朱學(xué)輝

高風(fēng)險隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)研制與應(yīng)用

朱學(xué)輝

摘 要：針對高風(fēng)險隧道施工安全存在的諸多難點，以中川鐵路九合二號高風(fēng)險隧道施工安全管理為平臺，應(yīng)用信息技術(shù)和隧道模型仿真技術(shù)搭建高風(fēng)險隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道的“可視化建造”和“安全風(fēng)險的可視化預(yù)警管理”。在實際應(yīng)用中，通過地質(zhì)勘探報告、超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的指標化存取和量化分析，融合風(fēng)險評估報告、現(xiàn)場異常報告、專家遠程支持等資源構(gòu)建風(fēng)險識別的參數(shù)化模型。系統(tǒng)具備開放性工程項目資料管理、多媒體隧道工程知識庫等相關(guān)的應(yīng)用性、擴展性和推廣性功能。

關(guān)鍵詞：風(fēng)險矢量模型；地質(zhì)勘測；數(shù)據(jù)標量化；Web 3D模型；動態(tài)分析

1 研制背景

隨著經(jīng)濟的迅速發(fā)展，我國隧道建設(shè)日新月異。由于城市地鐵、鐵路隧道和高速公路隧道能改善路線技術(shù)指標，縮短路程和行車時間，提高運營效益，因此國家不斷加大隧道的建設(shè)力度。然而隧道施工投資大、周期長、項目多、技術(shù)復(fù)雜、不可預(yù)見風(fēng)險因素多、社會影響大，由于技術(shù)與管理力量難以充分保證，對隧道施工安全風(fēng)險認識不客觀，施工風(fēng)險管理的科學(xué)性欠缺和信息化程度不高等因素的存在，我國隧道施工事故頻發(fā)，形勢嚴峻。

1.1 我國鐵路隧道施工信息化水平較低

隧道工程的基本特點是“地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜，基礎(chǔ)信息匱乏”，目前我國隧道安全風(fēng)險管理與控制策略研究仍在起步階段，管理模型的自動化程度不高，影響風(fēng)險管理及控制的可靠性和時效性。因此，一種集設(shè)計、施工、監(jiān)測、反饋設(shè)計于一體的“多級自優(yōu)化”隧道信息化設(shè)計與施工方法已成為推動隧道工程建設(shè)日趨規(guī)范、科學(xué)、合理的主導(dǎo)動力。隧道工程現(xiàn)場監(jiān)測是該方法得以廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵，是從個體到群體解決隧道與地下工程力學(xué)、設(shè)計、施工問題的一種重要手段。只有實時獲取到反映隧道圍巖整體穩(wěn)定狀態(tài)的各種信息并及時分析、處理與反饋，才能真正反映隧道工程開挖過程的動態(tài)變化，體現(xiàn)其“信息化”的特點。

1.2 高風(fēng)險隧道施工安全面臨巨大考驗

按照設(shè)計方案，蘭州至中川機場線一共包含9大隧道工程，其中3條隧道都被定義為高風(fēng)險隧道，最為特殊的是九合二號隧道，隧道全長2870m，洞身穿越第三系砂巖，洞身（口）下穿京藏高速公路和約80m長的細沙地層。高風(fēng)險隧道施工風(fēng)險管理面臨的問題：地質(zhì)條件復(fù)雜多變；隧道施工安全風(fēng)險認識不客觀；風(fēng)險管理的科學(xué)性欠缺；信息化程度不高；技術(shù)與管理力量難以充分保證。

1.3 隧道施工檢測、監(jiān)測信息的自動化管理

高風(fēng)險隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)項目研究基于高風(fēng)險隧道施工面臨的巨大風(fēng)險，重在探索高風(fēng)險隧道管理信息化和風(fēng)險預(yù)警控制，從而構(gòu)造一個隧道地質(zhì)信息結(jié)合施工進程的三維信息模型，實現(xiàn)可視化的風(fēng)險預(yù)警評估管理。系統(tǒng)以九合二號隧道為研究載體，以隧道工程的監(jiān)測信息為研究對象，并通過計算機編程，由軟件系統(tǒng)進行信息錄入、數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換、圖形繪制、結(jié)果分析而實現(xiàn)。把隧道的預(yù)設(shè)計與現(xiàn)場監(jiān)控量測、信息化反饋技術(shù)巧妙結(jié)合，采用及時支護、分期實施、柔剛適度、全環(huán)封閉等一整套充分發(fā)揮圍巖自承能力的原則和方法，并用計算機編程實現(xiàn)監(jiān)測信息錄入方便、快速，圖線繪制快捷、美觀，信息反饋及時、準確的綜合功能。

