隧道施工安全管理的信息化解決方案

摘要 隨著現(xiàn)代信息技術(shù)的快速發(fā)展，智能化技術(shù)的應用能夠有效提高隧道施工的安全監(jiān)控能力，降低安全風險，對促進隧道施工安全管理的現(xiàn)代化具有重要意義。文章首先探討了智能化技術(shù)在隧道施工安全管理中的應用現(xiàn)狀、優(yōu)勢、挑戰(zhàn)及其發(fā)展趨勢，然后概述了智能化安全管理的理論基礎和關(guān)鍵技術(shù)，包括傳感器技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等，通過典型的隧道施工案例，展示了智能化技術(shù)如何提升隧道施工的安全管理水平，最后針對智能化安全管理面臨的技術(shù)與管理挑戰(zhàn)，提出了相應的對策與建議，并對未來的研究方向進行了展望。

關(guān)鍵詞 智能化；隧道施工；安全管理

中圖分類號 U415 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2024）24-0150-03

0 引言

隧道施工作為一項高風險工程活動，其安全管理至關(guān)重要。隨著智能化技術(shù)的發(fā)展，隧道施工安全管理有了更多信息化技術(shù)手段，可以實現(xiàn)更高效、精準的安全監(jiān)管。在智能化隧道施工安全管理的研究中，學者們提出了多種技術(shù)和方法，楊禮鎧[1]在其研究中強調(diào)了風險預警技術(shù)在隧道施工安全管理中的應用，通過建立風險預警制度和風險評估模型，提高了工程質(zhì)量；柳立峰[2]則從隧道施工安全評價體系的角度出發(fā)，通過MES風險評價方法和模糊綜合評價，建立了一套系統(tǒng)的隧道施工安全評價體系，為安全管理提供了科學的量化依據(jù)。

在智能化技術(shù)應用方面，劉彬等[3]針對CZ鐵路隧道施工過程的安全管理問題，設計并開發(fā)了隧道安全信息預警系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道施工過程的動態(tài)監(jiān)管和多元信息的全方位預警，顯著提升了施工安全風險的可控性。此外，王輝麟等[4]探討了隧道施工安全管理與風險預警技術(shù)的應用，強調(diào)了智能化技術(shù)在提升施工安全預警能力方面的重要性。

學者們普遍認為，智能化技術(shù)如傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等，在隧道施工安全管理中的應用，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)對施工現(xiàn)場的實時監(jiān)控，還能通過數(shù)據(jù)分析預測潛在的安全風險，從而采取及時有效的預防措施。然而，這些技術(shù)的應用也面臨著技術(shù)集成、數(shù)據(jù)安全和人員培訓等方面的挑戰(zhàn)。

總體來看，智能化隧道施工安全管理正逐漸成為行業(yè)發(fā)展的新趨勢，其在提高施工安全性、降低事故發(fā)生率等方面展現(xiàn)出巨大潛力。未來，隨著技術(shù)的不斷成熟和創(chuàng)新，智能化安全管理將在隧道施工領域得到更廣泛的應用。

1 智能化隧道施工安全管理的理論基礎

智能化隧道施工安全管理是將工程管理和信息技術(shù)相結(jié)合，其內(nèi)容涵蓋安全管理、應急管理、技術(shù)管理、信息傳輸?shù)榷鄠€方面，以確保隧道施工安全。

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過程中，通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能等現(xiàn)代信息技術(shù)，實現(xiàn)對施工過程的實時監(jiān)控、數(shù)據(jù)分析和風險預警。這種管理方式能夠提高安全管理的自動化、精準化和智能化水平，有效預防和減少安全事故的發(fā)生。

