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1、地铁隧道施工风险预警系统研究摘要:通过对地质信息、施工信息和监测信息的获取与分析，以风险评估理论为基础，以模糊数学综合评判法为手段，对地铁施工的风险进行综合预测预报，并及时反馈。关键词:地铁隧道 施工 风险评估 预警系统引言: 隧道工程建设中,信息化设计与施工是隧道工程建设的重要技术手段。信息化设计与施工利用初步勘查得到的地质资料,采取数值模拟技术、理论计算和经验类比方法确定初步的设计方案,通过施工现场监测获得地质资料、围岩力学动态、支护工作状态的有关数据以及施工技术信息,反馈于设计和施工,从而选择和修正开挖、支护参数,使隧道的建设达到优化。与地面工程不同的是,隧道的勘察、设计、施工等环节允许
2、有交叉、反复。由于拟建隧道线上不能布置钻孔,所以工程地质勘察钻孔均沿隧道线外侧布置,隧道轴线工程地质纵剖面图中所有勘察孔均为由隧道外侧垂直投影到隧道轴线上的投影孔,所以钻孔揭示的地层岩性界线和溶洞发育实际位置并不一定就位于隧道范围内,这样勘察的地质情况就可能与实际的地质情况不相符。如果在隧道施工过程中发现不良地质现象,给工程的安全造成隐患,可能造成一定的经济损失。为了保证在隧道施工时的安全和高效,研究和设计隧道施工风险预警系统,及时将隧道施工地质情况反馈给设计和施工单位就显得越来越重要。绪论自十一五以来，我国加大了基础设施的建设力度，铁路、公路的建设规模逐步加大，路线逐渐由平原、微丘向山区、高
3、原挺进。隧道、桥梁等结构物占线路的比重越来越大，长、大型隧道越来越多。隧道的施工不同于路基、桥涵等工程，其不可预见因素太多，其施工中遇到的安全隐患也是最多的。近几年，在隧道的施工中时有崩塌、涌水涌泥、瓦斯爆炸等安全事故的发生。国家安监总局、铁道部、交通部等部门联合或单独均下文针对隧道施工安全管理措施进行过规定并提出具体指导意见。并要求各项目业主和施工单位多利用科技手段，信息化工具加强施工安全的管理，提高人员的安全防范意识。隧道施工安全管理系统：隧道施工人员定位子系统、隧道施工视频监控子系统、隧道逃生声光报警子系统。系统利用计算机技术、网络技术、信息技术、视频技术将隧道施工安全和工程管理紧密的结
4、合在一起，把声音、图像、数据、三种类型的信息，集成为一个可以实现远程监测、数据分析、调度指挥的隧道施工和安全智能管理平台。依靠声音、图像、数据分析，在隧道建设过程中进行全方位监控，全天候预警，上下联动，管控一体，实现施工和安全管理的科学化、智能化、信息化目标。1预警系统设计思路 为了便于进行隧道施工中信息的及时传递交流，利用网络平台( 如网站、腾讯 QQ 或飞信等即时通讯平台) 建立一个施工风险预警系统，随时向业主、监理单位、设计单位和施工单位提供地质咨询。本文所设计的隧道施工风险预警系统包括 3 个子部分: 信息采集、施工风险评估、信息反馈预警( 如图 1 所示) 。1) 信息采集包括地质信
5、息采集、施工信息采集和监测信息采集。地质编录作为隧道施工地质信息采集的主要方法之一，通过了解掌子面围岩的工程地质、水文地质状况，进而推断出掌子面前方的施工地质条件，为后续施工提供合理的施工方案。通过施工信息和监测信息采集，获得科学数据，进行整理分析，掌握隧道施工、围岩动态、支护结构的工作状态以及周边环境状态，修正设计支护参数和开挖方案。隧道施工人员定位子系统由读卡器、芯片、软件系统三部分组成。洞内安装读卡器，位置分别为距洞口和距掌子面相应位置。 系统的核心动态显示功能：任一时间查询并显示某个区域人员的身份、数量和分布情况。查询一个或多个人员现在的实际位置、活动轨迹。2) 选用模糊数学综合评判法
6、对施工风险进行评估，为了保证计算结果的准确性和节省时间，将模糊数学计算过程用 Java 语言编写出专门的一个操作简捷易懂的计算程序。根据风险评估的结果，参照警度判断表，及时做出信息的反馈和风险的预警。3) 信息反馈预警包括信息反馈、风险预警、风险排除 3 部分，采用网站和腾讯 QQ 或飞信等即时通讯平台，将网站的“静”和腾讯即时通讯平台或飞信平台的“动”结合起来，实时高效。2信息采集模块2. 1地质信息采集隧道施工安全风险对地质条件有高度敏感性，地质资料的完整程度与可靠程度决定了隧道施工安全风险评价的成败，因此，地质资料的收集成为整个资料收集的重点5。系统通过在隧道施工中需要进行监控的部位（如
