鐵路隧道施工安全管理與風險預警技術的應用

王輝麟，蔣秋華，索 寧，馬偉斌，赫永鋒

(1.中國鐵道科學研究院，北京 100081;2.京沈客運專線遼寧有限責任公司，遼寧沈陽 710014)

近年來，隨著量測技術、計算機技術的發展和滲透，在隧道施工中采用信息化技術有了很大發展。如日本的佐藤工業(株)開發的“SIT”系統，通過把隧道內的測量數據、機械運行數據、通信數據等，用單一的通信線路進行傳輸，實現隧道內施工的一體化管理。西松建設也開發了“隧道綜合管理系統”，該系統是由信息化施工、設計支援、質量管理和隧道形狀管理四個子系統構成的。其中信息化系統由TSP、DRISS、TDEM三個掌子面地質超前預報技術組合而成。

1 工程概況

沈丹客專錦江山隧道位于遼寧省丹東市附近，隧道進口里程為DK247+375，出口里程為DK251+980，全長4 605m。錦江山隧道為三標段最長隧道，沿線通過低山區，隧道范圍內丘間溝谷內表層多為粉質黏土、碎石土覆蓋，隧道洞身通過地層主要為混合花崗巖，洞身范圍有少量基巖裂隙水。從以上信息可以得出，影響錦江山隧道施工安全風險因素主要包括斷層引起的塌方和周圍的水系統可能導致的涌水突泥危險，屬于典型的淺埋隧道施工安全風險，最淺處距離地面4 m左右。其中Ⅱ級圍巖2 865m，Ⅲ級圍巖175m，Ⅳ級圍巖250m，Ⅴ級圍巖1 315m。同時，丹大客專隧道下穿本隧道，存在隧道交叉施工情況，也是錦江山隧道施工的風險因素之一。需要采取一套切實可行、合理有效的隧道施工安全監測及風險預警方案。

2 鐵路隧道施工安全管理和風險預警方案

2.1 鐵路隧道結構監控量測內容

根據現場地質條件情況對軟弱圍巖段進行地質雷達超前預報，以了解掌子面前方地質情況，為正確選擇開挖斷面、支護設計參數和優化施工方案提供依據，并為預防隧洞涌水、突泥、突氣等可能形成的災害性事故及時提供信息，保證施工安全。并結合對隧道典型斷面監控量測，來掌握圍巖的變化動態，對圍巖穩定性進行評價，提供判斷圍巖和支護系統基本穩定的依據，及時掌握圍巖的變化動態，采取相應的措施，確保隧道工程施工安全，對隧道施工進行安全監控。另外，還可以利用監測數據與仿真結果進行分析比較，反演出更為準確的土工計算參數，以便仿真分析結果更接近于工程實際情況，對施工質量和隧道安全做出綜合判斷，真正實現信息化施工。

典型斷面的監控量測應由具備一定監測經驗和技術實力的第三方監測單位完成，以保證數據的精確性和真實可靠性。每個典型監測斷面應包括下列監測項目:

1)地表沉降(隧道淺埋段)。淺埋隧道段圍巖一般具有軟弱、破碎、自穩時間極短等特性，施工方法不妥極易發生冒頂塌方或地表下沉。淺埋隧道開挖時可能會引起地層沉陷而波及地表，因此，通過地表沉降觀測來了解地表下沉的范圍以及下沉量的大小、地表下沉量隨掌子面推進的變化規律，以判斷淺埋段隧道拱頂圍巖的穩定程度。

2)周邊位移(收斂)。①周邊位移是隧道圍巖應力變化的最直觀反映，量測周邊位移可為判斷隧道空間的穩定性提供可靠的信息;②根據變位速度判斷隧道圍巖的穩定程度，為二次襯砌提供合理的支護時機。

