信息化管理系統在高速公路施工安全管理中的應用

劉學仕

中鐵十四局集團第二工程有限公司 山東 泰安 271000

1 工程概況

本文分析的項目即延崇高速，該項目為北京和張家口之間聯手上線的2022年冬奧會的關鍵項目。本文所分析的北京段項目起點為延慶、項目終點為市區分界線，鏈接興延高速以及延崇河北段，本區段的整體長度約32.2km。規劃中的車速80km/h，采取雙向四車道的建設方式，實際路基寬數據是26m。

本項目的七標全線，實際位置是張山營鎮，沿線有X012縣道、康張路、古龍路，出京線（YK21+105-YK26+140）全長5035m，進京線（ZK21+045-ZK26+098）全長5053m。本標段主要工程：隧道單線總長9627m，溫泉隧道斜井長472.9m。根據現場勘察，延崇高速（北京段）第七合同段沿線300m范圍內無民房、建筑物等重要保護對象，最近的民房距爆破施工點距離超過560m，根據項目總包方實際勘查，沿線無地下管線、地面供電線路等重要保護設施，此外，溫泉隧道崇禮端位于松山自然保護區內，其他處于保護區外，作業周邊環境較好。

2 工程地質及水文情況

2.1 地質構造

從地質的視角來分析，本項目的基本構成即燕山期相應的二長花崗巖。這一段實際覆蓋率數據是85%，海拔高程的具體數據是812～1168m，進洞口位置實際的高程數據相對最低，向西逐步升高，線路基本沿蘭角溝南側山坡延伸，地形起伏較大。

2.2 水文情況

延慶歸入到大陸季風的范疇，作為溫帶中溫帶之間所存在的過渡區域。因為該區域的海拔相對偏高，地形表現為口袋，整體走勢為西南開口的形式，因此季風影響較為顯著，季節劃分較為顯著，冬季的時候相對較為寒冷，夏季的時候較為多雨，春秋兩個季節的時候冷暖氣團影響較多，對流出現了較為特殊的活躍現象，天氣和氣候變化相對較大，多風少雨。全區多年平均降水量為436mm。各個年度的均值溫度是8.7℃，7月的均值23.2℃，1月份的具體參數是8.8℃，最高氣溫39℃，最低氣溫-27.3℃。每年有過半區域的無霜期，平原地帶實際數據是180～190天，山區地帶實際的150～160天。

2.3 氣候氣象

工程區劃入到大陸季風的范疇，作為溫帶中溫帶之間所存在的過渡區域。因為該區域的海拔相對偏高，地形表現為口袋，整體走勢為西南開口的形式，因此季風影響較為顯著，季節劃分較為顯著，冬季的時候較為干冷，夏季的時候則是由較多的降水，但是有著不炎熱的特征，春秋季節之時的冷暖氣團有著相對較多的接觸影響，對流方面有著較為活躍的特征，進而造成天氣以及氣候的波動較為顯著。

張山營以及靳家堡之間歸屬于偏冷地帶，均值溫度數據是6～7℃；山頂局部地區氣溫2～4℃。均值溫度數據在7月為最大數據，實際的數據為23℃，最低數據是一月的-8.8℃。最大溫度數據是33.9～39.8℃，大多數產生于6、7。極限低溫的數據是-27℃，大多數產生于1、2月。

3 工程地質評價

隧道出京線洞口20m深度范圍內均為第四系沖洪積成因的碎石、塊石等，隧道出京線位置經過地層，終點是第四系沖洪積等形式。洞口附近分布的第四系沖洪積、坡積塊石②層較厚，以塊石為主，局部含碎石，充填黏性土，工程性質較差。

依據《公路隧道設計細則》的相關內容，重點涉及配套的定性分級方案，整體考慮當前較為接近的工程經驗等數據，進而將隧道位置的洞口圍巖劃入到Ⅴ級，圍巖方面實際的成洞性指標相對較差，近乎不存在自穩能力。

4 信息化施工重難點

4.1 管理難點

通常情況下信息化施工在管理方面表現出3類困難點：

4.1.1 作業設計和工程設計的區別較為顯著。工程項目的具體狀況和初期階段的預估數據必定會有區別，這是一種無法完全避免的情況，因此在施工中相關施工單位往往需要根據實際情況做出適當的調整，由此自然也造成降低變更量的困難度增大。

4.1.2 注重監測過程，缺乏有效分析。在實際推進的信息化管理模式中，信息化作業場景中經常出現下述的問題：在施工之前過于注重對相關監測設備的布置，希望以此來獲得更加詳細的現場施工數據信息。但是在通過這些監測設施完成數據采集之后，卻缺乏對這些數據信息的有效分析，不能與施工隊伍現場勘測信息相結合，對于施工管理造成極大的威脅，導致了顯著的浪費現象。