7、洞外广场、洞内二衬、掌子面附近等）安装相应的摄像设备，将现场画面通过无线网桥、有线（光纤）传输到控制主机、监控中心或指挥中心等处。并可通过联网方式，实现远程、异地查看施工现场实时情况的目标。地质信息采集记录卡的内容主要包括地层岩性( 岩石名称、颜色、结构面产状、岩体结构、成岩及胶结情况、岩石的软硬状态) 、风化程度、裂隙特征( 节理发育程度和裂隙产状) 、围岩完整程度、水文地质特征、围岩分类、不良地质现象、工程地质评价、素描示意图和掌子面照片。施工地质编录采用观察、素描、实测、摄影、录像等手段，搜集、记录施工开挖揭露的各种地质现象。2. 2施工信息采集 视频监控子系统采用先进的视频压缩技术、无
8、线传输技术以及数字视频软件管理技术有机结合。视频监控子系统物理上由前端、传输、监控中心三部分组成。前端负责图像、报警信号的采集，并经过视频服务器编码转换为数字信号。传输部分用无线网桥或光纤将数字信号以无线的方式发射、接收、汇集到监控网络。监控中心采用多级架构技术，分散监控，集中管理，查看实时图像的同时，并且对每路图像实时录制。 1) 基本信息，包括标段、施工单位、设计单位、勘察单位、监理单位、监测单位、业主代表等;2) 施工信息，包括工程进度、开挖面位置、人员配置、机械配置、开挖方法等。首先建立网络平台( 比如隧道施工信息实时管理系统等) ，然后由施工单位人员及时在线填报施工信息。2. 3监测
9、信息采集 隧道监测的内容分为两大部分，即隧道本体监测和周边环境监测。隧道本体监测包括拱顶下沉、锚杆内力及抗拔力、围岩体内位移、围岩压力及两层施工间压力、地下水等; 周边环境监测包括周围地层、地下管线、周边建筑物、周边道路等。隧道工程的监测项目应与隧道工程设计、施工方案相匹配。应针对监测对象的关键部位，做到重点观测、项目配套并形成有效的、完整的监测系统。施工监控量测是在隧道开挖过程中，使用各种量测仪表和工具对围岩变化情况和支护结构的工作状态进行量测，及时提供围岩稳定程度和支护结构可靠性的安全信息，预见事故和险情，作为调整和修改支护设计的依据，并在复合式衬砌中，依据量测结果确定二次衬砌施作时间。3
10、施工风险综合评估3. 1隧道施工风险评估方法的选择隧道施工中潜含的各种风险因素很大一部分难以用数字来准确地加以定量描述，但都可以利用经验或专家知识，用语言去描述出它们的性质及其可能的影响结果，这种性质最适合于采用模糊数学模型来解决问题。模糊数学处理非数字化、模糊的变量有独到之处，并能提供数学规则去解决变量问题，相应得出的数学结果又能通过一定的方法转语言描述。这一特性适用于解决隧道施工中普遍存在的潜在风险。3. 2模糊数学综合评判法简述设参加对地质情况进行评估的人数为 S 名，评估因素有地层岩性、围岩分级、设计因素、施工因素、其它灾害因素( 如洪水、地震等) 5 项，每个评估因素有优、良、中、差
11、、很差 5 个定性的评估等级。每个评估者对隧道施工情况在评估因素的 5 个评估等级中确定一个级别，记为 Rij，这样就得到评估表格7( 如表 1 所示) 。式中，rij= Rij/ S。由于评估因素在评估中的权重不同，因此要对评估因素赋予权值，用权重系数模糊阵 A = ( a1，a2，a3，a4，a5) ( 其中) 表示。通过层次分析或专家综合评分法，在本系统中权重系数模糊矩阵取 A =( 0. 1，0. 3，0. 1，0. 3，0. 2) 。设隧道施工地质情况的评估矩阵为 B，则 B = AR。A 与 R 是两个模糊矩阵，它们的乘积是矩阵的Zadeh 乘积，Zadeh 乘积是将 A 矩阵中的
12、每一行与 R矩阵中的每一列合并作为乘积的元素，合并的规则是:将 A 矩阵中的 a1与 R 矩阵中第一列的 r11相比取小，a2与 R 矩阵中第一列的 r12相比取小，am与 R 矩阵中第一列的 r1m相比取小，得到一组数列设为: y1，y2，ym，然后取其中最大者为 A 矩阵中的第一行与 R 矩阵中的第一列合并的结果元素。为了量化评估，需要给每个等级赋值，如优赋予90 分，良赋予 70 分，中赋予 50 分，差赋予 30 分， 很差赋予 10 分8。设赋值后得到的矩阵为 V，这样综合评估的最终评估分数就是 L = BV。4信息反馈预警设计 将施工风险评估结果反馈于设计、施工亦是信息化设计与施工
