探讨地铁工程施工中监测技术与安全风险管理

刘林平

（广州地铁设计研究院股份有限公司，广东广州510010）

地铁是一种特殊的地下工程，空间狭小、环境复杂，隧道在地面建筑设施和地下施工环境的影响下时常出现变形，而随着我国地铁线路开通数的增加，相应的地铁事故频繁发生，给国家和个人带来巨大的经济损失。为确保地铁周边环境及设施的安全，使地铁隧道施工能够顺利进行，加强施工过程中的地铁隧道监测和基坑具有非常重要的意义。地铁隧道变形监测具有高精度、高频率和高时效性的特点，但是地铁隧道变形监测环境复杂，天窗时间段，存在安全隐患，传统人工作业模式难以满足地铁监测的要求。采用全天候、自动化的变形监测方式是地铁隧道监测的最优方案，全站仪自动化变形监测系统可以对变形监测区域进行全天候、高精度、高频率、安全稳定的数据采集分析，生成变形曲线和变形报告，预测安全事故、消除隐患，保证地铁的安全施工和运营。

1 地铁工程自动化监测分析

完整的自动化监测系统主要是指没有人员干预的条件下进行数据自动化观测记录，处理储存信息，实现报表编制和预警预报等功能，通过一系列的软件、硬件构成。基于测量机器人自动化变形检测系统主要包括以下几个方面，测量机器人监测站、计算机控制系统、CDMA通信网以及英特网、基准点与变形监测点。

1.1 自动化全站仪

在监测过程中，自动地开展整平工作，调焦和正导向观测，对数据自动化记录，能够自动化识别以及对准功能。只要将仪器对目标对准，便能对目标棱镜自动寻找，开展自动瞄准并进行锁定，实时监测，监测效率得到了大幅提升。

1.2 自动化实时监测系统软件

在变形实时监测系统过程当中SMOS自动化系统软件，在有线和无线控制仪器基础上，通式监测点和仪器前，对设置在自然物体上的监测点以及目标设施开展动态化的三维坐标监测，并通过近距离差分后，使其精度达到亚毫米级，不仅自动化程度高，而且具有很高的精度，同时非常便捷与自动，还能自动化实时化的处理数据。

1.3 结构安全评价

此项工作是通过结构安全评价系统实现，主要包括对数据的分析监测，历史数据的定期监测，对标准数据进行设定，分析监测结构，如分析建筑物的稳定性以及安全性，对全部的结果进行显示、存档以及储存，在此基础上生成安全检测报告以及评估报告。

2 基于物联网技术的地铁施工安全预警体系设计思路

2.1 感知层

利用物联网技术，将视频监控、智能测斜管、光电式双位移计、压力传感器、超声波水位计、空隙水压力计、应力计、轴力计、超声波测距仪等信息采集设备按监测设计要求安装于施工现场监测点，用于收集施工现场的各类信息。

2.2 数据传输层

位于工地前端的信息采集设备通过互联网、有线通信和无线通信等，将底层采集到的信息与上层服务器进行连接和交换。

2.3 数据处理层

从底层感知层采集到的原始数据不仅数量大，而且含有大量重复且对用户无用的，所以需要数据处理层对原始数据进行滤波降噪、整合处理，并能生产原始数据汇总、分析的报表、图表等，可以供用户查询、使用。

2.4 数据应用层

要实现对工程施工安全的预警功能，需要对采集到数据做特殊处理。例如对于地铁施工地表沉降问题，可以用人工神经网络、卡尔曼滤波、ARIMI等模型，构建地表沉降预测模型，使用户提早掌握沉降的未来走势，并根据设置的阈值实现预警功能。

2.5 服务层

利用终端设备，为用户提供可视化操作平台，实现预警信息的实时响应。基于物联网技术的地铁施工安全预警架构如图1所示。

图1 基于物联网技术的地铁施工安全预警架构

3 基于物联网技术的施工安全预警功能模块

3.1 地铁工程本体施工安全风险预警

地铁工程本体施工安全预警指标主要包括支护桩（墙）顶部水平（竖向）位移、支撑轴力、锚杆拉力、地表沉降、地下水位、管片结构竖向位移、管片结构净空收敛、初期支护结构拱顶沉降和初期支护结构净空收敛等。通过位移、应力等传感器来获取监测数据，并将数据传输给系统中心处理，得出即时变化值及变化速率和预测的变化值及变化速率，根据事先设置好的阈值，进行及时预警。

