物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)下的地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

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摘要：地鐵建設(shè)工程的周期長(zhǎng)、施工環(huán)境復(fù)雜、施工過(guò)程極易存在施工安全風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)地鐵建設(shè)過(guò)程的安全風(fēng)險(xiǎn)管控成為地鐵建設(shè)工程管理的重要課題，而施工過(guò)程安全監(jiān)測(cè)是加強(qiáng)地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)管控的重要手段之一。傳統(tǒng)的地鐵施工安全監(jiān)測(cè)多通過(guò)人工完成，存在一定的局限性和時(shí)效性，因此，文中提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警體系。實(shí)驗(yàn)表明，該體系可實(shí)現(xiàn)地鐵施工過(guò)程的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)；地鐵施工；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警；施工監(jiān)測(cè)；施工安全管理；實(shí)時(shí)預(yù)警

引言

地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)特征明顯，除了工程本體的風(fēng)險(xiǎn)外，還可能誘發(fā)諸多的社會(huì)風(fēng)險(xiǎn)。2008年杭州地鐵一號(hào)線工地發(fā)生塌方事故[1-2]，導(dǎo)致21人死亡，24人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失4961萬(wàn)元。一般地，工程風(fēng)險(xiǎn)達(dá)到臨界狀態(tài)之前，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的某些特征指標(biāo)即有明顯反應(yīng)，工程也會(huì)出現(xiàn)某些特征現(xiàn)象，可以通過(guò)監(jiān)測(cè)這些數(shù)據(jù)預(yù)報(bào)警情[3]，所以在地鐵施工過(guò)程中，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的采集及處理對(duì)地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警尤為重。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的出現(xiàn)為解決這個(gè)難題提供了支撐。物聯(lián)網(wǎng)是指通過(guò)信息傳感設(shè)備，按約定的協(xié)議，將任何物體與網(wǎng)絡(luò)相連接，物體通過(guò)信息傳播媒介進(jìn)行信息交換和通信，以實(shí)現(xiàn)智能化識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)管等功能，實(shí)現(xiàn)物物相連[4-7]。近年來(lái)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)已經(jīng)在土木工程施工風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)中得到了一些應(yīng)用[8-9]。隨著信息時(shí)代的不斷發(fā)展，地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警將成為物聯(lián)網(wǎng)應(yīng)用的重要發(fā)展方法，為此，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)地下工程施工安全的自動(dòng)監(jiān)測(cè)、實(shí)時(shí)預(yù)警。

1基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全預(yù)警體系設(shè)計(jì)思路

1.1感知層

利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將視頻監(jiān)控、智能測(cè)斜管、光電式雙位移計(jì)、壓力傳感器、超聲波水位計(jì)、空隙水壓力計(jì)、應(yīng)力計(jì)、軸力計(jì)、超聲波測(cè)距儀等信息采集設(shè)備按監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)要求安裝于施工現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，用于收集施工現(xiàn)場(chǎng)的各類信息。

1.2數(shù)據(jù)傳輸層

位于工地前端的信息采集設(shè)備通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)、有線通信和無(wú)線通信等，將底層采集到的信息與上層服務(wù)器進(jìn)行連接和交換。

1.3數(shù)據(jù)處理層

從底層感知層采集到的原始數(shù)據(jù)不僅數(shù)量大，而且含有大量重復(fù)且對(duì)用戶無(wú)用的，所以需要數(shù)據(jù)處理層對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行濾波降噪、整合處理，并能生產(chǎn)原始數(shù)據(jù)匯總、分析的報(bào)表、圖表等，可以供用戶查詢、使用[4]。

1.4數(shù)據(jù)應(yīng)用層

要實(shí)現(xiàn)對(duì)工程施工安全的預(yù)警功能，需要對(duì)采集到數(shù)據(jù)做特殊處理。例如對(duì)于地鐵施工地表沉降問(wèn)題，可以用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、卡爾曼濾波、ARIMI等模型，構(gòu)建地表沉降預(yù)測(cè)模型，使用戶提早掌握沉降的未來(lái)走勢(shì)，并根據(jù)設(shè)置的閾值實(shí)現(xiàn)預(yù)警功能。

1.5服務(wù)層

利用終端設(shè)備，為用戶提供可視化操作平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)預(yù)警信息的實(shí)時(shí)響應(yīng)?；谖锫?lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全預(yù)警架構(gòu)如圖1所示。

2基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的施工安全預(yù)警功能模塊

2.1地鐵工程本體施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警

地鐵工程本體施工安全預(yù)警指標(biāo)主要包括支護(hù)樁（墻）頂部水平（豎向）位移、支撐軸力、錨桿拉力、地表沉降、地下水位、管片結(jié)構(gòu)豎向位移、管片結(jié)構(gòu)凈空收斂、初期支護(hù)結(jié)構(gòu)拱頂沉降和初期支護(hù)結(jié)構(gòu)凈空收斂等。通過(guò)位移、應(yīng)力等傳感器來(lái)獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)傳輸給系統(tǒng)中心處理，得出即時(shí)變化值及變化速率和預(yù)測(cè)的變化值及變化速率，根據(jù)事先設(shè)置好的閾值，進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

