桥梁隧道安全管理信息技术的应用研究

马海波

（中铁十六局集团第一工程有限公司，北京 101300）

桥梁隧道工程建设具有资金投入多、技术要求高、管理难度大的特点[1]。为了提升桥梁隧道工程施工过程的安全管理水平，我国出台了多项政策法规，促进新技术、新工艺与安全管理充分结合。如2019年发布的《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》中明确指出，需要强化信息技术手段的应用，提升事故的可预知能力；2020年发布的《高速铁路安全防护管理办法》中强调，采用信息化管理办法合理安排桥梁隧道工程的施工工序，减少资源浪费和管理混乱现象[2]。

传统桥梁隧道工程施工安全管理工作以人工为主，采用现场巡检巡查、事故数据对比、隐患风险分析等方法开展管理活动，容易出现工作效率较低、监管质量不够严格、时效性和科学性较差等情况，不符合“智能基建”的发展要求[3]。

文章基于互联网、传感器、有限元分析、数据回归与预测等技术手段，对风险因素实时监测、提前发现、提前预警并进行及时信号传送，探索桥梁隧道工程施工安全管理技术，实现施工安全监管工作的模式创新、应用创新与理论创新。

1 桥梁隧道工程施工安全影响因素分析

1.1 地基稳定性探测

桥梁隧道工程对地质结构的稳定性要求较高，主要结构管控内容包括洞顶结构承重能力以及通行车辆与桥梁结构发生共振时对地基的冲击。桥梁隧道工程多处于山区，岩土力学特性测算难度较高。地基稳定性是保证桥梁隧道工程安全、可长期使用的重要控制内容，在初设阶段应详细掌握区域内水文地质条件，重点关注自然气候特征[4]。

1.2 洞内作业安全性

桥梁隧道施工主要在山体内开展，投入大型机械设备较多。应重点关注结构共振、受力不均匀以及有毒有害气体、涌水等情况。传统安全管理工作主要以人工隐患排查为主，机械加固为辅，风险控制范围有限，无法有效排查事故源，预防效果较低。利用声波传导、视频监控等手段可有效提升事故排查能力。

1.3 洞内涌水

施工过程中，涌水情况较为常见。若涌水得不到及时处理，将严重影响施工进度，影响洞内金属结构耐久性。可通过在隧道壁安装盲管辅助排水进行处理，但盲管的安装定位较难，易出现盲管失效导致的涌水漫灌情况[5]。

2 桥梁隧道工程施工安全信息化手段

2.1 非接触式无损探测

为了获得详实的地下岩土结构和水资源分布资料，减少地面气候条件干扰，在桥梁隧道工程地基探测过程中，可以采用非接触式无损探测技术。非接触式无损探测采用有源波设备向探测点发射电磁信号，通过对比反射信号与发射信号的功率差异可以对地质结构特点进行判断。探地雷达利用高频电磁波反射获取地层结构分布，采用毫米波雷达向地下发射雷达波，通过检测回传信号的衰减程度绘制地下岩土层的分布情况，并进行三维可视化显示。文章使用的探地雷达型号为GP8000，GP8000探地雷达关键参数如表1所示。

表1 GP8000探地雷达关键参数

为了满足精度需求，可以搭配使用有源传感器持续监测地面振动情况，通过对地面振动波的传输衰减监测数据获知地下水文信息，掌握详细的地基情况。非接触式无损有源探测技术可以避免工作环境影响，数据结果更加详实和全面，采用专业的数据分析软件实现实时显示和三维显示。

2.2 支架施工检测预警系统

桥梁隧道工程建设过程中，钢结构支架较为普遍，但作为临时设施，钢结构支架脆性较高、易曲折、结构稳定性较差，易出现安全事故。工程安全风险评级中，将钢结构支架系统评定为中级或更高级别风险源。为了提高支架风险监测水平，应构建完善的安全预警系统。在支架轴力产生部位加装力敏型传感器，对轴力变化情况进行在线监测，设定轴力变化阈值，对超阈值情况进行声光警报。实时收集轴力变化的监测数据，并进行分类保存。利用1553总线搭建数据传输平台，将现场数据传输到系统后台进行存储和备份。利用有限元分析软件生成轴力沿支架的立体分布，辅助工程师进行结构调整方案。支架风险安全预警系统结构如图1所示。

