信息化技術在豎井施工安全管理中的應用研究

杜江山, 余 誠

(中鐵四局集團有限公司第七工程分公司,安徽 合肥 230022)

0 引 言

近年來,地下工程建設發展迅速,在公路、鐵路、城市地鐵及礦山工程中深大豎井已不斷涌現,主要承擔通風、運輸等功能,如大瑞鐵路高黎貢山隧道1號豎井完成掘砌,到達地面以下最深點762.59 m。另地鐵工程豎井設置較多,結構形式多樣,深度越來越大。深大豎井受其自身空間狹小影響,作業空間受限,造成施工設備、人員交叉作業頻繁,安全隱患多且集中,安全管理難度較大。隨著信息化技術的快速發展,各類自動化監測技術、管理系統不斷出現,在一定程度上解決了人為操作誤差大、安全管理效率低等問題。如針對深大基坑開挖穩定性監測技術方面出現自動化沉降、自動化測斜、軸力伺服安全監測技術;在爆破振速監測方面有自動化爆破振速監測技術;在設備管理方面出現關鍵部位安全監測系統;在施工人員安全監控方面出現視頻監控系統、定位系統;在安全管理方面也有各類安全隱患排查治理系統。總體上看,各類安全監測及管理信息化系統繁多,手機App、系統操作平臺多,給管理者和操作者帶來了諸多不便,特別是豎井工程,安全控制點多且集中,采用的管理系統多,管理人員長時間使用,工作量較大,易混淆,使用效果隨之降低。綜觀現狀,各行業處在快速發展的時代,作為管理者必須適應快節奏高效管理,現有信息化技術管理手段尤顯復雜,必須減負前行,提高工作效率。因此,現階段亟須通過對信息化技術手段進行深入研究,在全面應用現有技術的基礎上,搭建數字建造集成平臺,實現同一平臺多個業務系統模塊化管理,后方數據資源共享,以實現提高安全管理信息化水平及管理效率的目標。

1 工程概況

膠州灣第二海底隧道黃島端豎井工程,分為南側豎井與北側豎井,其中南側豎井設計深度為70.3 m,北豎井設計深度為77.5 m,井口設計尺寸均為12 m×11 m,均設3座聯絡風道與主線隧道相連接,作為后期通風使用。該項目施工存在的安全風險主要有:一是項目周圍環境復雜,南側豎井距離相鄰單位混凝土拌和站距離僅27.66 m,北側豎井風道距離現狀望海賓館水平距離僅24.81 m,距離黃島輸油管道水平距離為76.57 m,爆破振動控制要求高(振速要求<1 cm/s),輿情控制難度較大;二是起重、吊裝風險大,本工程為超深豎井施工,施工過程材料運輸通道、人員上下通道、渣土外運通道均從豎井進出,吊裝設備噸位大,使用頻繁,安全風險大;三是作業空間狹小,交叉作業頻繁,對人員設備安全隱患較大。具體豎井構造如圖1所示,北側豎井周邊環境如圖2所示。

圖1 膠州灣第二海底隧道豎井構造圖

圖2 北端豎井周邊環境平面位置關系圖

2 豎井安全管理現狀

在豎井施工過程中,主要存在開挖爆破對周邊敏感構筑物的影響,基坑穩定性對周邊環境的影響,吊裝作業頻繁設備安全管理要求高以及狹小空間作業人員管理難度大。針對現階段的開挖爆破,一般采用網絡測振儀自動記錄振動數據,并將振動信號傳送至服務器進行管理;基坑穩定性監測主要采用自動化靜力水準儀和激光測距儀進行沉降及收斂監測,監測數據通過平臺進行管理;結構自身安全主要采用在圍巖、錨桿、結構混凝土、鋼筋、接觸面等部位安設應力計、位移計等設備進行監測,各類數據自動收集分析,并通過平臺管理;在大型起重設備方面,主要依賴設備自身限速、限重及卡位系統進行使用安全控制;在人員管理方面有勞務實名制系統,通過手機App、門禁閘機及無感考勤等方式記錄考勤數據;在現場施工安全隱患方面通過隱患排查治理系統進行管理;在豎井施工安全風險源管控方面有重大風險管控系統進行管理。針對豎井施工風險點管理均出現了各類管理系統,管理難度較大。因此,如何實現統一管理,改變各類信息化系統不兼容難題,主要是缺少技術手段及綜合性信息化管理平臺。

3 技術路線及原理研究

3.1 技術路線

建立以安全、質量、進度、物資多個業務系統的集中建造平臺,本文通過對已有綜合平臺相關數據提取及第三方監測物聯設備接入,以數據中臺為基礎,以“數據共享服務”為手段,實現系統間以及單位數據間的橫向貫通、設備與數據間的縱向關聯,提升信息化應用效率,建立滿足豎井安全管理需求的信息化數字管理多模塊集中管理平臺。信息化應用架構如圖3所示。

圖3 膠州灣第二海底隧道豎井信息化應用架構圖

3.2 技術原理

獲取已有綜合平臺基礎數據,包括項目組織機構、人員等核心數據,保證建立的數字建造平臺基礎數據與已有綜合性平臺保持一致。同時與平臺中的人員管理、隱患管理、風險管理、機械管理等業務系統進行數據關聯,結合現場一系列物聯網設備和監測模塊,對現場實際管理要求進行衍生拓展,實現一個數據多處、多次利用,減輕現場人員的信息化管理負擔。技術原理架構如圖4所示。

