高寒高海拔地區長大隧道信息集成應用關鍵技術

梁栓民，吳建強，劉力靈，張延峰

（1.中國鐵路蘭州局集團有限公司 建設部，甘肅 蘭州 730000；2.甘肅信達建設工程咨詢有限公司 監管部，甘肅 蘭州 730000；3.中鐵三局集團有限公司，山西 太原 030000）

0 引言

隨著我國經濟的不斷發展，國民經濟對于鐵路的依賴性越來越高，鐵路的建設規模也在不斷擴大，如何提高鐵路建設過程中的安全與效率，一直是鐵路建設管理面臨的主要難題。信息化、智能化在數據采集、預警分析、輔助決策等方面具有諸多優勢，通過積極采用新技術和新方法，獲取整個項目建設過程信息，并對這些信息進行關聯分析，可極大提高項目管理效率［1-3］。

通過新烏鞘嶺隧道建設過程中的信息集成應用成果，對高寒高海拔地區的長大隧道信息化應用情況做一些探討，并提出幾點鐵路信息化建設的要點。

1 工程概況

新烏鞘嶺隧道全長17.1 km，位于既有蘭武二線烏鞘嶺特長隧道東側、上方，呈平行之勢，是新建蘭張三四線鐵路控制性工程。中鐵三局集團有限公司管段內共設有4 座輔助坑道，其中3 座為利用既有隧道的8 號、9 號、10 號斜井，并在斜井內新修支洞進入正洞施工，利用既有斜井長度5 130 m，新修支洞長度1 548 m；新建1座橫洞279 m。新烏鞘嶺隧道平均海拔2 800 m，年均氣溫0.8 ℃，每年冬施工期長達7 個月，隧道主要穿越F7 斷層破碎帶、志留系下統板巖夾千枚巖、三疊系上統砂巖夾頁巖及煤層、白堊系礫巖夾砂巖夾泥巖，存在高地應力軟巖大變形、溜塌等多種風險。同時設計利用既有斜井進行隧道施工，既有斜井斷面小，錯車道布置間距大、數量少，斜井坡度大，物流組織困難，效率低下。

2 生產管理系統平臺建設

為充分發揮信息化、智能化在工程建設項目管理中的優勢，提升項目管理水平，通過集成應用信息化管理平臺，建立了以進度、設備、安全、質量為四大模塊的生產管理系統，實現了12 項管理功能［4］（見圖1）。進度管理模塊集成了生產進度管理平臺，實現了4項功能；設備管理模塊利用鐵甲云盒系統進行設備專項管理，同時獨立開發車輛智能管理系統，在既有斜井內完成車輛智能調度，實現了2項功能；安全管理模塊集成了安全質量隱患排查治理系統及培訓系統，同時獨立開發了人員定位實名制系統及視頻監控系統，實現了4項功能；質量管理模塊通過獨立開發的系統平臺，實現對三維激光斷面掃描數據與襯砌防脫空數據的分析與預警，實現了2項功能［5］。

圖1 生產管理系統

3 實現功能

3.1 進度管理模塊

（1）工程數量管理：根據系統“WBS 字典”勾選相應工程分類，按工區進行工程實體分解，根據系統模板格式導入設計工程數量，系統將自行同施工數量和清單數量進行對比分析，計算施工圖量差和清單量差。同時，管理系統自動生成工程量臺賬并根據工程量臺賬匹配相應材料總控臺賬、材料使用計劃等，用于項目日常驗工管理和物資管理。

（2）計劃管理：首先將施工總進度計劃、年度計劃、月度計劃輸入系統，系統會根據計劃按照旬、周、日自動進行下一級計劃分解，通過每日對各工點施工數據錄入，系統可自行計算當前工程剩余量，根據錄入計劃工效，自行計算剩余施工天數。過程中，將計劃工效與實際工效進行對比，便于管理人員日常進度管控。同時還可根據系統關聯的工程量清單自動計算施工產值，輔助進行計劃管理［6］。

（3）形象進度管理：系統根據每日進度情況，自動形成周報、月報、年報等，進度以餅圖、柱狀圖、大屏看板等形式進行展示（見圖2），結果直觀、形象、可視化，利于管理人員及時糾偏。

圖2 形象進度管理

（4）進度預警管理：根據施工計劃完成情況，當施工進度滯后時，系統將根據進度滯后情況（T），按藍、黃、橙、紅4種等級進行預警（通常設置嚴重滯后T≥20%顯示紅色，一般滯后10%≤T≤20%顯示橙色，輕微滯后0≤T≤10%顯示黃色，正常T≤0顯示藍色），并可根據預警等級將預警信息推送給不同層級管理人員，提醒管理人員調整施工計劃或采取其他有效措施改善進度滯后狀況。

3.2 設備管理模塊

（1）設備專項管理：利用鐵甲云盒系統對進場設備進行專項管理。對進場機械設備均安裝定位芯片及監控探頭，當機械啟動時定位芯片及監控探頭同時啟動，對工作狀態下機械設備的工作內容和作業環境進行實時監控，并形成運行軌跡，記錄設備工作狀態參數；同時對進場設備銘牌、新舊程度、外觀質量、機械參數統一錄入系統，進行“一機一檔”建檔管理；機械油箱內設置液位傳感器，隨時記錄油料消耗情況。通過對設備油耗情況、工作實效和故障情況進行統計，綜合分析設備使用經濟性（見圖3、圖4）。

