多元信息預警系統在頭道穴隧道施工過程中的安全評價方法研究

韓成珂，葉 英

(北京市市政工程研究院，北京 100037)

0 引言

隧道在施工過程中存在著大量的風險，且風險具有復雜性、隱蔽性和不確定性等特點，難以識別，隨時可能引發安全事故，造成嚴重后果，如何識別這些風險并準確評價隧道施工過程的安全狀態，已經成為擺在人們面前必須要面對的問題。進行安全評價的前提是要獲取如施工人員情況、作業環境、工程地質等各方面的施工信息。傳統的信息獲取方式是人工獲取，這種方式效率低且不能保證準確性。隨著信息技術的發展，越來越多的隧道工程開始運用信息技術來獲取施工信息。在國外，意大利的Vaglia隧道采用了ADECORS系統來獲取地質變化信息;哥倫比亞的Buenavista隧道，運用信息化技術來模擬不良地質帶。在國內，上海地鐵隧道施工運用了內管壁位移網絡監測，深圳地鐵運用信息化施工技術監測重疊隧道風險［1］。受一些技術條件的限制，以上方法存在一定的局限性:1)獲取的信息比較單一，無法掌握施工的整體安全狀況;2)通常是獲取足夠信息后再進行安全評價，使得評價結果存在滯后性，當發現風險時，可能為時已晚［2］。

基于這樣的背景，提高隧道施工過程安全評價的全面性、準確性和實時性已迫在眉睫。多元信息預警系統能夠在隧道施工過程中進行全方位實時監測，采集大量的、多元的施工信息，利用數字化和網絡化等前沿技術，對多元信息進行綜合分析判斷，集成預報預警、信息系統、安全管理于一體，克服了一般隧道施工安全評價方法的單一性和滯后性問題，實現了施工全面和綜合評價，為隧道工程施工保駕護航。

1 多元信息預警系統設計

多元信息預警系統是北京市市政工程研究院、北京交通大學等單位聯合研制的地下工程安全保障系統，系統由三維激光儀、各種類型傳感器、攝像頭、傳輸基站、采集基站、網絡服務器和用戶終端構成，所有設備采用無線信號連接［3］。為了獲取全面的隧道施工信息，在隧道內安裝連接傳感器的采集基站，采集瓦斯體積質量、CO體積質量、粉塵體積質量、溫度、濕度和噪聲強度等，安裝激光儀可以實現斷面掃描、監測隧道圍巖變形，安放無線攝像頭可采集現場視頻。所有信息通過無線網關上傳到后臺服務器，施工管理人員能夠隨時掌握施工現場情況。系統工作鏈路如圖1所示。

圖1 系統工作鏈路Fig.1 System working link

整套系統在隧道施工過程中持續采集信息，在系統中植入科學合理的評價方法，將多元信息整合成一個直觀的安全評價結果，供施工管理人員參考。如該評價結果超過了警戒值就會觸發預警機制，系統將在第一時間啟動應急預案，通知工程人員及時采取有效措施控制風險［4］。

2 隧道施工安全評價方法研究

2.1 建立安全評價指標體系

隧道施工過程的安全狀態主要受3方面的影響。1)人員因素。人是工程活動的主體，作業人員應具有很強的安全意識和熟練的技術，此外，科學、健全的規章制度也是隧道安全施工的前提，要求所有人員照章辦事、有序施工。2)設備因素。先進的設備是保障隧道安全施工的有效手段，要求設備能在施工過程中采集準確的施工信息，能通過這些信息來掌握施工安全狀態。3)環境因素。包括作業環境和支護結構穩定性，作業環境包括噪聲、粉塵及有害氣體等，支護結構穩定性是指支護結構及圍巖的可靠性［5－7］。

通過以上分析，結合多元信息預警系統工作機制，建立安全評價指標體系。通過對相關規范的研究，以及對以往隧道施工事故原因的分析，結合專家意見與隧道施工實際情況，對各項指標進行相對重要度比較，采用層次分析法計算權重［8］。

