《既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术》技术报告0509.pdf
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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研 究 报 告研 究 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 年年 3 月月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完成单位: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课题负责人:完成单位: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课题负责人:任高峰胡仲春池秀文课题组成员课题组成员:
2、任高峰胡仲春池秀文安庆李新平刘永成周长进吴 浩曹玉新周洪文任如华张卅卅刘明才张聪瑞李富强尚亿军刘小果冯海昀金鑫侯立波刘军谭海张春阳王伟军徐正全吕均琳杨海燕杜玉星项目总审核:项目总审核:任高峰 池秀文目 录目 录第第 1 章前言章前言. 11.1课题由来. 11.2国内外研究现状及存在的问题. 31.2.1安全风险评价研究现状.31.2.2施工安全监测研究现状.71.3项目研究方法. 101.3.1项目研究技术方案.111.3.2项目研究内容.121.3.3项目创新.13第第 2 章既有线近接施工智能移动安全风险评估系统章既有线近接施工智能移动安全风险评估系统.152.1既有线桥涵近接施工危险源
3、辨识. 152.1.1危险源辨识过程.152.1.2危险源辨识方法.162.1.3危险源辨识结果.212.2既有线桥涵近接施工风险评价体系. 232.2.1既有线近接施工风险识别与分类.232.2.2风险评价体系建立.282.2.3计算风险评价指标权重.292.2.4灰色综合评价.342.2.5风险应对.422.3系统模块设计与实现. 452.3.1登陆及主界面.462.3.2无线定位模块.482.3.3地图管理模块.492.3.4基础信息管理模块.512.3.5危险源识别与管理模块.532.3.6安全风险评价.582.3.7事故应急救援模块.632.4系统现场应用. 642.5本章小结. 6
4、5第第 3 章既有线列车章既有线列车-便梁便梁-支墩耦合作用分析及动载荷动力响应数值模拟支墩耦合作用分析及动载荷动力响应数值模拟.673.1工程概况. 673.2监测点布置. 683.3既有线列车-便梁-支墩耦合作用分析.683.3.1列车-便梁耦合作用过程.693.3.2列车-便梁-支墩相互作用.693.3.3数据分析.713.4动力响应数值模拟研究. 753.4.1模型的建立.753.4.2载荷的施加.773.4.3计算结果与分析.783.5本章小结. 84第第 4 章铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统章铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统.854.1工程及地质概况. 854.2顶进涵施
5、工. 864.3系统开发与应用. 904.3.1系统需求分析.904.3.2系统监测方案设计.924.3.3系统总体框架.1084.4系统模块设计与实现. 1094.4.1登录模块.1104.4.2数据监测模块.1114.4.3预警值设置模块.1154.4.4轨道位移调整模块.1164.4.5用户信息管理模块.1184.4.6数据库管理模块.1184.4.7帮助说明模块.1224.5监测系统应用. 1234.5.1仿真验证.1234.5.2现场测点布置.1254.5.3数据采集和预警.1284.5.4数据分析.1334.6本章小结. 135第第 5 章既有线近接施工工程地质信息管理系统章既有线
6、近接施工工程地质信息管理系统.1375.1系统开发设计. 1375.1.1系统设计的目标.1375.1.2系统的设计原则.1375.1.3系统设计的技术路线.1395.1.4系统的总体设计.1405.1.5系统工作流程.1435.2系统模块设计与实现. 1455.2.1概述.1455.2.2系统登录与主界面.1455.2.3无线定位模块.1495.2.4数据库管理模块.1505.2.5地图游览模块.1565.2.6预报信息管理模块.1595.2.7三维模拟模块.1645.2.8辅助决策模块.1665.2.9帮助支持信息.1675.3本章小结. 167第第 6 章结论章结论. 169既有线近接施
