地铁域地下空间安全监测关键技术探究*

赵盈盈，涂中强

（江苏建筑职业技术学院，江苏 徐州 221116）

当前，我国正处于城市化快速发展时期，土地资源稀缺的现状日益显现，地下空间资源便得到了城市建设者们的青睐。《2016—2022年中国地下空间开发利用产业深度调研及市场前景预测报告》中显示，我国有3 873.60亿m3的地下空间资源可供开发利用，在城市地上空间资源日益紧张的今天，这的确是一个让人惊喜的数字，为“海绵城市”“智慧城市”的建设提供了可能性。

地铁域地下空间是指因为地铁存在而进行的地铁工程本身及其关联的周边空间地面以下空间。一方面，由于地铁站往往联系着大型商业综合体，因此地铁域地下空间的人流量极大；另一方面，由于相比于地面建筑，地下空间具有封闭性和难以疏散性，因此一旦发生安全事故，将会带来严重的人员伤亡及财产损失。因此，地铁域地下空间的安全问题一直是领域内专家所重点研究的问题。为了防患于未然，本文以地铁域地下空间安全监测的视角，认真梳理所存在的风险因素，然后有针对性地利用关键技术去解决对不同风险因素的安全监测，最终建立安全监测管理系统，以确保地铁域地下空间的运营过程安全、高效。

1 地铁事故及地铁项目风险因素分析

1）地铁事故分析。纵观国内外相关报道，地铁事故频发，导致地铁事故的因素包括自然因素和人为因素。其中自然因素包括水文地质条件的变化、气候条件的变化、地震等不可抗力事件的发生；人为因素包括施工过程及运营过程中的施工不当、管理不当、火灾等，可见，地铁风险因素贯穿于地铁项目全寿命周期。设计不当直接影响地铁项目结构安全，施工过程中技术与管理的不当同样会影响结构安全，由于地铁项目是地下施工，封闭性强，因此该类风险因素极可能造成地铁坍塌事故，所带来的不仅仅是地铁项目本身结构的毁坏，还会波及到周边建筑的结构安全，据统计，地铁坍塌事故率为33%，事故死亡率为60.9%[1]，因此，勘察设计及施工阶段存在的风险因素需要引起足够的重视。地铁项目在运营过程中存在的风险因素也有很多，比如运营管理不当造成的火灾事故，地铁项目的封闭性给消防工作及人员疏散工作带来了巨大压力，一旦火灾事故发生，伤亡会很惨重。

2）地铁项目风险因素分析。为了最大限度地避免地铁事故的发生，有必要对地铁项目全寿命周期内存在的风险因素进行分析和归纳总结，然后有针对性地进行风险防控，为地铁域地下空间的安全监测管理系统的建立提供依据。下面将从勘察设计及施工阶段、运营阶段两个方面分析地铁项目存在的风险因素[2]。

一是勘察设计及施工阶段。地铁项目的顺利实施依赖于勘察设计资料的准确性，其实勘察工作早在地铁项目选址规划阶段就已经开始，这是因为地铁线路的走向及地铁站的布置除了要依据城市空间的发展现状，还要考虑地铁域附近建筑物环境情况以及地质环境情况。例如，如果所规划地铁线路穿过活断层，那么为了避免活断层地震对隧道结构的影响，必须进行特殊避让或者采取抗震设防设计。地铁项目选址规划确定后，就要严格执行标准，进行勘查工作，为工程设计提供准确的数据基础。勘察阶段的风险因素包括：环境因素、管理因素和技术因素。例如，地基土承载力太弱、取样不规范、勘察方法及设备选取不当等均会导致勘察数据的不准确，甚至导致勘察人员的伤亡。设计阶段的风险因素包括：空间布局不合理而影响后期应急疏散；结构体系不合理导致结构承载力不足或者变形过大；消防设计不合理导致灭火或疏散受到限制；抗震设计不合理导致结构破坏等。地铁项目施工阶段存在周期长、技术复杂而且封闭性施工等特点，属于事故高发的一个阶段，“人机料法环”中任何一个环节存在问题，都会影响施工的顺利进行。例如，施工人员操作不当、设备选型错误或故障、材料选取不当、施工方法不当、周围环境影响及管理缺失等都将直接或间接成为事故发生的导火索。可见，勘察设计及施工阶段存在的风险因素很广泛，但关于该方面风险防范的研究较为成熟，相信随着相关部门技术水平和管理水平的不断提高，在勘察设计或者施工阶段发生事故的概率将会大大降低。

