鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報信息管理系統(tǒng)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(zhì)災(zāi)害高發(fā)區(qū)，如斷層、高地應(yīng)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(zhì)阻礙了隧道的正常開挖，并對施工人員的人身安全構(gòu)成威脅。 因此，在隧道建設(shè)的過程中開展超前地質(zhì)預(yù)報，及時掌握工作面前方的不良地質(zhì)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(zhì)預(yù)報技術(shù)及應(yīng)用方面，國內(nèi)外學(xué)者已做了大量的研究工作:郭安福等[3]研發(fā)構(gòu)建了復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道施工超前地質(zhì)信息化系統(tǒng)，實現(xiàn)了物探等超前地質(zhì)預(yù)報方法的數(shù)據(jù)管理。 孟陸波等[4-5]研發(fā)了長大深埋條件下的隧道超前地質(zhì)預(yù)報軟件，實現(xiàn)了隧道基本地質(zhì)條件預(yù)報、施工地質(zhì)災(zāi)害預(yù)報、物理探測地質(zhì)預(yù)報、綜合查詢等。 李濤等[6]基于物聯(lián)網(wǎng)、云計算，構(gòu)建了隧道工作面地質(zhì)信息管理平臺，實現(xiàn)了隧道工作面地質(zhì)信息化管理。

以往的隧道施工超前地質(zhì)信息管理系統(tǒng)功能較少，難以滿足實際需求。 為此，利用數(shù)據(jù)庫、移動互聯(lián)等信息技術(shù)，研發(fā)功能強大的鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報管理信息化系統(tǒng)[6]，實現(xiàn)了隧道多種預(yù)報方法的數(shù)據(jù)上傳、存儲及數(shù)據(jù)共享，以及預(yù)報提醒、預(yù)警警示、設(shè)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(tǒng)數(shù)據(jù)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(shù)的發(fā)展，對隧道安全快速施工有著重要意義。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計思路

超前地質(zhì)預(yù)報是通過地質(zhì)調(diào)查、超前鉆探、物探、超前導(dǎo)坑預(yù)報等方法[8]，采集隧道的相關(guān)信息(包括隧道的工作面信息、工程地質(zhì)信息、水文地質(zhì)信息等)，并對所采集的數(shù)據(jù)進行分析和整理[9]，推測前方不良地質(zhì)信息的技術(shù)。 同時，該技術(shù)亦可為隧道信息化施工提供詳實的資料[7]。

鐵路隧道地質(zhì)超前預(yù)報系統(tǒng)從線路、標(biāo)段、構(gòu)筑物、隧道工點四個層次對已完成的超前地質(zhì)預(yù)報成果進行統(tǒng)一管理，鐵路建設(shè)方、監(jiān)理方、設(shè)計方和施工方的各級管理者(不同用戶的權(quán)限不同)可以通過系統(tǒng)平臺，實時掌握隧道施工進展及地質(zhì)預(yù)報情況。

2 系統(tǒng)平臺的架構(gòu)與運行流程

2.1 系統(tǒng)數(shù)據(jù)庫設(shè)計

數(shù)據(jù)庫作為保存和查詢數(shù)據(jù)等的主要手段，為整個系統(tǒng)功能的實現(xiàn)起到了至關(guān)重要的作用[10]。 按照系統(tǒng)平臺的功能分類，數(shù)據(jù)庫信息主要分為隧道設(shè)計信息、地質(zhì)探測信息、不良地質(zhì)信息、綜合結(jié)論信息、延誤/臨近信息等[11]。

2.2 系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)

系統(tǒng)技術(shù)架構(gòu)是以BS(Browser/Server-瀏覽器/服務(wù)器)為核心的MIS 系統(tǒng)[12]，相較于傳統(tǒng)的以CS(Client/Server-客戶端/服務(wù)器)為核心的MIS 系統(tǒng)，其技術(shù)理念相似，但在技術(shù)的實現(xiàn)上具有較大優(yōu)勢:傳統(tǒng)的MIS 系統(tǒng)依賴于專門的操作環(huán)境，使操作者的活動空間受到了極大限制;而BS 架構(gòu)則不受操作環(huán)境的限制，只需接入網(wǎng)絡(luò)即可操作[13]。

該系統(tǒng)屬于地質(zhì)預(yù)報采集端小平臺，可與終端(鐵路工程管理平臺)形成數(shù)據(jù)對接。 客戶端分為PC端和移動端，PC 端利用 BS 架構(gòu)，只需接入互聯(lián)網(wǎng)，即可將填錄的地質(zhì)預(yù)報、綜合結(jié)論、風(fēng)險預(yù)警、預(yù)報計劃、設(shè)計圍巖等級、設(shè)計不良地質(zhì)等信息傳輸?shù)借F路工程管理平臺。 各級管理者只需接入網(wǎng)絡(luò)，即可通過瀏覽器對已上傳的數(shù)據(jù)進行訪問、查看;移動端采用CS 架構(gòu)，只需有網(wǎng)絡(luò)即可通過手機App 查看、接收、推送消息，進行輕量級的事務(wù)處理。

2.3 運行流程

①采集端與鐵路工程管理平臺數(shù)據(jù)對接。

②建設(shè)單位對隧道標(biāo)段、構(gòu)筑物、隧道工點、設(shè)計人員信息等進行錄入。

③系統(tǒng)開發(fā)人員對建設(shè)單位錄入的信息進行授權(quán)。

④對地質(zhì)預(yù)報、綜合結(jié)論、風(fēng)險預(yù)警、預(yù)報計劃、設(shè)計圍巖管理、設(shè)計不良地質(zhì)等信息進行錄入，對完成率和地質(zhì)探測信息等進行統(tǒng)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(shù)據(jù)進行查看，監(jiān)理單位、建設(shè)單位有權(quán)限對其進行審核。