2 系統(tǒng)內(nèi)涵及特點

2.1 系統(tǒng)內(nèi)涵

通過最新的計算機信息技術(shù)對隧道工程中的設(shè)計信息、過程信息、進度信息、風(fēng)險信息等進行采集、存儲、分析、挖掘利用；借助三維虛擬仿真技術(shù)對隧道的地質(zhì)模型、進度模型、隧道內(nèi)外部實體模型進行重現(xiàn)；以高度可視化的形式對隧道施工過程中的潛在風(fēng)險進行識別、評估、提示和預(yù)警。

2.2 系統(tǒng)特點

（1）靈活性：基于B/S架構(gòu)設(shè)計開發(fā)，發(fā)布方式靈活，只要有網(wǎng)絡(luò)可隨時隨地訪問。

（2）統(tǒng)一性：各模塊間功能高度統(tǒng)一、存在有機的內(nèi)在聯(lián)系、實現(xiàn)工程資料及相關(guān)數(shù)據(jù)的完整性，達到統(tǒng)一管理、統(tǒng)一開發(fā)利用。

（3）高可視化：基于三維視圖模型技術(shù)，實現(xiàn)風(fēng)險數(shù)據(jù)、進度數(shù)據(jù)、地質(zhì)信息、量測數(shù)據(jù)等與三維視圖模型的有機整合與互動。

（4）一致性及兼容性：系統(tǒng)功能表現(xiàn)完全一致，具備良好的兼容性，平臺各模塊與數(shù)據(jù)之間也存在高度的一致性和協(xié)作性。

3 系統(tǒng)特征和主要功能

3.1 系統(tǒng)特征

高風(fēng)險隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)以JAVA語言為開發(fā)介質(zhì)，系統(tǒng)管理部分采用：Structs+Spring+Hibernate的模式，分別用于表現(xiàn)層、對象控制層與數(shù)據(jù)持久層的構(gòu)建。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

（1）實現(xiàn)隧道地質(zhì)信息、設(shè)計信息、過程信息、進度信息、風(fēng)險信息等的電子化檔案管理。

（2）對地質(zhì)勘察報告、超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)進行電子采集，生成隧道的三維地質(zhì)漫游模型及靜態(tài)風(fēng)險模型，輔助設(shè)計人員和工程師提供動態(tài)風(fēng)險的識別、管理和預(yù)警功能。

（3）實現(xiàn)隧道施工進度和過程的電子化管理，用高仿真三維模型對隧道的施工進程進行模擬展示。

（4）著重對地質(zhì)勘探、超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測、施工工法、風(fēng)險識別、風(fēng)險預(yù)警等內(nèi)容進行收集、整合和索引，并提供多方位的知識檢索服務(wù)。

3.2 系統(tǒng)主要功能

（1）實現(xiàn)超前地質(zhì)預(yù)報成果記載、地質(zhì)風(fēng)險的表格化看板預(yù)警揭示，初步構(gòu)建一個四方會審的專家決策模型。

①超前地質(zhì)預(yù)報：將超前地質(zhì)預(yù)報文檔進行數(shù)據(jù)量化處理，為風(fēng)險判斷提供數(shù)據(jù)支持（見圖2）。

②通過地質(zhì)勘探報告、超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)的指標化存取和量化分析，融合風(fēng)險評估報告、現(xiàn)場異常報告、專家遠程支持等資源構(gòu)建風(fēng)險識別的參數(shù)化模型。

隧道施工中的風(fēng)險等級提示：提示內(nèi)容包括可能風(fēng)險、風(fēng)險來源、風(fēng)險類型等，對于圍巖量測和超前地質(zhì)預(yù)報區(qū)別對待。

圖1 高風(fēng)險隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

圖2 超前地質(zhì)預(yù)報

風(fēng)險報告的產(chǎn)生流程：量測數(shù)據(jù)錄入—數(shù)據(jù)提交—預(yù)報結(jié)論生成—風(fēng)險預(yù)警提示。

