探討公路隧道施工安全信息化監控技術

李貽先

（貴州路橋集團有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

公路隧道需貫穿各種類型的巖體，施工環境多變，施工勘測覆蓋面有限可能導致巖體類型實測數據和施工設計數據不符，增加公路隧道施工安全風險，甚至造成施工人員傷亡等。因此，隧道工程被認為是高速公路項目建設中的高風險工程[1-2]。為提高隧道施工安全性應積極運用先進的信息化監控技術全面開展施工安全信息化管理，保障隧道施工安全[3]。

1 信息化監控技術應用價值

早在1950年，學術界就提出了初步的公路隧道施工安全監控體系。相較于歐美發達國家，我國的施工安全監控技術研究起步晚，相關理論和實踐方法不完善，現有施工安全監控技術的監控效果不理想，實踐中暴露出很多問題。但隨著我國科技的不斷進步，信號處理技術、結構振動理論、傳感技術等先進理論方法的出現與應用大大豐富了國內公路隧道施工安全信息化監控體系，該領域整體技術水平顯著提升[4]。

工程實踐表明導致公路隧道施工安全事故的原因主要有：

（1）隧道施工場地狹小，空氣不流通，施工設備多。

（2）施工機械設備操作不當容易引發施工安全事故。

（3）開挖作業擾動圍巖結構，導致其應力變化，如施工支護不到位易導致隧道塌方、涌水，安全風險大。

（4）公路隧道施工需使用多種電氣設備，且布局零散，如臨時用電規劃不合理及設備管理不到位容易造成設備漏電事故。因此需認真對待公路隧道施工的安全監管，積極運用信息化安全監控技術和設備實時監控施工過程，盡快解決安全隱患，降低公路隧道施工的安全風險。

2 隧道施工安全管理技術分析

2.1 信息化分析策略

公路隧道工程中廣泛應用的新奧法體現了工程監測的重要作用。新奧法采用的支護結構形式包括噴射混凝土支護結構、錨桿支護結構等。與常規厚混凝土支護結構擾動圍巖的機制不同，新奧法施工技術將巖體視為不間斷的介質。公路隧道開挖后，根據巖體破壞機制和規律選擇適當時機建立薄壁的柔性支護結構，可緊密貼合隧道圍巖，防止圍巖結構破壞影響其承載性能，使圍巖成為隧道支護結構的主體，圍巖和支護構件牢固結合呈整體，可保證隧道結構的穩定性[5]。根據工程測量數據可以判斷隧道圍巖及支護結構是否穩定，作為隧道施工管理的基本依據。

當前，公路隧道施工信息化安全分析基本步驟包括：

（1）按照施工設計開挖隧道斷面，推進掌子面后利用工程測量設備采集施工現場數據，如通過收斂儀采集隧道圍巖位移，利用應力盒采集支護結構圍巖應力。

（2）根據工程測量數據綜合分析圍巖、支護結構的變形規律，按照施工設計要求明確公路隧道的圍巖、支護結構變形安全閾值。

（3）對比計算分析數值及安全閾值判斷公路隧道圍巖及支護結構的是否穩定，在此基礎上會同施工監理部門共同評估施工安全性，如存在較大安全風險需及時調整施工計劃，以控制施工安全風險。

2.2 施工安全性評估指標

公路隧道施工安全信息化監控的關鍵在于明確合理的施工圍巖變形安全閾值，安全閾值是否合理關乎公路隧道施工安全。當前高速公路隧道施工安全評估指標主要包括隧道圍巖收斂變形大小、圍巖收斂變形速率。

按照相關施工技術規范及施工設計要求規定的安全評價指標閾值評判隧道圍巖變形是否可控，支護結構是否穩定，并結合隧道工程施工經驗及工程測量數據繪制施工安全評估指標曲線，根據曲線評估圍巖結構的變形情況，從而確定施工安全風險等級[6]。

3 信息化監控技術應用

3.1 精確定位應用

通過現代信息技術實時準確定位隧道施工人員，掌握公路隧道施工現場人員分布情況，方便管理人員根據實際情況靈活安排施工人員的布局，以提高施工效率，同時有助于盡快發現施工中存在的人為安全隱患，并提出解決措施。

