公路隧道施工數智化安全防控系統集成與開發*

李昌龍 盧鳳文 姬同旭 廖 斌 吳維義

(貴州省交通規劃勘察設計研究院股份有限公司 貴陽 550081)

近年，由于公路隧道建設突飛猛進，建設中的各種地質災害引發的施工安全事故也層出不窮。據調研分析，公路隧道施工過程中常見的施工安全事故有塌方、突水突泥、瓦斯突涌及瓦斯爆炸。調研2003年初至2019年底公開的事故數據，塌方、突水突泥、瓦斯突涌及瓦斯爆炸事故共計43次，死亡327人、受傷114人，經濟損失約6.38億元，數據統計見圖1。由此可見，有效地解決隧道防災減災的問題需求十分迫切。

圖1 2003-2019年隧道施工安全事故分布

調研分析發現，有效防災減災的前提是對隧道施工全過程做好安全風險防控，于此，在既有隧道風險防控技術和防控現狀的基礎上，文中介紹借鑒互聯網、物聯網、云計算等新技術，開展公路隧道施工數智化安全防控技術的研究及平臺建設工作。

1 典型隧道防控現狀

1.1 隧道施工安全事故

1.1.1塌方

公路隧道施工過程中的塌方，是指隧道開挖過程中因成形或正在成形的隧洞圍巖體自身穩定性較差，不能承擔圍巖應力重分布所帶來的荷載，而導致巖土體坍塌的現象。造成塌方的因素主要有：地質因素、設計因素、施工因素、認識及管理因素[1-2]。

1.1.2突水突泥

隧道突水突泥是指在鐵路、公路、水利水電、礦井等地下工程開挖過程中，由于揭露巖溶通道的組成部分、構造富水帶或滲流擊穿隧洞壁而產生的突水現象。水流量大于0.1 m3/s，并有一定壓力和流速時則稱為突水；當突出的地下水中含有泥沙等物質且含量超過50%時，稱為突泥[3-4]。

1.1.3瓦斯爆炸及瓦斯突涌

通過對瓦斯隧道的規范及相關文獻展開調研，瓦斯隧道災害事故分為瓦斯爆炸和瓦斯突涌2種。瓦斯爆炸需要同時具備3個基本條件：①瓦斯濃度處于瓦斯爆炸界限范圍5%～16%，②含瓦斯空氣中氧氣濃度大于12%，③引火源的能量大于最小點火能量(0.28 mJ)、溫度高于最低點火溫度(595 ℃)且高溫熱源存在時間大于瓦斯引火感應期0.010～1.64 s[5]。

瓦斯突涌相當于硬質巖產生的巖爆，其判斷指標為(《鐵路隧道瓦斯技術規范》條文4.14)：瓦斯壓力(>0.74 MPa)、瓦斯放散初速度(>10 mL/s)、煤的堅固性系數、煤的破壞類型(III類以上)。

2.2 隧道施工安全防控現狀

通過調研分析，將目前隧道施工安全防控過程中主要存在的問題歸納為如下4個方面。

1) 災害隱患識別預報預警體系尚未完善。施工前，既有隧道施工風險評估與施工銜接較差，不能發揮較好的警示作用，導致勘察設計資料在隧道施工風險預警中未得到充分利用。施工中，缺乏開挖揭示地質信息的動態評估預警。

2) 監控量測工作缺乏標準化管控。①監測單位、監測人員技術水平參差不齊，數據采集、數據分析、控制標準、報告形式、預警流程尚未實現標準化管理，導致監測成果的可靠性難以保證，進而不能快速、有效地應用監測成果。②監測過程缺乏有效的信息化管理：缺乏有效的工作痕跡管理，監測頻率、監測時效性得不到保證。數據存檔方式傳統、數據使用不方便，從而降低災害風險的防控能力。

