隧道施工安全管理的信息化解决方案

摘要 随着现代信息技术的快速发展，智能化技术的应用能够有效提高隧道施工的安全监控能力，降低安全风险，对促进隧道施工安全管理的现代化具有重要意义。文章首先探讨了智能化技术在隧道施工安全管理中的应用现状、优势、挑战及其发展趋势，然后概述了智能化安全管理的理论基础和关键技术，包括传感器技术、物联网、大数据和人工智能等，通过典型的隧道施工案例，展示了智能化技术如何提升隧道施工的安全管理水平，最后针对智能化安全管理面临的技术与管理挑战，提出了相应的对策与建议，并对未来的研究方向进行了展望。

关键词 智能化；隧道施工；安全管理

中图分类号 U415 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2024）24-0150-03

0 引言

隧道施工作为一项高风险工程活动，其安全管理至关重要。随着智能化技术的发展，隧道施工安全管理有了更多信息化技术手段，可以实现更高效、精准的安全监管。在智能化隧道施工安全管理的研究中，学者们提出了多种技术和方法，杨礼铠[1]在其研究中强调了风险预警技术在隧道施工安全管理中的应用，通过建立风险预警制度和风险评估模型，提高了工程质量；柳立峰[2]则从隧道施工安全评价体系的角度出发，通过MES风险评价方法和模糊综合评价，建立了一套系统的隧道施工安全评价体系，为安全管理提供了科学的量化依据。

在智能化技术应用方面，刘彬等[3]针对CZ铁路隧道施工过程的安全管理问题，设计并开发了隧道安全信息预警系统，实现了隧道施工过程的动态监管和多元信息的全方位预警，显著提升了施工安全风险的可控性。此外，王辉麟等[4]探讨了隧道施工安全管理与风险预警技术的应用，强调了智能化技术在提升施工安全预警能力方面的重要性。

学者们普遍认为，智能化技术如传感器、物联网、大数据和人工智能等，在隧道施工安全管理中的应用，不仅能够实现对施工现场的实时监控，还能通过数据分析预测潜在的安全风险，从而采取及时有效的预防措施。然而，这些技术的应用也面临着技术集成、数据安全和人员培训等方面的挑战。

总体来看，智能化隧道施工安全管理正逐渐成为行业发展的新趋势，其在提高施工安全性、降低事故发生率等方面展现出巨大潜力。未来，随着技术的不断成熟和创新，智能化安全管理将在隧道施工领域得到更广泛的应用。

1 智能化隧道施工安全管理的理论基础

智能化隧道施工安全管理是将工程管理和信息技术相结合，其内容涵盖安全管理、应急管理、技术管理、信息传输等多个方面，以确保隧道施工安全。

1.1 智能化施工安全管理的概念

智能化安全管理是指在安全管理过程中，通过传感器、物联网、大数据、云计算和人工智能等现代信息技术，实现对施工过程的实时监控、数据分析和风险预警。这种管理方式能够提高安全管理的自动化、精准化和智能化水平，有效预防和减少安全事故的发生。

1.2 智能化技术在施工安全管理中的应用

在隧道施工安全管理中，智能化技术的集成应用主要通过传感器、物联网、大数据、云计算和人工智能技术体现。例如，传感器技术是利用各种传感器监测隧道施工过程中的环境参数（如瓦斯浓度、一氧化碳、温度、湿度等）和结构参数（如围岩位移、应力应变等），为安全管理提供实时的数据支持。物联网技术是通过物联网实现施工设备、传感器和监控平台之间的互联互通，确保数据的实时采集和传输。大数据技术是应用大数据分析技术对采集到的大量施工数据进行存储、处理和分析，挖掘施工过程中存在的潜在安全风险。云计算技术是利用云计算提供的数据存储、处理和分析服务，实现施工安全管理的高效计算和资源的优化配置。人工智能技术是运用机器学习、深度学习等人工智能技术对施工安全风险进行智能识别、评估和预警。