二是运营阶段。运营阶段是地铁项目全寿命周期中持续时间最长的一个阶段，运营过程中设备运行状态、工作人员工作状态、周围环境影响或者管理系统不完善都是影响地铁项目有效运营的安全隐患。2021年的多起地铁事故至今还历历在目，例如，郑州地铁5号线“7·20事件”，由于持续遭遇极端特大暴雨，5号线一列车被洪水围困，造成14人遇难。除此之外，地铁追尾、电梯逆行、地铁门夹人、踩踏事件等也不乏相关报道。可见，运营阶段对应的风险因素更为广泛，虽然多为突发事件和偶然事件，但就是这些突发事件和偶然事件的发生最易造成了人员伤亡和财产损失。因此，本文重点研究地铁项目运营阶段的安全监测问题以及涉及到的关键技术，目的是有效预防或者最大程度降低运营阶段安全事故的发生。

2 地铁域地下空间安全监测管理系统

地铁域地下空间的安全监测管理工作是运营阶段管理工作的重中之重，而合理高效的安全监测管理系统是保证安全监测管理工作顺利进行的基础。本文所构建的安全监测管理系统由基于传感器针对各风险的监测系统、监测数据的网络传输系统以及监测数据的应用系统3个部分组成[3]。

1）针对各风险的监测系统。运营期间的安全监测包括结构监测（震动频率、变形位移、应力作用等）、火灾监测（烟雾浓度、温度等）、水灾监测（水位变化、水量变化等）及爆炸监测（二氧化碳、甲烷等气体浓度）。该监测系统应该具备针对每一种风险的设计，目标是使安全隐患及时发现、安全事件及时报警，并为事件的处理提供准确的数据。基于传感器进行各风险监测的实现路径见图1。利用传感器进行图像等信息的采集，经过通用串行总线（Universal Serial Bus，USB）线输入给微处理器进行数据采集及图像处理，并将处理后的数据通过规定的接口进行传递。此处涉及到的关键技术将会在下文中详述。

图1 基于传感器的风险监测实现路径

2）监测数据的网络传输系统。监测数据作为安全管理的重要依据，其网络传输系统的设计非常重要。为了便于数据被及时有效地利用，监测数据的网络传输系统应该包括将数据源传递给安全监测中心平台以及各个管理用户从安全监测中心平台调取所需信息两部分，监测数据的网络传递路径见图2。地铁域地下空间的监测数据可以采用专线的方式输送到安全监测中心平台，当然在无线网络日益发达尤其是5G网络兴起的今天，也可以采用无线的方式将监测数据输送到安全监测中心平台。由于监测数据对各个用户的作用是不同的，各个用户需要根据自己职责或者工作需要有选择性地调取监测数据，因此一般来说，从安全监测中心平台往各个用户的传输采用专线的方式。

图2 监测数据的网络传递路径

3）监测数据的应用系统。采集、处理及传输监测数据的最终目的是进行有效的地铁域地下空间的安全监管。本文对监测数据的应用系统设计内容包括：数据储存管理、运行状态实时监控、风险报警及安全事件应急处理。应对地铁项目全寿命周期内的数据进行储存管理并及时进行数据更新，利用传感器采集的数据实时监控整个地下空间的运行状态，通过设置传感器数据阈值，发生异常情况及时启动报警系统，并结合数据信息的反馈进行综合分析，迅速做出应急处理方案，尽可能减少事故损失。

3 安全监测所涉及到的关键技术

任何缺乏技术支持的系统设计，都将会是一纸空谈，地铁域地下空间的安全监测管理系统同样需要建立在成熟的技术基础上，所涉及到的关键技术包括传感技术、网络通信技术及大数据处理技术[4-5]。

