《既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术研究及应用》工作报告0503

1、既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术研究及应用作报告武汉理工大学中铁十四局集团有限公司武汉光谷北斗控股集团有限公司2015年3月项目背景及来源项目研究目标与任务项目研究过程项目研究成果项目存在问题与建议1314项目组成员 附件 项目研究成果既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术研究及应用工作报告1项目背景及来源中国铁建中铁十四局集团有限公司，是经国家建设部核准的具有 综合施工能力的铁路特级施工总承包企业，其前身为铁道兵第四师, 组建于1947年，1984年集体并入铁道部，2001年改制为母子公司的 管理体制。集团下辖11个全资子公司、1个控股子公司、3个专业性 分公司、5个区域性

2、工程指挥部、6个区域经营指挥部、北京办事处, 以及石武客专、成绵乐铁路、长株潭城际铁路、山西中南部铁路、贵 广铁路、云桂铁路、沪昆客专、津保铁路、张唐铁路、成兰客专、郑 徐客专等18个在建直属工程指挥部。安全生产工作一直是中铁十四 局集团企业管理的重点内容，坚持“安全第一，预防为主”、“管生产 必须管安全，谁主管谁负责”的安全管理原则，把安全生产作为施工 生产的永恒主题。近年来，随着铁路建设技术的发展以及人员、 货物交通运输量的 不断增长，铁路既有线复线建设、电气化改造与营运安全之间的矛盾 引起了全社会的广泛关注。既有线改造过程大量涉及铁路线的单线变 复线、路基加固、接长涵施工、顶进涵施工等繁

3、杂近接施工工艺，安 全管控难度大任务重。传统的铁路既有线施工安全管理都是采用人工 现场监测、现场评估，安全管理过程缺乏实时性、有效性、科学性, 进而产生了一系列施工安全隐患。 因此，要适应复杂条件下铁路既有 线近接施工实际，及时、合理应对铁路既有线近接施工中出现的新问 题，就必须转变传统的施工安全管控方式。项目将北斗导航定位技术、既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术研究及应用工作报告无线网络传输技术、现代传感器技术及虚拟仪器技术引入铁路既有线 近接施工安全管理监控及决策，实现对铁路既有线近接施工全过程各 工艺环节安全生产信息的高度集成、快速处理、动态查询和准确分析, 为既有线近接施工保

4、驾护航。为了保证复杂条件下的铁路既有线近接施工项目安全开展，中铁 十四局集团有限公司委托以武汉理工大学为牵头单位， 研发既有线近 接施工安全风险评估与智能监控关键技术。以铁路既有线近接施工为背景，充分发挥现代信息技术在复杂近接工程施工中的指导作用，研 发了 “基于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统”、“基 于LabVIEW的既有线桥涵施工自动化监测系统”、“既有线近接施工地 质信息管理系统”，通过对既有线近接施工全过程施工安全风险评估, 发现风险，监控风险，记录风险，从而避免风险。项目研究成果改进 了中铁十四局集团现有的铁路既有线施工安全管理模式， 摒弃了传统 的、粗放的、事后型的安

5、全生产管理理念。中铁十四局集团有限公司 将适应信息化时代发展的要求，依托自身强大的施工技术力量，建立 铁路既有线近接施工与安全管理上的协同效应， 项目研究成果已在中 铁十局集团有限公司、中铁十四局集团有限公司、中铁二十四局集团 有限公司推广应用，有望大量推广于国内外铁路既有线电气化改造项 目中，具有重要的理论意义和实践指导价值。2项目研究目标与任务2.1项目研究目标为了及时掌握并消除日益增多的既有线近接施工对营运线造成 的隐患风险，克服传统的铁路既有线施工安全管理中采用人工现场监 测、现场评估缺乏实时性、有效性、科学性的弊端。武汉理工大学联 合武汉光谷北斗控股集团有限公司，针对中铁十四局集团有

