隧道施工安全管理的信息化解決方案

摘要 隨著現代信息技術的快速發展，智能化技術的應用能夠有效提高隧道施工的安全監控能力，降低安全風險，對促進隧道施工安全管理的現代化具有重要意義。文章首先探討了智能化技術在隧道施工安全管理中的應用現狀、優勢、挑戰及其發展趨勢，然后概述了智能化安全管理的理論基礎和關鍵技術，包括傳感器技術、物聯網、大數據和人工智能等，通過典型的隧道施工案例，展示了智能化技術如何提升隧道施工的安全管理水平，最后針對智能化安全管理面臨的技術與管理挑戰，提出了相應的對策與建議，并對未來的研究方向進行了展望。

關鍵詞 智能化；隧道施工；安全管理

中圖分類號 U415 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0150-03

0 引言

隧道施工作為一項高風險工程活動，其安全管理至關重要。隨著智能化技術的發展，隧道施工安全管理有了更多信息化技術手段，可以實現更高效、精準的安全監管。在智能化隧道施工安全管理的研究中，學者們提出了多種技術和方法，楊禮鎧[1]在其研究中強調了風險預警技術在隧道施工安全管理中的應用，通過建立風險預警制度和風險評估模型，提高了工程質量；柳立峰[2]則從隧道施工安全評價體系的角度出發，通過MES風險評價方法和模糊綜合評價，建立了一套系統的隧道施工安全評價體系，為安全管理提供了科學的量化依據。

在智能化技術應用方面，劉彬等[3]針對CZ鐵路隧道施工過程的安全管理問題，設計并開發了隧道安全信息預警系統，實現了隧道施工過程的動態監管和多元信息的全方位預警，顯著提升了施工安全風險的可控性。此外，王輝麟等[4]探討了隧道施工安全管理與風險預警技術的應用，強調了智能化技術在提升施工安全預警能力方面的重要性。

學者們普遍認為，智能化技術如傳感器、物聯網、大數據和人工智能等，在隧道施工安全管理中的應用，不僅能夠實現對施工現場的實時監控，還能通過數據分析預測潛在的安全風險，從而采取及時有效的預防措施。然而，這些技術的應用也面臨著技術集成、數據安全和人員培訓等方面的挑戰。

總體來看，智能化隧道施工安全管理正逐漸成為行業發展的新趨勢，其在提高施工安全性、降低事故發生率等方面展現出巨大潛力。未來，隨著技術的不斷成熟和創新，智能化安全管理將在隧道施工領域得到更廣泛的應用。

1 智能化隧道施工安全管理的理論基礎

智能化隧道施工安全管理是將工程管理和信息技術相結合，其內容涵蓋安全管理、應急管理、技術管理、信息傳輸等多個方面，以確保隧道施工安全。

1.1 智能化施工安全管理的概念

智能化安全管理是指在安全管理過程中，通過傳感器、物聯網、大數據、云計算和人工智能等現代信息技術，實現對施工過程的實時監控、數據分析和風險預警。這種管理方式能夠提高安全管理的自動化、精準化和智能化水平，有效預防和減少安全事故的發生。

1.2 智能化技術在施工安全管理中的應用

在隧道施工安全管理中，智能化技術的集成應用主要通過傳感器、物聯網、大數據、云計算和人工智能技術體現。例如，傳感器技術是利用各種傳感器監測隧道施工過程中的環境參數（如瓦斯濃度、一氧化碳、溫度、濕度等）和結構參數（如圍巖位移、應力應變等），為安全管理提供實時的數據支持。物聯網技術是通過物聯網實現施工設備、傳感器和監控平臺之間的互聯互通，確保數據的實時采集和傳輸。大數據技術是應用大數據分析技術對采集到的大量施工數據進行存儲、處理和分析，挖掘施工過程中存在的潛在安全風險。云計算技術是利用云計算提供的數據存儲、處理和分析服務，實現施工安全管理的高效計算和資源的優化配置。人工智能技術是運用機器學習、深度學習等人工智能技術對施工安全風險進行智能識別、評估和預警。

