探討地鐵工程施工中監測技術與安全風險管理

劉林平

（廣州地鐵設計研究院股份有限公司，廣東廣州510010）

地鐵是一種特殊的地下工程，空間狹小、環境復雜，隧道在地面建筑設施和地下施工環境的影響下時常出現變形，而隨著我國地鐵線路開通數的增加，相應的地鐵事故頻繁發生，給國家和個人帶來巨大的經濟損失。為確保地鐵周邊環境及設施的安全，使地鐵隧道施工能夠順利進行，加強施工過程中的地鐵隧道監測和基坑具有非常重要的意義。地鐵隧道變形監測具有高精度、高頻率和高時效性的特點，但是地鐵隧道變形監測環境復雜，天窗時間段，存在安全隱患，傳統人工作業模式難以滿足地鐵監測的要求。采用全天候、自動化的變形監測方式是地鐵隧道監測的最優方案，全站儀自動化變形監測系統可以對變形監測區域進行全天候、高精度、高頻率、安全穩定的數據采集分析，生成變形曲線和變形報告，預測安全事故、消除隱患，保證地鐵的安全施工和運營。

1 地鐵工程自動化監測分析

完整的自動化監測系統主要是指沒有人員干預的條件下進行數據自動化觀測記錄，處理儲存信息，實現報表編制和預警預報等功能，通過一系列的軟件、硬件構成。基于測量機器人自動化變形檢測系統主要包括以下幾個方面，測量機器人監測站、計算機控制系統、CDMA通信網以及英特網、基準點與變形監測點。

1.1 自動化全站儀

在監測過程中，自動地開展整平工作，調焦和正導向觀測，對數據自動化記錄，能夠自動化識別以及對準功能。只要將儀器對目標對準，便能對目標棱鏡自動尋找，開展自動瞄準并進行鎖定，實時監測，監測效率得到了大幅提升。

1.2 自動化實時監測系統軟件

在變形實時監測系統過程當中SMOS自動化系統軟件，在有線和無線控制儀器基礎上，通式監測點和儀器前，對設置在自然物體上的監測點以及目標設施開展動態化的三維坐標監測，并通過近距離差分后，使其精度達到亞毫米級，不僅自動化程度高，而且具有很高的精度，同時非常便捷與自動，還能自動化實時化的處理數據。

1.3 結構安全評價

此項工作是通過結構安全評價系統實現，主要包括對數據的分析監測，歷史數據的定期監測，對標準數據進行設定，分析監測結構，如分析建筑物的穩定性以及安全性，對全部的結果進行顯示、存檔以及儲存，在此基礎上生成安全檢測報告以及評估報告。

2 基于物聯網技術的地鐵施工安全預警體系設計思路

2.1 感知層

利用物聯網技術，將視頻監控、智能測斜管、光電式雙位移計、壓力傳感器、超聲波水位計、空隙水壓力計、應力計、軸力計、超聲波測距儀等信息采集設備按監測設計要求安裝于施工現場監測點，用于收集施工現場的各類信息。

2.2 數據傳輸層

位于工地前端的信息采集設備通過互聯網、有線通信和無線通信等，將底層采集到的信息與上層服務器進行連接和交換。

2.3 數據處理層

從底層感知層采集到的原始數據不僅數量大，而且含有大量重復且對用戶無用的，所以需要數據處理層對原始數據進行濾波降噪、整合處理，并能生產原始數據匯總、分析的報表、圖表等，可以供用戶查詢、使用。

2.4 數據應用層

要實現對工程施工安全的預警功能，需要對采集到數據做特殊處理。例如對于地鐵施工地表沉降問題，可以用人工神經網絡、卡爾曼濾波、ARIMI等模型，構建地表沉降預測模型，使用戶提早掌握沉降的未來走勢，并根據設置的閾值實現預警功能。

2.5 服務層

利用終端設備，為用戶提供可視化操作平臺，實現預警信息的實時響應?；谖锫摼W技術的地鐵施工安全預警架構如圖1所示。

圖1 基于物聯網技術的地鐵施工安全預警架構

3 基于物聯網技術的施工安全預警功能模塊

3.1 地鐵工程本體施工安全風險預警

地鐵工程本體施工安全預警指標主要包括支護樁（墻）頂部水平（豎向）位移、支撐軸力、錨桿拉力、地表沉降、地下水位、管片結構豎向位移、管片結構凈空收斂、初期支護結構拱頂沉降和初期支護結構凈空收斂等。通過位移、應力等傳感器來獲取監測數據，并將數據傳輸給系統中心處理，得出即時變化值及變化速率和預測的變化值及變化速率，根據事先設置好的閾值，進行及時預警。