2 智能化技术在隧道施工安全管理中的应用

2.1 项目背景介绍

安徽某在建高速公路全线设隧道5 217.7 m/3座，其中特长隧道4 312.57 m/1座，中隧道651 m/1座，短隧道203.5 m/1座，棚洞100 m/1座，斜井778 m/1处。其中，某隧道设计为分离式隧道，右线起讫桩号为K178+630～K182+954.693，全长4 324.693 m；左线起讫桩号为ZK178+643～ZK182+943.44，全长4 300.44 m；均采用端墙式明洞门，隧道最大埋深约116 m，属特长隧道；隧道斜井起讫桩号为XK0+000～XK0+778.623，全长778.623 m，最大埋深约117.27 m。

由于施工隧道的特殊性和复杂性，在建设过程中必然存在诸多不确定和不安全因素。隧道建设属于多事故频发行业，事故的发生往往具有突发性和不可预见性，一旦发生事故，其后果通常较为严重。为了克服施工中的上述难题，提高项目施工效率，保障施工安全，建设一套隧道施工安全管理系统十分必要。

隧道建设信息化管理平台将以隧道安全管理为核心，构建智能监测和安全防范体系，以有效弥补传统方法和技术在监管中的缺陷，变被动“监督”为主动“监控”，体现“安全第一、预防为主、综合治理”的安全生产方针。

传统的数据监测和安全管理易受人为影响且效率低下，通过引入高精度传感器、大数据、人工智能等互联网技术，可以有效提高数据的真实性、稳定性，实时性。整体架构建设以隧道人员车辆考勤门禁、人员定位管理系统、有毒有害气体检测、应急广播电话、安全步距检测、一键紧急报警、LED显示屏、指挥管理中心等多个子系统或功能模块为主，提供开放扩展接口，后续可根据隧道建设与运营管理监测需要逐步接入新的监测管理模块，建设可持续扩展的隧道综合管理信息化平台，提高隧道工程建设的数字信息化水平，实现“智慧隧道”的建设目标。

2.2 系统功能介绍

隧道施工安全综合管理系统由隧道门禁系统、视频监控系统、LED显示系统、人员定位系统、气体检测系统、应急电话及广播系统、救援逃生系统、步距监测系统等组成，实现对施工现场的全面监控和管理。

2.2.1 隧道门禁系统

隧道施工专业性强、危险因素多，为了限制无关人员、车辆进入隧道施工现场，提高施工现场的安全性，通过在隧道进出口安装门禁系统，实现获得权限的作业人员、管理人员及车辆才能进入隧道，实时准确统计隧道内作业人员、车辆的数量；非项目人员、未经登记和授权的车辆无法擅自进入施工现场，杜绝安全隐患，切实保障隧道的作业生产安全。

隧道门禁系统分为人员门禁系统和车辆门禁系统，实现人车分流，保证人车进出的安全通行。

隧道人员门禁系统目前有两种常规识别方式：刷卡识别和人脸识别，采用实名制登记和人员定位卡绑定，共用一套系统，实现统一管理。有权限的人员可通过识别设备验证成功后进出通道，系统自动记录人员姓名、班组、进入时间等信息，并实时同步到LED显示屏上，对入场人员进行实时数据统计。动态人脸识别技术实现将人脸识别门禁与考勤的合二为一，可实现生物防假，一旦发现识别的是人脸图片或人脸视频，系统将无法验证，从而杜绝代识别、代考勤等“脸不对版”的现象，提高考勤的可靠性，增强人员的出入把控能力，解决传统人工查验证件放行、人员假冒、考勤信息不准确等缺点；人脸识别机自带安全帽检测功能，未佩戴安全帽禁止进入隧道。