6、限公司复 杂条件下铁路既有线近接施工实际现状，将北斗导航定位技术、数字 地图可视化管理技术、层次分析法、灰色评估技术、无线网络传输技 术、现代传感器技术及虚拟仪器技术引入铁路既有线近接施工安全管 理监控及决策，综合研发既有线近接施工安全风险评估与智能监控关 键技术，实现对铁路既有线近接施工全过程各工艺环节安全生产信息 的高度集成、准确分析、发现风险并控制风险，保证铁路既有线的正 常营运和近接施工的顺利进行。2.2项目研究任务根据既有线近接施工变形监测预警评估的及时性和准确性要求, 以北斗卫星定位通讯技术为出发点，探索基于北斗、数字地图、虚拟仪器的既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术，设

7、计出适应不同既有线近接施工项目种类的安全风险评估体系，重点解决面向 既有线近接施工多维度实时监测预警和地质信息数据综合处理技术 难题，研发出一套具有“过程评估、实时监测、智能报警、信息管理、 后期服务”功能的综合系统。项目成果要求能有效解决既有线近接施 工安全风险评估、支护体变形沉降实时多维监测、轨道位移的科学调 整及工程地质信息的录入和调用，通过数字地图特有的影像结合数据 管理功能为海量地质空间数据的存储、管理和综合分析提供高效手 段，利用SketchUp对近接工程进行模拟与仿真，实现地质信息的可 视化和数字化，方便后期工程的快速、低成本开展，为既有线近接施 工项目的安全防护和施工提供科学化

8、的辅助决策支持。2.3任务完成情况武汉理工大学与中铁十四局集团有限公司在2012年3月签订科研合同以来，课题组根据合同的要求开展了各项研究工作。 以铁路既 有线“平改立”顶进涵施工工程为背景，开展了施工现场工程地质、 水文地质、土质稳定性等地质信息收集与整理， 研究了既有线近接施 工时列车动荷载及静载荷的加载作用方式及荷载分布情况，根据近接 施工特点开展了现场监测项目分析与确定， 完成了基于北斗的既有线 近接施工智能移动安全风险评估系统开发，完成了基于LabVIEW的铁 路营业线桥涵施工防护自动化监测系统开发以及现场施工安全自动 化采集仪硬件的研究与搭建，并开展了多个顶进涵施工全过程安全风 险

9、评估与安全智能监控，完成了合同规定的任务。3项目研究过程本项工作从2012年3月开始至2014年12月底完成，分四期:(1) 第一期(2012年3月2013年2月)中铁十四局和武汉理工大学研究人员联合成立项目组,项目组全15面调研了宁启铁路既有线近接施工工艺、施工技术与安全监控状况, 为项目的深入开展积累了基础数据与资料。 项目组在施工现场进行了 实地勘察、岩土取样及岩土物理力学特性研究， 分析了当前铁路既有线近接施工自动化监测现状以及利用虚拟仪器软件LabVIEW建立自动化监测系统的可行性；总结了铁路既有线近接施工的分类及概况, 分析了施工过程的特点、隐患以及常见对策。在既有线近接施工工艺技

10、术与安全监测状况调查、施工常见隐患 风险权重和评估方法确定、现场工程地质力学调查与工程岩体质量分级的基础上，运用数学分析方法来确定监测项目、 风险评估项目及需导入地质信息数据库的地质数据,设计多传感器自动化采集仪，并提出开发监测系统、评估系统和地质信息管理系统的总体项目设计方 案，进行软件需求分析、功能模块确认与技术经济分析，优选设计开 发方案。(2) 第二期(2013年3月2013年12月)软件系统开发和室内相似模型试验，深入研究并探讨LabVIEWC#与 Matlab、SQL Server数据库、Office等技术软件相结合的编程方法，初步设计系统框架，并在室内采用有机玻璃设计轨道-支墩-

11、便梁支护相似模拟系统，将现场试验和理论分析相结合确定传感器的 布设位置及数量，根据现场监控需要，初步确定传感器类型：静力水 准仪、倾角计、加速度计、土压力盒、表面裂缝计等。与武汉光谷北斗地球空间信息产业股份有限公司开展合作，基于 系统工程、安全工程、层次分析法和灰色理论，借助北斗导航定位技 术、利用 C编程语言、Matlab、SQL Server数据库、Ofice等开发环境研发了一套集“施工风险现场采集、安全信息管理、施工风险自 动评估”于一体的定时定点智能移动既有线近接施工安全防护评估系 统，即基于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统。利用无线网络技术和数据采集技术，设计研发安全监测

