住建部发布 | 智能建造典型案例（十八）隧道施工智能预警与安全管理平台在新疆维吾尔自治区东天山隧道的应用
小编语：近日住建部发布了智能建造新技术新产品创新服务典型案例，为推广智能建造可复制经验做法，我们将陆续对其中涉及到施工安全的案例进行推送，敬请关注
住房和城乡建设部办公厅关于发布
智能建造新技术新产品创新服务
典型案例（第一批）的通知
各省、自治区住房和城乡建设厅，直辖市住房和城乡建设（管）委，北京市规划和自然资源委，新疆生产建设兵团住房和城乡建设局：
按照《住房和城乡建设部等部门关于推动智能建造与建筑工业化协同发展的指导意见》（建市〔2020〕60号）要求，为总结推广智能建造可复制经验做法，指导各地住房和城乡建设主管部门和企业全面了解、科学选用智能建造技术和产品，经企业申报、地方推荐、专家评审，确定124个案例为第一批智能建造新技术新产品创新服务典型案例（案例集可在住房和城乡建设部门户网站上查询）。现予以发布，请结合实际学习借鉴。
住房和城乡建设部办公厅
2021年11月22日
（此件主动公开）
隧道施工智能预警与安全管理平台在新疆维吾尔自治区东天山隧道的应用
北京市市政工程研究院
一、基本情况
（一） 案例简介
本案例通过应用隧道施工多元信息智能预警与安全管理平台，实现了隧道施工有害气体自动监测、施工现场人员定位与考勤管理、施工信息和监测数据同步、灾害智能预警与应急预案、低温环境下的气候参数自动监测采集等功能，解决了隧道工程施工作业环境复杂，施工安全风险高，监控和预警滞后等问题，提高在复杂严苛工况下的智慧化隧道施工水平和施工监测效率，有效保障隧道施工安全顺利实施。
图1 隧道施工多元信息智能预警与安全管理平台
（二） 申报单位简介
北京市市政工程研究院创立于1959年，是北京市属重点科研院所，主要从事市政工程技术的研究开发、质量检测、技术咨询与技术服务，拥有地下工程建设预报预警北京市重点试验室,致力于我国隧道及地下工程施工数字化、信息化和智能化水平的提高。
二、案例应用场景和技术产品特点
（一） 技术方案要点
本平台由多元信息自动采集、动态风险管理与分析预警和网络动态虚拟隧道施工三部分构成，通过自动监测、实时预警、风险管理等系列技术手段解决复杂条件下隧道施工的技术问题，提高抗风险能力。平台的体系架构如图2所示：
图2 平台体系架构图
平台由“链”基本单元构成（如图3所示）。其中“链头”为网关基站，负责“链”与云端服务器的通信；“链身”为传输基站，起信号中继作用；“链关节”由采集基站连接传感器、水准仪、全站仪等设备。
图3 平台“链”结构单元
（二） 主要成果及关键技术经济指标
本平台获得相关成果包括授权发明专利6项、实用新型专利13项、软件著作权27项、发表论文24篇(SCI/EI12篇)、出版专著1部，编制国家行业标准及团体标准2部，获得包括北京市第五届发明创新大赛金奖等各类奖8项。
（三） 平台主要特点和创新
本平台具有5个突出特点：（1）信息采集综合化。集成传感器信息、人机定位信息、突发事件监控信息采集等，实现施工信息采集与综合分析。（2）决策管理信息化。集成多元信息采集、安全风险管理、安全预警及应急救援等功能，实现智能的决策管理。（3）数字孪生可视化。将高风险的隧道及地下工程施工过程真实的模拟到网络平台上，构建数字孪生隧道。（4）灾害预警智能化。通过隧道施工监控、地质超前预报以及灾害事件监控，实现隧道施工灾害的全天候智能预警。（5）应急反应联动化。结合专家经验和安全提示信息，四级预警及应急预案，形成联动反应的应急响应机制。