3.2 地鐵工程施工設備監測預警

通過對地鐵工程施工大型設備安裝傳感器，實時采集數據，可以實時監測施工現場的大型設備運行情況，需事先設置好閾值，進行及時預警。

3.3 地鐵工程施工環境監測預警

地鐵施工多處于地下，施工環境相對比較密閉，易發生爆炸、中毒等事故。在此通過實時采集施工現場的可燃和有毒有害氣體濃度、粉塵、溫濕度等數值，進行閾值判斷，實現及時預警。

3.4 地鐵工程施工注意事項

（1）地鐵施工是一個涉及沿線地質情況、周邊構（建）筑物、地下管線等綜合性、復雜性的施工過程。本文提出利用物聯網技術，自動采集監測數據，實時動態監測走勢，實現地鐵施工過程的安全預警，確保了施工過程的安全性，減少施工安全事故所帶來的損失。

（2）利用物聯網技術，減少了人工參與的工作量，保證數據正確性的同時提高了工作效率。

（3）為確保監測點數據的正常、正確傳輸，在實際工作中應該做好對檢測項目各監測點傳感設備的保護工作；同時，應加強日常安全巡視工作，發現周邊環境有異常情況，及時反饋信息。

4 安全風險管理

以深化設計模型為基礎，根據施工安全風險管理體系增加風險監測點模型和風險工程等信息，建立安全風險管理模塊，利用BIM數據集成與BIM信息化建設管理平臺建立環境模型與安全風險監測數據的關聯關系，實現對施工安全風險的可視化動態管理。集模型集監測對象、監測點、監測方案和檢測數據等功能于一體，實現監測數據可視化預警和自動推送。安全風險管理應形成適用于既有車站不停運改擴建工程的專項施工方案、技術交底方案、設計交底方案、危險源辨識計劃、施工安全策劃書等。

4.1 施工安全模擬

運用數字化技術，依據施工現場的實際情況，實時更新施工安全設施配置模型，對危險源進行動態辨識和動態評價。通過對實際施工方案、實施過程模擬進行交底，直觀展示各施工步驟、施工工序之間的邏輯關系，使現場技術人員、施工人員對工程項目的技術要求、質量要求、安全要求、施工方法等有透徹理解。

對施工人員進行安全教育，對高發危險事件進行預演模擬，結合系統中預先設置好的人員疏散路線信息、救援路線信息、攝像頭位置點信息、救援設備位置點信息等，在人員疏散逃離及救援人員進入現場時給予正確的處置參考信息，便于科學組織施工，提高施工人員安全意識，避免技術質量事故的發生。

4.2 施工監測管理

施工監測管理是利用信息傳感設備、視頻監測設備，或其他數字化監測手段對施工現場環境進行監測的管理方式。對于人流量密集區域、車站商業連接區域或其他危險區域進行重點跟蹤監測。采用互聯網云技術，及時將現場存在的問題反饋至模型，便于檢查驗收、整改責任認定和跟蹤解決。施工安全設施配置模型應完善安全防護等安全設施配置信息，除不停運改擴建工程信息外，還應包括腳手架防護、基坑支護、模板工程、消防疏散分區、安全通道平面布置、施工升降安全、塔吊、起重吊裝安全、施工機具安全、施工現場文明生產安全等信息。同時，由模型輸出相關的視圖照片、問題跟蹤記錄輔助編制施工質量檢查與安全分析報告。

5 結語

針對傳統監測手段存在的問題，本文提出基于物聯網技術的地鐵施工安全風險預警。利用物聯網技術，自動采集地鐵施工過程中的各類信息，進行智能處理，實現地鐵工程本體施工、大型設備運行情況、施工環境的自動監測和實時預警，提升地鐵施工過程的安全事故防范能力。隨著物聯網軟硬件技術的不斷發展，物聯網技術在地鐵施工安全監測領域的應用將更加廣泛。