4.1.3 超前預報穩定性不足。雖然隨著當前科學技術的快速發展，超前預報技術在應用方面取得較大的進步，但是從實際施工應用來看，依舊有顯著的問題有待優化，不僅在應用模式上較為單調，而且精準性上也有所不足。

4.2 技術難點[1]

推進信息化作業的場景中，也表現為許多顯著的技術難點：

4.2.1 監控測技術有問題。在初期支護施工中，采用監控量測技術來判斷當前應用支護參數是否合適，由此得出的參數信息數值可能會對后期施工開展造成不良，不僅導致了顯著的資源浪費，同時也對作業安全造成極大的威脅。

4.2.2 當前超前地質預報不理想。當前該技術的運用場景重點為兩類：地質法和地球物理法。這兩種方法在適用范圍上存在一定差異，在實際應用中需結合現場情況靈活應用。但是從當前實際的施工情況來看，許多施工單位在施工中片面追求進度和造價控制，在超前地質預報技術應用上只采用一種技術進行，這也造成超前地質預報的精度遭遇影響，更易導致因此而出現地址災害。

4.2.3 在現場地質素描工作上存在問題。依靠現場地質素描的方案可較為精準地識別掌子面圍巖的詳細級別，而且還可對超前預報提供支持，但是目前作業單位對此關注度有顯著不足，這也干擾了工程的建設效果。

5 信息化建設總體方案

5.1 系統框架圖

圖1 電子標簽系統設計圖

5.1.1 電子標簽監控電子標簽監控有多個構成部分。①出入口監控：在隧道的出入口位置布設監控設施，對車輛設備出入、施工人員出入的信息進行實時監控。通常施工人員和機械設備都會配備相應的電子標簽，當進出隧道時，隧道口監控設施中的讀寫器能夠對電子標簽做出探測，并將相關信息錄入到系統之中，顯示具體的進入或離開信息。若隧道為雙洞單線隧道，雖然兩個隧道口是并排的，但是為了區分施工人員進入到哪條隧道當中，要求在各大隧道口都擺放相應的兩大讀寫設備。②掌子面監控：掌子面附近安裝一臺讀卡器，實時探測附近相關施工人員，并通過網絡傳輸到值班室。③閘機：閘機用于車輛出入口，通行使用，對于允許進入車輛，予以放行，對于不允許車輛，要核實后處理。對于雙洞單線的情況而言，并排的兩個掌子面之間并不聯通，因此每一個掌子面均需要一套定位設備。④顯示：通過相關的顯示設備，能夠在屏幕上將車輛設備出入、施工人員出入的信息顯示出來，以方便管理工作開展。⑤網絡：采集獲取的數據需要依靠網絡來進行傳遞。⑥系統軟件：對傳輸到系統中的數據信息進行自動分析，然后并按照特定的程序輸出結果，由此能夠實現人員考勤、監控的作用。

5.1.2 視頻監控。

圖2 視頻監控系統設計圖

6 信息化施工關鍵措施

6.1 隧道作業人員自動登錄及定位系統

隧道作業人員自動登錄及定位系統可采用室內短距離無線通信技術手段對進出隧道口的施工人員進行讀卡識別、記錄及分析報表，通過該方式來實現考勤的效果，而且還可使用針對性的室內定位方案，對于存在顯著風險的掌子面區域開展精準定位，在隧道口可以有效記錄效果作業人員與掌子面的作業信息。登錄以及定位系統重點構成為管理系統、基站以及客戶端等多個構成部分。定位方式可采用隧道口區域和掌子面區域的區域定位法（不要求全隧道精確定位）。（系統構成見圖3）

圖3 隧道作業人員自動登錄定位系統

6.2 人員及車輛道閘系統

為確保可以在正常秩序下完成登錄操作，可以在各個隧道口的位置安裝配套的道閘。每個隧道口可考慮安裝兩臺單機芯和一臺雙機芯道閘，組成一套雙向進出的人員通道。人員道閘的門禁卡可與人員考勤定位的識別卡共用，人員進出時可將安全帽摘下后對著人員道閘刷卡操作。

車輛道閘：由兩臺單層柵欄式車輛道閘組成，可通過無線遙控和手動控制開關。施工現場實現人車分流，提高施工人員進場秩序及安全，同時也加強現場的施工標準化管理（系統構成見圖4）。

圖4 隧道口門禁系統

6.3 超前地質預報信息系統

隧道施工超前地質預報屬于重要的基礎工程項目，可加強對其信息化監控，建立對應的信息化管理系統，將實際獲取的數據進行采集、分析以及結果輸出等操作，進而在管理中達成更為符合預期的處理效果。將超前地質預報信息數據及時反饋到遠端分析技術人員，由其對數據做出分析和決策，以此能夠有效提升超前地質預報的工作效率。