1.2 智能化技術(shù)在施工安全管理中的應用

在隧道施工安全管理中，智能化技術(shù)的集成應用主要通過傳感器、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算和人工智能技術(shù)體現(xiàn)。例如，傳感器技術(shù)是利用各種傳感器監(jiān)測隧道施工過程中的環(huán)境參數(shù)（如瓦斯?jié)舛?、一氧化碳、溫度、濕度等）和結(jié)構(gòu)參數(shù)（如圍巖位移、應力應變等），為安全管理提供實時的數(shù)據(jù)支持。物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)是通過物聯(lián)網(wǎng)實現(xiàn)施工設備、傳感器和監(jiān)控平臺之間的互聯(lián)互通，確保數(shù)據(jù)的實時采集和傳輸。大數(shù)據(jù)技術(shù)是應用大數(shù)據(jù)分析技術(shù)對采集到的大量施工數(shù)據(jù)進行存儲、處理和分析，挖掘施工過程中存在的潛在安全風險。云計算技術(shù)是利用云計算提供的數(shù)據(jù)存儲、處理和分析服務，實現(xiàn)施工安全管理的高效計算和資源的優(yōu)化配置。人工智能技術(shù)是運用機器學習、深度學習等人工智能技術(shù)對施工安全風險進行智能識別、評估和預警。

2 智能化技術(shù)在隧道施工安全管理中的應用

2.1 項目背景介紹

安徽某在建高速公路全線設隧道5 217.7 m/3座，其中特長隧道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處。其中，某隧道設計為分離式隧道，右線起訖樁號為K178+630～K182+954.693，全長4 324.693 m；左線起訖樁號為ZK178+643～ZK182+943.44，全長4 300.44 m；均采用端墻式明洞門，隧道最大埋深約116 m，屬特長隧道；隧道斜井起訖樁號為XK0+000～XK0+778.623，全長778.623 m，最大埋深約117.27 m。

由于施工隧道的特殊性和復雜性，在建設過程中必然存在諸多不確定和不安全因素。隧道建設屬于多事故頻發(fā)行業(yè)，事故的發(fā)生往往具有突發(fā)性和不可預見性，一旦發(fā)生事故，其后果通常較為嚴重。為了克服施工中的上述難題，提高項目施工效率，保障施工安全，建設一套隧道施工安全管理系統(tǒng)十分必要。

隧道建設信息化管理平臺將以隧道安全管理為核心，構(gòu)建智能監(jiān)測和安全防范體系，以有效彌補傳統(tǒng)方法和技術(shù)在監(jiān)管中的缺陷，變被動“監(jiān)督”為主動“監(jiān)控”，體現(xiàn)“安全第一、預防為主、綜合治理”的安全生產(chǎn)方針。

傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)監(jiān)測和安全管理易受人為影響且效率低下，通過引入高精度傳感器、大數(shù)據(jù)、人工智能等互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，可以有效提高數(shù)據(jù)的真實性、穩(wěn)定性，實時性。整體架構(gòu)建設以隧道人員車輛考勤門禁、人員定位管理系統(tǒng)、有毒有害氣體檢測、應急廣播電話、安全步距檢測、一鍵緊急報警、LED顯示屏、指揮管理中心等多個子系統(tǒng)或功能模塊為主，提供開放擴展接口，后續(xù)可根據(jù)隧道建設與運營管理監(jiān)測需要逐步接入新的監(jiān)測管理模塊，建設可持續(xù)擴展的隧道綜合管理信息化平臺，提高隧道工程建設的數(shù)字信息化水平，實現(xiàn)“智慧隧道”的建設目標。

2.2 系統(tǒng)功能介紹

隧道施工安全綜合管理系統(tǒng)由隧道門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、LED顯示系統(tǒng)、人員定位系統(tǒng)、氣體檢測系統(tǒng)、應急電話及廣播系統(tǒng)、救援逃生系統(tǒng)、步距監(jiān)測系統(tǒng)等組成，實現(xiàn)對施工現(xiàn)場的全面監(jiān)控和管理。

2.2.1 隧道門禁系統(tǒng)