如果施工中出現(xiàn)較為嚴重的風(fēng)險預(yù)警，系統(tǒng)可利用遠程網(wǎng)絡(luò)召集建設(shè)方、施工方、設(shè)計方、監(jiān)理方四方進行風(fēng)險會審（見圖3），最終產(chǎn)生風(fēng)險報告，從時間和空間上節(jié)約成本。

（2）構(gòu)建從原始幾何尺寸到施工量測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)模型，實施施工進度的可視化管理。

①對“風(fēng)險評估報告、超前地質(zhì)報告、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)”進行矢量化風(fēng)險評估模型的構(gòu)建。通過對量測人員錄入的數(shù)據(jù)進行地質(zhì)勘測數(shù)據(jù)標量化，自動繪制時間-位移曲線，產(chǎn)生風(fēng)險矢量模型。通過對量測數(shù)據(jù)動態(tài)分析，當監(jiān)測數(shù)據(jù)大于預(yù)定警戒值后，系統(tǒng)會及時發(fā)出警告信息，由專業(yè)技術(shù)人員分析原因并制定相應(yīng)的處理措施。

②實現(xiàn)隧道的“可視化建造”。通過對施工進度報告的量化分析形成可視的施工進度報告（見圖4），方便施工方對施工進度的直觀認識。

（3）搭建“隧道地質(zhì)信息與施工過程管理信息”融合的精細化三維實體模型。虛擬現(xiàn)實（VR）是一種可創(chuàng)建和體驗虛擬世界的計算機系統(tǒng)。Web3D模型由計算機生成，用戶可借助視覺、聽覺及觸覺等多種傳感通道與虛擬隧道進行自然的交互。以仿真的方式給用戶創(chuàng)造實時反映實體對象變化與相互作用的三維虛擬世界（見圖5），提供給用戶一個觀測及與該虛擬世界交互的三維界面，使用戶可直接參與并探索仿真對象在所處環(huán)境中的作用與變化，產(chǎn)生沉浸感。具有沉浸性、交互性和構(gòu)想性，形成具有交互效能多維化的信息環(huán)境。

圖3 四方風(fēng)險會審

圖4 施工進度報告

圖5 精細化三維實體模型

（4）具備開放性工程項目資料管理、多媒體隧道工程知識庫。系統(tǒng)具有統(tǒng)一的、先進的平臺標準，符合國家關(guān)于信息化平臺建設(shè)的有關(guān)標準，并與現(xiàn)有的網(wǎng)絡(luò)資源和各種信息資源達成共享，使這些系統(tǒng)能方便接入本系統(tǒng)。

①開放性工程項目資料管理。本課題雖以在建的九合二號高風(fēng)險隧道為研究載體，以其工程為數(shù)據(jù)支撐，但可擴展進行多個隧道的管理，包括建設(shè)方、監(jiān)理方、施工方、設(shè)計方等當前項目的基本信息的管理。

②開放性多媒體隧道工程知識庫。一個多學(xué)科、多技術(shù)、專業(yè)性極強的信息化數(shù)據(jù)系統(tǒng)，對于普通的使用者在使用過程中，不可能了解和掌握項目相關(guān)的專業(yè)知識，從而充分發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢。為把用戶培養(yǎng)成專家型用戶，充分利用和發(fā)揮系統(tǒng)的特點，構(gòu)建一個開放性的多媒體隧道工程知識庫，可隨時通過系統(tǒng)平臺進行新知識、新內(nèi)容的添加、編輯和修改。

知識庫在設(shè)計上考慮與工程相關(guān)的專業(yè)信息、科學(xué)文獻、專家經(jīng)驗、知識模型等各類電子資料。如：工程設(shè)計的數(shù)據(jù)報告、設(shè)計方案、施工圖紙、風(fēng)險度評估報告，地質(zhì)圍巖分級、分類信息、相關(guān)參數(shù)信息、水文氣象條件，施工規(guī)范及施工工法，風(fēng)險等級、風(fēng)險事件、風(fēng)險評估模型、風(fēng)險應(yīng)對措施。這些信息的收集，使用戶在使用平臺時，能更好解讀數(shù)據(jù)報告、量測數(shù)據(jù)，更加科學(xué)有效地使用系統(tǒng)，把風(fēng)險降到最低。