在設置風險權重時，應根據不同的隧道工程，具體情況具體分析。例如，對于有地下水活動的隧道施工，應在評價指標體系中加入地下水監測項目，同時在隧道圍巖內埋設振弦式孔壓計，用于監測圍巖深層水壓力;對于圍巖極不穩定、隨時可能突發冒頂的隧道，應加密監測，將圍巖變形作為重要監測項目并設置較高的權重［9］。對于頭道穴隧道施工過程，其周邊巖體不存在地下水活動，圍巖以微風化花崗巖為主，采用新奧法施工，支護結構穩定性是施工的主要風險源，因此，在設置風險權重時，應對支護結構穩定性有所側重，評價指標體系如圖2所示。

圖2 安全評價指標體系Fig.2 Safety evaluation index system

2.2 風險因素評分

將各風險因素按照不同的危險程度，綜合分析工程實際與相關規范制定合理的分值，滿分為100分，分值越高表示越安全。

2.2.1 人員因素

1)技術素質是指根據隧道工程規模、工期和施工技術難度，配備相應的各類技術人員。隧道施工作業人員應經過崗前專業培訓，定期組織專業技能考核，具有過硬的專業技術技能，持證上崗。

2)健康狀況是指管理與作業人員須在身體條件符合工作要求的條件下工作。依據《中華人民共和國職業病防治法》相關規定，用人單位應當組織員工進行職業健康檢查，符合職業健康規定后才能上崗。

3)系統相關培訓是指針對多元信息預警系統使用的培訓，要求相關人員掌握多元信息預警系統的工作原理、使用規則，能夠正確安裝、設定參數、配合系統進行預警響應，以及能夠對多元信息預警系統進行有效的管理。

4)安全培訓是指施工管理方組織工人進行安全宣傳教育和培訓，宣傳安全規定，普及安全常識，對工人反映的安全防治問題進行協調并督促解決，施工前每個班組成員必須掌握安全防護技能。

5)應急預案編制是指面對突發事件的應急指揮和救援計劃編制等。應急預案與多元信息預警系統有機結合，當危險預警時，根據危險程度采取不同級別的補救措施和搶救行動。

6)應急預案演練是指工程管理人員按照應急預案內容，組織工程人員對應急預案進行模擬演練，檢驗預案能否有效控制可能出現的意外情況，不斷優化預案內容。建設單位應經常開展應急演練，使之成為施工管理的一項重要日常工作。

7)工程建設法律法規是指《中華人民共和國安全生產法》《中華人民共和國建筑法》《建設工程質量管理條例》《建設工程安全生產管理條例》等法律體系，規定了建設單位、勘察單位、設計單位、施工單位、工程監理等單位的質量和安全責任。

8)施工現場安全規定是指工程管理人員結合施工現場實際情況制定安全規定，明確各級人員的安全責任，建立各級人員安全生產責任制，定期檢查安全責任落實情況。

以上8項是構成人員因素的基本風險因素，打分準則如表1所示。

2.2.2 系統因素

1)系統監測頻率是指多元信息預警系統能夠針對不同的工程方案設定不同的監測頻率。對于不同的隧道工程，其安全風險程度也不同，一般來說，風險越大對應的監測頻率越高，但監測頻率越高對系統的要求也越高，從而會降低折減系統壽命。

2)系統安裝布置是指工程技術人員應按照多元信息預警系統安裝要求，在對隧道施工工程充分掌握的情況下進行安裝布置，設備布置應符合“覆蓋全面，有所側重”的原則，使多元信息預警系統對整個隧道施工過程進行監控，對施工薄弱環節加強監控，保證信息采集的完整性。

表1 人員因素評分Table 1 Human factor score

3)系統設備完好程度是指在施工活動中，由于外界環境和施工機械設備活動可能會對隧道內的系統設備造成損壞，影響多元信息預警系統的正常工作。一旦出現設備損壞，系統能自動監測到損壞情況，并決定是否啟動預警機制，工作人員根據情況采取措施。所有設備具有堅固的外殼，采用防水、防塵工藝，內置應急電池，設備之間互相覆蓋，如果個別設備受到損壞，其他設備仍能繼續工作，最大限度地保證在復雜環境下監測工作的連續性。