隧道施工專業(yè)性強、危險因素多，為了限制無關(guān)人員、車輛進入隧道施工現(xiàn)場，提高施工現(xiàn)場的安全性，通過在隧道進出口安裝門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)獲得權(quán)限的作業(yè)人員、管理人員及車輛才能進入隧道，實時準確統(tǒng)計隧道內(nèi)作業(yè)人員、車輛的數(shù)量；非項目人員、未經(jīng)登記和授權(quán)的車輛無法擅自進入施工現(xiàn)場，杜絕安全隱患，切實保障隧道的作業(yè)生產(chǎn)安全。

隧道門禁系統(tǒng)分為人員門禁系統(tǒng)和車輛門禁系統(tǒng)，實現(xiàn)人車分流，保證人車進出的安全通行。

隧道人員門禁系統(tǒng)目前有兩種常規(guī)識別方式：刷卡識別和人臉識別，采用實名制登記和人員定位卡綁定，共用一套系統(tǒng)，實現(xiàn)統(tǒng)一管理。有權(quán)限的人員可通過識別設備驗證成功后進出通道，系統(tǒng)自動記錄人員姓名、班組、進入時間等信息，并實時同步到LED顯示屏上，對入場人員進行實時數(shù)據(jù)統(tǒng)計。動態(tài)人臉識別技術(shù)實現(xiàn)將人臉識別門禁與考勤的合二為一，可實現(xiàn)生物防假，一旦發(fā)現(xiàn)識別的是人臉圖片或人臉視頻，系統(tǒng)將無法驗證，從而杜絕代識別、代考勤等“臉不對版”的現(xiàn)象，提高考勤的可靠性，增強人員的出入把控能力，解決傳統(tǒng)人工查驗證件放行、人員假冒、考勤信息不準確等缺點；人臉識別機自帶安全帽檢測功能，未佩戴安全帽禁止進入隧道。

隧道車輛門禁系統(tǒng)通過識別車牌，將有權(quán)限的車輛放行通過，實現(xiàn)對洞內(nèi)車輛具體數(shù)量的實時掌控，能與LED系統(tǒng)實現(xiàn)聯(lián)動，實時反饋信息。

隧道門禁系統(tǒng)是確保施工人員和車輛有序進出的第一道防線。通過智能化的門禁控制，實現(xiàn)了對人員和車輛的嚴格管理，同時對進出人員進行實名制登記，為安全管理提供了基礎的數(shù)據(jù)支持。

2.2.2 LED顯示系統(tǒng)

隧道現(xiàn)場LED大屏多采用P10單紅顯示屏或者彩色大屏，用于實時顯示隧道內(nèi)施工人員的班組信息、人員明細、進出洞時間、有毒有害氣體數(shù)據(jù)、安全步距監(jiān)測值、施工工序安全公告、項目信息、歡迎詞、時間日期、安全教育培訓、集團宣傳視頻、現(xiàn)場會議等內(nèi)容，顯示內(nèi)容可根據(jù)需要自行調(diào)整。LED大屏的尺寸可以根據(jù)實際需要進行量身定制。LED大屏的存在，充分體現(xiàn)隧道施工項目部在管理上的施工信息透明化、信息化，LED大屏安裝在隧道入口附近，以靠近值班室為佳，為科學施工提供技術(shù)支持。

LED顯示系統(tǒng)作為信息發(fā)布的重要平臺，可以實時顯示施工進度、安全提示、環(huán)境監(jiān)測數(shù)據(jù)等信息，提高了信息傳遞的效率和準確性，增強了施工人員的安全意識。

2.2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

隨著隧道開挖的不斷深入，大量的挖掘機器、運輸車輛及施工人員也因工程進度而加大出入頻率，在一些關(guān)鍵點位（隧道內(nèi)外、施工便道、鋼筋加工場、試驗室、拌和站等）安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，也越來越必要。視頻監(jiān)控系統(tǒng)包括前端視頻采集設備、通訊傳輸設備，以及后端的視頻處理服務器。系統(tǒng)具有實時存儲、回放、檢索、查詢功能，視頻圖像可通過網(wǎng)絡實時傳輸?shù)叫畔⒒芾砥脚_，可以全方位實時遠程查詢管轄范圍內(nèi)重要工程或部位的施工動態(tài)，及時掌握現(xiàn)場情況并隨時做出快速反應，為隧道安全施工保駕護航。