2 智能化技術在隧道施工安全管理中的應用

2.1 項目背景介紹

安徽某在建高速公路全線設隧道5 217.7 m/3座，其中特長隧道4 312.57 m/1座，中隧道651 m/1座，短隧道203.5 m/1座，棚洞100 m/1座，斜井778 m/1處。其中，某隧道設計為分離式隧道，右線起訖樁號為K178+630～K182+954.693，全長4 324.693 m；左線起訖樁號為ZK178+643～ZK182+943.44，全長4 300.44 m；均采用端墻式明洞門，隧道最大埋深約116 m，屬特長隧道；隧道斜井起訖樁號為XK0+000～XK0+778.623，全長778.623 m，最大埋深約117.27 m。

由于施工隧道的特殊性和復雜性，在建設過程中必然存在諸多不確定和不安全因素。隧道建設屬于多事故頻發行業，事故的發生往往具有突發性和不可預見性，一旦發生事故，其后果通常較為嚴重。為了克服施工中的上述難題，提高項目施工效率，保障施工安全，建設一套隧道施工安全管理系統十分必要。

隧道建設信息化管理平臺將以隧道安全管理為核心，構建智能監測和安全防范體系，以有效彌補傳統方法和技術在監管中的缺陷，變被動“監督”為主動“監控”，體現“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產方針。

傳統的數據監測和安全管理易受人為影響且效率低下，通過引入高精度傳感器、大數據、人工智能等互聯網技術，可以有效提高數據的真實性、穩定性，實時性。整體架構建設以隧道人員車輛考勤門禁、人員定位管理系統、有毒有害氣體檢測、應急廣播電話、安全步距檢測、一鍵緊急報警、LED顯示屏、指揮管理中心等多個子系統或功能模塊為主，提供開放擴展接口，后續可根據隧道建設與運營管理監測需要逐步接入新的監測管理模塊，建設可持續擴展的隧道綜合管理信息化平臺，提高隧道工程建設的數字信息化水平，實現“智慧隧道”的建設目標。

2.2 系統功能介紹

隧道施工安全綜合管理系統由隧道門禁系統、視頻監控系統、LED顯示系統、人員定位系統、氣體檢測系統、應急電話及廣播系統、救援逃生系統、步距監測系統等組成，實現對施工現場的全面監控和管理。

2.2.1 隧道門禁系統

隧道施工專業性強、危險因素多，為了限制無關人員、車輛進入隧道施工現場，提高施工現場的安全性，通過在隧道進出口安裝門禁系統，實現獲得權限的作業人員、管理人員及車輛才能進入隧道，實時準確統計隧道內作業人員、車輛的數量；非項目人員、未經登記和授權的車輛無法擅自進入施工現場，杜絕安全隱患，切實保障隧道的作業生產安全。

隧道門禁系統分為人員門禁系統和車輛門禁系統，實現人車分流，保證人車進出的安全通行。

隧道人員門禁系統目前有兩種常規識別方式：刷卡識別和人臉識別，采用實名制登記和人員定位卡綁定，共用一套系統，實現統一管理。有權限的人員可通過識別設備驗證成功后進出通道，系統自動記錄人員姓名、班組、進入時間等信息，并實時同步到LED顯示屏上，對入場人員進行實時數據統計。動態人臉識別技術實現將人臉識別門禁與考勤的合二為一，可實現生物防假，一旦發現識別的是人臉圖片或人臉視頻，系統將無法驗證，從而杜絕代識別、代考勤等“臉不對版”的現象，提高考勤的可靠性，增強人員的出入把控能力，解決傳統人工查驗證件放行、人員假冒、考勤信息不準確等缺點；人臉識別機自帶安全帽檢測功能，未佩戴安全帽禁止進入隧道。

隧道車輛門禁系統通過識別車牌，將有權限的車輛放行通過，實現對洞內車輛具體數量的實時掌控，能與LED系統實現聯動，實時反饋信息。

隧道門禁系統是確保施工人員和車輛有序進出的第一道防線。通過智能化的門禁控制，實現了對人員和車輛的嚴格管理，同時對進出人員進行實名制登記，為安全管理提供了基礎的數據支持。