平台的主要技术创新体现在以下几个方面：（1）基于“链”结构的不同系列，功能基站的有机组合，快速构建不同需求的隧道信息传输骨干线路，通过复制“链”或组合“链”解决各类不同的隧道技术需求。（2）构建了“网络动态数字孪生隧道施工场景”，将网络动态隧道施工的勘察、设计、施工数据与真实的隧道施工信息化同步，对施工现场进行远程交互操控。（3）构建了“上行信息、下行指令，交互有序、快慢有度”的“心跳”机制，仿真人体的“心率”功能，建立了紧急应对灾害的快速反应机制。
（四） 与国内外同类先进技术的比较
相对于国内外同类的技术和产品，本平台有3点优势：（1）将多元信息采集、综合分析、实时预警有机融合，实现“综合智能预警”；（2）采用以监测点基本属性为最小单元的“四色预警的风险管理方法与技术”，构建了“网络动态虚拟隧道”，与实际隧道施工的实时同步；（3）通过隧道施工“监控量测全面自动化”，建立并实现隧道施工各职能部门的“紧急应对灾害联动响应机制”。本平台在功能方面更为综合，具有多元信息安全预警、人员设备定位管理、实时自动监测、数据处理与专业分析、三维可视化展示与交互等多种功能。本平台具有更广泛的适用性，可用于隧道、桥梁、道路、地质灾害、滑坡 、大坝、地表构筑物等各种目标体及各种复杂环境的全天候实时监测和突发事件预警与应急响应管理。
（五） 市场应用总体情况
平台主要应用于信息化施工与安全保障、地下工程突发事件预警与应急响应（过程灾害预警）等方面，适合于隧道、桥梁、道路、地质灾害、滑坡、大坝、地表构筑物等各种目标体及各种复杂环境的全天候智能实时监测预警与安全管理。平台已在北京108国道南村隧道、陕西省包家山隧道、北京地铁大兴线、北京怀柔头道穴隧道、新疆东天山隧道等多个项目中成功应用。市场应用情况表明，平台对地下工程施工现场全方位高效直观管理、提高施工过程的安全度等能够发挥重要作用。
三、案例实施情况
（一） 工程概况
隧道施工多元信息智能预警与安全管理平台的应用以新疆维吾尔自治区东天山隧道项目为例，该项目位于新疆维吾尔自治区哈密地区，隧道单洞长达11.775公里，是G575线巴里坤至哈密公路建设项目控制性工程（如图4所示）。隧道区域地形、地质条件、水文及气象条件复杂，地处高海拔地区，地震烈度高，隧道保温抗冻要求高，隧址区不良地质问题突出。同时，作为天山寒区特长公路隧道，具有“长、大、高、寒”的显著特点，是目前国内设计施工难度最大、风险最高的公路隧道之一。
图4东天山特长隧道建设工程
（二） 平台部署安装
本案例根据东天山特长隧道的实际情况制定了以下部署方案（如图5所示）：隧道洞口为人员考勤区域，洞口到隧道施工掌子面为人员定位区域，每隔100米布设一个传输基站完全覆盖整个隧道。在隧道施工掌子面等危险区域，安装数据采集基站和相应传感器，传输基站的安装间距减少到30米，以提高人员定位精度。洞口安装网关基站，通过GPRS网络或者以太网口连接到远程数据管理中心。
图5 平台部署方案
平台主要硬件设备安装包括：网关基站安装、数据传输基站和数据采集基站安装，以及主要监测传感器安装等（如图6所示）。其中，网关基站设置在隧道洞口，置于网络信号相对较强位置。数据传输基站安装在隧道内，以每隔250米的间距进行布设。采集基站和有害气体监测传感器则安装在隧道掌子面附近开挖台车上。
图6 平台主要硬件设备安装
平台服务器和软件系统部署按照分布式数据处理的设计，将系统应用、基础数据库、电子地图部分集成在同一个服务器上。结合东天山隧道项目公司现场网络化视频监控，构成施工现场实时可视化和多元信息智能预警与安全管理的智慧监控系统（如图7所示）。