運用施工人員定位系統可定位施工人員進行崗位考勤管理，了解每一個施工崗位的人員到崗情況。如出現施工安全事故，管理人員可基于定位系統及時掌握施工人員的位置，提高救援效率，保障施工人員的生命健康。

3.2 測量及安全性監控應用

公路隧道施工中，為提高其安全性，需認真開展施工前期準備，如施工現場勘測。因此，施工安全信息化監控體系中，施工測量技術的應用至關重要。通過施工測量技術可以高效采集公路隧道施工現場信息，實時掌握施工現場環境，制定合理的施工設計方案，降低施工安全風險，同時減輕施工安全管理人員的工作壓力[7]。

（1）隧道主要采用的施工監控量測技術為新奧法技術，通過長期工程實踐應用，新奧法施工技術已從根據施工測量保障施工安全的技術層面逐步完善為基于隧道施工現場水文地質情況的實時勘測指導施工過程，合理調整施工設計方案。

（2）根據公路隧道施工實際需要制定切實可行的工程測量方案，基于實際測量數據采取有效的安全監控方法，通過施工現場地質情況分析及開挖作業質量檢驗，根據支護結構變形測量數據及隧道圍巖狀態測量數據評估隧道施工安全風險大小，基于安全評判結果調整隧道施工計劃，保證公路隧道施工的高效開展。

（3）利用計算機根據施工測量數據得到隧道圍巖位移大小、位移速度曲線，幫助施工人員掌握隧道圍巖結構狀態及其位移變化，隧道圍巖變形是其應力變化后重新構建平衡的過程。在公路隧道施工實踐中需實際測量隧道周邊及拱頂部位的沉降，觀測圍巖方向及位移速度是否出現明顯變化，最終圍巖位移速度趨于穩定。因此，施工管理人員需實時采集隧道洞內外的工程量測數據，根據量測結果合理調整施工計劃，保證施工測量數據的實時性、準確性，最大限度地降隧道施工安全風險。

（4）安全性監控設置原則及要求：1）監控點選擇必須全面結合現場環境條件、風險等級等相關因素，重點選擇在施工危險性較大的部位；2）根據前期工程實踐，在隧道口部位布設監控點，所取得的監控效果不太明顯，而在隧道內部掌子面位置，由于監控范圍較大，獲得的信息更多也更能反映現場實際情況；3）根據施工現場的實際地形特征及監控信息傳送途徑，科學合理地選擇監控布設位置，在全面保證監控效果的基礎上，盡可能減少監控點布設的數量，從而降低線路布設的難度，并大大降低購置設備的費用；4）在標段項目部構建媒體服務器、轉發服務器等系統網絡服務器的基礎上，全面實現了施工視頻監控在安全監控系統內部的信息共享與在項目部、工程管理處等各級客戶端的傳輸，并經分級控制管理系統，實現各級客戶端對監控系統的有效控制；5）為確保信息傳輸的高效性、穩定性和真實性，并最大限度地降低網絡寬帶占用，每臺相機固定占用一路寬帶[8]。

3.3 空氣監測應用

（1）與高速公路路面工程相比，隧道工程對施工現場的破壞較大，造成的施工環境污染較為嚴重，其施工產生的大量粉塵和有害氣體，對施工人員的健康帶來較大威脅。此外，公路隧道施工過程中往往會對施工區域的地質條件造成較大擾動，當隧道圍巖支護結構失穩時，施工時產生的擾動可能導致隧道塌方、涌水、崩石，直接對施工人員的生命安全造成威脅。

（2）施工中的部分機械設備產生的有害氣體體積累到一定量時會導致施工人員呼吸困難、窒息，嚴重危害施工人員的生命健康。而利用施工安全信息化監控系統的空氣質量監測設備可以實時采集隧道施工現場的空氣樣本并自動分析空氣成分，將分析結果發送到施工安全監控中心，當有害氣體濃度達到安全閾值時，系統自動告警，提醒施工安全管理人員及時處置，及時疏散施工人員，保障隧道施工安全。