12、自动化采 集仪，实现多类型传感器信号的智能识别采集和数据传输；并利用LabVIEW软件开发设计监测系统软件，结合数据库技术实现对施工现场既有线近接施工的自动化在线监测和控制,即基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统。利用C#编程语言结合数字地图软件建立工程地质信息管理系统。通过对地下工程地质信息的研究，采用软件工程技术和数据库技术与 地质工程相结合，在数字地图软件平台上进行二次开发， 确定信息管理系统的设计目标、设计原则、技术路线等，在C#平台上，进行系统集成，并利用SketchUp建模软件搭建既有线近接施工模型，开发 地质信息管理系统，实现了信息的可视化和数字化，最终建立地

13、质信 息库，并进行实时动态更新，便于施工过程和后期运营验证、查询等,即构建“基于数字地图的既有线近接施工工程地质信息管理系统”。室内相似模拟实验，利用有机玻璃设计的轨道-支墩-便梁支护体 系，并基于现场调研布设传感器，使用自动化采集仪智能识别型号类 型并采集、无线传输至上位机监测系统，同时对风险评估系统和地质 信息管理系统进行室内模拟应用，补充完善系统各个功能模块，验证 数据采集、评估的正确性和预警的精度。项目阶段性研究成果在中铁十四局集团有限公司、 中铁十局集团 有限公司、中铁二十四局集团有限公司推广应用。（3）第三期（2014年1月一2014年3月）项目三期的主要研究工作深入研究轨道-支墩

14、-便梁支护体系的 相互作用机理，对轨道发生位移的变化规律进行分析， 并利用数学方 法推导出轨道位移调整公式，应用于软件内部算法中；同时结合经典 力学理论知识，对铁路既有线近接施工中的列车移动载荷动力响应规 律进行研究，提出移动载荷的监测手段和处理方法； 采用ANSYS有限 元分析软件，数值模拟研究列车静载荷与动载荷对铁路既有线近接施工的影响，给出了各影响因素与支护主体稳定性间的关系曲线，为既 有线近接施工期列车行车建议以及支护主体结构提供理论基础。（4）第四期（2014年4月一2014年12月）项目四期的主要研究工作是现场应用及关键技术优化， 通过多个 具体的铁路既有线近接施工（顶进涵、接长涵

15、、增加复线等）现场应 用测试，验证并完善三大系统的实用性和可靠性。应用结果表明，基 于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统、基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统、基于数字地图的既有线近接施工工程地质信息管理系统能够有效发现既有线近 接施工安全风险，实时多维度监控近接施工对既有线所造成的影响, 及时科学地完成既有线列车轨道参数调整， 为既有线近接施工全过程 进行安全指导，并及时将施工过程所获得的工程地质信息导入地质信 息库，在提高近接施工安全性的基础上，为后期近接工程的高效开展 提供重要的基础数据。提高既有线近接施工工程的安全性、确保通行列车的安全运营是 本项目研究的

16、核心问题。对比分析传统既有线近接施工安全风险评 价、施工安全监测以及轨道位移调整方法， 项目研究方法及成果具有 明显的先进性，应用及推广前景广阔。4项目研究成果项目经过近三年，四期工作，申请软件著作权7项，在国内外期 刊公开发表相关学术论文19篇，EI数据库收录3篇，公开发明专利1项，授权实用新型专利4项，培养硕士研究生3名，详情见附件。项目所取得的主要成果有:(1) 研发了基于北斗的既有线近接施工智能移动安全风险评估系统。该系统基于系统工程、安全工程、层次分析和灰色理论, 借助北斗导航定位技术、利用 C编程语言、Matlab、SQL Server数据库、Office等开发环境研发了一套集“施