4)信號連接強度是指隧道內復雜的環境，包括鋼筋網、滲水、機械設備等可能會對多元信息預警系統的無線連接信號造成干擾，降低信號傳輸效率，甚至會斷開連接，對多元信息采集造成影響。一旦斷開連接，系統將根據掉線設備情況，決定是否觸發預警機制［10］。

以上4項是構成設備因素的基本風險因素，基于對隧道施工安全綜合分析的打分準則如表2所示。

表2 設備因素評分Table 2 Equipment factor score

2.2.3 環境因素

隧道內的作業環境對工人健康有重要影響，環境惡劣時，需采取加強通風等措施改善。粉塵體積質量選取具有典型參考意義的硅灰石粉塵(總塵)作為評分指標;有害氣體根據工程具體情況，主要采用CO和瓦斯(CH4)體積質量作為監測評分指標;濕度對隧道內混凝土養護、供電設備以及人體舒適度均有影響。參考相關規范及試驗調查［11］，得出評分標準如表3所示。

表3 空間環境評分Table 3 Environment factor score

支護結構穩定性是隧道結構安全的重要監測指標，對隧道安全評價結果有直接影響。由激光儀進行圍巖變形自動監測，其目的與人工監控量測一致，通過持續監測圍巖的變形程度來判斷其穩定性。《公路隧道施工技術細則》中規定實測位移值不應大于極限位移，一般情況下，將隧道設計的預留變形量作為極限位移［14］，根據位移管理等級設置分值，分值如表4所示。

表4 圍巖變形評分Table 4 Surrounding rock deformation factor score

圍巖分級是勘察方借助專業經驗，綜合考慮巖石的堅硬程度和巖體完整程度2個基本因素以及巖體基本質量指標BQ進行初步分級，并在此基礎上考慮修正因素，最終結合巖體的定性特征綜合確定圍巖的詳細分級。圍巖分級評分方案如表5所示。

表5 圍巖分級評分Table 5 Surrounding rock classification factor score

在隧道施工過程中，根據多元信息預警系統采集到的數據信息和工程實際情況，按照以上評分標準進行打分，最后按各自權重得出加權分值。

2.3 安全評價及預警

安全評價分為單項評價和綜合評價。單項評價是為了防止個別指標超過限值(如瓦斯體積質量超過限值)引發風險，綜合評價則可以實現對隧道施工整體安全狀況的評價。

由于圍巖級別是客觀存在的，是無法人為改變的事實，所以在設置單項預警時不考慮圍巖級別這一風險因素，除此之外，其他各項指標均應進行單項風險評價。進行綜合評價時，系統根據各項指標對應分值加權計算總分。將隧道工程施工風險預警劃分為4級，預警級別由高到低分別為紅色、橙色、黃色、藍色4色預警。當系統發出風險預警時，工程管理人員立即與預警系統聯動起來進行洞內外的聯合預警響應，根據風險預警級別和具體風險情況采取補救措施。綜合預警和單項預警的級別設置與整改建議如表6所示。

表6 綜合與單項預警級別設置與整改建議Table 6 Corrective recommendations ofcomprehensive and single warning

3 頭道穴隧道施工安全評價

3.1 工程概況

頭道穴隧道位于北京市懷柔區喇叭溝門鄉頭道穴村東南側，為111國道改建過程的一部分，復合式襯砌結構，天然地基，隧道長591 m。隧道全線地形復雜，地勢陡峭，不良地質多。出露地層圍巖為第四紀沖洪積形成物，且隧道左、右線(北京端)偏壓較嚴重。隧道圍巖分級如表7所示。

