馬海波

（中鐵十六局集團(tuán)第一工程有限公司，北京 101300）

橋梁隧道工程建設(shè)具有資金投入多、技術(shù)要求高、管理難度大的特點(diǎn)[1]。為了提升橋梁隧道工程施工過程的安全管理水平，我國(guó)出臺(tái)了多項(xiàng)政策法規(guī)，促進(jìn)新技術(shù)、新工藝與安全管理充分結(jié)合。如2019年發(fā)布的《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》中明確指出，需要強(qiáng)化信息技術(shù)手段的應(yīng)用，提升事故的可預(yù)知能力；2020年發(fā)布的《高速鐵路安全防護(hù)管理辦法》中強(qiáng)調(diào)，采用信息化管理辦法合理安排橋梁隧道工程的施工工序，減少資源浪費(fèi)和管理混亂現(xiàn)象[2]。

傳統(tǒng)橋梁隧道工程施工安全管理工作以人工為主，采用現(xiàn)場(chǎng)巡檢巡查、事故數(shù)據(jù)對(duì)比、隱患風(fēng)險(xiǎn)分析等方法開展管理活動(dòng)，容易出現(xiàn)工作效率較低、監(jiān)管質(zhì)量不夠嚴(yán)格、時(shí)效性和科學(xué)性較差等情況，不符合“智能基建”的發(fā)展要求[3]。

文章基于互聯(lián)網(wǎng)、傳感器、有限元分析、數(shù)據(jù)回歸與預(yù)測(cè)等技術(shù)手段，對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、提前發(fā)現(xiàn)、提前預(yù)警并進(jìn)行及時(shí)信號(hào)傳送，探索橋梁隧道工程施工安全管理技術(shù)，實(shí)現(xiàn)施工安全監(jiān)管工作的模式創(chuàng)新、應(yīng)用創(chuàng)新與理論創(chuàng)新。

1 橋梁隧道工程施工安全影響因素分析

1.1 地基穩(wěn)定性探測(cè)

橋梁隧道工程對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性要求較高，主要結(jié)構(gòu)管控內(nèi)容包括洞頂結(jié)構(gòu)承重能力以及通行車輛與橋梁結(jié)構(gòu)發(fā)生共振時(shí)對(duì)地基的沖擊。橋梁隧道工程多處于山區(qū)，巖土力學(xué)特性測(cè)算難度較高。地基穩(wěn)定性是保證橋梁隧道工程安全、可長(zhǎng)期使用的重要控制內(nèi)容，在初設(shè)階段應(yīng)詳細(xì)掌握區(qū)域內(nèi)水文地質(zhì)條件，重點(diǎn)關(guān)注自然氣候特征[4]。

1.2 洞內(nèi)作業(yè)安全性

橋梁隧道施工主要在山體內(nèi)開展，投入大型機(jī)械設(shè)備較多。應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注結(jié)構(gòu)共振、受力不均勻以及有毒有害氣體、涌水等情況。傳統(tǒng)安全管理工作主要以人工隱患排查為主，機(jī)械加固為輔，風(fēng)險(xiǎn)控制范圍有限，無(wú)法有效排查事故源，預(yù)防效果較低。利用聲波傳導(dǎo)、視頻監(jiān)控等手段可有效提升事故排查能力。

1.3 洞內(nèi)涌水

施工過程中，涌水情況較為常見。若涌水得不到及時(shí)處理，將嚴(yán)重影響施工進(jìn)度，影響洞內(nèi)金屬結(jié)構(gòu)耐久性?？赏ㄟ^在隧道壁安裝盲管輔助排水進(jìn)行處理，但盲管的安裝定位較難，易出現(xiàn)盲管失效導(dǎo)致的涌水漫灌情況[5]。

2 橋梁隧道工程施工安全信息化手段

2.1 非接觸式無(wú)損探測(cè)