17、工风险现场采集、安全 信息管理、施工风险自动评估”于一体的定时定点智能移动既有线近 接施工安全防护评估系统。该系统智能移动终端可提前内置评估项目 所在地的三维坐标，预设安全检查人员现场检查时间。 安全检查人员 只有手持该移动终端在项目所在地范围内， 规定的时间段内才可以启 动移动终端完成现场检查与智能评价， 否则工作无效，确保了安全检 查的科学性与有效性。(2) 研发了基于LabVIEW的铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统。该系统可全方位、实时反映安全隐患，运用多传感器技 术、虚拟仪器技术、数据无线传输技术、信号智能识别采集技术和数 据过滤处理技术等构建了该系统的硬件和软件部分，让近接施工容

18、易变形失稳部位在整个施工过程中得到多维度的实时监测和评估，相互 验证，提高施工风险源的可见性和预测精度， 及时发现危险并提供施 工调整建议或救援措施。项目组研发的安全监测自动化采集仪可以智 能识别传感器信号类型并进行存储回放，便于系统后期的硬件和软件 的无限制扩展。(3) 综合应用力学分析、现场测试以及数值模拟计算方法，揭示了列车运行静-动载荷耦合作用规律，运用正交极差分析法分析了 各影响因素对既有线近接施工支护主体的影响大小， 为既有线近接施 工智能监控提供参考依据。在现场监测数据的基础上，采用ANSYSr 限元分析软件对列车动力响应规律进行数值计算， 模拟研究列车动载 荷对铁路既有线近接施

19、工的影响，运用正交极差分析法，设计9组模 拟试验。试验结果表明列车的激振频率对支护主体稳定性的影响最 大，车速次之，车重的影响较小。通过分析给出了各影响因素与支护 主体稳定性间的关系曲线，为既有线桥涵施工时各影响因素的合理取 值指明了方向，并给出铁路既有线近接施工期间的列车行车建议。(4) 提出了一套既有线桥涵近接施工列车轨道位移智能调整快速解决方案。根据既有线顶进涵便梁支护近接施工的特点， 对轨道发 生位移的变化规律进行分析，通过理论分析以及三角函数几何关系推 导出了支护便梁上任一铰接点的沉降位移及水平位移值的科学计算 公式，从而在现场监测数据的基础上，通过内部软件，精确计算轨道 位移调整值

20、，改变了采用轨道检测车、晃车仪、添乘仪等仪器设备检 测轨道几何参数的传统方法，实现了轨道几何参数调整的精确、高效。(5) 设计并开发了既有线近接施工地质信息管理系统，建立了既有线近接施工地质信息动态数据库，实现了地质信息的可视化和数字化管理。以数字地图为可视化及二次开发平台，并利用SketchUp对既有线近接工程进行模拟与仿真，构建既有线近接施工工程地质信 息管理系统，可高效地对地质信息海量数据进行存储和管理， 对空间 数据进行多层次分析，通过数字地图提供的研究区域周围的地形、 地 貌特征及研究区域的空间信息数据， 可以判读、标注已知地域上可能 存在的地质灾害，为后续既有线近接施工过程工程地质

21、信息“自诊 断”及后期改造工程施工查询、补充、预测提供依据，从而提高工程 地质信息管理效率及数字化、信息化水平。5项目存在问题与建议由于不同的既有线近接施工工程的监测项目和评估项目有所不 同，工程规模大小也不尽相同，因此需要进一步提高和完善不同既有 线近接施工工程的涵盖率，同时将评估参数进行更细致的划分归类, 使评估结果更加科学和完善。6项目组成员武汉理工大学负责人:任高峰参加人员：池秀文李新平吴浩周洪文张卅卅张聪瑞尚亿军冯海旳谭海张春阳吕均琳杨海燕杜玉星负责人：胡仲春参加人员：刘永成周长进曹玉新任如华刘小果金鑫侯立波刘军中铁十四局集团有限公司刘明才李富强武汉光谷北斗控股集团有限公司负责人：安