4 實施效果

系統(tǒng)以在建的九合二號高風(fēng)險隧道工程為數(shù)據(jù)支撐，有效推動隧道施工項目的信息化、科學(xué)化管理，系統(tǒng)功能豐富，覆蓋施工過程中所有可管控環(huán)節(jié)，尤其對超前地質(zhì)預(yù)報、監(jiān)控量測管理及工程進度等常用管理事務(wù)具有很好支撐。風(fēng)險預(yù)警功能和三維模型技術(shù)的應(yīng)用，為隧道安全風(fēng)險管理開啟了一扇大門，提供直觀和高效的輔助或幫助，主要表現(xiàn)在以下幾個方面：

（1）及時發(fā)現(xiàn)問題及時報警，工作效率提高。標準化工程管理的業(yè)務(wù)流程，真正實現(xiàn)工程項目管理的業(yè)務(wù)自動化、規(guī)范化，生產(chǎn)效率得到有效提升?？紤]到平臺建設(shè)的現(xiàn)狀和發(fā)展需求，系統(tǒng)應(yīng)用平臺具備跨平臺、支持多種數(shù)據(jù)類型環(huán)境的能力，采用構(gòu)件化設(shè)計方式，易于擴展和維護。系統(tǒng)從邏輯上看可分解為5個層次：決策層、應(yīng)用層、服務(wù)層、數(shù)據(jù)層和硬件層（見表1）。

表1 高風(fēng)險隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)邏輯層次

（2）信息共享程度提高，建設(shè)方、施工方、設(shè)計方、監(jiān)理方四方可以進行風(fēng)險會審。以往的工程中經(jīng)常出現(xiàn)由于信息不能及時溝通，造成資源浪費或者影響施工進度。通過業(yè)務(wù)流程與核心業(yè)務(wù)模塊的整合，實現(xiàn)工作分發(fā)、進度匯報和各種數(shù)據(jù)的共享，每個用戶都可通過網(wǎng)絡(luò)查詢相關(guān)信息，使計劃管理部門，工程、物資等項目部管理人員隨時了解項目進展情況，獲得所需數(shù)據(jù)。

（3）實現(xiàn)“安全風(fēng)險的可視化預(yù)警管理”。以往的隧道施工中主要以二維圖為主，施工數(shù)據(jù)不完整，隧道施工基本處于“盲打”的情況，系統(tǒng)的實施使得隧道施工可視化，能真實體現(xiàn)施工現(xiàn)場的進展情況，及時準確地統(tǒng)計各種數(shù)據(jù)。一些重要數(shù)據(jù)通過設(shè)置預(yù)警閥值，超過范圍時自動通知相關(guān)各部門，提醒工作人員處理。各級管理人員能及時發(fā)現(xiàn)、解決問題，幫助管理者對項目進行實時控制、進度預(yù)測和風(fēng)險分析。決策人員能及時掌握足夠的信息進行正確的決策，提高企業(yè)的決策水平和對市場變化的響應(yīng)速度。

（4）施工過程動態(tài)管理，提升管理水平。設(shè)計風(fēng)險與現(xiàn)場風(fēng)險相結(jié)合（設(shè)計報告、監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報），提高管理的規(guī)范化程度和管理水平，使企業(yè)管理由粗放管理變?yōu)榫毣芾?，由定性管理變?yōu)槎抗芾?，由靜態(tài)管理變?yōu)閯討B(tài)管理。

（5）軟件具有自主知識產(chǎn)權(quán)，通過鑒定評審?！案唢L(fēng)險隧道施工安全預(yù)警管理系統(tǒng)”已在中國版權(quán)保護中心申請并取得軟件著作權(quán)登記證書（證書編號：2015SR003606）。該系統(tǒng)的實施大大提高企業(yè)在市場中的競爭能力，有利于企業(yè)的進一步發(fā)展。系統(tǒng)經(jīng)過一年的實施及應(yīng)用，建設(shè)方、施工方、設(shè)計方、監(jiān)理方四方對項目部原業(yè)務(wù)流程作了新的調(diào)整，明確了崗位職責(zé)。項目部工作井然有序，建設(shè)方對項目成本的動態(tài)變化能夠及時掌握。通過成本分析，緊抓成本管理的重要環(huán)節(jié)，細致分析每一分項的成本構(gòu)成，為以后的高風(fēng)險隧道施工管理積累第一手資料。

朱學(xué)輝：中川鐵路有限公司，高級工程師，甘肅 蘭州，730000

責(zé)任編輯 苑曉蒙

中圖分類號：U458

文獻標識碼：A

文章編號：1672-061X（2015）05-0082-04