7、工安全风险评估与智能监控关键技术研究及应用研究报告1第第 1 章前言章前言1.1课题由来课题由来铁路在交通运输业中的重要性是不言而喻的,截至 2014 年底,全国铁路运营总里程已突破 11 万公里,仅次于美国;其中高铁运营总里程超过 1.6 万公里,位居全球第一。与此同时,我国铁路的运输能力、电气化水平却有极大的提升空间。截至 2013 年底,我国铁路复线里程仅占总营业里程的 47%,电气化里程约占总营业里程的 54%。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、电气化改造项目层出不穷。既有线改建扩能工程大量涉及近接施工,近接施工与营运安全之间的矛盾引
8、起了全社会的广泛关注。既有线近接施工在工程上属于安全风险敏感区域,已经建成并正在运营的线路对变形控制的要求极其严格。既要保证既有线铁路正常不间断运行,又要确保支护结构的稳定,安全管控难度大任务重,近接施工过程经常伴随着一些大小事故的发生。比如地表既有线顶进涵施工过程中采用拉伸钢板桩支护时,列车容易发生“晃车”现象,影响营业线铁路的安全行驶;在施工接近尾声时,部分拉伸钢板桩因土压力过大而拔不出来,如果强行拔出则会造成铁路路基失稳事故。铁路既有线工程施工可能造成的铁路行车事故包括:列车脱轨、掉道;施工机具、材料、车辆侵限并挂碰机车;施工挖断既有光、电缆,造成行车通信、信号中断;封闭作业晚点、顶点,
9、影响正常运输秩序;施工损坏既有行车设备;施工或改建(已使用但未交工)路基、线路、桥梁、通号、接触网等设备达不到列车放行条件;施工防护不到位、违章施工、超前作业等违章事故;施工车辆溜逸;胀轨、跑道等影响列车运行;施工人员或旅客伤亡事故等。这些事故不仅影响了既有线的正常营运及工程进度,而且危及人员、设备和财产的安全,甚至可能造成巨大的经济损失。2008 年 11 月 15 日,杭州地铁基坑近接施工造成基坑坍塌,死亡 21 人;2010 年 5 月 23 日,江西沪昆铁路近接施工公路边坡,雨后发生滑坡,造成 K859 次列车脱轨,乘客死亡 19 人,伤既有线近接施工安全风险评估与智能监控关键技术研究
10、及应用研究报告271 人,其中重伤 11 人;2013.9.16 兰新线红烟段电气化改造工程发生打击事故,造成 1 人死亡;2014.3.31 沪昆铁路电气化改造工程发生事故,造成列车剐蹭,车次延误 23 分,死亡 1 人的严重后果。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。北斗卫星导航系统(BDS)是中国自行研制开发的区域性有源三维卫星定位与通信系统(CNSS),是除美国的全球定位系统(GPS)、俄罗斯的(GLONASS)之后第三个成熟的卫星导航系统。可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠
11、的定位、导航、授时服务,并兼具短报文通信能力,与 GPS 相比,北斗具有以下 5 点优势:(1)它同时具备定位与通讯功能,不需要其他通讯系统支持,而 GPS 只能定位;(2)覆盖范围大,没有通讯盲区。北斗系统覆盖了中国及周边国家和地区,不仅可为中国、也可为周边国家服务;(3)特别适合于集团用户大范围监控管理和数据采集用户数据传输应用;(4)融合北斗导航定位系统和卫星增强系统两大资源,因此也可利用 GPS 使之应用更加丰富;(5)自主系统,安全、可靠、稳定,保密性强,适合关键部门应用。因此,采用北斗卫星导航系统将会是我国重大工程安全监控领域的发展趋势。虚拟仪器技术作为目前新兴技术领域,被广泛应用
12、于航天科技、自动化控制、电子信息等领域内,在工程实践中不仅大大节省开发资金和缩短开发周期,还能够事半功倍,取得比传统仪器更好的测试效果。利用虚拟仪器技术和LabVIEW 软件设计的自动化监测系统已经在汽车、大坝监测、隧道开挖等方面得到广泛应用,并取得了较好的效果。既有线近接施工工程本身属于一种典型的地质工程,尤其是近年来的长深埋复杂隧道地铁等既有线近接的施工,常常面临非常复杂的地质环境和施工要求,这些复杂的地质条件往往会诱发多种地质灾害,严重影响施工进度,造成严重的经济损失和人员伤亡事故。对施工单位而言,由于技术手段局限和经费投入的不足,导致对地质安全风险源重视不够,再加上地质岩体的千差万别和