13、中的重要一环，当前采用的反馈设计的方法主要是根据一些经验判据或经验准则，将风险评估的信息用于修正设计和指导施工。对于某一工程，建一个信息反馈的网站，不仅可以存放所采集的地质、施工、监测信息供用户随时随地查看，而且当施工中出现风险时可及时做出预警，比如武汉地铁矿山法隧道施工风险预警系统( 如图 2 所示) 。 地质编录人员运用模糊数学综合评判法进行评估。根据警度判断表( 如表 2 所示) 对隧道的施工处在哪个状态进行预警，并根据工程地质条件对隧道施工提出一些施工建议，再把最终结果上传到网站或QQ 群里。若有什么疑问，相关单位的人员可以很方便地在 QQ 群里讨论，不受现实地理位置的限制。如果施工状
14、态处于高风险状态，在网站上发出预警的同时，通过 QQ 或飞信将预警信息发至相关人员手机，并提供链接至网站。施工单位人员可以根据风险值和警度，及时调整围岩分级和施工方法，提出相应的施工措施。加强联系，当现场施工情况与设计情况不符合时，及时向设计单位提出变更申请，积极协助设计单位做好施工中的信息反馈工作和优化设计，以确保工程进度、施工安全及质量。主监控室采用1台网络视频录像机来显示前端监控图像。将经过无线传回的信号接入网络视频录像机，录像机接一台显示器，将图像直接输出，从而实现网络视频录像机对每路图像的实时录像并实时监控。另外，可配一台管理主机，加上网络版视频软件后，可随时查看、管理任何一路视频5
15、武汉地铁矿山法隧道风险预警系统下面就以武汉轨道交通二号线一期工程十七标段为例，说明隧道施工风险预警系统在工程实际中的应用。5. 1隧道地质巡视编录 在十七标段的施工中，存在开挖所揭示的地质情况和前期勘察的地质情况有些地方不相符的情况，给隧道的施工增加更大的模糊性和盲目性。以下是参考了 2010 年 5 月 8 日的记录卡，可以看出地层岩性左线以粉砂土、右线以石英砂岩为主，风化程度属于强风化和中等风化，裂隙特征左线不发育，右线较发育，围岩完整程度左线完整右线破碎，水文地质特征左线干燥右线有滴水，围岩分级均为级，不良地质现象是都有掉块，工程地质评价总体稳定。5. 2隧道施工风险评估的实现过程由 1
16、0 位从事武汉地铁工程项目的项目经理、总工和教授组成的专家评审团进行评估，得到统计表格( 如表 3 所示) ，输入到 Java 程序中并运行。按提示 继 续 进 行 计 算，得 到 最 终 的 风 险 值 为62. 0.5. 3信息反馈预警的实现 在武汉地铁轨道交通十七标段的应用中，通过地质编录和风险评估，计算出的评估值为 62. 0，得到警度为无警，亮牌为蓝牌，施工状态为正常状态。根据隧道地质情况给施工单位提出一些施工建议: 对于掌子面有掉块的现象，建议施工中加强监测，发现有不稳定块体时应及时进行处理，施工人员应提高警惕，加强自身保护。在浅埋地段施工时，建议对浅埋段围岩进行超前加固，然后再进
17、行隧道掘进施工。在右线大里程方向掌子面出现渗水现象，地下水大量渗漏到隧洞中，易使围岩软化、崩解，将降低洞底泥岩强度，会导致隧洞洞顶、洞壁失稳。最后将这些信息及时添加到 excel 表格并将它上传到网站和 QQ 群相册里。6结语通过隧道施工风险预警系统在工程应用的结果认识到地质工作具有渐进性和风险评估具有超前性。勘察阶段对地质已经有了初步的认识，而施工阶段则是一个实践的过程，隧道掘进过程中揭露的地质情况加深了对地质情况的认识。从一些工程实例可以看出风险是可以预测的，这也就说明施工风险预警系统将具有很强的实用性。选用的模糊数学综合评判法适合于解决隧道施工中各种风险因素难以用数字定量描述的问题。参考文献1陈建平，吴立，闫天俊，等 地下建筑结构M 北京: 人民交通出版社，20082中华人民共和国建设部 建标1999318 号 地下铁道、轻轨交通岩土工程勘察规范S 北京: 中国建筑工业出版社，20003高谦，乔兰，吴顺川，等 地下工程系统分析与设计M 北京: 中国建材工业出版社，20054赵天熙 超前地质预报技术在西格二线关角隧道的应用J 铁道建筑，2010( 1) : 146-1505周大勇 向莆铁路岩溶隧道超前地质预报技术J 铁道建筑，2010( 4) : 56-586 中铁二十局. 兰新铁路甘青段项目