2.2.2 LED顯示系統

隧道現場LED大屏多采用P10單紅顯示屏或者彩色大屏，用于實時顯示隧道內施工人員的班組信息、人員明細、進出洞時間、有毒有害氣體數據、安全步距監測值、施工工序安全公告、項目信息、歡迎詞、時間日期、安全教育培訓、集團宣傳視頻、現場會議等內容，顯示內容可根據需要自行調整。LED大屏的尺寸可以根據實際需要進行量身定制。LED大屏的存在，充分體現隧道施工項目部在管理上的施工信息透明化、信息化，LED大屏安裝在隧道入口附近，以靠近值班室為佳，為科學施工提供技術支持。

LED顯示系統作為信息發布的重要平臺，可以實時顯示施工進度、安全提示、環境監測數據等信息，提高了信息傳遞的效率和準確性，增強了施工人員的安全意識。

2.2.3 視頻監控系統

隨著隧道開挖的不斷深入，大量的挖掘機器、運輸車輛及施工人員也因工程進度而加大出入頻率，在一些關鍵點位（隧道內外、施工便道、鋼筋加工場、試驗室、拌和站等）安裝視頻監控系統，也越來越必要。視頻監控系統包括前端視頻采集設備、通訊傳輸設備，以及后端的視頻處理服務器。系統具有實時存儲、回放、檢索、查詢功能，視頻圖像可通過網絡實時傳輸到信息化管理平臺，可以全方位實時遠程查詢管轄范圍內重要工程或部位的施工動態，及時掌握現場情況并隨時做出快速反應，為隧道安全施工保駕護航。

視頻監控系統通過高清攝像頭對施工現場進行24 h實時監控，不僅保障了施工人員的安全，還能對施工設備和材料進行有效監管。視頻數據的實時傳輸和存儲，為事后分析和事故調查提供了重要依據。

2.2.4 人員定位系統

當遇到隧道突發事故，若對隧道施工人員的救援缺乏可靠的位置信息，往往造成信息不暢通、數據不準確等，不利于事故的搶險救援，極易造成事故損失的擴大。實現對施工人員、物資、機械設備進行全天候的實時定位、軌跡跟蹤和自動考勤，掌握每個員工在隧道的位置及活動范圍，區分隧道危險區域等功能的需求萬分迫切。

隧道人員定位系統是隧道安全管理系統的一項重要組成部分，其通過定位基站與人員定位卡實時交互數據，獲取人員的相對位置，定位基站將加密數據上傳到監控中心服務器，經后端定位引擎軟件分析處理后，結合隧道地圖，將定位卡位置顯示出來。該流程可實時掌握洞內人員的分布情況，對施工人員進行實時位置的跟蹤管理和軌跡回放。同時，該系統還能實現實時位置顯示、快速人員檢索、人員定位統計、求救報警電話查詢、歷史數據回放、設置危險區域電子圍欄報警等功能。

人員定位系統利用RFID、UWB等技術實時跟蹤施工人員的位置，確保在緊急情況下能夠快速定位并采取救援措施，推動人員管理工作向制度化、規范化、實時化方向發展，有助于優化人員調度和管理。

2.2.5 氣體檢測系統

有毒有害氣體分為可燃氣體和有毒氣體兩大類，又根據對人體不同的作用機理分為刺激性氣體、窒息性氣體和急性中毒的有機氣體。

隨著隧道開挖的深入，隧道可能會出現有毒有害氣體和粉塵，如甲烷、一氧化碳、硫化氫等氣體和顆粒物。為加強對隧道施工人員的安全管理，避免在隧道施工過程中因氣體和粉塵超限而帶來的危害，部署隧道氣體檢測系統非常有必要。

采用高精度本安型氣體傳感器和超標聲光報警器，可以24 h連續在線監測掌子面附近的氣體數據，監測數據可在洞口LED大屏上實時顯示，同時聯動聲光報警器同步報警，一旦檢測到超標情況，立即發出警報，保障施工人員的健康和安全。