13、复杂多变,仅靠地质勘探所得到的地质资料非常有限。数字地图可让这些复杂繁多的数据更加可视化和形象化,通过数字地图特有的影像结合数据管理功能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研究报告3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。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。安全生产工作一直是中铁十四局集
14、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。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
15、避免风险。1.2国内外研究现状及存在的问题国内外研究现状及存在的问题1.2.1安全风险评价研究现状安全风险评价研究现状20 世纪 30 年代由于世界性经济危机的爆发,美国企业设立保险部门成为风险管理萌芽。1931 年美国管理协会最先提出风险管理概念,并开始进行探讨和研究,并于次年成立纽约经纪人协会。1938 年后,美国企业开始采用学术会议/研究班等科学的方法研究风险管理。20 世纪 50 年代,风险管理形成为一门新兴独立学科,逐渐向系统化、专业化发展。1950 年莫布雷(Mowbray)等人在保险学中对“风险管理”概念进行了阐述。1960 年风险管理课程由美国保险管理协会(ASIM)纽约分社与
16、亚普沙那大学首次联合开设。1961 年赫奇斯教授主持并发表风险与保险学课程概念。1963 年Risk Management inBusiness Enterprise历史文献的出版。20 世纪 70 年代风险管理研究逐渐蔓延到全球。1975 年,美国保险管理协会(ASIM)更名为风险与保险管理协会,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研究报告4标志着风险处理方式从保险方式变为管理方式。1983 年,“101 条风险管理准则”的通过,标志着风险管理发展到一个新阶段,达到更高水平。英 国C.B.Chapman 教 授 在 Risk Analysis for Large Proje
17、cts: Models, Methods andCases一文中提出“风险工程”概念。1986 年英国将风险分析技术运用到北海油田输油管道的铺设过程中,保证了施工安全,降低了成本。之后,法国、德国、日本等国都展开对风险管理的研究,建立起风险管理协会,开设风险管理课程,将其运用到实践中,取得了丰硕的成果,形成了一系列的理论体系,极大的促进了风险管理学科的发展。二十世纪五十至六十年代,安全分析与评价技术首先出现在美国核工业中,并随着化工业生产中频繁发生火灾、爆炸及毒气泄漏等事故,开始得到全面系统的研究。美国道化学公司首创化工生产危险度安全评价方法。火灾爆炸指数法、蒙德评价法、六阶段评价法和化工过程
18、危险评价法等相继出现。二十世纪六十年代中期,英国提出故障数据库和可靠性服。1975 年美国原子能委员会发表美国商用核电站事故危险性评价。1981 年,出版概率危险性评价指南,以概率风险评估为代表的系统安全分析评价技术依托航天及核工业等高技术领域的发展而快速发展。二十世纪七十年代后,系统安全分析评价技术逐渐推广到航天、航空、石油、化工、矿山等领域。国外针对铁路施工风险的研究多集中于风险控制技术方面,如日本高速铁路运营管理系统,德国 ICE 高速列车使用的防灾报警系统(MAS90),法国的列车自动控制系统,然而针对营业线施工安全风险方面的研究较少。下面介绍部分发达国家既有线施工模式。在作业模式上,
19、国外铁路发达国家多采用开设天窗形式封锁施工,且单次封锁时间较长,一般为 46 小时,甚至更长,如西欧和日本等国的施工“天窗”一般均在 6 小时以上,而北美的一些铁路运输公司甚至可以通过其它平行径路安排运输,从而对某条线路集中封锁多天施工。在作业时间上,多安排在夜间或凌晨,如日本新干线以及法国高速铁路维修天窗时间均是设在 0:006:00,德国则是安排在凌晨 3:306:00,周末夜间通过货车较少时开设较长时间的天窗进行集中维修,这样避开列车密度较大的时段,最大限度减少交叉干扰。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研究报告5在作业方式上,多采用大型机械化作业,在充足的封锁时间保