3.4 語音交互應用

（1）施工安全信息化系統中的語音交互子系統可以實現隧道施工人員之間的高效溝通。

（2）施工時，施工安全管理人員可利用語音交互系統指導施工人員施工，確保施工現場人員嚴格按照施工設計要求施工，確保施工的規范性。如出現施工安全事故，施工安全管理人員可利用語音交互系統引導現場人員緊急疏散。

4 信息化監控技術的應用

4.1 加強信息化監控技術水平

（1）工程建設領域的信息化建設快速推進，但依然有很多工程公司對工程建設信息化管理重視程度不足，其信息化監控技術水平相對薄弱，缺乏先進的信息化監控設備。

（2）公路隧道工程屬于高風險工程，因此，隧道施工應更加重視信息監測技術，確保施工安全信息化監測設施設備滿足施工實際需要，落實設備維護保養措施，確保設備運行正常，保證隧道施工安全。

4.2 加強緊急救援和應急功能設計

隧道可移動式監控車利用有線或無線數據網絡，將二次襯砌臺車周邊作業人員的施工區域影像、掌子面及危險性較大部位的影像信息科學高效地傳送到安全系統監控中心，并經過分級管控模式傳送至項目部工程管控系統及企業安全管控系統，可實現與現場作業人員的語音交流[9]。

（1）為實現在隧道施工狀況下合理監控，移動監控車必須進行特殊處理，不僅要配置分辨率相對較高的高清槍式攝像機，還應采取相應的防護措施，確保符合現場實際需要，滿足防潮、防水、防震、防塵的要求。

（2）隧道可移動式監控車為更加科學高效地應對突發狀況，必須合理配備專用應急通信設備、應急燈、發電機等設施，從而確保在突發事件出現時能夠科學應對，保證現場和系統管控中心的正常信息交流。

（3）系統中相關設備必須配置漏電保護設施及應急發電裝置，確保在現場電路中斷的狀況下，監控系統能持續工作3 d以上，從而確保在安全事故發生后能夠正常采集并傳輸相關信息，最大限度保障應急救援實際需要。

（4）當監控系統采集到危險信息時，能夠在現場發出警報。當出現安全事故后，控制系統主機能夠持續不斷地顯示事故發生區域、事故種類、事故涉及的人員數量以及相關位置等信息，并能夠直接和現場施工人員進行語音通話。

4.3 培養技術人員專業素質

施工安全管理人員擔負著保障隧道施工安全的重要職責，施工安全信息化監控系統應用人才的培養是保證公路隧道施工安全管理效果的重要前提。但現階段國內缺乏優秀的隧道施工安全信息化監控系統應用人才，很多施工管理人員的信息化素養不達標。因此，為保證隧道施工安全管理工作成效，施工企業需充分重視管理人員專業技能培訓，提高其信息化素養，幫助其熟練掌握信息化監控技術，充分發揮信息化監控技術的作用。

4.4 積極改變觀念

（1）現階段，隧道工程實踐中信息化安全監控技術應用越來越廣泛，且成效初顯，已成為隧道施工安全管理的重要手段。因此，施工管理人員必須充分重視新技術理論和實踐研究，積極推動隧道施工安全管理水平的提升，降低施工安全事故發生率[10]。

（2）相關施工單位和施工管理人員都必須主動轉變觀念，充分認識到信息化監控技術對于提高隧道施工安全性的關鍵作用，建立健全相關施工安全監控信息化制度，更充分地發揮信息化監控技術的作用。

5 結論

綜合上述，施工安全管理是保障各項工程順利開展的基本前提。隧道施工安全管理作為高速公路建設的關鍵，其管理效果直接影響整體施工安全。公路隧道施工安全信息監測技術通過自動化測量、人員定位、實時監測，最大限度地保障施工人員的安全和減少安全事故的發生。在復雜隧道施工環境下，施工人員需結合隧道實際情況對信息監測技術應用存在的問題進行深入研究，不斷提高信息監測技術水平，加強技術人員的專業素質培養，充分發揮該技術在隧道施工安全管理中的作用。