超前地質預報采集的數據包括：鉆孔資料、數碼圖像、波形圖、判釋結論、預報報告和地質描述報告等。根據《鐵路隧道工程施工信息化技術規程》規定，高度及以上風險的鐵路隧道工程實行超前地質預報信息化管理。

6.3.1 TSP。

6.3.1.1 測試儀器及探測步驟。在本次地質預報過程中運用的型號是TSP203。探測施工首先在隧道中合理布設鉆孔點，然后據此開展鉆孔施工，并在此過程中收集相關的數據信息，最后依據收集到的數據信息完成報告。在探測過程中測線、測點布置是施工的關鍵性環節，其主要采用小型爆破的方式，影響隧道洞壁，最后獲得24個孔距1.5m、孔深1.5m的效果爆破孔。這些炮孔應適當保持向下傾斜，傾斜度一般為15°-200°，以此能夠方便施工后期采用灌水堵孔[2]。一般情況下探測接收器點，實際位置在最末端爆破點15-20m區域。

探測：在進行實際探測的過程中，按照事前設定的引爆順序，逐一引爆炸藥，由此將產生較為輕微的地震波，當地震波實際傳遞環節中遭遇異常地質界面的情況下，會出現相應反射波，起被預先放置的接收器所獲取，設備結合具體的波強弱與傳送時間，可分析獲得界面具體的地址數據。后續結合電腦軟件來完成處理，依靠該方式來獲得所需求的影響點圖，在此基礎上判斷前方信息。

6.3.1.2 分析與處理。在對收集數據信息分析中，主對巖層的劃分工作主要根據P波資料來完成，并采用橫波資料對之做出解釋。解釋中主要應注意以下幾點[3]：①正反射振幅應和硬巖層對應，負反射振幅應和軟巖層對應。②當獲取到的S波反射強度相對更高時，則說明前方的巖層中含有較多地下水。③探測中發現Vp/Vs數值增大，一般為前方地質存在流體。④如果探測中發現Vp數值降下降，則說明前方地質存在空隙增大。

6.3.1.3 預報結果分析。實際探測中，設置24個爆點，只激發了其中的22個，預估探測深度設置為隧道掌子面前方90m。預報結果顯示如圖5所示，由此可分析出前方圍巖的具體情況，在30m范圍內有著較為良好的條件，而在30～60m范圍內的圍巖條件相對較差，在施工時可能存在安全隱患；在60～90m范圍內的圍巖條件逐漸轉好。

圖5 SP探測巖體物性圖

因此，在實際施工中需注意結合地質雷達對前方圍巖情況做進一步探測，并在此過程中發現大約位于掌子面前方45m處的圍巖確實存在條件較差的情況，在開挖時可能會出現塌方、掉落等不良情況，在施工中需對之引起注意。由此，也證明超前預報結果具有較高的準確性。

6.3.2 地質雷達。

6.3.2.1 測試儀器及探測流程。本工程采用地質雷達型號為SIR－3000。探測注意事項：①探測前對需要探測圍巖的情況做詳細了解，并記錄相關信息。②完成探測設備的連接工作。③在數據采集過程中盡可能避免電磁干擾。

6.3.2.2 預報結果分析。采用與該設備配套的處理軟件完成數據處理。本次工程中采用地質雷達探測檢測到的異常情況如圖6所示。

圖6 地質雷達成果解譯圖

基于實際分析狀況來判斷，在雷達探測的區間中，有著圍巖條件相對較差的問題，巖體方面也表現為相對特殊的破碎形態。此外在距離掌子面大約10m的位置處存在含水裂隙，在實際開挖時挖深約9m時掌子面出現強度較大的滲水，由此證明此次預測結果準確。

6.4 隧道圍巖監測量測系統

隧道圍巖的監控數據可達成對變形速率以及變形規模大有效監控。具體包括：地表沉降、拱頂下沉、凈空變化等。依靠手持終端或者上App等方式，鏈接全站設備來達成有效的傳動，實現超標報警的效果，減少整體的安全風險狀況，增強最終的風險控制能力。本系統涉及專業級別的軟硬件方案。

專業軟件應當提供的基礎功能為：原始數據的查詢；輸出日報等信息；預測可能最大變形量，根據監控量測管理登記自動發布預警信息，記錄預警處理結果等功能；測點埋設位置防護侵限提醒；監控量測以及進度管理；可以自行獲得所需求的監控數據。隧道圍巖量測的基本需求：

表1 隧道圍巖監測量測系統

7 結束語

需要貫徹科技興安的基礎策略，安全產出方案需要以安全技術作為基礎，盡可能控制事故問題。同時還需要考慮隱患與事故等多個方面的管控，這些都需要安全科技的進一步發展。高速項目的信息化作業有漫長的路要走，在實踐之中也存在很多困難。它需要不斷的實踐和總結經驗來不斷發展和完善，只有不斷改進工作，才能在今后的工作中有更大的突破。