图7 平台服务器和软件系统的部署
（三） 平台应用
1．隧道施工掌子面附近有害气体自动监测。东天山隧道进口段独头掘进超长和穿越断层距离累计长，在隧道施工掌子面附近极易产生有害气体。因此，本案例在东天山隧道施工工作面附近安装有害气体监测传感器，对CO（一氧化碳）、CH4（甲烷）、瓦斯等有害气体浓度进行24小时不间断自动监测，保障施工安全。如图8所示：
图8东天山隧道施工掌子面附近有害气体监测
2．基于物联网的隧道施工现场人员定位与考勤管理。由于东天山隧道单洞长达11.775公里，施工现场区域广，人员分布分散，隧道内通信盲区增大，难以实时定位人员及作业轨迹。本案例采用Zigbee等多种物联网定位技术，实现隧道现场的人员实时定位和作业轨迹同步跟踪。平台的考勤系统自动统计生成每日考勤、每月考勤报表，人员定位信息经过处理后生成人员分布图表和在洞内的运动轨迹，通过在隧道俯视图的图例动画直观显示和查看隧道内人员和设备的考勤、定位和预警等综合信息（如图9所示）。
图9 东天山隧道施工人员考勤定位综合信息显示
3．数字孪生隧道施工信息和监测数据同步。东天山隧道由于存在隧道单洞涌水量大、反坡排水、超长距离通风等问题，隧道施工难度和挑战极大。本案例采用数字孪生技术，实现隧道断面、围岩和支护等施工信息和现场监测、自动预警信息实时同步，大大降低施工难度。
首先，平台利用东天山隧道内轮廓设计相关数据，由虚拟仿真平台对隧道进行三维断面建模并进行隧道线形绘制，如图10所示：
图10东天山隧道三维建模及隧道线性绘制
其次，进行隧道基本信息绘制和围岩分级信息绘制，包括隧道概况、大事记、勘察设计与施工信息等，同时绘制围岩分级地质特征信息,如图11所示：
图11 东天山隧道基本信息绘制和围岩分级信息绘制
根据隧道不同区段围岩级别设计的初支类型和不同区段设计的二次衬砌类型进行隧道支护信息绘制，如图12所示：
图12 东天山隧道衬砌信息绘制
最后，远程数字孪生隧道通过客户端访问服务器上的数据库，获取和显示现场监测的实时数据，对监控量测数据显示参数设置，并在虚拟隧道中行进和漫游，在检测点的里程位置打开数据显示窗口，查看检测点的数据。同时，将人员和设备的实时定位信息与周边环境和里程信息相结合，进行3D可视化展示，如图13所示:
图13数字孪生隧道的数据同步及人机设备状态3D显示
4．灾害智能预警与应急预案。东天山隧道隧址区域存在大规模高压富水断层，洞口浅埋软弱破碎围岩段落长，施工风险等级高。本案例基于四色预警机制，根据不同测点预设标准值或阈值，综合预警级别、预警内容、处置措施、多种指示信息提示等进行洞内、洞外的联动反应，实现智能预警。同时，通过制定施工应急预案、智能响应与灾后救援技术，建立软硬件结合的网络化灾害应急响应机制，降低隧道施工风险。如图14所示：
图14平台灾害智能预警与应急预案
5．天山寒区低温环境下的气候参数自动监测采集。东天山隧道位于天山寒区，隧址区海拔高度2000米以上，年最低气温零下32℃，最大冻深2.53米，无霜期仅134天，冻害防控、风吹雪防治及隧道防冻保温要求高，隧道施工连续跨越四个冬季，施工环境极为恶劣。本案例在隧道进口、出口、1#斜井和2#斜井施工入口处建立4座气象监测站，实现风速、风向、温度、湿度、光照度、大气压力等环境参数自动监测，为施工建设提供全方位的气候信息,如图15所示:
图15 天山寒区低温环境下的气候参数自动监测采集
四、应用成效
（一） 解决的实际问题