⑥針對已上傳的歷史數(shù)據(jù)，可在征得建設(shè)單位同意的情況下，向鐵路工程管理中心發(fā)起數(shù)據(jù)修改申請。

3 系統(tǒng)功能模塊設(shè)計

鐵路隧道超前地質(zhì)預(yù)報管理信息系統(tǒng)包括PC 端和移動端。 現(xiàn)場負責(zé)填報的超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)人員通常使用PC 端，各級管理者對已上傳的地質(zhì)預(yù)報數(shù)據(jù)進行訪問時，一般采用移動端與PC 端相結(jié)合的方式。

3.1 平臺登錄

(1)PC 端

輸入網(wǎng)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(tǒng)平臺頁面，掃碼下載手機APP，輸入賬號及口令即可實現(xiàn)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(yīng)用管理、超前地質(zhì)預(yù)報管理、系統(tǒng)管理、工程管理四個菜單組成。 下拉菜單以樹形非線性結(jié)構(gòu)展示 ，其響應(yīng)模塊均以窗口的形式出現(xiàn)(見表1)。在“APP 應(yīng)用管理”的下一級菜單中有“審核管理”、“應(yīng)用信息管理”兩個模塊，用戶可在此處了解到系統(tǒng)APP 應(yīng)用的基本應(yīng)用情況(如圖3)[14]。

表1 平臺功能介紹

圖3 APP 應(yīng)用管理

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

圖4 超前地質(zhì)預(yù)報管理

在“系統(tǒng)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(quán)限分配等操作;對用戶進行編輯、權(quán)限分配、凍結(jié)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(tǒng)管理

在“工程管理”的下一級菜單中，有“工點擴展信息”、“構(gòu)筑物管理”兩個模塊，用戶通過簡單操作就可了解到系統(tǒng)的基本應(yīng)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(yīng)的各種功能模塊管理中，打開下拉式菜單 ，其響應(yīng)模塊均以窗口的形式出現(xiàn)。

②左側(cè)操作框以項目樹的形式展現(xiàn)整個工程信息，可訪問各個項目層的詳細內(nèi)容。

③主頁的背景為工程進度。

④主頁內(nèi)容包括“預(yù)報工作進度”和“當(dāng)前延誤列表”，選中“預(yù)報工作進度”的餅圖，即可彈出當(dāng)前預(yù)報工作完成和未完成的詳細數(shù)據(jù)(如圖7)。

圖7 橋梁和隧道布置示意

3.4 平臺整體優(yōu)勢

①平臺界面簡潔明了，操作簡便易懂，適用性強。

②具備預(yù)報信息的遠程傳輸功能，可實現(xiàn)實時查詢與模版自動導(dǎo)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(yù)報填錄工作的及時性和規(guī)范性。

④能及時對地質(zhì)預(yù)報異常段落進行預(yù)警，使參建各方能及時掌握前方不良地質(zhì)的風(fēng)險情況。

⑤實現(xiàn)了各隧道工點超前地質(zhì)預(yù)報工作的全過程管理流程。

4 應(yīng)用實例

該系統(tǒng)現(xiàn)已應(yīng)用于大瑞鐵路保端二標(biāo)，銀西高鐵二標(biāo)，贛深高鐵二、三、四標(biāo)，中蘭鐵路二標(biāo)等。 現(xiàn)以大瑞鐵路保端二標(biāo)高黎貢山隧道工點為例。

“超前地質(zhì)預(yù)報”板塊又可分為“設(shè)計預(yù)報管理”、“地質(zhì)預(yù)報管理”、“設(shè)計圍巖管理”、“設(shè)計地質(zhì)管理”、“綜合結(jié)論管理”、“補充預(yù)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(shè)計預(yù)報管理

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

圖9 設(shè)計預(yù)報管理

(2)地質(zhì)預(yù)報管理

根據(jù)接口文件要求，將“地質(zhì)預(yù)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(diào)查”。 選中任意一個操作欄，即可對相應(yīng)的預(yù)報方法進行實時編輯(見圖10、圖11)。

圖10 地質(zhì)預(yù)報管理

(3)設(shè)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(shè)計圍巖等級管理

(4)設(shè)計地質(zhì)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(fù)雜程度分級(見圖13)。

圖13 設(shè)計地質(zhì)管理

(5)綜合結(jié)論管理

在復(fù)雜風(fēng)險地質(zhì)條件下，可根據(jù)相關(guān)規(guī)程、細則，對已開挖隧道工點展開綜合結(jié)論分析(見圖14)。

圖14 綜合結(jié)論管理

(6)補充預(yù)報段管理

該功能模塊可對已上傳但有所缺失的超前地質(zhì)預(yù)報進行數(shù)據(jù)補充(見圖15)。

(7)延誤臨近管理

對各標(biāo)段隧道工點已上傳的預(yù)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(yù)報段管理

圖16 延誤臨近管理

5 結(jié)束語

地質(zhì)預(yù)報信息管理平臺實現(xiàn)了隧道多種預(yù)報方法的數(shù)據(jù)上傳、存儲及數(shù)據(jù)共享，以及預(yù)報提醒、預(yù)警警示、設(shè)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(yù)報信息，有效降低地質(zhì)災(zāi)害發(fā)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(yōu)化工程設(shè)計、實現(xiàn)施工信息化管理的重要基礎(chǔ)[18]。