3.2 地铁工程施工设备监测预警

通过对地铁工程施工大型设备安装传感器，实时采集数据，可以实时监测施工现场的大型设备运行情况，需事先设置好阈值，进行及时预警。

3.3 地铁工程施工环境监测预警

地铁施工多处于地下，施工环境相对比较密闭，易发生爆炸、中毒等事故。在此通过实时采集施工现场的可燃和有毒有害气体浓度、粉尘、温湿度等数值，进行阈值判断，实现及时预警。

3.4 地铁工程施工注意事项

（1）地铁施工是一个涉及沿线地质情况、周边构（建）筑物、地下管线等综合性、复杂性的施工过程。本文提出利用物联网技术，自动采集监测数据，实时动态监测走势，实现地铁施工过程的安全预警，确保了施工过程的安全性，减少施工安全事故所带来的损失。

（2）利用物联网技术，减少了人工参与的工作量，保证数据正确性的同时提高了工作效率。

（3）为确保监测点数据的正常、正确传输，在实际工作中应该做好对检测项目各监测点传感设备的保护工作；同时，应加强日常安全巡视工作，发现周边环境有异常情况，及时反馈信息。

4 安全风险管理

以深化设计模型为基础，根据施工安全风险管理体系增加风险监测点模型和风险工程等信息，建立安全风险管理模块，利用BIM数据集成与BIM信息化建设管理平台建立环境模型与安全风险监测数据的关联关系，实现对施工安全风险的可视化动态管理。集模型集监测对象、监测点、监测方案和检测数据等功能于一体，实现监测数据可视化预警和自动推送。安全风险管理应形成适用于既有车站不停运改扩建工程的专项施工方案、技术交底方案、设计交底方案、危险源辨识计划、施工安全策划书等。

4.1 施工安全模拟

运用数字化技术，依据施工现场的实际情况，实时更新施工安全设施配置模型，对危险源进行动态辨识和动态评价。通过对实际施工方案、实施过程模拟进行交底，直观展示各施工步骤、施工工序之间的逻辑关系，使现场技术人员、施工人员对工程项目的技术要求、质量要求、安全要求、施工方法等有透彻理解。

对施工人员进行安全教育，对高发危险事件进行预演模拟，结合系统中预先设置好的人员疏散路线信息、救援路线信息、摄像头位置点信息、救援设备位置点信息等，在人员疏散逃离及救援人员进入现场时给予正确的处置参考信息，便于科学组织施工，提高施工人员安全意识，避免技术质量事故的发生。

4.2 施工监测管理

施工监测管理是利用信息传感设备、视频监测设备，或其他数字化监测手段对施工现场环境进行监测的管理方式。对于人流量密集区域、车站商业连接区域或其他危险区域进行重点跟踪监测。采用互联网云技术，及时将现场存在的问题反馈至模型，便于检查验收、整改责任认定和跟踪解决。施工安全设施配置模型应完善安全防护等安全设施配置信息，除不停运改扩建工程信息外，还应包括脚手架防护、基坑支护、模板工程、消防疏散分区、安全通道平面布置、施工升降安全、塔吊、起重吊装安全、施工机具安全、施工现场文明生产安全等信息。同时，由模型输出相关的视图照片、问题跟踪记录辅助编制施工质量检查与安全分析报告。

5 结语

针对传统监测手段存在的问题，本文提出基于物联网技术的地铁施工安全风险预警。利用物联网技术，自动采集地铁施工过程中的各类信息，进行智能处理，实现地铁工程本体施工、大型设备运行情况、施工环境的自动监测和实时预警，提升地铁施工过程的安全事故防范能力。随着物联网软硬件技术的不断发展，物联网技术在地铁施工安全监测领域的应用将更加广泛。