地鐵凍結法聯絡通道安全管控系統研發應用★

張雄健，胡辛泉，姜宜杰，任 輝，蔣孝鵬，盧 泳，趙 煥

(1.浙江華東測繪與工程安全技術有限公司，浙江 杭州 310014；2.杭州市地鐵集團有限責任公司，浙江 杭州 310017； 3.中國電建集團華東勘測設計研究院有限公司，浙江 杭州 310014)

凍結法技術以其施工場地空間要求少、止水效果好、加固強度高等優點，在軌道交通工程聯絡通道建設中廣泛應用，但凍結法施工過程中管理不當可能導致嚴重的安全問題。如2003年7月，上海地鐵4號線某區間聯絡通道施工時發生漏水、漏砂險情，造成隧道受損及周邊地區地表塌陷。2019年8月，杭州地鐵某區間聯絡通道施工中出現涌水、涌砂險情，導致地面坍塌，燃氣管道泄漏，臨近居民樓傾斜開裂，造成了較大的經濟損失。

為掌握凍結效果與施工狀態，近年來相關單位在凍結施工過程中逐步引入信息化管控技術。胡向東等[1](2006)在上海復興東路隧道3號聯絡通道凍結施工中建立一套信息化施工系統，實現自動數據采集功能。丁烈云等[2](2013)、王金龍等[3](2014)在武漢地鐵2號線長江隧道聯絡通道施工中應用基于光纖光柵技術的風險實時預警系統和便攜式智能預警終端，實現施工風險“感、傳、知、控”一體化管理。楊炳文等[4](2016)在鄭州城郊鐵路中研發基于PLC的凍結工程監控系統，實現對制冷循環系統工作參數、環境參數和凍結效果等進行遠程監控。許黎明等[5](2018)針對廈門2號線海底隧道聯絡通道利用光纖光柵傳感技術建立健康監測體系，實現凍土帷幕溫度、臨時支護結構和隧道管片變形等指標實時監測。

自動化監測系統實現凍結溫度、結構變形的監測數據的實時采集、傳輸與預警功能，極大提升施工過程信息獲取的及時性，為現場快速發現并處置險情提供技術支持。但是，凍結法聯絡通道風險貫穿施工全過程，如前期凍結管焊接質量缺陷可能由于地層凍脹導致斷裂，影響凍結帷幕效果。為此，國家也提出安全管理關口前移，構建雙重預防管控機制的要求。自動化監測預警僅能在險情發生前及時提示，功能單一，無法滿足當前全面綜合管控風險的需求。

本文從聯絡通道施工全過程安全管控角度出發，結合雙重預防管控思想進一步完善信息化安全管控措施，研發聯絡通道施工安全風險綜合管控系統，并為類似工程信息化管理提供經驗。

1 凍結法施工安全管控措施

隨著工程安全管理理論的發展，人們對于安全事故成因及安全管理方法的認識不斷深入和完善；目前普遍認為未采取有效管控措施的潛在風險源或風險管控措施存在的缺陷隱患是導致事故的原因。因此，安全風險管控工作包括對潛在風險源辨識管控和對存在隱患排查治理的過程。王燁晟等[6](2020)采用集合形式形象闡述了風險隱患的相互關系構建綜合防控模型，認為單純依靠風險分級管控或隱患排查治理無法達到防范事故的目的，只有通過綜合風險分級管控與隱患排查治理工作才能達到降低事故發生的概率。

本文根據相關安全管理理論和研究成果，從風險辨識評估、安全監控、風險巡查、隱患排查治理幾個方面構建凍結法聯絡通道風險管控工作機制。

1.1 風險辨識評估

辨識風險源是風險管理的基礎，認識風險才能讓管控工作有的放矢。凍結施工準備階段，建設單位組織，各參建單位共同參與風險辨識。各參建單位結合自身專業特點全面辨識可能存在的風險事件以及應對措施，制定風險源清單供施工階段參考。此外，考慮施工過程風險環境時刻變化，需要動態化開展辨識工作才能達到管控目的。針對風險辨識評估的具體方法，許多專家和從業者結合自身經驗開展大量研究。韓全吉[7](2020)以凍結法聯絡通道為研究對象，通過凍結法施工的工程結構和風險結構分解，并將風險分解結果中的具體風險與工程分解結果中的工程部位一一對應，可為風險辨識評估工作提供參考。當風險源眾多時，可根據風險發生的概率和可能造成的損失進行分級，有效配置管控資源。根據凍結法施工工序一般可以劃分凍結孔施工、積極凍結、開挖支護、封孔融沉幾個環節，主要風險辨識成果見圖1。