隧道车辆门禁系统通过识别车牌，将有权限的车辆放行通过，实现对洞内车辆具体数量的实时掌控，能与LED系统实现联动，实时反馈信息。

隧道门禁系统是确保施工人员和车辆有序进出的第一道防线。通过智能化的门禁控制，实现了对人员和车辆的严格管理，同时对进出人员进行实名制登记，为安全管理提供了基础的数据支持。

2.2.2 LED显示系统

隧道现场LED大屏多采用P10单红显示屏或者彩色大屏，用于实时显示隧道内施工人员的班组信息、人员明细、进出洞时间、有毒有害气体数据、安全步距监测值、施工工序安全公告、项目信息、欢迎词、时间日期、安全教育培训、集团宣传视频、现场会议等内容，显示内容可根据需要自行调整。LED大屏的尺寸可以根据实际需要进行量身定制。LED大屏的存在，充分体现隧道施工项目部在管理上的施工信息透明化、信息化，LED大屏安装在隧道入口附近，以靠近值班室为佳，为科学施工提供技术支持。

LED显示系统作为信息发布的重要平台，可以实时显示施工进度、安全提示、环境监测数据等信息，提高了信息传递的效率和准确性，增强了施工人员的安全意识。

2.2.3 视频监控系统

随着隧道开挖的不断深入，大量的挖掘机器、运输车辆及施工人员也因工程进度而加大出入频率，在一些关键点位（隧道内外、施工便道、钢筋加工场、试验室、拌和站等）安装视频监控系统，也越来越必要。视频监控系统包括前端视频采集设备、通讯传输设备，以及后端的视频处理服务器。系统具有实时存储、回放、检索、查询功能，视频图像可通过网络实时传输到信息化管理平台，可以全方位实时远程查询管辖范围内重要工程或部位的施工动态，及时掌握现场情况并随时做出快速反应，为隧道安全施工保驾护航。

视频监控系统通过高清摄像头对施工现场进行24 h实时监控，不仅保障了施工人员的安全，还能对施工设备和材料进行有效监管。视频数据的实时传输和存储，为事后分析和事故调查提供了重要依据。

2.2.4 人员定位系统

当遇到隧道突发事故，若对隧道施工人员的救援缺乏可靠的位置信息，往往造成信息不畅通、数据不准确等，不利于事故的抢险救援，极易造成事故损失的扩大。实现对施工人员、物资、机械设备进行全天候的实时定位、轨迹跟踪和自动考勤，掌握每个员工在隧道的位置及活动范围，区分隧道危险区域等功能的需求万分迫切。

隧道人员定位系统是隧道安全管理系统的一项重要组成部分，其通过定位基站与人员定位卡实时交互数据，获取人员的相对位置，定位基站将加密数据上传到监控中心服务器，经后端定位引擎软件分析处理后，结合隧道地图，将定位卡位置显示出来。该流程可实时掌握洞内人员的分布情况，对施工人员进行实时位置的跟踪管理和轨迹回放。同时，该系统还能实现实时位置显示、快速人员检索、人员定位统计、求救报警电话查询、历史数据回放、设置危险区域电子围栏报警等功能。

人员定位系统利用RFID、UWB等技术实时跟踪施工人员的位置，确保在紧急情况下能够快速定位并采取救援措施，推动人员管理工作向制度化、规范化、实时化方向发展，有助于优化人员调度和管理。

2.2.5 气体检测系统

有毒有害气体分为可燃气体和有毒气体两大类，又根据对人体不同的作用机理分为刺激性气体、窒息性气体和急性中毒的有机气体。

随着隧道开挖的深入，隧道可能会出现有毒有害气体和粉尘，如甲烷、一氧化碳、硫化氢等气体和颗粒物。为加强对隧道施工人员的安全管理，避免在隧道施工过程中因气体和粉尘超限而带来的危害，部署隧道气体检测系统非常有必要。

采用高精度本安型气体传感器和超标声光报警器，可以24 h连续在线监测掌子面附近的气体数据，监测数据可在洞口LED大屏上实时显示，同时联动声光报警器同步报警，一旦检测到超标情况，立即发出警报，保障施工人员的健康和安全。