20、证下,作业效率得以充分发挥,工程质量和施工安全可以得到更好的保障。风险管理研究在我国起步较晚,约在二十世纪七十年代末至八十年代初,我国才开始了风险管理相关研究。改革开放后,段开龄博士首先将风险管理理论带入我国。1987 年风险分析与决策的出版,表示风险研究在我国正式开始。同年,原机械电子部提出在机械制造业内开展工程安全评价,并在 1988 年颁布了机械工厂安全评价标准。二十世纪九十年代,风险管理逐渐进入到工程建设领域,各高校、研究院所和企业也相继对其进行研究。1996 年,雷胜强阐述了国际工程中存在的众多风险,对其进行分析评估,提出风险防范对策。1998年,卢有杰在对项目中存在的风险进行分类识
21、别、评价、应对。1999 ,于九如投资项目风险分析一书中,结合实例对风险分析理论、方法进行了较全面系统的研究。2001 年中国项目管理知识体系出版。2002 年,邱苑华将“熵”引入风险评价中。随后,一系列安全管理条列和安全生产法律法规相继颁布。目前,对安全风险分析的研究工作仍在继续,并不断取得进步。国内针对铁路营业线施工风险体系的相关研究不断增多,成果颇丰,保证了铁路工程的安全,促进了风险管理在铁路工程领域的发展。下面对近几年国内学者对铁路营业线施工安全所做的相关研究进行简要介绍。2012 年孙晓苏针对既有线电气化铁路风险分类,运用层次分析法进行既有线电气化施工风险评估,经计算得出结论:经济风
22、险和管理风险是既有线电气化铁路施工的主要风险。2012 年张小军在铁路营业线施工组织安全风险及控制对策一文中将理论引入营业线施工组织,通过识别安全风险,分析风险原因,提出强化施工安全基础管理、强化施工现场作业控制、施工预备会和总结会格式化管理、提升车站施工管理信息化水平等风险控制对策。2012 年牛素彦从人员、材料、机具设备、自然环境、组织协作五个方面对铁路电气化改造工程施工安全风险进行识别,运用模糊综合评估法进行风险评估,给出风险应对策率,并提出从风险管理理念、组织、管理技术、管理人员、制度和法规政策方面建立风险保障体系。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研究报告6201
23、2 年刘晨曦从人的不安全行为、物的不安全因素、环境的不良状态、管理的不安全状态四个方面对既有线电气化改造工程施工安全的风险因素进行分析,并针对典型安全事故,分析人、机、环境、管理对其的影响。从人、机、环境、管理四个方面构建安全预警指标体系, 运用多层次模糊评价法对安全预警指标进行评价,根据预警结果,采取相应对策。2013 年林勇研究了既有线提速施工主要技术以及在施工过程中可能遇到的风险, 结合现场实际、分析后形成系统、立体既有线提速改造技术体系以及成套的安全管理办法。2013 年王巍伟,唐小凡阐明了既有线施工定义,并既有线施工范围进行界定,并提出从施工前准备,施工中的防护措施,优化技术方案,提
24、高安全意识,加强现场监管和巡查力度方面确保既有线施工安全。2014 年田志芳结合安全系统工程和风险管理理论,从 PDCA 循环的理念出发,建立铁路既有线电气化改造工程安全保障体系分别从组织职能体系、风险控制体系、安全评价体系以及应急管理体系四方面进行具体分析和介绍。虽然已有众多学者利用多种评价模型对既有线施工安全风险评价进行了研究,但仍存在一些问题:(1)不注重风险管理,管理人员缺乏专业技能,管理方法简单,管理理念陈旧。没有相应的安全管理部门,或虽设有安全管理部门都流于形式,缺乏具有安全工程专业的技术人员,管理手段简单,不能进行全面系统的危险源辨识,形成完整的风险分析、风险评价、风险控制体系。
25、抓不住风险管理的重点,仅仅以罚款和为员工购买保险作为风险管理手段,无法有效的控制事故发生。(2)危险源辨识不够全面,既有线施工由于其施工工艺的复杂性,涉及的技术领域广泛性,影响因素的多元性,导致安全隐患众多,危险源辨识工作量加剧。并且,由于施工项目上专家和专业技术人员的缺乏,危险源识别方法单一,识别结果不够全面。(3)风险评价过于简单,通过调研发现,风险评价一般采用直接经验法和LEC 评价法。该方法在进行指标取值时主要凭经验和直观判断,极易受人员主观因素影响,很难把握,评价结果不够合理、科学、可靠。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研究报告7(4)不重视安全培训教育,铁路营
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