1、提高隧道施工监测的数据实时性。平台解决了隧道施工过程中,当监测数据较多的时候,其处理分析过程较长,经常出现无法满足监测信息及时反馈的问题，尤其是对隧道工程中地质复杂、数据传输网络不够稳定的地段,平台通过采用多网络数据融合技术，保证监测信息得到及时有效反馈,在隧道施工过程中及时发现险情，并及时发出预警，避免出现安全事故。
2、改善隧道施工监测数据管理的易用性和直观性。随着隧道施工监测数据越来越复杂，传统的二维监测方式在数据处理方面越来越困难，风险监控和预警信息不直观，监测结果易出现较大差异。本平台通过建立数字动态孪生隧道，将隧道施工现场复杂的监测数据实时同步到网络三维动态数字孪生隧道中，将二维的交互方式提升为三维可视化交互，解决了二维监测系统存在的人机交互界面复杂，数据显示抽象，容易产生误判和迟滞等问题。
3、提升隧道施工监测对野外作业环境复杂化和多样化的适应能力。本平台针对东天山隧道的“长、大、高、寒”的工程特点，结合数字孪生隧道和物联网技术，通过平台功能的科学组合，解决了该项目建设中数据传输网络单一、施工人员考勤管理与人员定位难以实施、以及寒区天气及复杂施工环境下的智慧施工监测等问题，为隧道施工的安全顺利实施提供了重要的保障。
4、建立灾害智能预警与应急预案联动机制。多数隧道施工监测侧重于对施工过程中灾害的预警，应急救援预案方面则关注较少。本平台基于四色预警机制，通过制定隧道塌方、突水突泥、瓦斯和岩爆等施工应急响应与灾后救援预案，建立软硬件结合的网络化灾害智能预警与应急响应联动机制，从而解决了实际应用中发现险情时灾害预警与灾后救援的联动性问题。
(二)实际应用效果
平台在东天山隧道工程应用中，通过建立数字动态孪生隧道，将复杂的监测数据直观化，将二维的交互方式提升为三维可视化交互，改善了东天山隧道监测数据管理系统的易用性和直观性，有效提高隧道施工监测的效率，保障隧道施工的安全顺利实施。
(三)应用和推广价值
在工程实用性方面，平台通过数字孪生隧道与施工现场数据的实时同步，实现在复杂工况和严苛恶劣的工作环境下实时掌握现场真实信息，降低地下工程施工引发地质灾害风险，提高施工监测效率和安全水平。尤其是对于城市地铁隧道工程，平台在保护地铁、保障人们生命安全以及整个城市的交通体系安全中起到重要作用，具有很大的工程应用价值。
执笔人:
北京市市政工程研究院（张智明、叶英）
审核专家:
赵宪忠（同济大学，教授）
李东（百川伟业（天津）建筑科技股份有限公司，总工程师）
2019年5月隧道突涌水监测方法与预警技术
定价：95 元 出版时间：2019.5
上海科学技术出版社
内容提要：
本书共8章，分别总结分析了隧道突涌水监测方法与预警技术的发展历程、技术现状、存在的问题和发展趋势；归纳、划分了隧道突涌水灾害的两种典型破坏模式，提出了隧道突涌水灾害的地质及地球物理场前兆信息特征；针对隔水岩体渐进破坏突涌水类型，研制了真三轴地质力学模拟试验系统，揭示了突涌水的灾变演化机制与突涌水前兆多元信息演化规律；针对充填结构渗透失稳突涌水类型，研制了充填结构渗透失稳突涌水模拟试验系统，重点介绍了充填体性态演化过程与前兆信息临界特征；针对隧道突涌水灾害监测，提出了实时监测的物理基础与设计方法，介绍了隧道突涌水模式识别模型及演化态势动态预测方法；基于突涌水前兆多元信息融合分析方法，建立了以微震为载体融合多元信息的实时监测技术，构建了突涌水多元信息监测与预警系统，阐述了系统架构、软件设计及其使用方法；很后精选了代表性工程案例，详细介绍了隧道突涌水监测方法与预警技术的现场应用情况。
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