為了獲得詳實(shí)的地下巖土結(jié)構(gòu)和水資源分布資料，減少地面氣候條件干擾，在橋梁隧道工程地基探測(cè)過程中，可以采用非接觸式無(wú)損探測(cè)技術(shù)。非接觸式無(wú)損探測(cè)采用有源波設(shè)備向探測(cè)點(diǎn)發(fā)射電磁信號(hào)，通過對(duì)比反射信號(hào)與發(fā)射信號(hào)的功率差異可以對(duì)地質(zhì)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)進(jìn)行判斷。探地雷達(dá)利用高頻電磁波反射獲取地層結(jié)構(gòu)分布，采用毫米波雷達(dá)向地下發(fā)射雷達(dá)波，通過檢測(cè)回傳信號(hào)的衰減程度繪制地下巖土層的分布情況，并進(jìn)行三維可視化顯示。文章使用的探地雷達(dá)型號(hào)為GP8000，GP8000探地雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 GP8000探地雷達(dá)關(guān)鍵參數(shù)

為了滿足精度需求，可以搭配使用有源傳感器持續(xù)監(jiān)測(cè)地面振動(dòng)情況，通過對(duì)地面振動(dòng)波的傳輸衰減監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)獲知地下水文信息，掌握詳細(xì)的地基情況。非接觸式無(wú)損有源探測(cè)技術(shù)可以避免工作環(huán)境影響，數(shù)據(jù)結(jié)果更加詳實(shí)和全面，采用專業(yè)的數(shù)據(jù)分析軟件實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)顯示和三維顯示。

2.2 支架施工檢測(cè)預(yù)警系統(tǒng)

橋梁隧道工程建設(shè)過程中，鋼結(jié)構(gòu)支架較為普遍，但作為臨時(shí)設(shè)施，鋼結(jié)構(gòu)支架脆性較高、易曲折、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性較差，易出現(xiàn)安全事故。工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)級(jí)中，將鋼結(jié)構(gòu)支架系統(tǒng)評(píng)定為中級(jí)或更高級(jí)別風(fēng)險(xiǎn)源。為了提高支架風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)水平，應(yīng)構(gòu)建完善的安全預(yù)警系統(tǒng)。在支架軸力產(chǎn)生部位加裝力敏型傳感器，對(duì)軸力變化情況進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)，設(shè)定軸力變化閾值，對(duì)超閾值情況進(jìn)行聲光警報(bào)。實(shí)時(shí)收集軸力變化的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并進(jìn)行分類保存。利用1553總線搭建數(shù)據(jù)傳輸平臺(tái)，將現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)傳輸?shù)较到y(tǒng)后臺(tái)進(jìn)行存儲(chǔ)和備份。利用有限元分析軟件生成軸力沿支架的立體分布，輔助工程師進(jìn)行結(jié)構(gòu)調(diào)整方案。支架風(fēng)險(xiǎn)安全預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 支架風(fēng)險(xiǎn)安全預(yù)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

利用安全預(yù)警系統(tǒng)可以對(duì)支架的結(jié)構(gòu)安裝合理性進(jìn)行在線復(fù)核，對(duì)支架的結(jié)構(gòu)受力薄弱點(diǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)。根據(jù)預(yù)測(cè)結(jié)果加裝振動(dòng)傳感器，對(duì)振動(dòng)數(shù)據(jù)進(jìn)行單獨(dú)監(jiān)測(cè)，控制共振風(fēng)險(xiǎn)。支架預(yù)警系統(tǒng)可以有效監(jiān)測(cè)軸力變化，為支架結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性提供數(shù)據(jù)支持。定制版圓環(huán)狀電阻應(yīng)變式軸力傳感器關(guān)鍵參數(shù)如表2所示。

表2 定制版圓環(huán)狀電阻應(yīng)變式軸力傳感器關(guān)鍵參數(shù)

圓環(huán)狀電阻應(yīng)變式軸力傳感器可以根據(jù)支架鋼管尺寸設(shè)計(jì)傳感器圓環(huán)半徑，安裝后與支架形成整體。通過對(duì)支架內(nèi)部應(yīng)力值的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以掌握鋼結(jié)構(gòu)支架、與支架接觸的山體以及其他受力部位的力學(xué)變化情況，提前預(yù)判極端情況，為工程技術(shù)人員采取減震措施提供數(shù)據(jù)支持。