表7 隧道圍巖分級Table 7 Classification of surrounding rock of Toudaoxue tunnel

選取該工程左線隧道進尺區間F1K41+710～+770段進行施工過程安全評價。

3.2 多元信息預警系統監測方案

為了實現施工全過程的安全評價，結合頭道穴隧道具體情況，采用的多元信息預警系統設備包括:GPRS無線網關、傳輸基站、采集基站、傳感器集成基站、激光基站、三維激光儀及攝像頭。將這些設備按照說明書要求安裝在隧道內，形成一條整體鏈路覆蓋整個施工區域。具體布置方案為:

1)在頭道穴隧道左幅隧道洞口安裝GPRS無線網關，所有監測數據信息通過該網關傳輸至后臺服務器。

2)從網關位置開始，在二次襯砌完工段內每隔100 m安裝1臺傳輸基站用于數據傳輸，共安裝4臺，間距100 m能保證各基站間穩定的無線連接。通常認為二次襯砌完工段是穩定的、安全的，因此，在二次襯砌完工段不進行監測。

3)在掌子面附近安裝1臺采集基站用于施工信息采集，基站下連接1臺傳感器集成基站，集成粉塵、噪聲、有害氣體、溫度和濕度傳感器。由于初期支護段圍巖不穩定，同時施工人員、機械、車輛都集中在這部分區域進行施工活動，因此，該段是風險高發區域，是監測的重點。網關與攝像頭的安裝如圖3所示。

圖3 洞口網關與攝像頭Fig.3 Gateway and camera

3.3 人員因素風險分析

3.3.1 人員素質

1)技術素質方面。頭道穴隧道作為111國道改建工程重點項目，選拔了有豐富施工經驗的人員組建項目班子，配備了滿足工程需要的專業技術人員，定期組織施工人員學習，進行施工前崗位培訓，以滿足工程施工的技術素質要求。

2)健康狀況方面。施工單位高度重視員工的身體狀況，員工因工死亡率為0，因工重傷率小于0.4‰，職業病發生率小于0.5‰。施工現場配備醫務人員，經常開展衛生防疫宣傳教育工作，對受傷員工及時治療。

3.3.2 人員培訓

1)系統相關培訓方面。從前期安裝測試到數據采集與設備維護，由專業技術人員負責，專業人員經過系統相關專業培訓并合格，掌握系統工作原理，能夠熟練使用設備。

2)安全培訓方面。所有進場人員必須接受安全培訓，經考試合格并取得相關安全證書后，方準持證上崗，凡入場人員必須接受公司、項目部、班組3級安全教育，3級教育面達到100%。

3.3.3 應急預案情況

1)應急預案編制方面。成立應急救援指揮中心，下設信息組、搶險組、醫療組、協調組和保障組。指揮中心設指揮長1名，副指揮長1名，負責對突發事件的辨識及各應急救援組的調度和指揮。

2)應急預案演練方面。做到施工前經常組織專門搶險培訓和搶險演練，做到施工明確、責任到人、組織有力、行動迅速，在2013年內，對應急預案進行了多次不同規模的演練。

3.3.4 安全制度管理

1)工程建設法律法規方面。貫徹執行國家、交通部、地方及甲方、監理對施工安全的相關法律、法規、標準、規范及規定，組織落實公司的質量管理體系文件。

2)施工現場安全規定方面。制定了詳細的現場安全管理規定，做好施工現場安全措施的規范化。遵守JTJ 076—95《公路工程施工安全技術規程》和《危險性較大的分部分項工程安全管理辦法的規定》等規定，組織定期檢查。

3.4 設備因素風險分析

3.4.1 設備設置

1)系統監測頻率方面。專業技術人員考慮到系統的布置情況，結合隧道實際情況，將監測頻率設置為15 min。

2)系統安裝布置方面。專業技術人員按照系統設計構架，在隧道內依說明書要求合理安裝設備，隨著施工的進行，技術人員需對設備安裝布置進行不斷調整，以適應復雜的施工環境。

3.4.2 設備狀態

1)系統設備完好程度方面，由于隧道內施工環境復雜，評價周期內存在少量傳感器、攝像頭等非關鍵設備受損情況，損壞數量不超過10%。在發現損壞后，專業技術人員會在第一時間進行修復。

