信息化技术在竖井施工安全管理中的应用研究

杜江山, 余 诚

(中铁四局集团有限公司第七工程分公司,安徽 合肥 230022)

0 引 言

近年来,地下工程建设发展迅速,在公路、铁路、城市地铁及矿山工程中深大竖井已不断涌现,主要承担通风、运输等功能,如大瑞铁路高黎贡山隧道1号竖井完成掘砌,到达地面以下最深点762.59 m。另地铁工程竖井设置较多,结构形式多样,深度越来越大。深大竖井受其自身空间狭小影响,作业空间受限,造成施工设备、人员交叉作业频繁,安全隐患多且集中,安全管理难度较大。随着信息化技术的快速发展,各类自动化监测技术、管理系统不断出现,在一定程度上解决了人为操作误差大、安全管理效率低等问题。如针对深大基坑开挖稳定性监测技术方面出现自动化沉降、自动化测斜、轴力伺服安全监测技术;在爆破振速监测方面有自动化爆破振速监测技术;在设备管理方面出现关键部位安全监测系统;在施工人员安全监控方面出现视频监控系统、定位系统;在安全管理方面也有各类安全隐患排查治理系统。总体上看,各类安全监测及管理信息化系统繁多,手机App、系统操作平台多,给管理者和操作者带来了诸多不便,特别是竖井工程,安全控制点多且集中,采用的管理系统多,管理人员长时间使用,工作量较大,易混淆,使用效果随之降低。综观现状,各行业处在快速发展的时代,作为管理者必须适应快节奏高效管理,现有信息化技术管理手段尤显复杂,必须减负前行,提高工作效率。因此,现阶段亟须通过对信息化技术手段进行深入研究,在全面应用现有技术的基础上,搭建数字建造集成平台,实现同一平台多个业务系统模块化管理,后方数据资源共享,以实现提高安全管理信息化水平及管理效率的目标。

1 工程概况

胶州湾第二海底隧道黄岛端竖井工程,分为南侧竖井与北侧竖井,其中南侧竖井设计深度为70.3 m,北竖井设计深度为77.5 m,井口设计尺寸均为12 m×11 m,均设3座联络风道与主线隧道相连接,作为后期通风使用。该项目施工存在的安全风险主要有:一是项目周围环境复杂,南侧竖井距离相邻单位混凝土拌和站距离仅27.66 m,北侧竖井风道距离现状望海宾馆水平距离仅24.81 m,距离黄岛输油管道水平距离为76.57 m,爆破振动控制要求高(振速要求<1 cm/s),舆情控制难度较大;二是起重、吊装风险大,本工程为超深竖井施工,施工过程材料运输通道、人员上下通道、渣土外运通道均从竖井进出,吊装设备吨位大,使用频繁,安全风险大;三是作业空间狭小,交叉作业频繁,对人员设备安全隐患较大。具体竖井构造如图1所示,北侧竖井周边环境如图2所示。

图1 胶州湾第二海底隧道竖井构造图

图2 北端竖井周边环境平面位置关系图

2 竖井安全管理现状

在竖井施工过程中,主要存在开挖爆破对周边敏感构筑物的影响,基坑稳定性对周边环境的影响,吊装作业频繁设备安全管理要求高以及狭小空间作业人员管理难度大。针对现阶段的开挖爆破,一般采用网络测振仪自动记录振动数据,并将振动信号传送至服务器进行管理;基坑稳定性监测主要采用自动化静力水准仪和激光测距仪进行沉降及收敛监测,监测数据通过平台进行管理;结构自身安全主要采用在围岩、锚杆、结构混凝土、钢筋、接触面等部位安设应力计、位移计等设备进行监测,各类数据自动收集分析,并通过平台管理;在大型起重设备方面,主要依赖设备自身限速、限重及卡位系统进行使用安全控制;在人员管理方面有劳务实名制系统,通过手机App、门禁闸机及无感考勤等方式记录考勤数据;在现场施工安全隐患方面通过隐患排查治理系统进行管理;在竖井施工安全风险源管控方面有重大风险管控系统进行管理。针对竖井施工风险点管理均出现了各类管理系统,管理难度较大。因此,如何实现统一管理,改变各类信息化系统不兼容难题,主要是缺少技术手段及综合性信息化管理平台。

3 技术路线及原理研究

3.1 技术路线

建立以安全、质量、进度、物资多个业务系统的集中建造平台,本文通过对已有综合平台相关数据提取及第三方监测物联设备接入,以数据中台为基础,以“数据共享服务”为手段,实现系统间以及单位数据间的横向贯通、设备与数据间的纵向关联,提升信息化应用效率,建立满足竖井安全管理需求的信息化数字管理多模块集中管理平台。信息化应用架构如图3所示。

图3 胶州湾第二海底隧道竖井信息化应用架构图

3.2 技术原理

获取已有综合平台基础数据,包括项目组织机构、人员等核心数据,保证建立的数字建造平台基础数据与已有综合性平台保持一致。同时与平台中的人员管理、隐患管理、风险管理、机械管理等业务系统进行数据关联,结合现场一系列物联网设备和监测模块,对现场实际管理要求进行衍生拓展,实现一个数据多处、多次利用,减轻现场人员的信息化管理负担。技术原理架构如图4所示。