2.2地鐵工程施工設(shè)備監(jiān)測(cè)預(yù)警

通過(guò)對(duì)地鐵工程施工大型設(shè)備安裝傳感器，實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)，可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)施工現(xiàn)場(chǎng)的大型設(shè)備運(yùn)行情況，需事先設(shè)置好閾值，進(jìn)行及時(shí)預(yù)警。

2.3地鐵工程施工環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警

地鐵施工多處于地下，施工環(huán)境相對(duì)比較密閉，易發(fā)生爆炸、中毒等事故。在此通過(guò)實(shí)時(shí)采集施工現(xiàn)場(chǎng)的可燃和有毒有害氣體濃度、粉塵、溫濕度等數(shù)值，進(jìn)行閾值判斷，實(shí)現(xiàn)及時(shí)預(yù)警。

3實(shí)例分析

由于篇幅有限，本文選取了福州市軌道交通4號(hào)線池邊站基坑開挖的安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警做分析。

3.1工程概況

福州市軌道交通4號(hào)線池邊站位于福州市晉安區(qū)塔頭路道路下方，呈東西走向，站中心位于塔頭路與縱二路十字交叉口十字路口中部，塔頭路規(guī)劃寬45m，車站西側(cè)已實(shí)現(xiàn)規(guī)劃，東側(cè)道路未施工，縱二路路規(guī)劃寬30m，現(xiàn)狀道路寬30m。車站周邊現(xiàn)狀以學(xué)校、高層辦公樓和高層住宅為主。車站周邊規(guī)劃用地性質(zhì)以商業(yè)、居住用地、教育用地、綠地為主。池邊站為單柱2跨（局部雙柱3跨）2層站地下建筑。車站起點(diǎn)里程DK31+871.358，終點(diǎn)里程為DK32+061.358，設(shè)計(jì)總長(zhǎng)度為190m，標(biāo)準(zhǔn)寬為19.70m，深16.70～19.00m。車站共設(shè)5個(gè)出入口，2個(gè)風(fēng)亭，車站兩端區(qū)間采用盾構(gòu)法施工，車站小里程端為區(qū)間提供盾構(gòu)吊入條件，大里程端為區(qū)間提供盾構(gòu)吊出條件。

3.2地鐵基坑開挖階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

池邊站基坑開挖階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)情況見表1所列，每個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目點(diǎn)布設(shè)相應(yīng)傳感器。

3.3監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值和預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)城市軌道交通工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范[10]，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的控制值見表2所列。監(jiān)測(cè)預(yù)警等級(jí)判定應(yīng)根據(jù)施工過(guò)程中工程監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與監(jiān)測(cè)項(xiàng)目控制值（包括變形量、變化速率“雙控”值）對(duì)比確定，按嚴(yán)重程度由小到大分為黃色、橙色和紅色三級(jí)，見表3所列[11]。

3.4數(shù)據(jù)處理

本文選取了該工程2019年9月10日的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，并根據(jù)“雙控”閾值要求，分別對(duì)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的根據(jù)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的變化速率和累計(jì)值進(jìn)行分析統(tǒng)計(jì)，得出本次監(jiān)測(cè)項(xiàng)目變化速率最大測(cè)點(diǎn)和累計(jì)變化量最大測(cè)點(diǎn)，見表4所列。

3.5預(yù)警分析

根據(jù)三級(jí)警戒狀態(tài)判定表及可視化平臺(tái)顯示，本期池邊站各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)變化較為穩(wěn)定，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)位均在預(yù)警控制值范圍之內(nèi)，無(wú)新增預(yù)警點(diǎn)。

3.6結(jié)論

（1）地鐵施工是一個(gè)涉及沿線地質(zhì)情況、周邊構(gòu)（建）筑物、地下管線等綜合性、復(fù)雜性的施工過(guò)程。本文提出利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)采集監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)走勢(shì)，實(shí)現(xiàn)地鐵施工過(guò)程的安全預(yù)警，確保了施工過(guò)程的安全性，減少施工安全事故所帶來(lái)的損失。（2）利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，減少了人工參與的工作量，保證數(shù)據(jù)正確性的同時(shí)提高了工作效率。（3）為確保監(jiān)測(cè)點(diǎn)數(shù)據(jù)的正常、正確傳輸，在實(shí)際工作中應(yīng)該做好對(duì)檢測(cè)項(xiàng)目各監(jiān)測(cè)點(diǎn)傳感設(shè)備的保護(hù)工作；同時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)日常安全巡視工作，發(fā)現(xiàn)周邊環(huán)境有異常情況，及時(shí)反饋信息。

4結(jié)語(yǔ)

針對(duì)傳統(tǒng)監(jiān)測(cè)手段存在的問(wèn)題，本文提出基于物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警。利用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，自動(dòng)采集地鐵施工過(guò)程中的各類信息，進(jìn)行智能處理，實(shí)現(xiàn)地鐵工程本體施工、大型設(shè)備運(yùn)行情況、施工環(huán)境的自動(dòng)監(jiān)測(cè)和實(shí)時(shí)預(yù)警，提升地鐵施工過(guò)程的安全事故防范能力。隨著物聯(lián)網(wǎng)軟硬件技術(shù)的不斷發(fā)展，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)在地鐵施工安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用將更加廣泛。

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作者：池傳樹 單位：福建船政交通職業(yè)學(xué)院