2.3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

橋梁隧道工程實(shí)施時(shí)，山體內(nèi)部環(huán)境特征復(fù)雜，無(wú)法有效架設(shè)有線網(wǎng)，且墻壁掩體的不規(guī)則反射易導(dǎo)致無(wú)線信號(hào)傳輸受到干擾，嚴(yán)重影響通信質(zhì)量。為了提高信號(hào)傳輸水平，可以在隧洞內(nèi)架設(shè)ZigBee網(wǎng)絡(luò)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)采用分布式節(jié)點(diǎn)傳輸，衰減率低，無(wú)須設(shè)置基站，適合在山體空間內(nèi)使用。ZigBee網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)如表3所示。

表3 ZigBee網(wǎng)絡(luò)關(guān)鍵參數(shù)

利用ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)多種傳感器數(shù)據(jù)的冗余傳送，能夠開辟專用信道傳輸指揮信號(hào)。ZigBee網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)的高效回傳，有效提高數(shù)據(jù)分析的效率，方便工程指揮人員快速作出決策，提高施工現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)急處置能力。

2.4 利用BIM三維模擬安排工程項(xiàng)目進(jìn)度并演練

BIM技術(shù)是一種多功能實(shí)時(shí)在線三維建模技術(shù)，在建筑工程項(xiàng)目管理領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。橋梁隧道工程建設(shè)管理過程中，并行工序較多，工序管理相對(duì)復(fù)雜。工序安排的有序性是確保工程項(xiàng)目穩(wěn)步實(shí)施的關(guān)鍵。

結(jié)合BIM技術(shù)的橋梁隧道施工流程如圖2所示。

圖2 結(jié)合BIM技術(shù)的橋梁隧道施工流程

利用BIM技術(shù)進(jìn)行橋梁工程施工工序管控時(shí)，應(yīng)結(jié)合各種傳感器采集的工程項(xiàng)目參數(shù)，構(gòu)建橋梁主體的三維模型，在模型中明確標(biāo)注各關(guān)鍵部位的結(jié)構(gòu)參數(shù)。結(jié)合工程建設(shè)目標(biāo)，將待建項(xiàng)目所需的各種資源，如施工機(jī)械、人力資源、材料配件等在三維模型中進(jìn)行標(biāo)簽化處理。統(tǒng)計(jì)各關(guān)鍵結(jié)構(gòu)建設(shè)所需的資源量和施工時(shí)間，根據(jù)工程項(xiàng)目建設(shè)需求對(duì)各工序進(jìn)行合理編排。利用BIM技術(shù)動(dòng)態(tài)演示完整施工過程，重點(diǎn)關(guān)注施工機(jī)械的調(diào)度、各項(xiàng)材料配件的投入等，對(duì)工序之間的沖突節(jié)點(diǎn)進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，并重新演練，直到完整的工程項(xiàng)目施工流程順利實(shí)施。各工藝之間沒有矛盾節(jié)點(diǎn)或者冗余項(xiàng)之后停止演練，將施工流程導(dǎo)出，最大限度地減少具體實(shí)施過程中可能存在的節(jié)點(diǎn)沖突。

3 結(jié)語(yǔ)

橋梁隧道工程在實(shí)施過程中，應(yīng)采取多種方法確保施工安全。文章對(duì)信息化手段提升橋梁隧道工程施工安全管理水平進(jìn)行探索研究。通過多種措施的綜合運(yùn)用，有效提升了橋梁隧道工程的安全管理水平和信息化覆蓋效果，強(qiáng)化了對(duì)地質(zhì)信息以及施工現(xiàn)場(chǎng)結(jié)構(gòu)件穩(wěn)定情況的數(shù)據(jù)采集能力。能夠?yàn)楣こ碳夹g(shù)人員開展安全管理巡查和監(jiān)測(cè)提供完善的數(shù)據(jù)支持。信息化技術(shù)應(yīng)妥善融合傳統(tǒng)工藝和技術(shù)手段，結(jié)合工程實(shí)際情況與技術(shù)成本，進(jìn)一步優(yōu)化橋梁隧道工程信息化安全檢測(cè)的技術(shù)方案，確保信息技術(shù)投入精準(zhǔn)有效，有效完成橋梁隧道工程安全管理信息化轉(zhuǎn)型，提高工程安全管理水平與建設(shè)質(zhì)量。