圖4 技術原理架構圖

4 集成平臺建立與應用模塊介紹

4.1 數字建造集成平臺

將膠州灣豎井工程安全施工管理分為安全管理、人員管理、設備管理、環境管理等七個應用模塊,在常規人、機、料、法、環為主的綜合平臺基礎上,以豎井施工場景為依托,引入了UWB人員定位、AI識別、爆破監測、自動化沉降監測、起重機安全監測等新技術、新設備,構建工地全方位智能監管物聯網。這一方面實現了項目各管理系統的信息化數據匯聚融合;另一方面實現了各系統的統一集成,建成融入安全管理信息化一體化工作平臺,減輕管理人員的安全管理任務。數字平臺搭建圖如圖5所示,BI頁面概況如圖6所示。

圖5 數字建造平臺板塊劃分

圖6 數字建造平臺首頁

4.2 安全管理系統應用

4.2.1 隱患排查系統

在安全管理模塊中建立一套現場隱患排查治理系統,通過App端在線完成現場安全巡檢工作的檢查、整改與復查循環,同時數據可以自動同步至Web端進行綜合分析,提高隱患排查、消除的及時性。具體隱患排查消除流程如圖7所示。

圖7 隱患管理流程圖

4.2.2 重大風險源管理系統

根據項目風險辨識情況,建立風險清單庫;按照工程類別劃分,根據風險重要程度和損失率等因素,將風險劃分為三個等級,建立統一標準。為保證風險識別的及時性、準確性,每季度定期梳理風險源,并經相關部門及專家審核后確定新清單,實現風險源的動態管理。

4.3 功能模塊應用介紹

4.3.1 爆破振動監測運用

結合實際環境,采用智能爆破振動監測儀,重點對敏感構筑物進行定點監測,將爆破振速數據采集完成后上傳至數字建造平臺集中管理,提高管理效率。爆破振速采集原理及頁面管理分部如圖8所示。

圖8 爆破振動監測數據采集原理圖

4.3.2 起重設備監測

豎井出渣設備為QD65t-16m AG的65t橋式起重機,噸位大,起重作業頻繁,起重最大行程達到80 m,起重機安全運行管理任務重、難度大,常規的人為監測效率低下,且通過查看方式很難及時發現關鍵部位隱患,鑒于此情況,基于物聯網技術,在橋式起重設備上安裝起重吊裝、提升速度、下降速度、運行行程、風速、起升控制器等終端感知設備,將起重設備的基本運行數據實時上傳至數據中臺,通過平臺中的設備模塊進行監控管理,實現起重設備工作狀態數據的實時統計、分析及預警等功能。設備檢測現場實施情況如圖9所示。

4.3.3 基坑監測運用

豎井基坑深度大,周邊環境較復雜,常規的人為監測響應慢,監測任務較重,且不能實現實時監測。項目通過采用自動化監測手段,利用藍牙技術、5G技術將全站儀、水準儀、軸力計等電子采集設備和智能傳感設備采集的數據實時傳輸到云平臺,通過云計算技術即時得出監測結果,實現基坑施工階段工程結構安全狀態實時監測,監測結果實時上傳至數字建造平臺中的監測模塊進行集中管理。部分監測設備安裝如圖10所示。

圖10 地表沉降監測設備

4.3.4 AI智能識別

針對鋼筋加工廠、豎井洞口作業持續時間長、人員集中的狀況,常規的人為檢查發現問題過于短暫,不能達到實時監控,因此,在上述位置安裝AI攝像頭,可對人員安全帽未佩戴、吸煙、反光背心未穿戴等不安全行為自動抓拍、分析和預警提醒,減少施工作業不安全行為的發生,該模塊同樣通過數字建造平臺進行管理、顯示。頁面管理如圖11所示。

圖11 AI智能識別模塊

4.3.5 人員定位

南北豎井開挖深度大、環境惡劣、工種危險系數高、安全風險高,應用人員機械智能定位系統(定位基站與微標簽)實現人員考勤、跟蹤定位、災后急救、日常管理等功能。施工人員進入工點以后,在任何時刻任意位置,定位基站均可接收信號,并上傳到監控中心服務器,經過數據處理,可得出人員ID、位置、具體時間等信息,同時動態顯示在監控中心大屏幕上,使得管理人員隨時了解施工現場人員機械的狀態。

5 實施效果

該項目在安全隱患排查、設備管理、爆破檢測、沉降觀測等方面實現了信息化集中平臺管理,減小了管理人員的信息化工作管理強度,提高了管理效率;同時,有效消除了事故隱患,項目無一例安全質量事故發生。具體系統數據顯示效果統計見表1。

表1 豎井工程信息化技術應用效果統計表

6 結 論

通過自動化監測、爆破監測應用、設備物聯手段、人員監測及原綜合性管理平臺接入等五個方面入手,建立信息化平臺對豎井項目安全進行管理,得出相關結論如下:

(1) 數字建造集成平臺集成了物聯設備、監測數據、原綜合性管理平臺業務數據,實現綜合性管理平臺的統一管理,減少了管理人員的工作量;

(2) 融合物聯網技術、自動化監測技術及原綜合性管理平臺于數字建造平臺,對豎井爆破施工、門式起重機、自動化沉降監測進行動態數據管理,實現了爆破振動監測、基坑沉降監測、設備運轉監測的全過程、全時段監控、預警,安全管理效果得到顯著提高;

(3) 信息化技術在豎井工程安全管理中有效應用,可為其他工程信息化施工管理提供參考依據。