3) 風險現狀管控體系尚未健全。①監測反饋及預警預報存在滯后性，目前仍采用監測成果定期閱讀、風險警情逐層上報等方式。②尚未建立“識別警情→確認警情→發布警情→消除警情”的閉環式風險預警機制。③缺乏線路隧道風險現狀實時統籌管理體系，不便于項目管理人員實時、高效地統籌監管。

4) 風險隧道潛在致災區的安全防控意識薄弱。在監測預警方面，缺乏隱患點、隱患區段的專項安全防控預警策略，主要依靠監控量測日常預報預警，導致未引起足夠的重視，管理薄弱，進而增加風險事故發生的概率。

2 施工安全防控系統集成與開發

通過調研相關研究成果及工程實踐經驗，系統規劃了監控量測、超前地質預報、塌方監測、突水突泥監測、巖爆監測6個子系統，其中超前地質預報系統納入到相應子系統的災害識別板塊，并未單獨列出，其余5個系統并列共存。將每個系統公用的信息單獨作為一個模塊，但能在相關的子系統中展示，例如隧道基本信息、隧道施工進度、報文管理等。各子系統之間的關系見圖2。

圖2 各子系統之間的關系

2.1 系統構架

根據圖2各子系統之間的關系，綜合軟件開發技術的可實施生，以及各方面用戶使用需求，設計系統構架見圖3。

圖3 系統構架

2.2 系統建設關鍵技術

2.2.1數據分塊管理

1) 數據分塊

根據數據狀態，系統數據可分為動態數據、靜態數據、準靜態數據。

根據監測系統工作業務，系統數據可分為基礎信息數據、動態施工數據、監控量測數據、災害監測預警數據。監測數據狀態關系見圖4。

圖4 監測數據狀態關系

2) 狀態管理

隧道施工安全監測對于隧道建設而言，一直持續至隧道施工結束，對于某個斷面、某個指標、某個測點而言周期較短，例如監控量測每個斷面監測周期約為1個月。通過調研分析，繪制得監測方式與施工節點關系見圖5。

圖5 監測方式與施工節點關系

為保證系統監控量測、監測預警與隧道施工節點協調，系統設置了監測狀態，將不再進行監測的隧道、斷面進行“在線、下線”狀態管理設置，這樣系統的邏輯業務分明，方便數據操作和快速獲取有效決策數據。

2.2.2指標報警技術

1) 系統預警方式

監測預警方式有單指標預警和多指標綜合預警2種，其中單指標預警較為常用，綜合預警可靠性有待考證，相比之下應用較少。系統開發時統一采用單指標進行預警，以斷面為準采用就高原則，即某一斷面某項目、某測點預警等級最高，則以最高警級代表該斷面警情。系統判斷首先判斷同斷面同項目同測點警情，再判斷同斷面不同項目警情，最終以高警情輸出。

2) 監控量測預警閾值設置

監控量測主要服務于隧道信息化施工和施工狀態安全預警，目前已有規范可循，系統主要遵循規范通過累計變化值進行報警(不設置速率預警)，通過速率變化值判斷圍巖穩定狀態。

3) 災害監測預警閾值設置

災害監測預警主要通過自動采集數據進行預警，要充分體現災害預警的及時性，因此，系統設置了累計報警和速率報警2種方式，報警等級分為四級。災害監測警限值設定方式見圖6。

圖6 災害監測警限值設定方式

2.2.3數據分析處理

1) 監控數據修約

在有要求時，按項目要求進行修約，無要求時，數據修約宜修約至測試精度的下一位。以JTG/T 3660-2020 《公路隧道施工技術規范》條文表18.1.6中地表下沉為例，其測試精度要求為0.5 mm，則測量記錄宜保留至0.05 mm，管理系統也應滿足相應精度錄入要求。

2) 趨勢圖繪制

趨勢圖包含時間-累計曲線、時間-速率變化曲線2張圖，宜增加雙坐標軸表達測點距掌子面的距離。此外，同斷面的同類監測點宜繪制在一張趨勢圖上。

2.2.4系統工作方式

在專業業務方面，系統包括風險評估、監控量測、災害監測3個業務板塊，可由3家單位分別完成各自的工作業務。同一隧道中3個板塊是相互獨立的，其中監控量測是必做項目，其余兩項可根據工程實踐情況增減。風險評估、監控量測與災害監測工作關系見圖7。

