鐵路隧道超前地質預報信息管理系統研究

劉潤華 李永志 王 華 田洪義

(中鐵隧道局集團有限公司，廣東廣州 511458)

鐵路隧道工程往往需要穿越地質災害高發區，如斷層、高地應力、高地溫、強地震帶、塌方、涌水(泥、沙)、巖爆、巖溶、瓦斯等，這些不良地質阻礙了隧道的正常開挖，并對施工人員的人身安全構成威脅。 因此，在隧道建設的過程中開展超前地質預報，及時掌握工作面前方的不良地質信息，對隧道的安全快速施工意義重大[1-2]。

在隧道超前地質預報技術及應用方面，國內外學者已做了大量的研究工作:郭安福等[3]研發構建了復雜地質條件下的隧道施工超前地質信息化系統，實現了物探等超前地質預報方法的數據管理。 孟陸波等[4-5]研發了長大深埋條件下的隧道超前地質預報軟件，實現了隧道基本地質條件預報、施工地質災害預報、物理探測地質預報、綜合查詢等。 李濤等[6]基于物聯網、云計算，構建了隧道工作面地質信息管理平臺，實現了隧道工作面地質信息化管理。

以往的隧道施工超前地質信息管理系統功能較少，難以滿足實際需求。 為此，利用數據庫、移動互聯等信息技術，研發功能強大的鐵路隧道超前地質預報管理信息化系統[6]，實現了隧道多種預報方法的數據上傳、存儲及數據共享，以及預報提醒、預警警示、設計管理、施工進度管理、工程資料管理、報表查詢輸出等諸多功能，并將系統數據與鐵總工管平臺進行無縫對接，極大地促進了鐵路隧道信息化施工技術的發展，對隧道安全快速施工有著重要意義。

1 系統總體設計思路

超前地質預報是通過地質調查、超前鉆探、物探、超前導坑預報等方法[8]，采集隧道的相關信息(包括隧道的工作面信息、工程地質信息、水文地質信息等)，并對所采集的數據進行分析和整理[9]，推測前方不良地質信息的技術。 同時，該技術亦可為隧道信息化施工提供詳實的資料[7]。

鐵路隧道地質超前預報系統從線路、標段、構筑物、隧道工點四個層次對已完成的超前地質預報成果進行統一管理，鐵路建設方、監理方、設計方和施工方的各級管理者(不同用戶的權限不同)可以通過系統平臺，實時掌握隧道施工進展及地質預報情況。

2 系統平臺的架構與運行流程

2.1 系統數據庫設計

數據庫作為保存和查詢數據等的主要手段，為整個系統功能的實現起到了至關重要的作用[10]。 按照系統平臺的功能分類，數據庫信息主要分為隧道設計信息、地質探測信息、不良地質信息、綜合結論信息、延誤/臨近信息等[11]。

2.2 系統技術架構

系統技術架構是以BS(Browser/Server-瀏覽器/服務器)為核心的MIS 系統[12]，相較于傳統的以CS(Client/Server-客戶端/服務器)為核心的MIS 系統，其技術理念相似，但在技術的實現上具有較大優勢:傳統的MIS 系統依賴于專門的操作環境，使操作者的活動空間受到了極大限制;而BS 架構則不受操作環境的限制，只需接入網絡即可操作[13]。

該系統屬于地質預報采集端小平臺，可與終端(鐵路工程管理平臺)形成數據對接。 客戶端分為PC端和移動端，PC 端利用 BS 架構，只需接入互聯網，即可將填錄的地質預報、綜合結論、風險預警、預報計劃、設計圍巖等級、設計不良地質等信息傳輸到鐵路工程管理平臺。 各級管理者只需接入網絡，即可通過瀏覽器對已上傳的數據進行訪問、查看;移動端采用CS 架構，只需有網絡即可通過手機App 查看、接收、推送消息，進行輕量級的事務處理。

2.3 運行流程

①采集端與鐵路工程管理平臺數據對接。

②建設單位對隧道標段、構筑物、隧道工點、設計人員信息等進行錄入。

③系統開發人員對建設單位錄入的信息進行授權。

④對地質預報、綜合結論、風險預警、預報計劃、設計圍巖管理、設計不良地質等信息進行錄入，對完成率和地質探測信息等進行統計，并對各工點延誤/臨近情況進行提醒。

⑤參建各方可對已上傳的數據進行查看，監理單位、建設單位有權限對其進行審核。

⑥針對已上傳的歷史數據，可在征得建設單位同意的情況下，向鐵路工程管理中心發起數據修改申請。

3 系統功能模塊設計

鐵路隧道超前地質預報管理信息系統包括PC 端和移動端。 現場負責填報的超前地質預報技術人員通常使用PC 端，各級管理者對已上傳的地質預報數據進行訪問時，一般采用移動端與PC 端相結合的方式。