圖3 設備專項管理

圖4 車載監控

（2）車輛智能管理：為解決既有斜井斷面狹小造成的物流組織困難問題，通過車載智能終端設備、遠距離無線電（Lora） 通信網絡、隧道內定位網絡、GPS 網絡與軟件云平臺建立車輛信息數據庫，通過后臺計算分析車輛終端、錯車道等相對位置信息關系后，發送指令至車輛終端，提醒洞內行駛車輛及時就近避讓，實現洞內車輛精確定位、智能調度、交通管控（見圖5）。

圖5 車輛智能管理

3.3 安全管理模塊

（1）人員定位實名制管理：人員定位系統集計算機信息安全技術、通道閘門自動化控制技術、網絡通信技術、數字信號模擬技術、人臉識別技術、人臉拍照采集、視頻傳輸技術等于一體，以終端管理平臺為載體，前端設備接入通道閘，人臉識別、定位基站、無線網橋、聯動設備（包括攝像機、視頻監控、顯示屏等），后端通過統一數據庫進行數據存儲管理。

①門禁系統由人臉識別人行翼閘和人臉識別行車道閘構成。作業人員通過翼閘和道閘通道人臉識別進入，管理人員通過該系統能夠精準掌握現場出勤情況，非本項目人員、設備不能進入施工現場。

②定位系統由管理工作站（終端設備）、信息基站、人員（設備）標簽、網橋組成，被允許進入隧道施工現場的施工人員及設備上攜帶有定位標簽，定位標簽將定位信息發送給預先安裝在隧道壁上的定位基站，定位基站接收到定位標簽傳來的數據信息后通過網橋又把數據傳給管理終端工作站。管理人員通過定位系統能夠精準掌握在崗人員位置［7］。

人機定位系統是通過定位技術對洞內外人員、車輛進行定位，實時掌握現場人員、機械設備的分布及運行狀態；通過對各區域人員數量、工作狀態進行查詢統計，可輔助進行人員考勤、機械考核等管理。另外，該系統可實現對超區域作業人員、機械設備進行安全提醒或警示警告。同時，對所有進洞人員按一人一檔建立電子檔案，配備專用定位設備，做到實時實名制管理［8］（見圖6）。

圖6 人員定位實名制管理

（2）視頻監控功能：在各工點值班室、隧道洞口、隧道掌子面、棄渣場及其他重點生產區域安裝視頻監控設備，利用監控系統對各工點重要部位進行24 h 監控；洞口值班人員利用廣播系統對現場存在物的不穩定狀態、人的不安全行為、環境的不安全因素等進行提示、警示或警告（見圖7）。

圖7 視頻監控功能

（3）隱患排查功能：各級管理人員按照規定的檢查頻次，對現場發現的問題及時上傳至系統平臺，并指定整改責任人及整改期限。整改責任人收到隱患問題后，及時到達現場查驗核實，并對現場存在的問題制定整改方案，安排現場限期整改，并在整改完成后將資料上傳到平臺，完成問題閉環管理（見圖8）。

圖8 隱患排查功能

（4）培訓系統：利用“安全生產遠程培訓管理平臺”實現各級管理人員在線學習、培訓及考試，也可借助手機APP，實現在線隨時隨地學習。

3.4 質量管理模塊

（1）三維激光斷面掃描：通過三維激光掃描技術對隧道開挖斷面進行掃描，形成測量點云圖，分析隧道超欠挖情況（見圖9）；對隧道初支斷面進行掃描，分析初期支護是否侵限；通過計算混凝土應澆筑數量與實際澆筑數量進行對比，分析襯砌是否澆筑密實［9］。

圖9 三維激光斷面掃描

（2）襯砌防脫空報警系統：利用液位繼電器工作原理，輔助配置相關裝置。當襯砌混凝土澆筑至拱頂最高點時，混凝土連通液位繼電器，聲光報警器開啟提醒功能，綜合判定混凝土澆筑結束時機。

4 結束語

信息化系統對項目進行全天候、全方位、數字信息化管理，以切實起到監管、控制、指揮、調度等作用的實用性為主，充分發揮數字技術在工程領域的優勢，利用“互聯網+”思維，提升項目管理水平，打造企業長大隧道施工品牌；利用信息化數據整合實現新烏鞘嶺隧道工程施工過程施組進度、安全風險、質量檢驗、綜合輔助等信息化綜合管理，提高管理人員的全局意識、技術人員理解方案的效率，提高項目建設效率；完成信息由設計階段向建造階段的無損傳遞，實現基于信息化的精益化施工管理，為智能化運維提供條件。隨著信息化應用的逐步推廣和深入，鐵路建設項目管理也會逐步向智能化管控方面發展，同時信息化應用領域廣泛，前景廣闊［10］。