1.2 安全監測

凍結施工期間，安全監測是掌握凍結施工安全狀態的重要手段，被稱為安全管理的耳目。安全監測一般由施工單位和建設單位委托具有資質的監測單位實施，監理單位負責檢查，建設單位監督管理，各方根據監測數據評估工程安全狀態。凍結法聯絡通道安全評判需要掌握凍結帷幕效果、凍結施工對既有隧道以及周邊環境的影響，因此監測內容主要包括地層凍結溫度、支護結構變形與應力變化、周邊環境(地表、管線、建(構)筑物等)的變形。施工過程中現場環境瞬息變化，自動化實時監測相比較傳統人工監測有助于掌握現場安全狀態，可及時預警提示異常情況。

1.3 風險巡查

風險巡查是安全監測工作的重要補充。安全監測僅能反映監測點上的變化情況，無法完全代表工程整體變化，也無法反映現場人員違規施工、設備違章使用等情況，因此需要通過風險巡查工作彌補監測工作的不足。各參建單位可根據管理需要定期或不定期開展現場巡查。凍結法聯絡通道現場巡查重點主要包括：

1)凍結孔成孔質量、管片開孔與封孔情況；2)溫度、變形、應力等監測情況；3)開挖步距、開挖面滲漏水情況；4)隧道管片開裂、錯臺、管片滲漏情況；5)充填注漿、補償注漿參數；6)地表開裂、管線外破、建筑裂縫等。

1.4 隱患排查治理

隱患排查治理是安全管控的第二道防線，根據辨識的風險源以及相應的控制措施排查存在的防控缺陷并及時處置閉合，切斷隱患向事故發展的路徑。如聯絡通道施工過程中，通道所處地層由于開挖卸荷導致所蘊含的勢能轉變為塌陷的動能，是施工中的風險源；凍結法聯絡通道通過凍結系統將地層凍結形成一定厚度的凍結壁防止地層塌陷，因此凍結系統以及所形成的凍結帷幕是風險源的防控措施。針對凍結系統存在的設備故障、凍結管破損、鹽水滲漏等問題即是防護措施所存在的隱患，需要通過隱患排查工作及時發現處置。

隱患排查治理工作關鍵在于充分調動全員積極性參與自查自糾工作，可建立隱患排查、響應、處置、復核、閉合的閉環流程。參建各方均可排查上報隱患，監理單位負責響應與復核，施工負責隱患處置閉合，建設單位負責監督與重大隱患的復核確認。

2 綜合安全管控系統設計及應用

2.1 系統總體架構

信息化系統高度信息集成、快速數據處理、各方工作協同等優點有效地提升風險管理水平，已然成為工程安全管控的重要抓手。

在設計思路方面，以全過程安全風險管理理論為基礎，通過對風險源清單化管理與動態更新、現場風險監控巡查、隱患排查治理閉環等工作實現施工風險安全管控。系統平臺功能架構主要包括綜合信息模塊、溫度自動化監測模塊、巡查管理模塊、視頻監控模塊、凍結帷幕演算、隱患排查治理模塊(見圖2)，覆蓋凍結施工全過程。系統平臺通過引入數字化、物聯網等新興技術，實現凍結法聯絡通道溫度實時監控、異常情況自動預警、凍結帷幕可視化演算等功能，強化凍結法聯絡通道施工安全風險信息化管控能力。

在技術架構方面，系統平臺總體架構設計采用基于INTERNET的B/S架構(瀏覽器/服務器)，建立一套全方位、全過程解決凍結法施工安全風險管理問題的專業化應用軟件。數據架構層面采用典型的4層架構模式，物聯感知層通過各類傳感器等采集第一手數據，網絡通信層實現海量基礎數據的傳輸與匯集，數據及服務支撐層通過數據處理、流程引擎等工具實現數據的融合、挖掘與分析，進而支撐系統各類管理場景的信息化應用。