視頻監(jiān)控系統(tǒng)通過高清攝像頭對施工現(xiàn)場進行24 h實時監(jiān)控，不僅保障了施工人員的安全，還能對施工設備和材料進行有效監(jiān)管。視頻數(shù)據(jù)的實時傳輸和存儲，為事后分析和事故調(diào)查提供了重要依據(jù)。

2.2.4 人員定位系統(tǒng)

當遇到隧道突發(fā)事故，若對隧道施工人員的救援缺乏可靠的位置信息，往往造成信息不暢通、數(shù)據(jù)不準確等，不利于事故的搶險救援，極易造成事故損失的擴大。實現(xiàn)對施工人員、物資、機械設備進行全天候的實時定位、軌跡跟蹤和自動考勤，掌握每個員工在隧道的位置及活動范圍，區(qū)分隧道危險區(qū)域等功能的需求萬分迫切。

隧道人員定位系統(tǒng)是隧道安全管理系統(tǒng)的一項重要組成部分，其通過定位基站與人員定位卡實時交互數(shù)據(jù)，獲取人員的相對位置，定位基站將加密數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控中心服務器，經(jīng)后端定位引擎軟件分析處理后，結(jié)合隧道地圖，將定位卡位置顯示出來。該流程可實時掌握洞內(nèi)人員的分布情況，對施工人員進行實時位置的跟蹤管理和軌跡回放。同時，該系統(tǒng)還能實現(xiàn)實時位置顯示、快速人員檢索、人員定位統(tǒng)計、求救報警電話查詢、歷史數(shù)據(jù)回放、設置危險區(qū)域電子圍欄報警等功能。

人員定位系統(tǒng)利用RFID、UWB等技術(shù)實時跟蹤施工人員的位置，確保在緊急情況下能夠快速定位并采取救援措施，推動人員管理工作向制度化、規(guī)范化、實時化方向發(fā)展，有助于優(yōu)化人員調(diào)度和管理。

2.2.5 氣體檢測系統(tǒng)

有毒有害氣體分為可燃氣體和有毒氣體兩大類，又根據(jù)對人體不同的作用機理分為刺激性氣體、窒息性氣體和急性中毒的有機氣體。

隨著隧道開挖的深入，隧道可能會出現(xiàn)有毒有害氣體和粉塵，如甲烷、一氧化碳、硫化氫等氣體和顆粒物。為加強對隧道施工人員的安全管理，避免在隧道施工過程中因氣體和粉塵超限而帶來的危害，部署隧道氣體檢測系統(tǒng)非常有必要。

采用高精度本安型氣體傳感器和超標聲光報警器，可以24 h連續(xù)在線監(jiān)測掌子面附近的氣體數(shù)據(jù)，監(jiān)測數(shù)據(jù)可在洞口LED大屏上實時顯示，同時聯(lián)動聲光報警器同步報警，一旦檢測到超標情況，立即發(fā)出警報，保障施工人員的健康和安全。

2.2.6 應急電話及廣播系統(tǒng)

隨著隧道開挖面的深入，洞內(nèi)與外界移動手機的通信訊號可能會中斷，在遇到突發(fā)事故，如崩塌、涌水涌泥等，不能及時向隧道監(jiān)控室匯報，容易貽誤搶險時機。此外，現(xiàn)場聲音嘈雜，普通電話機鈴聲不能引起工作人員注意，導致生產(chǎn)調(diào)度和緊急撤離指令得不到及時傳達，易造成安全事故和經(jīng)濟損失?；诖耍尤肓藨彪娫捈皬V播系統(tǒng)，可實現(xiàn)作業(yè)面與外界的通信聯(lián)系，滿足生產(chǎn)調(diào)度、應急搶險及緊急處理的功能需要。該系統(tǒng)具有高防護、低功耗、防塵防潮、抗噪能力強、聲音清晰洪亮等特點，采用無線網(wǎng)橋進行信號傳輸，大大降低通信線路被損壞的風險。應急通話系統(tǒng)具備通話錄音和查詢功能，可實現(xiàn)洞內(nèi)作業(yè)面、攪拌站、洞口值班室、指揮中心等場所之間的通話。廣播系統(tǒng)支持在線或離線使用，聲音清晰洪亮，可有效保證指令的上行下達。

