地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系研究與應用*

段軍朝 申興柱 徐朝陽

(1.中建三局基礎設施建設投資有限公司，430064，武漢;2.華中科技大學土木工程與力學學院，430074，武漢;3.中建三局集團有限公司，430064，武漢;4.中建三局軌道交通公司，430064，武漢∥第一作者，高級工程師)

地鐵線路穿越瓦斯地層等重大危險源時，施工風險大、安全管控難，如何通過信息化的手段高效地進行安全管理成為各方關注的焦點。文獻［1］利用物聯網、GIS(地理信息系統)等現代技術搭建了專業信息化的地鐵建設管理平臺，該平臺具有評估預警與響應處置等功能，通過人工監測、實時監測、現場巡視和視頻監控4種手段對地下工程安全情況進行管理。文獻［2］構建了城市軌道交通土建施工安全風險監控預警系統，實現了對車站基坑和區間隧道施工點的實時監控，提高了監測數據使用效率及施工管理的現代化水平。文獻［3］提出了多用戶警情信息與應急預案信息的協同在線風險管控方法，方便了城市軌道交通建設各單位用戶之間的信息共享交流，實現了施工過程中各類安全風險的有效管控。文獻［4］依托石家莊地鐵工程項目，建立了施工安全管理信息平臺，該平臺涵蓋實時監控、遠程控制、預警報警、數據統計與分析等功能，為地鐵建設安全平穩推進提供了保障。文獻［5］研發了城市地鐵施工安全監測信息管理系統，該系統可實現自動預警、及時發布信息與多用戶協同管理的功能，并以杭州地鐵項目為案例進行驗證。文獻［6］通過進行功能需求分析，開發了天津城市軌道交通安全風險監控管理系統，主要包含工程信息管理、施工進度、監測預警管理等3大功能。

上述研究對地鐵工程土建施工階段的安全風險管理體系進行了研究，并取得了一些成功的經驗和方法。但已有管理體系的監管覆蓋范圍小，未有效包含地鐵隧道施工作業面中的各類危險源，同時在功能和適用性等方面存在一定的缺陷。此外，當地鐵線路穿越瓦斯地層時，尚無適用于該復雜地質環境下的瓦斯隧道安全防控管理體系。鑒于此，本文利用物聯網、移動互聯網和無線傳輸等技術，集成瓦斯監測、風速檢測和盾構施工監控等專業應用，運用流媒體、大數據等手段搭建了多方參與、共同監管的地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系，旨在構建全線覆蓋、全員參與、全過程管理的集約化管控模式，實現危險源實時智能監測、迅速響應、合理處置。研究成果可為國內外地鐵工程施工階段的安全風險管理提供借鑒和指導。

1 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系

1.1 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系架構

地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系集成了隧道瓦斯濃度自動監控(G)、盾構施工實時數據監控(S)、重大危險源視頻監控(H)、隧道施工人員定位(P)及勞務人員人臉識別實名制管理(R)5大系統，實現了重大安全風險實時綜合監控管理。其架構如圖1所示。該體系基于互聯網技術，構建廣域網和局域網通信傳輸網絡，依托短距離無線通信技術，實現溝通和傳輸的多向性。同時，采用物聯網技術，通過對目標智能化的跟蹤及監控，實現瓦斯濃度自動監測、盾構施工實時數據傳輸、隧道施工人員定位及人員的實名制管理等諸多功能;借助流媒體視頻點播及回訪、遠程監控功能，應用于重大危險源的全方位監控，實現了空間和時間的解放。

圖1 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系架構圖Fig.1 Framework diagram of safety prevention and control management system for subway gas tunnel

地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的硬件系統包括上層集成中心和下層監控平臺2個層次。其中，上層集成中心即位于項目公司總部的總調度指揮中心，是各種信息的集散地;下層監控平臺位于各個施工工點項目部，負責對現場施工情況的具體監控與信息上傳。具體的硬件配置主要包括應用服務器、數據服務器、萬維網服務器、工程師工作站、硬件防火墻、交換機、路由器，以及各類相關監控設備，如攝像機、傳感器、檢測儀、饋電斷電器、人臉識別閘機等。

1.2 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的主要特點

為了有效應對地鐵線路穿越瓦斯地層時所面臨的諸多安全管控風險及難題，首次開發了地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系。該體系的特點如圖2所示，主要特點包括以下3個方面:

圖2 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的功能及特點Fig.2 Functions and characteristics of safety prevention and control management system for subway gas tunnel

1)構建了基于互聯網濃度技術的復雜環境下，集隧道瓦斯濃度自動監測、盾構施工數據實時監控、重大危險源遠程監控、隧道施工人員定位和勞務人員人臉識別實名制管理為一體的城市軌道交通安全防控管理體系，實現了對重大安全風險綜合管控的功能。

2)攻克了復雜環境下城市地鐵瓦斯隧道安全風險管控的關鍵技術，提出了1套適用于高瓦斯暗挖隧道、低瓦斯盾構隧道的瓦斯濃度自動監控系統，解決了風電瓦斯閉鎖等難題。

3)實現了全員參與、全線覆蓋、全過程監控的遠程動態管理。標段項目部、項目公司、第三方單位等參與方可以隨時隨地查詢各工點的施工信息，獲知目前的安全狀態，同時進行雙向通信。