3)拱頂沉降。拱頂沉降觀測的作用是判斷圍巖穩定性及進行位移反分析，為二次襯砌的實施提供依據。

4)鋼架應力。①判斷支護結構長期使用的可靠性以及安全程度;②檢驗初次襯砌設計的合理性，積累資料為判定提供依據。

5)圍巖壓力。圍巖壓力觀測的作用是監控圍巖的穩定性，保證施工安全并為二次襯砌的構造、實施時間等提供依據。

6)二次襯砌應力。①了解二次襯砌的受力條件;②判斷支護結構長期使用的可靠性及安全程度;③檢驗二次襯砌設計的合理性，積累資料為判定提供依據。

上述監測斷面間距隨著圍巖類別的不同而不同，地表沉降觀測、周邊位移觀測以及拱頂沉降觀測均為必測項目，在圍巖級別為Ⅴ～Ⅵ時，斷面間距為5～10m;圍巖級別為Ⅳ時，斷面間距為10～30m;圍巖級別為Ⅲ時，斷面間距為30～50m。對于鋼筋應力、圍巖壓力及二次襯砌應力為選測斷面，一般每個代表性地段選擇一個斷面。

7)地質雷達超前預報。地質雷達超前預報的主要目的是查明隧道掌子面前方20m左右范圍內軟弱圍巖及裂隙發育的分布情況，為隧道施工工藝及施工方法的選擇提供依據。

2.2 鐵路隧道施工安全管理和風險預警模型

鐵路隧道施工安全監測和預警系統采用三層的系統結構，數據采集層主要將超前地質預報的地質數據、自動采集的監測數據以及監控量測數據采集到數據庫中;數據庫層主要將前期采集的數據進行分類存儲，同時進行智能的數據分析與判斷、數據整合，根據實際情況進行風險預報警;數據訪問層/展示層主要將前期數據進行可視化、信息化的展示，通過強大的GIS平臺可以直觀地看到預報警信息，同時可以及時方便地查詢預警信息、風險情況以及應急處理情況。如圖1所示。

2.3 鐵路隧道施工安全管理和風險預警平臺結構

系統采用三層結構模式進行設計。①前端為監測數據采集平臺，包括自動化檢測設備，人工監控量測和超前地質預報等。②中端為數據傳輸途徑，包括GPRS方式、Internet、無線方式等。③后端為基于GIS的安全管理與風險預警平臺，包括GIS地圖模塊、監測數據采集模塊、監測實時分析模塊、巡查監控與動態風險評估。

圖1 鐵路隧道施工安全監測和預警模型

2.4 鐵路隧道施工安全管理和風險預警平臺的功能

針對隧道實施施工監測、第三方監測，通過數據分析與安全評估，可綜合反映整個施工階段的安全狀況，在出現異常與安全隱患時可及時發出預報警信息。然而以往的監測通常只是簡單地統計與匯總形成監測報告，在數據有效性控制、結合現場情況、利用專家經驗等方面不夠深入。因此，通過對隧道進行信息化監測和安全評估管理主要應注意以下幾點:

1)監測數據的采集與整合

整套系統考慮到了目前監測數據采集的三種主要方式:人工錄入、儀器自動采集并實時傳輸和通過數據文件導入。能夠提供直觀易用的交互界面，以適應各種監測手段;同時要對數據進行識別與篩選，保證采集到真實有效的監測數據，確保后續安全評估與技術分析的科學性和可靠性。

同時，系統也將集成超前地質預報與自動化監控量測設備(斷面儀、激光測量設備)等，使得系統具備實時統計、查詢工程施工現狀的功能。

此外，系統中存儲著豐富的既有工程資料信息，包括地形資料、基礎地質資料(地層巖性、地質構造、地下水、不良地質)、勘探資料(鉆孔、物探等)、試驗成果、以及工程設計信息，把監測數據與這些基礎信息進行有效的整合，將極大地提高后續安全與風險評估的高效性與通用性。

2)監測實時分析

海量監測數據隱含著豐富的結構受力狀態、周邊環境影響等安全信息，應在采集的同時對其進行初步的分析與趨勢判斷，向管理者與技術人員實時提供直觀的時程曲線、空間動態曲線、安全儲備余量、測點發展速率等圖表與文字信息，為下一步安全分析與風險評估提供分析依據。

監測實時分析技術有助于對采集的監測數據進行初步判斷，能夠全面反映數據異常波動的情況，有效控制人員因素、設備因素、環境因素引起的異常，從而有效地甄別監測數據異常是否屬于工程安全問題引起的波動。