應急電話及廣播系統(tǒng)在緊急情況下發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，能夠迅速傳達撤離指令或安全警示，確保信息的及時傳達，提高應急響應速度。

2.2.7 步距監(jiān)測系統(tǒng)

在隧道建設過程中，應重視隧道安全步距的監(jiān)測，國家相關(guān)管理部門對隧道安全步距也有著嚴格要求，圍巖等級不同其安全步距的要求也不同。隧道安全步距監(jiān)測系統(tǒng)通過在隧道洞壁、二襯臺車、防水臺車（仰拱方向）和開挖臺車位置，安裝基于毫米波雷達的步距儀主站和參考點，由主站將參考點之間的測距數(shù)據(jù)通過信號傳輸設備發(fā)送至服務器，通過模型算法計算彼此的步距關(guān)系，精確到厘米級別，并將監(jiān)測結(jié)果實時展示在隧道模擬地圖上并設置預警值，當超過預警值時會觸發(fā)報警。

步距監(jiān)測系統(tǒng)專門針對隧道施工中的關(guān)鍵安全參數(shù)進行實時監(jiān)控，確保施工過程中的安全步距符合規(guī)范要求，防止因步距不當導致安全事故的發(fā)生。

3 結(jié)論與展望

該文深入探討了智能化技術(shù)在隧道施工安全管理中的應用，并以安徽某高速公路項目中的隧道智慧化建設為例，通過構(gòu)建一個綜合性的智能管理平臺，實現(xiàn)了對隧道施工的全面監(jiān)控，包括人車分流門禁、人員定位、有毒有害氣體監(jiān)測、應急電話及廣播、安全步距監(jiān)測等關(guān)鍵安全要素的智能化管理，突顯了信息化技術(shù)在隧道施工安全管理中的集成應用所帶來的顯著優(yōu)勢，不僅提高了數(shù)據(jù)的真實性、穩(wěn)定性和實時性，而且通過主動監(jiān)控代替?zhèn)鹘y(tǒng)的被動監(jiān)督，可有效預防和及時響應潛在的安全風險，提升了隧道施工的安全管理效率和響應能力，確保了施工人員的安全和工程質(zhì)量。

隨著人工智能、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析等技術(shù)的持續(xù)進步，隧道施工安全管理將實現(xiàn)更高水平的自動化和智能化。系統(tǒng)功能將進一步優(yōu)化，實現(xiàn)更全面、高效的安全監(jiān)管。同時，大數(shù)據(jù)和云計算的深入應用，將為安全管理提供更加科學的決策支持。此外，施工安全文化的普及和提升，以及跨學科融合的推動，將進一步促進隧道施工安全管理的創(chuàng)新和發(fā)展。未來該領域的研究將繼續(xù)向著更高效、更智能、更人性化的方向發(fā)展，為隧道施工安全提供更加堅實的保障。

參考文獻

[1]楊禮鎧.隧道施工安全管理與風險預警技術(shù)研究[J].城市建設理論研究（電子版）， 2024（8）：61-63.

[2]柳立峰.隧道施工安全管理及評價體系研究[D].重慶：重慶大學， 2008.

[3]劉彬，崔賢，孫國輝，等.隧道安全信息預警系統(tǒng)研發(fā)與應用[J].工業(yè)建筑， 2023（S2）：899-902.

[4]王輝麟，蔣秋華，索寧，等.鐵路隧道施工安全管理與風險預警技術(shù)的應用[J].鐵道建筑， 2013（3）：72-74.