2.2 系統功能模塊設計

2.2.1 綜合信息模塊

綜合信息主要展示所有管控聯絡通道的總體施工情況，支持按線路、加固工法、開挖工法、施工狀態等關鍵詞篩選查詢及統計，并自動繪制環狀圖及柱狀圖(見圖3)，協助管理決策者提供總體信息把控。聯絡通道詳情列表，支持對其余子模塊的快速跳轉。

2.2.2 風險管理模塊

風險管理模塊以風險源為中心，根據施工組織計劃及前期相關階段的風險評估報告，對于各階段風險評估評級較高的風險源列為重大風險源清單，并將該重大風險源與工點的工程施工進度進行綁定，在該工程施工到此重大風險源的影響范圍內時，以風險預報或通告的形式，提醒各參建單位在本階段需要注意的此重大風險源的發展狀況。在對重大風險源進行監控跟蹤的過程中，除督促風險規避措施的實施以外，同時應及時發現和處理尚未辨識到的風險，其中包括對已經識別的風險以及風險跟蹤中確定的重大風險源進行監控跟蹤。同時，建立各類風險防控措施庫、施工過程風險源庫及風險案例庫供參建人員參閱。

2.2.3 溫度自動化監測模塊

凍結法聯絡通道溫度監控通過現場凍結孔開孔后將凍結管與測溫探頭(溫度傳感器)埋入孔中，在隧道內布設測溫系統工控機及相關設備，測溫數據通過wifi或有線寬帶網絡傳輸至系統平臺，數據傳輸接收路徑見圖4。

自動化測溫數據界面通過遠程接入測溫孔、鹽水去回路溫度，實時監控聯絡通道凍結溫度變化情況，并通過時程曲線反映各個點位的溫度變化情況，也可對凍土降溫曲線進行繪制，與設計要求對比查看是否滿足凍結要求。同時還具備人工復測溫度錄入功能，通過對自動化測溫數據的復核，確保溫度數據的可靠性。其次通過前端界面還可以快速查看聯絡通道基礎信息及相關圖紙，如主/副線開孔位置圖、結構平剖面圖、地質剖面圖等(見圖5)。

2.2.4 視頻監控模塊

視頻監控模塊通過遠程接入聯絡通道施工現場關鍵作業面監控視頻，實現對凍結、開挖、結構澆筑全過程實施監控，支持現場視頻監控在線查看、截取下載、錄像回放、設備控制等功能，對于施工現場一定時間內的視頻進行留檔，當發生事故或緊急情況時可以隨時調取查看，分析事故發生時間、部位，為搶險提供參考，同時便于事故發生后的復盤，界定現場各單位的責任，在一定程度上約束現場單位按照正確流程施工，規范操作。

2.2.5 巡查管理模塊

巡查管理中針對聯絡通道開孔、凍結、開挖、融沉等不同施工階段均預先設置了不同的巡查填報模板，巡查人員可根據當前施工進展選擇對應的巡查模板進行填報(見圖6)，如凍結設備運行情況、鹽水液位情況、開挖步距是否規范等。通過巡查信息化填報管理，可進一步強化聯絡通道現場的安全管控。

2.2.6 凍結帷幕演算模塊

凍結帷幕效果評判主要依靠凍結溫度結合相關理論研究推斷。凍結帷幕演算模塊通過整合分析前期集成接入的自動化溫度數據，將成冰公式算法嵌入系統平臺，實現聯絡通道凍結帷幕發展情況實時演算分析，對未來發展的情況進行預測，并通過可視化圖形進行展示，為安全管理評估和后續施工指導提供一定的參考價值(見圖7)。

tC=tOC+ωtn;

其中，tC為凍結壁平均溫度，℃；tOC為按零度邊界線得到的平均溫度，℃；tb為鹽水溫度，℃；l為凍結孔間距，m；E為凍結壁厚度，m；tn為井幫動土溫度，℃；ω為經驗吸收，ω=0.25～0.3。