1）传感技术。传感技术同计算机技术及通信技术一起被称为信息技术的三大支柱，由于其核心设备就是传感器，因此也被称为传感器的技术。该技术可以感知周围环境或者特殊物质，比如气体感知、光线感知、温湿度感知、人体感知等，并把模拟信号转化成数字信号，显示为气体浓度参数、光线强度参数、温度湿度数据等。传感器的种类有很多，包括光敏、声敏、气敏、压敏、温敏等传感器，甚至还有流体传感器和化学传感器。在地铁域地下空间的安全监测管理系统中可根据监测风险类别的不同进行选型，比如，火灾监测及爆炸监测可选用气敏传感器和温敏传感器，水灾监测可选用流体传感器。另外，由于传感器的布置合理性直接决定监测数据的合理性，因此需要对地铁域地下空间的风险因素进行充分分析和评估，依据风险因素评估的结果进行传感器的布置与部署，依靠发达的传感器“感知网”，实现对地铁域地下空间运营环境的实时监测，采集到的监测数据提供给数据处理器进行加工处理，从而形成安全监测管理系统所需的可靠数据源。

2）网络通信技术。网络通信技术可以实现传感器数据的汇集、传输、交互，在地铁域地下空间安全监测管理系统中，它是沟通前端传感器和后端安全监测中心平台的桥梁，同时也是各个数据用户从安全监测中心平台调取数据的纽带。无线通信技术和光纤传输技术是未来一段时期内最重要的两种传输技术。关于无线通信技术，值得一提的是无线传感器网络（Wireless Sensor Networks，WSN）技术，它被广泛应用于各行业工作区域的安全监测，也同样适用于地铁域地下空间的安全监测。布置在地下空间内的众多传感器节点，可采用自组织和多跳技术，并通过无线的方式相互通信，形成WSN，将传感器节点搜集到的监测数据传输给安全监测中心平台，解决了地铁域地下空间安全监测数据的时效性、准确性难题。相较于无线通信技术的灵活性和机动性，光纤传输技术具备高带宽及高可靠性的特点，地铁公司、管廊公司等数据用户可与地下空间安全监测中心平台采用光纤进行可靠连接，保证监测数据的顺利提取利用。

3）大数据处理技术。当今时代早已是大数据时代，大数据处理技术的发展极为迅速。总结地铁域地下空间的数据特点，包括以下5个方面：数据体量大、数据多样性、数据生成快、数据真实性以及数据价值大而密度低。地铁项目全寿命周期内积累的数据体量非常庞大，而且包括了设计数据、施工数据、监测数据等，体现了数据多样性，另外，以WSN为例，传感器日常监测的数据绝大多数属于非事件数据，需要先进的大数据处理技术对监测数据进行搜集、处理及分析。大数据处理技术从根本上解决了传统上单机数据处理速度慢的问题，它将地铁域地下空间安全监测数据的储存、访问及处理各个环节很好地联通，为安全监测管理系统运行、实时报警等提供了技术支持。

4 结束语

在地上空间资源日益紧张的今天，地下空间的开发利用成为城市发展的必然选择。从我国地下空间的开发现状来看，开发对象往往并不单一，而是由轨道交通系统（地铁）、地下商场和相互连通区域共同组成的综合体，因此涉及的危险源种类繁杂且数量多，而且在封闭的地下空间众多风险因素易互相作用，极易导致灾害链的形成，一旦发生事故，因疏散困难，人员伤亡及财产损失风险极高。

为了提升地下空间安全防控水平，使地铁域地下空间真正造福人民，有必要对地铁域地下空间进行安全监测，并且建立有效的安全监测管理系统，这是非常有必要的。安全监测管理系统应该包括：基于传感器针对各风险的监测系统、监测数据的网络传输系统以及监测数据的应用系统。当然地铁域地下空间的安全监测管理系统需要建立在成熟的技术基础上，所涉及到的关键技术包括传感技术、网络通信技术以及大数据处理技术。本文虽然涉及到了对这3种关键技术的论述，但是对它们的应用研究并不深入，而且未涉及到信息化技术的集成应用，这也是今后研究的方向和重点。