《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0507.doc
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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2015年3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: 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:任高峰、池秀文目 录第1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
2、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2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202.2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
3、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642.4系统现场应用652.5本章小结66第3章既有线列车-便梁-支墩耦合作用分析及动载荷动力响应数值模拟683.1工程概况683.2监测点布置693.3既有线列车-便梁-支墩耦合作用分析693.3.1列车-便梁耦合作用过程703.3.2列车-便梁-支墩相互作用703.3.3数据分析723.4动力响应数值模拟研究763.4.1模型的建立773.4.2载荷的施加793.4.3计算结果与分析803.5本章小结85第4章铁路营业线桥涵施工防护自动化监测系统874.1工程
4、及地质概况874.2顶进涵施工884.3系统开发与应用924.3.1系统需求分析934.3.2系统监测方案设计944.3.3系统总体框架1124.4系统模块设计与实现1134.4.1登录模块1144.4.2数据监测模块1164.4.3预警值设置模块1194.4.4轨道位移调整模块1204.4.5用户信息管理模块1214.4.6数据库管理模块1224.4.7帮助说明模块1264.5监测系统应用1274.5.1仿真验证1274.5.2现场测点布置1304.5.3数据采集和预警1324.5.4数据分析1384.6本章小结140第5章既有线近接施工工程地质信息管理系统1425.1系统开发设计1425.
5、1.1系统设计的目标1425.1.2系统的设计原则1425.1.3系统设计的技术路线1445.1.4系统的总体设计1455.1.5系统工作流程1485.2系统模块设计与实现1505.2.1概述1505.2.2系统登录与主界面1505.2.3无线定位模块1545.2.4数据库管理模块1555.2.5地图游览模块1615.2.6预报信息管理模块1645.2.7三维模拟模块1705.2.8辅助决策模块1715.2.9帮助支持信息1735.3本章小结173第6章结论175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技术报告第1章 前言1.1 课题由来铁路在交通运输业中的重要性是不言而喻的,截
6、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
7、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,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
8、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71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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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。1.2 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
14、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 in Business 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,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
15、.B.Chapman教授在Risk Analysis for Large Projects: Models, Methods and Cases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
16、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
17、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,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。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
18、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。二十世纪七十年代末,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别、评价
19、、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:经济风险和管理风险是
20、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。2012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
21、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
22、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。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
23、)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。(4)不重视安全培训教育,铁路营业线施工人员多以农民工、临时工为主。他们一般受教育程度低,大多凭经验做事,缺乏专门教育培训,安全意识低。而由于施工工期紧张,任务繁重,许多单位为了能够按期完工,
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