2.2.6 應急電話及廣播系統

隨著隧道開挖面的深入，洞內與外界移動手機的通信訊號可能會中斷，在遇到突發事故，如崩塌、涌水涌泥等，不能及時向隧道監控室匯報，容易貽誤搶險時機。此外，現場聲音嘈雜，普通電話機鈴聲不能引起工作人員注意，導致生產調度和緊急撤離指令得不到及時傳達，易造成安全事故和經濟損失。基于此，接入了應急電話及廣播系統，可實現作業面與外界的通信聯系，滿足生產調度、應急搶險及緊急處理的功能需要。該系統具有高防護、低功耗、防塵防潮、抗噪能力強、聲音清晰洪亮等特點，采用無線網橋進行信號傳輸，大大降低通信線路被損壞的風險。應急通話系統具備通話錄音和查詢功能，可實現洞內作業面、攪拌站、洞口值班室、指揮中心等場所之間的通話。廣播系統支持在線或離線使用，聲音清晰洪亮，可有效保證指令的上行下達。

應急電話及廣播系統在緊急情況下發揮著至關重要的作用，能夠迅速傳達撤離指令或安全警示，確保信息的及時傳達，提高應急響應速度。

2.2.7 步距監測系統

在隧道建設過程中，應重視隧道安全步距的監測，國家相關管理部門對隧道安全步距也有著嚴格要求，圍巖等級不同其安全步距的要求也不同。隧道安全步距監測系統通過在隧道洞壁、二襯臺車、防水臺車（仰拱方向）和開挖臺車位置，安裝基于毫米波雷達的步距儀主站和參考點，由主站將參考點之間的測距數據通過信號傳輸設備發送至服務器，通過模型算法計算彼此的步距關系，精確到厘米級別，并將監測結果實時展示在隧道模擬地圖上并設置預警值，當超過預警值時會觸發報警。

步距監測系統專門針對隧道施工中的關鍵安全參數進行實時監控，確保施工過程中的安全步距符合規范要求，防止因步距不當導致安全事故的發生。

3 結論與展望

該文深入探討了智能化技術在隧道施工安全管理中的應用，并以安徽某高速公路項目中的隧道智慧化建設為例，通過構建一個綜合性的智能管理平臺，實現了對隧道施工的全面監控，包括人車分流門禁、人員定位、有毒有害氣體監測、應急電話及廣播、安全步距監測等關鍵安全要素的智能化管理，突顯了信息化技術在隧道施工安全管理中的集成應用所帶來的顯著優勢，不僅提高了數據的真實性、穩定性和實時性，而且通過主動監控代替傳統的被動監督，可有效預防和及時響應潛在的安全風險，提升了隧道施工的安全管理效率和響應能力，確保了施工人員的安全和工程質量。

隨著人工智能、物聯網、大數據分析等技術的持續進步，隧道施工安全管理將實現更高水平的自動化和智能化。系統功能將進一步優化，實現更全面、高效的安全監管。同時，大數據和云計算的深入應用，將為安全管理提供更加科學的決策支持。此外，施工安全文化的普及和提升，以及跨學科融合的推動，將進一步促進隧道施工安全管理的創新和發展。未來該領域的研究將繼續向著更高效、更智能、更人性化的方向發展，為隧道施工安全提供更加堅實的保障。

參考文獻

[1]楊禮鎧.隧道施工安全管理與風險預警技術研究[J].城市建設理論研究（電子版）， 2024（8）：61-63.

[2]柳立峰.隧道施工安全管理及評價體系研究[D].重慶：重慶大學， 2008.

[3]劉彬，崔賢，孫國輝，等.隧道安全信息預警系統研發與應用[J].工業建筑， 2023（S2）：899-902.

[4]王輝麟，蔣秋華，索寧，等.鐵路隧道施工安全管理與風險預警技術的應用[J].鐵道建筑， 2013（3）：72-74.