務(wù)具有很好支撐。風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警功能和三維模型技術(shù)的應(yīng)用，為隧道安全風(fēng)險(xiǎn)管理開啟了一扇大門，提供直觀和高效的輔助或幫助，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

（1）及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題及時(shí)報(bào)警，工作效率提高。標(biāo)準(zhǔn)化工程管理的業(yè)務(wù)流程，真正實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目管理的業(yè)務(wù)自動(dòng)化、規(guī)范化，生產(chǎn)效率得到有效提升。考慮到平臺(tái)建設(shè)的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，系統(tǒng)應(yīng)用平臺(tái)具備跨平臺(tái)、支持多種數(shù)據(jù)類型環(huán)境的能力，采用構(gòu)件化設(shè)計(jì)方式，易于擴(kuò)展和維護(hù)。系統(tǒng)從邏輯上看可分解為5個(gè)層次：決策層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和硬件層（見表1）。

表1 高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)邏輯層次

（2）信息共享程度提高，建設(shè)方、施工方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方四方可以進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)會(huì)審。以往的工程中經(jīng)常出現(xiàn)由于信息不能及時(shí)溝通，造成資源浪費(fèi)或者影響施工進(jìn)度。通過業(yè)務(wù)流程與核心業(yè)務(wù)模塊的整合，實(shí)現(xiàn)工作分發(fā)、進(jìn)度匯報(bào)和各種數(shù)據(jù)的共享，每個(gè)用戶都可通過網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)信息，使計(jì)劃管理部門，工程、物資等項(xiàng)目部管理人員隨時(shí)了解項(xiàng)目進(jìn)展情況，獲得所需數(shù)據(jù)。

（3）實(shí)現(xiàn)“安全風(fēng)險(xiǎn)的可視化預(yù)警管理”。以往的隧道施工中主要以二維圖為主，施工數(shù)據(jù)不完整，隧道施工基本處于“盲打”的情況，系統(tǒng)的實(shí)施使得隧道施工可視化，能真實(shí)體現(xiàn)施工現(xiàn)場(chǎng)的進(jìn)展情況，及時(shí)準(zhǔn)確地統(tǒng)計(jì)各種數(shù)據(jù)。一些重要數(shù)據(jù)通過設(shè)置預(yù)警閥值，超過范圍時(shí)自動(dòng)通知相關(guān)各部門，提醒工作人員處理。各級(jí)管理人員能及時(shí)發(fā)現(xiàn)、解決問題，幫助管理者對(duì)項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時(shí)控制、進(jìn)度預(yù)測(cè)和風(fēng)險(xiǎn)分析。決策人員能及時(shí)掌握足夠的信息進(jìn)行正確的決策，提高企業(yè)的決策水平和對(duì)市場(chǎng)變化的響應(yīng)速度。

（4）施工過程動(dòng)態(tài)管理，提升管理水平。設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)與現(xiàn)場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)相結(jié)合（設(shè)計(jì)報(bào)告、監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)），提高管理的規(guī)范化程度和管理水平，使企業(yè)管理由粗放管理變?yōu)榫?xì)化管理，由定性管理變?yōu)槎抗芾恚伸o態(tài)管理變?yōu)閯?dòng)態(tài)管理。

（5）軟件具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，通過鑒定評(píng)審。“高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)”已在中國版權(quán)保護(hù)中心申請(qǐng)并取得軟件著作權(quán)登記證書（證書編號(hào)：2015SR003606）。該系統(tǒng)的實(shí)施大大提高企業(yè)在市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)能力，有利于企業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展。系統(tǒng)經(jīng)過一年的實(shí)施及應(yīng)用，建設(shè)方、施工方、設(shè)計(jì)方、監(jiān)理方四方對(duì)項(xiàng)目部原業(yè)務(wù)流程作了新的調(diào)整，明確了崗位職責(zé)。項(xiàng)目部工作井然有序，建設(shè)方對(duì)項(xiàng)目成本的動(dòng)態(tài)變化能夠及時(shí)掌握。通過成本分析，緊抓成本管理的重要環(huán)節(jié)，細(xì)致分析每一分項(xiàng)的成本構(gòu)成，為以后的高風(fēng)險(xiǎn)隧道施工管理積累第一手資料。

朱學(xué)輝：中川鐵路有限公司，高級(jí)工程師，甘肅 蘭州，730000

責(zé)任編輯 苑曉蒙

中圖分類號(hào)：U458

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1672-061X（2015）05-0082-04