2.2.6 应急电话及广播系统

随着隧道开挖面的深入，洞内与外界移动手机的通信讯号可能会中断，在遇到突发事故，如崩塌、涌水涌泥等，不能及时向隧道监控室汇报，容易贻误抢险时机。此外，现场声音嘈杂，普通电话机铃声不能引起工作人员注意，导致生产调度和紧急撤离指令得不到及时传达，易造成安全事故和经济损失。基于此，接入了应急电话及广播系统，可实现作业面与外界的通信联系，满足生产调度、应急抢险及紧急处理的功能需要。该系统具有高防护、低功耗、防尘防潮、抗噪能力强、声音清晰洪亮等特点，采用无线网桥进行信号传输，大大降低通信线路被损坏的风险。应急通话系统具备通话录音和查询功能，可实现洞内作业面、搅拌站、洞口值班室、指挥中心等场所之间的通话。广播系统支持在线或离线使用，声音清晰洪亮，可有效保证指令的上行下达。

应急电话及广播系统在紧急情况下发挥着至关重要的作用，能够迅速传达撤离指令或安全警示，确保信息的及时传达，提高应急响应速度。

2.2.7 步距监测系统

在隧道建设过程中，应重视隧道安全步距的监测，国家相关管理部门对隧道安全步距也有着严格要求，围岩等级不同其安全步距的要求也不同。隧道安全步距监测系统通过在隧道洞壁、二衬台车、防水台车（仰拱方向）和开挖台车位置，安装基于毫米波雷达的步距仪主站和参考点，由主站将参考点之间的测距数据通过信号传输设备发送至服务器，通过模型算法计算彼此的步距关系，精确到厘米级别，并将监测结果实时展示在隧道模拟地图上并设置预警值，当超过预警值时会触发报警。

步距监测系统专门针对隧道施工中的关键安全参数进行实时监控，确保施工过程中的安全步距符合规范要求，防止因步距不当导致安全事故的发生。

3 结论与展望

该文深入探讨了智能化技术在隧道施工安全管理中的应用，并以安徽某高速公路项目中的隧道智慧化建设为例，通过构建一个综合性的智能管理平台，实现了对隧道施工的全面监控，包括人车分流门禁、人员定位、有毒有害气体监测、应急电话及广播、安全步距监测等关键安全要素的智能化管理，突显了信息化技术在隧道施工安全管理中的集成应用所带来的显著优势，不仅提高了数据的真实性、稳定性和实时性，而且通过主动监控代替传统的被动监督，可有效预防和及时响应潜在的安全风险，提升了隧道施工的安全管理效率和响应能力，确保了施工人员的安全和工程质量。

随着人工智能、物联网、大数据分析等技术的持续进步，隧道施工安全管理将实现更高水平的自动化和智能化。系统功能将进一步优化，实现更全面、高效的安全监管。同时，大数据和云计算的深入应用，将为安全管理提供更加科学的决策支持。此外，施工安全文化的普及和提升，以及跨学科融合的推动，将进一步促进隧道施工安全管理的创新和发展。未来该领域的研究将继续向着更高效、更智能、更人性化的方向发展，为隧道施工安全提供更加坚实的保障。

参考文献

[1]杨礼铠.隧道施工安全管理与风险预警技术研究[J].城市建设理论研究（电子版）， 2024（8）：61-63.

[2]柳立峰.隧道施工安全管理及评价体系研究[D].重庆：重庆大学， 2008.

[3]刘彬，崔贤，孙国辉，等.隧道安全信息预警系统研发与应用[J].工业建筑， 2023（S2）：899-902.

[4]王辉麟，蒋秋华，索宁，等.铁路隧道施工安全管理与风险预警技术的应用[J].铁道建筑， 2013（3）：72-74.