圖7 風險評估、監控量測與災害監測工作關系

2.3 系統開發

監控量測系統采用B/S架構，使用ASP.NET MVC 5、EF6(Entity Framework 6)框架進行開發，運行于.NET Framework 4.6之上。系統使用微軟的SQL Server數據庫進行存儲，結合EF6(Entity Framework 6) ORM框架，可實現Code First(代碼先行)編碼，提高系統開發效率。

2.4 系統基本頁面

系統主界面見圖8。

圖8 系統主界面

3 系統主要功能

1) 基礎信息管理

有序管理監控隧道基本信息、監測方案、項目圖片、項目文件，提供便利的信息編輯和查閱功能。

2) 施工進度管理

準確記錄隧道掌子面、仰拱、下臺階、二襯施工進度，提供直觀進度圖展示，其示意見圖9。

圖9 施工進度展示

3) 地勘信息預告

管理隧道災害分布數據，與施工進度協調運作，可預告施工前方災害情況。因此需做到：①在“總體風險評估”模塊中錄入勘察、設計信息指標，系統自動評判隧道施工總體風險和專項風險(塌方、突水突泥、瓦斯)。②在“施工前安全預警和施工中安全預警”模塊中錄入隧道勘察、設計、施工信息指標，系統自動評判災害(塌方、突水突泥、瓦斯、巖爆)發生等級。

4) 監測數據管理

按日期時間有序管理監測項目、監測數據，提供“在線、下線”設置匹配實際監測工序，提供手動錄入數據、設備導入數據、自動采集數據等多種數據錄入手段。

5) 數據分析預警

①列出了數據變化的累計值曲線圖、速度變化曲線圖、速率變化曲線圖，提供圖形顯隱、縮放、下載等多種操作方式;②監控量測系統中，可根據設定指標判斷施工狀態(是否可正常施工、是否滿足二次襯砌);③災害監測系統中，可根據設定的報警限值(累計值報警、速度變化值報警)進行實時災害預報警。

6) 自動報告導出

可快速自動導出監測簡報、監測日報、監測周報、監測月報，以及預警報告。

7) 報告文件管理

可對監測過程中的工作日志、監測報告、會議紀要、合同進行有序管理。

8) 實時警情推送

可通過微信公眾號、web系統實時推送施工警情，同時可根據現場需要設置警報、短信提示。

9) 監管信息統計

可對系統中所有在線監測的項目進行全局管理，包括施工進度和風險現狀等。

4 結語

“公路隧道施工數智化安全防控系統”是在吸納既有研究成果和規范規程，以及工程經驗的基礎上，通過大量分析研究集成開發的。系統兼容多種隧道施工安全防控工作模式，可以將隧道建設中的各個環節防災關鍵數據聚合在一起，深入挖掘分析進行災情預警。同時，系統的專項監測預警模塊可兼容不同廠商、不同儀器的數據，并能夠實現自動采集、傳輸、管理及分析預警。

系統能夠較好地適用于公路隧道施工前、施工中的潛在隱患識別，隧道施工中單條隧道或多條隧道的監控量測過程管控，隧道塌方隱患區段、突水突泥隱患區段、瓦斯隱患區段的專項監測預警，多條隧道的施工安全隱患實時在線監管等安全防控場景中。另外，系統還支持聲光報警器、監控大屏、微信公眾號、手機短信等多模式的施工安全警情實時發布。

系統能夠解決監控隧道基本信息和施工進度信息管理、基于建設信息的隱患識別預報預警、監控量測數據采集及自動解算報警、監控量測工作全過程標準化管理、風險隧道潛在致災區自動監測預報警等隧道施工安全防控過程中的主要問題。