图4 技术原理架构图

4 集成平台建立与应用模块介绍

4.1 数字建造集成平台

将胶州湾竖井工程安全施工管理分为安全管理、人员管理、设备管理、环境管理等七个应用模块,在常规人、机、料、法、环为主的综合平台基础上,以竖井施工场景为依托,引入了UWB人员定位、AI识别、爆破监测、自动化沉降监测、起重机安全监测等新技术、新设备,构建工地全方位智能监管物联网。这一方面实现了项目各管理系统的信息化数据汇聚融合;另一方面实现了各系统的统一集成,建成融入安全管理信息化一体化工作平台,减轻管理人员的安全管理任务。数字平台搭建图如图5所示,BI页面概况如图6所示。

图5 数字建造平台板块划分

图6 数字建造平台首页

4.2 安全管理系统应用

4.2.1 隐患排查系统

在安全管理模块中建立一套现场隐患排查治理系统,通过App端在线完成现场安全巡检工作的检查、整改与复查循环,同时数据可以自动同步至Web端进行综合分析,提高隐患排查、消除的及时性。具体隐患排查消除流程如图7所示。

图7 隐患管理流程图

4.2.2 重大风险源管理系统

根据项目风险辨识情况,建立风险清单库;按照工程类别划分,根据风险重要程度和损失率等因素,将风险划分为三个等级,建立统一标准。为保证风险识别的及时性、准确性,每季度定期梳理风险源,并经相关部门及专家审核后确定新清单,实现风险源的动态管理。

4.3 功能模块应用介绍

4.3.1 爆破振动监测运用

结合实际环境,采用智能爆破振动监测仪,重点对敏感构筑物进行定点监测,将爆破振速数据采集完成后上传至数字建造平台集中管理,提高管理效率。爆破振速采集原理及页面管理分部如图8所示。

图8 爆破振动监测数据采集原理图

4.3.2 起重设备监测

竖井出渣设备为QD65t-16m AG的65t桥式起重机,吨位大,起重作业频繁,起重最大行程达到80 m,起重机安全运行管理任务重、难度大,常规的人为监测效率低下,且通过查看方式很难及时发现关键部位隐患,鉴于此情况,基于物联网技术,在桥式起重设备上安装起重吊装、提升速度、下降速度、运行行程、风速、起升控制器等终端感知设备,将起重设备的基本运行数据实时上传至数据中台,通过平台中的设备模块进行监控管理,实现起重设备工作状态数据的实时统计、分析及预警等功能。设备检测现场实施情况如图9所示。

4.3.3 基坑监测运用

竖井基坑深度大,周边环境较复杂,常规的人为监测响应慢,监测任务较重,且不能实现实时监测。项目通过采用自动化监测手段,利用蓝牙技术、5G技术将全站仪、水准仪、轴力计等电子采集设备和智能传感设备采集的数据实时传输到云平台,通过云计算技术即时得出监测结果,实现基坑施工阶段工程结构安全状态实时监测,监测结果实时上传至数字建造平台中的监测模块进行集中管理。部分监测设备安装如图10所示。

图10 地表沉降监测设备

4.3.4 AI智能识别

针对钢筋加工厂、竖井洞口作业持续时间长、人员集中的状况,常规的人为检查发现问题过于短暂,不能达到实时监控,因此,在上述位置安装AI摄像头,可对人员安全帽未佩戴、吸烟、反光背心未穿戴等不安全行为自动抓拍、分析和预警提醒,减少施工作业不安全行为的发生,该模块同样通过数字建造平台进行管理、显示。页面管理如图11所示。

图11 AI智能识别模块

4.3.5 人员定位

南北竖井开挖深度大、环境恶劣、工种危险系数高、安全风险高,应用人员机械智能定位系统(定位基站与微标签)实现人员考勤、跟踪定位、灾后急救、日常管理等功能。施工人员进入工点以后,在任何时刻任意位置,定位基站均可接收信号,并上传到监控中心服务器,经过数据处理,可得出人员ID、位置、具体时间等信息,同时动态显示在监控中心大屏幕上,使得管理人员随时了解施工现场人员机械的状态。

5 实施效果

该项目在安全隐患排查、设备管理、爆破检测、沉降观测等方面实现了信息化集中平台管理,减小了管理人员的信息化工作管理强度,提高了管理效率;同时,有效消除了事故隐患,项目无一例安全质量事故发生。具体系统数据显示效果统计见表1。

表1 竖井工程信息化技术应用效果统计表

6 结 论

通过自动化监测、爆破监测应用、设备物联手段、人员监测及原综合性管理平台接入等五个方面入手,建立信息化平台对竖井项目安全进行管理,得出相关结论如下:

(1) 数字建造集成平台集成了物联设备、监测数据、原综合性管理平台业务数据,实现综合性管理平台的统一管理,减少了管理人员的工作量;

(2) 融合物联网技术、自动化监测技术及原综合性管理平台于数字建造平台,对竖井爆破施工、门式起重机、自动化沉降监测进行动态数据管理,实现了爆破振动监测、基坑沉降监测、设备运转监测的全过程、全时段监控、预警,安全管理效果得到显著提高;

(3) 信息化技术在竖井工程安全管理中有效应用,可为其他工程信息化施工管理提供参考依据。