3)安全評估

定期對監測工程進行安全評估，是施工安全控制的重要內容，是對工程安全狀態的進一步分析。通過監測實時分析匯總情況，系統自動形成某時期內工程監測安全評估報告初稿，技術人員在此基礎上結合現場施工工況，編輯定稿，提交到系統中。在定稿過程中，技術人員可利用系統工具定制諸如橫縱斷面、各類型曲線對比等分析內容，導入各種圖表文字等補充內容，完善安全評估報告。

4)風險預警

當監測數據超過臨界值或警戒值，經系統自動判斷或人工判斷確認后，則啟動異常分析處理機制，由相關技術人員進行技術分析，對于特別危險的監測點，還需要啟動遠程專家會診，形成專家鑒定意見。如果鑒定意見一致判定為超過安全控制范圍，則需要進一步啟動預警或報警機制，采取應急預案迅速解決現場安全問題。

異常分析處理流程要標準化，并且靈活高效，結合技術人員、專家分析與經驗判斷，使管理各方能夠迅速采取措施，把安全風險降到最低。

5)巡查監控與動態風險評估

監測數據分析通常是以有限個離散測點來評價工程整體的安全狀況，反映在數據分析上可能存在以偏概全的傾向。因此，進行定期或不定期的現場巡查，實地查看監測布置點是否偏離工程監控要求，同時還可以檢查測點以外的現場安全狀況。經巡查后，給出巡查分析報告，結合監測數據技術分析，可判斷工程整體的風險控制是否在既定目標內，同時也能給出動態風險評估分析成果，使項目安全風險可控。

6)GIS工程地圖

GIS地圖功能是以地理信息系統技術為基礎，將工程安全監測和風險管理等信息在工程地圖上顯示，方便用戶直觀地查詢與管理。①工程地圖信息，在工程地圖上顯示各工點的測量數據報警情況、風險評估情況和風險預警情況。能夠進行地圖放大縮小和移動，方便了解工地周邊環境情況，通過點擊能夠直接進入工點風險管理界面，迅速了解工點詳細的監測數據、風險預警報告等信息。②工點測點設計圖，對工點測量的布置以圖形的方式顯示，用戶能夠通過選擇顯示所關心的測點和斷面，點擊測點和斷面的圖標能夠顯示相應的曲線。

3 結束語

本文針對鐵路隧道中施工過程存在的安全風險，初步提出一套針對淺埋隧道和立體交叉隧道施工安全管理和風險預警模型，研發出了相應的鐵路隧道施工安全管理和風險預警平臺軟件，通過錦江山隧道進行工程試點應用研究，為整個隧道的信息化施工和安全評估提供及時而準確的判斷，以便采取相應措施，保證隧道的安全施工，初步達到了對淺埋隧道和立體交叉隧道施工安全風險監測和預警效果。自隧道工程開工以來，從未發生重大生產安全事故。

由于鐵路隧道施工風險包括塌方、涌水突泥、瓦斯、大變形、巖爆、高地熱等各種復雜因素，針對變形(位移)監測、壓力(應力)監測、影像信息收集、溫度監測、氣體監測等多元信息進行計算分析，確立隧道施工安全風險預警閾值，根據不同鐵路隧道施工風險影響因素采用不同預警模型，還需要進一步研究和探索。

［1］梅志榮，馬士偉.隧道工程監測技術與動態設計方法的新進展［C］//中國科協2004年學術年會鐵道分會場論文集.北京:中國科學技術出版社，2004.

［2］陳翔.變形監測信息管理及施工安全預警系統的設計和應用［D］.長沙:中南大學，2007.

［3］胡子平.復雜巖溶隧道突水突泥防災報警系統設計［J］.現代隧道技術，2008，44(1):1-22.

［4］楊忠，孫瑞海，王成，等.新建鐵路隧道施工安全監控技術［J］.鐵道建筑，2010(11):36-39.

［5］葉英，穆千祥，張成平.隧道施工多元信息預警與安全管理系統研究［J］.巖石力學與工程學報，2009，28(5):900-907.