2)信號連接強度方面，由于隧道內施工環境復雜，空氣潮濕且灰塵大，工程機械、鋼拱架、鋼網等都會對無線信號有一定的干擾。據后臺統計，在評價周期內，平均1周掉線1次。

3.5 環境因素風險分析

3.5.1 空間環境

數據采集顯示，粉塵平均體積質量為2～4 mg/m3;噪聲強度平均值為60 dB;對于有害氣體，隧道內CO峰值含量不超過25 mg/m3，平均體積質量不超過20 mg/m3，隧道內瓦斯含量極低;平均氣溫為14℃;相對濕度保持在40% ～50%［12－13］。各項監測數據曲線如圖4所示。

圖4 監測數據曲線Fig.4 Monitoring data

3.5.2 支護結構穩定

在頭道穴隧道左線F1K41+700處進行激光儀斷面掃描，水平收斂實測最大位移為－2.7 mm，拱頂沉降實測最大位移為4 mm。頭道穴隧道設計開挖預留變形量為5 cm，按規范要求，可將此預留變形量作為極限位移［15］。

隧道左線F1K41+710～+770段為Ⅳ級圍巖段，圍巖具有一定的自穩能力，開挖后無明顯的掉塊和坍塌現象，初期支護無異常。

3.6 安全評價與預警

通過對以上各項風險因素的分析，結合已構建的安全評價方法，系統逐一檢查各項指標的風險程度，進行單項評價，再根據單項評分計算加權評分，實現對頭道穴隧道施工過程整體安全情況的綜合評價。單項評價、綜合評價以及預警詳細情況如表8所示。

表8 安全評價與預警Table 8 Comprehensive evaluation

3.7 施工實際情況對比分析

綜合安全評價結果為藍色預警，意味著施工方應密切注意圍巖動向和環境變化趨勢，并采取一定的加強措施。其中，主要風險來自于有害氣體、圍巖變形和圍巖分級。該評價結果與當時隧道施工實際情況基本吻合，隧道施工期間實際情況如下。

1)監理方在檢查時提出隧道圍巖整體處于穩定狀態，可正常施工，但應密切監測，開挖后及時支護，盡快閉合，有情況時隨時匯報。

2)勘察方出具的勘察報告指出:通過對洞內圍巖的觀察，洞頂、洞身及洞底均為中風化、微風化花崗巖，節理裂隙發育，巖體較破碎，呈鑲嵌碎裂結構，拱部無支護時可產生較大坍塌，側壁有時會失穩，需及時加強支護，基底基本穩定。

3)政府安全生產有關部門對隧道施工進行檢查后，認為總體情況符合安全規定，現場安全生產達標，并未提出人員安全管理方面的問題。

4 結論與討論

本文提出了一套基于多元信息預警系統的隧道施工過程安全評價方法，得出以下主要結論。

1)解決了一般安全評價方法的滯后性問題，能夠從源頭上識別風險隱患，做到動態監測，提前預警。

2)提出了隧道施工風險因素與多元信息預警系統相結合的方式，能夠全面地、綜合地評價安全狀態，解決了一般評價方法的片面性問題。

3)提出了一套可實現施工安全自動評價的指標體系，所有指標可量化、易采集、指向明確，最大限度地減少了人為主觀因素的影響。

4)對頭道穴隧道施工過程進行了安全評價，評價結果顯示該隧道施工處于藍色預警狀態，評價結果與施工實際情況一致。

本文對信息化施工安全評價方法進行了初步研究，但該研究課題在諸多方面還有待完善，有以下幾方面值得進一步思考和研究。

1)構建的隧道施工安全評價方法是否具有普適性，即在其他的隧道工程中能否有效評價安全狀況，有哪些方面可以適當修改，以增強兼容性。

2)隨著多元信息預警系統在更多工程中的運用，每個工程都會提供大量的多元信息，從而形成施工大數據，如何利用這些大數據，怎樣從中提取有效信息來使評價結果更精確，值得研究和思考。

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