图1 支架风险安全预警系统结构

利用安全预警系统可以对支架的结构安装合理性进行在线复核，对支架的结构受力薄弱点进行预测。根据预测结果加装振动传感器，对振动数据进行单独监测，控制共振风险。支架预警系统可以有效监测轴力变化，为支架结构稳定性提供数据支持。定制版圆环状电阻应变式轴力传感器关键参数如表2所示。

表2 定制版圆环状电阻应变式轴力传感器关键参数

圆环状电阻应变式轴力传感器可以根据支架钢管尺寸设计传感器圆环半径，安装后与支架形成整体。通过对支架内部应力值的实时监测，可以掌握钢结构支架、与支架接触的山体以及其他受力部位的力学变化情况，提前预判极端情况，为工程技术人员采取减震措施提供数据支持。

2.3 ZigBee网络构建

桥梁隧道工程实施时，山体内部环境特征复杂，无法有效架设有线网，且墙壁掩体的不规则反射易导致无线信号传输受到干扰，严重影响通信质量。为了提高信号传输水平，可以在隧洞内架设ZigBee网络。ZigBee网络采用分布式节点传输，衰减率低，无须设置基站，适合在山体空间内使用。ZigBee网络关键参数如表3所示。

表3 ZigBee网络关键参数

利用ZigBee网络可以实现多种传感器数据的冗余传送，能够开辟专用信道传输指挥信号。ZigBee网络可以实现现场数据的高效回传，有效提高数据分析的效率，方便工程指挥人员快速作出决策，提高施工现场的应急处置能力。

2.4 利用BIM三维模拟安排工程项目进度并演练

BIM技术是一种多功能实时在线三维建模技术，在建筑工程项目管理领域应用广泛。桥梁隧道工程建设管理过程中，并行工序较多，工序管理相对复杂。工序安排的有序性是确保工程项目稳步实施的关键。

结合BIM技术的桥梁隧道施工流程如图2所示。

图2 结合BIM技术的桥梁隧道施工流程

利用BIM技术进行桥梁工程施工工序管控时，应结合各种传感器采集的工程项目参数，构建桥梁主体的三维模型，在模型中明确标注各关键部位的结构参数。结合工程建设目标，将待建项目所需的各种资源，如施工机械、人力资源、材料配件等在三维模型中进行标签化处理。统计各关键结构建设所需的资源量和施工时间，根据工程项目建设需求对各工序进行合理编排。利用BIM技术动态演示完整施工过程，重点关注施工机械的调度、各项材料配件的投入等，对工序之间的冲突节点进行动态调整，并重新演练，直到完整的工程项目施工流程顺利实施。各工艺之间没有矛盾节点或者冗余项之后停止演练，将施工流程导出，最大限度地减少具体实施过程中可能存在的节点冲突。

3 结语

桥梁隧道工程在实施过程中，应采取多种方法确保施工安全。文章对信息化手段提升桥梁隧道工程施工安全管理水平进行探索研究。通过多种措施的综合运用，有效提升了桥梁隧道工程的安全管理水平和信息化覆盖效果，强化了对地质信息以及施工现场结构件稳定情况的数据采集能力。能够为工程技术人员开展安全管理巡查和监测提供完善的数据支持。信息化技术应妥善融合传统工艺和技术手段，结合工程实际情况与技术成本，进一步优化桥梁隧道工程信息化安全检测的技术方案，确保信息技术投入精准有效，有效完成桥梁隧道工程安全管理信息化转型，提高工程安全管理水平与建设质量。