22、庆参加人员：王伟军徐正全附件项目研究成果1.胡磊,胡仲春，任高峰,刘如意，黄洋既有线桥涵施工动力回应分析 J.武汉理工大学学报，2014,(08):88-93.2.胡仲春.实时智能监测系统在铁路既有线顶进涵施工中的应用J.工业安全与环保,2014,(04):43-45.3. 申一修，任高峰,刘志刚，赵利坤.基于载荷耦合分析对营业线结构影响研究J.科学技术与工程，2013,27:8053-8058+8064.4. 任高峰，张卅卅,胡仲春，刘永成.面向营业线桥涵施工的多传感器变形监测系统研究J.安全与环境学报,2013,(04):191-195.5. 任高峰,胡仲春，刘永成赵利坤,张卅卅.既有线桥

23、涵施工安全监测信息采集与处理系统设计J.武汉理工大学学报,2012,(09):80-83.6. 刘永成.既有线桥涵施工安全防护评估系统设计J.工业安全与环保,2014,(08):8-11.7. 赵利坤.铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统应用研究D.武汉理工大学硕士学位论文,2013.8. 任高峰,胡仲春，刘永成赵利坤,张卅卅.既有线桥涵施工安全监测信息采集与处理系统设计C.第3届全国工程安全与防护学术会议.中国 湖北武汉,2012,4.9. 胡仲春，赵利坤,刘永成任高峰.支持营业线桥涵施工的 WSN监测系统J.辽宁工程技术大学学报(自然科学版),2013,05:597-601.10. 任高峰

24、，张卅卅，胡仲春,刘永成.近接既有地铁线施工防护实时智能监测系统的应用研究J.昆明理工大学学报（自然科学 版）,2014,05:30-34+53.11. 任高峰，张卅卅，胡仲春,刘永成.铁路营业线桥涵施工测斜技术研究及变形机制分析J.施工技术,2014,11:40-44.12. 刘永成，吕均琳,任高峰.既有线桥涵施工支墩土压力非线性分布特征研究J.工程勘察,2013,06:1-5.13. 任高峰，胡仲春，张卅卅,韩高升,刘永成,吕均琳.近接地铁线施工安全多传感器自动化监测系统P.湖北：CN203132582U,2013-08-14.14. 任高峰，胡仲春，刘永成，赵利坤，吕均琳.铁路营业线桥涵

25、施工支敦沉降自动化监测装置P.湖北：CN203132536U,2013-08-14.15. 任高峰，赵利坤,胡仲春，吕均琳,刘永成.铁路营业线桥涵施工防护多传感器实时监测系统P.湖北：CN103017827A,2013-04-03.16. 软件著作权：胡仲春、杜玉星、杨海燕、任高峰.基于北斗的铁路既有线施工智能移动安全评估系统.登记号：2014SR13704117. 软件著作权：任高峰、赵利坤、胡仲春、闫振雄、刘永成、吕均琳、张卅卅.铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统.登记号: 2013SR00623818. 软件著作权：任高峰、张聪瑞、吕均琳.近接地铁自动化监测系统.登记号：2013SR1

26、3063019. 软件著作权：任高峰、赵利坤、胡仲春、崔云龙、刘永成、吕均琳.巷道围岩稳定性分类与支护设计智能系统.登记号：2012SR11574020. Ren G F, Zha ng C R, Zha ng S S. Research On Automatic Mon itori ngSystem for the Construction and Protection of the Approaching MetroTunnels Based On labVIEW: Advances in Applied Materials andElectronics Engineering III, 2014C. （ EI 检索）21. 软件著作权：周洪文，杜玉星，尚亿军，钱兆明基于Google earth既有线近接施工地质预报信息管理系统.登记号：2014SR18227722. 周洪文，杜玉星任高峰,王玉杰.基于Arc Engine与IDW法的矿石储量分析研究J.武汉理工大学报，2014,36（2）:115-119.23. 周洪文，杜玉星任高峰等.基于Arc Engine与IDW法的围岩亚级分级研究J.计算机应用与软件.（录用，知网网络出版）24. 张伟,周洪文.基于S