1.3 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的主要功能

1.3.1 隧道瓦斯濃度自動監控

通過在隧道各工作面(礦山法隧道:掌子面、襯砌臺車等部位;盾構法隧道:螺旋機出土口、1#和5#臺車尾部等部位)安裝瓦斯傳感器，以及在隧道回風流內安裝風速傳感器，并將監測信息回饋至主控計算機進行分析處理，實現了對洞內瓦斯濃度和回風風速的24 h實時自動化監測。當瓦斯濃度或者回風風速達到預警值時，洞內傳感器和洞外監控中心自動進行聲光報警。如圖3所示，利用設備開停傳感器、饋電斷電器等對被控設備自動斷電，實現風電、瓦電閉鎖功能。同時對盾構機、隧道內的固定電器、內燃設備、運輸設備等進行針對性防爆改裝，保證隧道施工安全。

圖3 瓦斯隧道濃度自動監測及風電閉鎖原理示意圖Fig.3 Schematic diagram of gas tunnel concentration automatic monitoring and wind power locking principle

1.3.2 盾構施工實時數據監控

通過構建盾構施工實時數據監控系統，各層級的管理人員可以實時獲得全線每臺盾構機在低瓦斯地層中的各項掘進參數、盾構姿態、工程進度、設備運行狀態等信息。利用計算機強大的數據存儲和處理功能，系統可以對施工參數、材料消耗數據等進行統計和分析，實現了盾構施工過程中各種相關數據的自動識別、有序存儲、信息匯總及動態管理。可方便對盾構掘進過程中出現的問題進行分析，便于遠程實時掌控盾構施工情況，從而對盾構施工的安全、質量和進度等進行全面管控。

1.3.3 重大危險源視頻監控

如圖4所示，在盾構法隧道和礦山法隧道的關鍵位置，結合當前工況和施工進度動態設置施工專用監控攝像頭，利用互聯網技術將現場施工情況同步傳輸至監控中心和移動客戶端，可以實時了解施工進度，掌握可視范圍的施工情況等，從而實現對重大危險源的全方位遠程管控。地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系同時具有錄像、預警、雙向語音等功能。出現險情時，項目公司監控中心可及時向現場發出警告，線下管理人員完成處置后需在系統上消除預警信息，實現安全風險閉合式管理。

圖4 重大危險源視頻監控拓撲圖Fig.4 Video monitoring topology of major hazard installations

1.3.4 隧道施工人員定位

隧道施工人員定位系統是基于RFID(無線射頻識別)技術構建的，系統構建時導入了地鐵線路布局及周邊環境等信息。通過施工人員攜帶的定位器，定位系統能夠實時探測和顯示洞內人員數量及具體位置，管理人員可實時查看洞內人員數量和位置分布等情況。定位器同時具備雙向通訊功能，能夠在緊急情況下，群發撤離通知信號或發出求救信號，達到事故預防和有效施救的目的。

1.3.5 勞務人員人臉識別實名制管理

勞務人員人臉識別實名制管理系統集教育培訓、出工考勤、用工分析、工資支付等多種功能于一體。其系統架構如圖5所示。勞務人員在進場施工前需辦理實名制管理卡，錄入個人基本信息、工種、技能等級等詳細信息。當進行安全教育培訓、進入或離開施工現場時，通過人臉識別或刷卡進行考勤和信息統計。工人的從業經歷、優良表現、違章違規行為等亦會進行全過程記錄，以作為工人技能等級認證、務工準入的重要依據。

圖5 勞務人員實名制管理系統架構圖Fig.5 Architecture of real name management system for labor service personnel

2 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的應用

成都軌道交通6號線三期工程(原11號線一期工程)全長23.37 km，采用全地下敷設。該線路有4.7 km位于高瓦斯地段、6.6 km位于低瓦斯地段，瓦斯段總長度達到11.3 km，是國內穿越瓦斯地層最長的城市地鐵線路。依托于此工程，經不斷改進和優化，地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的穩定性和適應性得以不斷提高。目前，該體系已成功應用于成都軌道交通6號線三期工程建設中。圖6為地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的管理界面，全線110余項重大危險源得到了有效監控管理，及時發現并消除了多項安全隱患，施工過程中未發生一起安全事故，為全線瓦斯隧道的順利貫通提供了強有力的保障，切實提高了城市地鐵項目的一體化和智能化安全管理水平。

圖6 地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系的管理界面Fig.6 Management interface of subway gas tunnel safety prevention and control management system

同時，地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系前期投入少，整體工作性能穩定，節約了前期搭建和后期維護成本，減輕了管理人員的工作量，提高了管理工作效率，有效降低了管理成本，為工程項目安全、高效、優質地履約提供了技術支撐。

3 結語

1)形成了集隧道瓦斯濃度自動監測、盾構施工數據實時監控、重大危險源遠程監控、隧道施工人員定位，以及勞務人員人臉識別實名制管理配置優化和一體化安全管理的關鍵技術，提高了地鐵線路穿越瓦斯地層施工階段的安全管理水平。

2)提出了施工工區、標段項目部、項目公司、第三方單位通過線上線下聯動、全線覆蓋、全員參與、全過程管理的集約化管控模式，搭建了“點-線-網”全方位的安全防控管理體系，有效保證各監管方的多點協調管控。

3)地鐵瓦斯隧道安全防控管理體系能夠有效地對地鐵瓦斯隧道建設過程中的安全風險進行監控、預警和快速處置，實現了地鐵瓦斯隧道建設全過程中一體化、智能化、信息化的安全監管，有效提高了瓦斯地層中地鐵項目的安全風險管理效率和水平，降低了管理成本，具有較好的推廣應用價值。