铁路隧道施工安全管理与风险预警技术的应用

王辉麟，蒋秋华，索 宁，马伟斌，赫永锋

(1.中国铁道科学研究院，北京 100081;2.京沈客运专线辽宁有限责任公司，辽宁沈阳 710014)

近年来，随着量测技术、计算机技术的发展和渗透，在隧道施工中采用信息化技术有了很大发展。如日本的佐藤工业(株)开发的“SIT”系统，通过把隧道内的测量数据、机械运行数据、通信数据等，用单一的通信线路进行传输，实现隧道内施工的一体化管理。西松建设也开发了“隧道综合管理系统”，该系统是由信息化施工、设计支援、质量管理和隧道形状管理四个子系统构成的。其中信息化系统由TSP、DRISS、TDEM三个掌子面地质超前预报技术组合而成。

1 工程概况

沈丹客专锦江山隧道位于辽宁省丹东市附近，隧道进口里程为DK247+375，出口里程为DK251+980，全长4 605m。锦江山隧道为三标段最长隧道，沿线通过低山区，隧道范围内丘间沟谷内表层多为粉质黏土、碎石土覆盖，隧道洞身通过地层主要为混合花岗岩，洞身范围有少量基岩裂隙水。从以上信息可以得出，影响锦江山隧道施工安全风险因素主要包括断层引起的塌方和周围的水系统可能导致的涌水突泥危险，属于典型的浅埋隧道施工安全风险，最浅处距离地面4 m左右。其中Ⅱ级围岩2 865m，Ⅲ级围岩175m，Ⅳ级围岩250m，Ⅴ级围岩1 315m。同时，丹大客专隧道下穿本隧道，存在隧道交叉施工情况，也是锦江山隧道施工的风险因素之一。需要采取一套切实可行、合理有效的隧道施工安全监测及风险预警方案。

2 铁路隧道施工安全管理和风险预警方案

2.1 铁路隧道结构监控量测内容

根据现场地质条件情况对软弱围岩段进行地质雷达超前预报，以了解掌子面前方地质情况，为正确选择开挖断面、支护设计参数和优化施工方案提供依据，并为预防隧洞涌水、突泥、突气等可能形成的灾害性事故及时提供信息，保证施工安全。并结合对隧道典型断面监控量测，来掌握围岩的变化动态，对围岩稳定性进行评价，提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据，及时掌握围岩的变化动态，采取相应的措施，确保隧道工程施工安全，对隧道施工进行安全监控。另外，还可以利用监测数据与仿真结果进行分析比较，反演出更为准确的土工计算参数，以便仿真分析结果更接近于工程实际情况，对施工质量和隧道安全做出综合判断，真正实现信息化施工。

典型断面的监控量测应由具备一定监测经验和技术实力的第三方监测单位完成，以保证数据的精确性和真实可靠性。每个典型监测断面应包括下列监测项目:

1)地表沉降(隧道浅埋段)。浅埋隧道段围岩一般具有软弱、破碎、自稳时间极短等特性，施工方法不妥极易发生冒顶塌方或地表下沉。浅埋隧道开挖时可能会引起地层沉陷而波及地表，因此，通过地表沉降观测来了解地表下沉的范围以及下沉量的大小、地表下沉量随掌子面推进的变化规律，以判断浅埋段隧道拱顶围岩的稳定程度。

2)周边位移(收敛)。①周边位移是隧道围岩应力变化的最直观反映，量测周边位移可为判断隧道空间的稳定性提供可靠的信息;②根据变位速度判断隧道围岩的稳定程度，为二次衬砌提供合理的支护时机。

3)拱顶沉降。拱顶沉降观测的作用是判断围岩稳定性及进行位移反分析，为二次衬砌的实施提供依据。

4)钢架应力。①判断支护结构长期使用的可靠性以及安全程度;②检验初次衬砌设计的合理性，积累资料为判定提供依据。

5)围岩压力。围岩压力观测的作用是监控围岩的稳定性，保证施工安全并为二次衬砌的构造、实施时间等提供依据。

6)二次衬砌应力。①了解二次衬砌的受力条件;②判断支护结构长期使用的可靠性及安全程度;③检验二次衬砌设计的合理性，积累资料为判定提供依据。

上述监测断面间距随着围岩类别的不同而不同，地表沉降观测、周边位移观测以及拱顶沉降观测均为必测项目，在围岩级别为Ⅴ～Ⅵ时，断面间距为5～10m;围岩级别为Ⅳ时，断面间距为10～30m;围岩级别为Ⅲ时，断面间距为30～50m。对于钢筋应力、围岩压力及二次衬砌应力为选测断面，一般每个代表性地段选择一个断面。

7)地质雷达超前预报。地质雷达超前预报的主要目的是查明隧道掌子面前方20m左右范围内软弱围岩及裂隙发育的分布情况，为隧道施工工艺及施工方法的选择提供依据。

2.2 铁路隧道施工安全管理和风险预警模型

铁路隧道施工安全监测和预警系统采用三层的系统结构，数据采集层主要将超前地质预报的地质数据、自动采集的监测数据以及监控量测数据采集到数据库中;数据库层主要将前期采集的数据进行分类存储，同时进行智能的数据分析与判断、数据整合，根据实际情况进行风险预报警;数据访问层/展示层主要将前期数据进行可视化、信息化的展示，通过强大的GIS平台可以直观地看到预报警信息，同时可以及时方便地查询预警信息、风险情况以及应急处理情况。如图1所示。