3.1 平臺登錄

(1)PC 端

輸入網址，登錄PC 端Web 信息管理平臺，平臺登錄界面見圖1。

(2)移動端

圖1 PC 端平臺登錄界面

通過系統平臺頁面，掃碼下載手機APP，輸入賬號及口令即可實現登錄。 手機APP 主界面如圖2所示。

圖2 移動端平臺登錄界面

3.2 平臺功能介紹

客戶端主控模塊界面由APP 應用管理、超前地質預報管理、系統管理、工程管理四個菜單組成。 下拉菜單以樹形非線性結構展示 ，其響應模塊均以窗口的形式出現(見表1)。在“APP 應用管理”的下一級菜單中有“審核管理”、“應用信息管理”兩個模塊，用戶可在此處了解到系統APP 應用的基本應用情況(如圖3)[14]。

表1 平臺功能介紹

圖3 APP 應用管理

在“超前地質預報管理”的下一級菜單中有“超前地質預報”、“鐵總用戶管理”、“人員信息管理”和“標段用戶管理”4 個模塊。 可在此分別對平臺進行錄入預報、信息配置、用戶管理等操作(如圖4)。

圖4 超前地質預報管理

在“系統管理”的下一級菜單中，有“用戶組管理”、“用戶管理”和“修改密碼”3 個模塊[15]，管理員可在此對用戶組進行編輯、刪除以及權限分配等操作;對用戶進行編輯、權限分配、凍結用戶、重置密碼等操作;并可在此修改通行證賬號的個人密碼(如圖5)[16]。

圖5 系統管理

在“工程管理”的下一級菜單中，有“工點擴展信息”、“構筑物管理”兩個模塊，用戶通過簡單操作就可了解到系統的基本應用情況(如圖6)[15]。

圖6 工程管理

3.3 平臺界面布局特點

①在界面左上方“功能菜單”對應的各種功能模塊管理中，打開下拉式菜單 ，其響應模塊均以窗口的形式出現。

②左側操作框以項目樹的形式展現整個工程信息，可訪問各個項目層的詳細內容。

③主頁的背景為工程進度。

④主頁內容包括“預報工作進度”和“當前延誤列表”，選中“預報工作進度”的餅圖，即可彈出當前預報工作完成和未完成的詳細數據(如圖7)。

圖7 橋梁和隧道布置示意

3.4 平臺整體優勢

①平臺界面簡潔明了，操作簡便易懂，適用性強。

②具備預報信息的遠程傳輸功能，可實現實時查詢與模版自動導入、信息上傳、報告下載等，滿足隧道施工管理需求。

③具備延誤臨近管理功能，有效提高了預報填錄工作的及時性和規范性。

④能及時對地質預報異常段落進行預警，使參建各方能及時掌握前方不良地質的風險情況。

⑤實現了各隧道工點超前地質預報工作的全過程管理流程。

4 應用實例

該系統現已應用于大瑞鐵路保端二標，銀西高鐵二標，贛深高鐵二、三、四標，中蘭鐵路二標等。 現以大瑞鐵路保端二標高黎貢山隧道工點為例。

“超前地質預報”板塊又可分為“設計預報管理”、“地質預報管理”、“設計圍巖管理”、“設計地質管理”、“綜合結論管理”、“補充預報段管理”、“臨近延誤管理”7 個功能模塊[17]，見圖8。

圖8 平臺工點首頁

(1)設計預報管理

該功能模塊與鐵路工程管理平臺的“預報計劃”接口對接。 在此功能模塊下，用戶可根據施工圖紙，對隧道開挖過程中所需要的各種超前地質預報手段，以及預報長度、隧道最小埋深、鉆孔取芯數量等，進行預報計劃的編寫、填錄(見圖9)。

圖9 設計預報管理

(2)地質預報管理

根據接口文件要求，將“地質預報管理”模塊分為5 個操作欄，分別是“物探法”、“工作面素描”、“洞身素描”、“鉆探法”、“地表補充調查”。 選中任意一個操作欄，即可對相應的預報方法進行實時編輯(見圖10、圖11)。

圖10 地質預報管理

(3)設計圍巖等級管理

可對隧道工點的各個里程段進行圍巖分級(見圖12)。

圖12 設計圍巖等級管理

(4)設計地質管理

可對隧道工點的各個里程段進行主要影響因素的判別和復雜程度分級(見圖13)。

圖13 設計地質管理

(5)綜合結論管理

在復雜風險地質條件下，可根據相關規程、細則，對已開挖隧道工點展開綜合結論分析(見圖14)。

圖14 綜合結論管理

(6)補充預報段管理

該功能模塊可對已上傳但有所缺失的超前地質預報進行數據補充(見圖15)。

(7)延誤臨近管理

對各標段隧道工點已上傳的預報里程進行實時延誤臨近提醒，并反饋到采集端，用戶可通過采集端平臺在此功能欄下進行查看(見圖16)。

圖15 補充預報段管理

圖16 延誤臨近管理

5 結束語

地質預報信息管理平臺實現了隧道多種預報方法的數據上傳、存儲及數據共享，以及預報提醒、預警警示、設計管理、施工進度管理、工程資料管理、報表查詢輸出等諸多功能，使管理者能及時掌握預報信息，有效降低地質災害發生的幾率和危害程度，提高了工作效率，同時也是保證隧道施工安全、優化工程設計、實現施工信息化管理的重要基礎[18]。