2.2.7 隱患排查治理模塊

隱患排查治理模塊通過構建隱患排查、響應、治理、復核的線上流程，提高工作流轉效率。同時系統具備考核管理功能，通過對排查頻次、處置時限等要求對參建單位進行量化打分考核，以月度為單位，綜合評判每個單位的考核分數，根據得分情況對部分“不合格單位”進行處罰，為建設單位監督管理提供支持。

1)隱患響應：監理單位接到參建單位(主要是施工和監理單位)上報的隱患后，根據隱患的嚴重程度，結合現場實際工況，需要明確整改單位或人員(一般是施工單位)、本條隱患后續整改的要求，包括規定其整改期限。2)驗收申請：監理完成響應后，施工單位需要根據整改要求完成線下整改，整改完成后通過系統平臺提交驗收申請，申請內容包括對整改過程、結果的描述、整改后照片。3)驗收復核：整改完成后，需要由監理單位對整改結果進行復核，確保隱患按要求整改完成，滿足條件即通過，反之可以打回讓施工單位重新整改。4)閉合管理：為了確保隱患閉合的真實性，驗收復核通過后，需要再進行一道審核流程，一般為監理單位總監理工程師親自把關，審核通過后即完成整個治理流程的閉合，針對未按要求整改的可以打回重新整改。

2.3 實際工程應用

聯絡通道施工風險綜合管控系統依托杭州地鐵三期工程建設全面應用。截至2022年5月，系統累計集中管控288個凍結法聯絡通道，正在跟蹤管控48個融沉工點。

系統平臺集中現場分散的信息，參建各方只需登錄系統平臺即可查看所有已接入聯絡通道的施工作業、監測數據等信息，實現遠程集中化管理，節省人力投入，提升現場管理效率。以往杭州地鐵針對凍結法聯絡通道管理一般由管理工程師去現場檢查現場記錄臺賬。以杭州地鐵三期工程現場管理為例，若有8條線路的聯絡通道在施工，則每條線路需要1人1 d時間進行現場巡查以及安全評估管理，所有線路檢查需要配備7名～8名工程師；依托系統平臺，僅需一名管理工程師花費2 h即可完成全部工點排查(見圖8)。

系統上線以來，發布溫度異常提示信息50余條，發現現場事故隱患5次，避免造成工程經濟損失。如2021年1月25日6時37分，杭州地鐵某區間1號聯絡通道開挖施工期間，系統監控顯示總回路溫度回升至-24.9 ℃(要求為-28 ℃)，嚴重超過安全管控標準，系統自動向建設單位安全管理部、工程管理部發送風險提示信息，立即組織人力開展隱患排查，發現現場冷凝器銅管漏氟導致凍結失效，而現場施工單位未主動向工程管理部門上報。由于更換銅管時間過長，決定立即啟用備用冷凍機進行維持凍結，及時遏制隱患進一步向事故發展的趨勢。某區間總去總回溫度時程曲線如圖9所示。

3 結論

本文基于雙重預防管理等理論基礎，從施工全過程安全管控的角度出發研發凍結法聯絡通道施工安全風險綜合管控系統平臺，包括凍結法聯絡通道風險源管控、溫度實時監控、風險巡查、凍結帷幕可視化演算、隱患排查治理等模塊，實現聯絡通道凍結法施工綜合信息化管控。主要結論如下：1)凍結法聯絡通道施工安全管理僅依靠安全監測工作只能實現風險及時預警，無法從源頭管控風險，通過風險辨識評估、安全監測、風險巡查、隱患排查治理等手段綜合運用可以更好降低事故發生概率。2)聯絡通道施工風險綜合管控系統基于全過程的安全風險管理理念，實現工程風險源、監控巡查、隱患排查治理等信息集中管控與交互共享，使得決策領導能夠通觀全局，充分整合資源，提高了各單位的安全管理效率。3)當前，聯絡通道安全管理系統僅能實現基于實時監測溫度的異常預警與交圈演算，綜合監測、巡查、施工進度等信息的智能化評判算法是行業值得研究的一個方向。