2.3 铁路隧道施工安全管理和风险预警平台结构

系统采用三层结构模式进行设计。①前端为监测数据采集平台，包括自动化检测设备，人工监控量测和超前地质预报等。②中端为数据传输途径，包括GPRS方式、Internet、无线方式等。③后端为基于GIS的安全管理与风险预警平台，包括GIS地图模块、监测数据采集模块、监测实时分析模块、巡查监控与动态风险评估。

图1 铁路隧道施工安全监测和预警模型

2.4 铁路隧道施工安全管理和风险预警平台的功能

针对隧道实施施工监测、第三方监测，通过数据分析与安全评估，可综合反映整个施工阶段的安全状况，在出现异常与安全隐患时可及时发出预报警信息。然而以往的监测通常只是简单地统计与汇总形成监测报告，在数据有效性控制、结合现场情况、利用专家经验等方面不够深入。因此，通过对隧道进行信息化监测和安全评估管理主要应注意以下几点:

1)监测数据的采集与整合

整套系统考虑到了目前监测数据采集的三种主要方式:人工录入、仪器自动采集并实时传输和通过数据文件导入。能够提供直观易用的交互界面，以适应各种监测手段;同时要对数据进行识别与筛选，保证采集到真实有效的监测数据，确保后续安全评估与技术分析的科学性和可靠性。

同时，系统也将集成超前地质预报与自动化监控量测设备(断面仪、激光测量设备)等，使得系统具备实时统计、查询工程施工现状的功能。

此外，系统中存储着丰富的既有工程资料信息，包括地形资料、基础地质资料(地层岩性、地质构造、地下水、不良地质)、勘探资料(钻孔、物探等)、试验成果、以及工程设计信息，把监测数据与这些基础信息进行有效的整合，将极大地提高后续安全与风险评估的高效性与通用性。

2)监测实时分析

海量监测数据隐含着丰富的结构受力状态、周边环境影响等安全信息，应在采集的同时对其进行初步的分析与趋势判断，向管理者与技术人员实时提供直观的时程曲线、空间动态曲线、安全储备余量、测点发展速率等图表与文字信息，为下一步安全分析与风险评估提供分析依据。

监测实时分析技术有助于对采集的监测数据进行初步判断，能够全面反映数据异常波动的情况，有效控制人员因素、设备因素、环境因素引起的异常，从而有效地甄别监测数据异常是否属于工程安全问题引起的波动。

3)安全评估

定期对监测工程进行安全评估，是施工安全控制的重要内容，是对工程安全状态的进一步分析。通过监测实时分析汇总情况，系统自动形成某时期内工程监测安全评估报告初稿，技术人员在此基础上结合现场施工工况，编辑定稿，提交到系统中。在定稿过程中，技术人员可利用系统工具定制诸如横纵断面、各类型曲线对比等分析内容，导入各种图表文字等补充内容，完善安全评估报告。

4)风险预警

当监测数据超过临界值或警戒值，经系统自动判断或人工判断确认后，则启动异常分析处理机制，由相关技术人员进行技术分析，对于特别危险的监测点，还需要启动远程专家会诊，形成专家鉴定意见。如果鉴定意见一致判定为超过安全控制范围，则需要进一步启动预警或报警机制，采取应急预案迅速解决现场安全问题。

异常分析处理流程要标准化，并且灵活高效，结合技术人员、专家分析与经验判断，使管理各方能够迅速采取措施，把安全风险降到最低。

5)巡查监控与动态风险评估

监测数据分析通常是以有限个离散测点来评价工程整体的安全状况，反映在数据分析上可能存在以偏概全的倾向。因此，进行定期或不定期的现场巡查，实地查看监测布置点是否偏离工程监控要求，同时还可以检查测点以外的现场安全状况。经巡查后，给出巡查分析报告，结合监测数据技术分析，可判断工程整体的风险控制是否在既定目标内，同时也能给出动态风险评估分析成果，使项目安全风险可控。

6)GIS工程地图

GIS地图功能是以地理信息系统技术为基础，将工程安全监测和风险管理等信息在工程地图上显示，方便用户直观地查询与管理。①工程地图信息，在工程地图上显示各工点的测量数据报警情况、风险评估情况和风险预警情况。能够进行地图放大缩小和移动，方便了解工地周边环境情况，通过点击能够直接进入工点风险管理界面，迅速了解工点详细的监测数据、风险预警报告等信息。②工点测点设计图，对工点测量的布置以图形的方式显示，用户能够通过选择显示所关心的测点和断面，点击测点和断面的图标能够显示相应的曲线。

3 结束语

本文针对铁路隧道中施工过程存在的安全风险，初步提出一套针对浅埋隧道和立体交叉隧道施工安全管理和风险预警模型，研发出了相应的铁路隧道施工安全管理和风险预警平台软件，通过锦江山隧道进行工程试点应用研究，为整个隧道的信息化施工和安全评估提供及时而准确的判断，以便采取相应措施，保证隧道的安全施工，初步达到了对浅埋隧道和立体交叉隧道施工安全风险监测和预警效果。自隧道工程开工以来，从未发生重大生产安全事故。

由于铁路隧道施工风险包括塌方、涌水突泥、瓦斯、大变形、岩爆、高地热等各种复杂因素，针对变形(位移)监测、压力(应力)监测、影像信息收集、温度监测、气体监测等多元信息进行计算分析，确立隧道施工安全风险预警阈值，根据不同铁路隧道施工风险影响因素采用不同预警模型，还需要进一步研究和探索。

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