面向铁路邻近营业线的绿色施工复杂要素管理及关键技术研究

Complex Element Management and Key Technologies for Green Railway Construction Adjacent to Business Lines

摘要

随着我国铁路里程和线网密度的不断增加，铁路邻近营业线工程建设将日益增多。针对邻近营业线工程特殊性、绿色施工技术应用和信息化管理需求等复杂要素进行分析，结合国家和行业绿色铁路发展理念，设计铁路邻近营业线绿色施工管理平台，为项目参与各方多方协同与数据信息资源共享提供服务。研究探索铁路邻近营业线绿色施工技术，开展基于知识图谱的作业计划数字化管理研究，以数字化形式构建涵盖项目类型、参与方、管理制度、审批流程等多维度的知识图谱，实现项目信息的全面整合和关联。开展基于北斗高精度定位的基坑变形自动监测和基于多源信息融合的列车接近预警研究，实现铁路邻近营业线施工安全监测预警，确保施工过程安全。开展BIM+GIS的三维场布优化和BIM+预制装配式技术应用，降低施工对环境的影响，实现施工过程的节能环保，推动绿色铁路建设目标。

Abstract

With the increasing mileage and network density of China's railways, railway construction adjacent to business lines is intensifying. The complex elements were analyzed such as the special characteristics of the adjacent business line project, green construction technology application, and information management needs. Following the national and industrial green railway development concepts, this paper designed a green construction management platform for railways adjacent to business lines and provided services for multi-party collaboration and data and information resource sharing among all parties involved in the project. The paper explored green construction technology for railways adjacent to business lines, conducted research on digital management of work plans based on knowledge graphs, and constructed a multi-dimensional knowledge graph in digital form covering project types, participants, management systems, and approval processes, so as to achieve comprehensive integration and correlation of project information. The paper carried out research on automatic monitoring of foundation pit deformation based on Beidou high-precision positioning and train approach warning based on multi-source information fusion, so as to achieve safety monitoring and early warning of railways adjacent to business lines and ensure the safety of the construction process. The paper performed BIM+GIS 3D field layout optimization and BIM+prefabricated assembly technology application, reducing the impact of construction on the environment, achieving energy conservation and environmental protection in the construction process, and promoting green railway construction.

Graphical abstract

关键词

邻近营业线施工 / 绿色施工复杂要素 / 安全监测预警 / 节能环保

Key words

Railway Construction Adjacent to Business Lines / Complex Elements of Green Construction / Safety Monitoring and Early Warning / Energy Conservation and Environmental Protection

铁路作为国家战略性、关键性重大基础设施，是国民经济大动脉、重大民生工程和综合交通运输体系骨干，在经济社会发展中的地位和作用至关重要。截至2023年底，我国铁路营业里程突破15.9万km，其中高速铁路4.5万km，且营业里程还在逐年增加^[1]。随着我国铁路营业里程和路网密度的不断增加，考虑到前期规划、经济、地理位置等多方面因素的制约，以及铁路自身点多线长的特点，一些新建或改扩建铁路工程，不可避免地与邻近运营中的铁路线路(统称为营业线)产生并行、接入或者立体交叉，在建设过程中影响或可能影响营业线设备设施稳定、使用和行车安全的作业情况，统称为铁路邻近营业线施工。

1　铁路邻近营业线绿色施工复杂要素分析

铁路邻近营业线施工相对于传统铁路建设工程，从项目管理的角度来说，二者之间具有共通性，都需要进行施工组织设计以及进度、质量、安全、成本等方面的管控；同时二者之间存在差异性，邻近营业线施工尤其要考虑施工环境、安全标准、审批流程和作业时间限制等因素，此外邻近营业线施工在安全风险管控、施工精度、组织协调、安全监管等方面有一定的特殊性^[2]。针对铁路邻近营业线的绿色施工，是在确保施工过程顺利的同时，又能最大程度减少环境影响，保障营业线的安全运营，从工程特殊性、绿色施工技术应用和信息化管理3个维度开展对铁路邻近营业线绿色施工复杂要素需求分析，研究实现施工安全、环境保护和营业线正常运营之间的多目标平衡。

1.1　铁路邻近营业线工程特殊性分析

铁路邻近营业线工程因涉及在营业线运行安全区域附近进行施工作业，对既有营业线的稳定运行有着明显的影响和潜在的安全隐患。其工程特殊性相较于传统铁路建设项目，主要包含以下方面^[2]。

（1）安全风险高。对于运营单位而言，铁路邻近营业线工程现场环境复杂，涉及单位、作业人员多，一旦在安全防护上出现疏忽，极易造成人员财产损伤。各铁路局集团公司近年也不断在营业线工程项目安全管控上开展技术研究及应用，如远程移动视频监控装置、列车接近自动报警系统等。对于建设、施工单位而言，施工过程可能影响营业线的设备稳定、正常运营和行车安全，稍有不慎可能引发重大事故。

（2）施工精度要求严。对于邻近营业线安全区域内的施工，需要精确控制施工过程中的各项参数，如基础沉降、结构变形等，以避免对营业线造成不良影响。

（3）协调工作复杂。邻近营业线施工是涉及设计、建设、运维多阶段，路基、桥梁、隧道、轨道、四电多专业交叉的复杂工程。其中涉及到的业务、技术、流程和组织管理相当复杂，需要统筹协调多方资源，满足项目管理和营业线运输安全“双重”需求。

（4）受“天窗”作业限制，监管严格。邻近营业线施工作业范围侵入到正线运营空间时，要严格按照铁路“天窗点”作业管理规定要求进行施工，施工组织难度极大。另外，由于邻近营业线施工作业空间的局限性，由施工机械碰撞、撞击或倒塌等引发的潜在威胁，监管防护不当会影响列车和铁路基础设施的运营安全，需要严格遵守各项规章制度和安全标准，并接受监督和检查。

1.2　邻近营业线绿色施工技术应用需求分析

邻近营业线工程是我国铁路建设的重要组成部分。从国家战略层面来讲，要深入贯彻《交通强国建设纲要》《2030年前碳达峰行动方案》等要求，积极推进铁路领域“碳达峰、碳中和”任务目标，加快推动新时代铁路绿色低碳发展。从行业发展层面来讲，国家铁路局、国家发展和改革委员会、生态环境部、交通运输部、中国国家铁路集团有限公司等联合印发《推动铁路行业低碳发展实施方案》中明确指出要推动绿色铁路建设，加强设计、建设、竣工、验收全过程管理，确保工程符合绿色低碳发展要求^[3]。

铁路邻近营业线绿色施工，是在工程建设过程中，将“绿色低碳”理念融入项目管理全过程，通过理论创新和科研攻关，积极探索绿色施工技术并应用，最大限度地节支降耗和减少对环境的负面影响，具体需求主要有以下方面^[4]。

（1）降低施工对行车安全的影响。在铁路邻近营业线进行施工时，需要采用先进的绿色施工技术，如地基加固防护技术、灌注桩技术等，以减少施工对行车安全的影响^[5]。

（2）减少施工对环境的破坏。邻近营业线施工可能对周边环境造成一定程度的破坏，应推广应用新型材料、可重复利用材料、节能工装设备、环境监测系统等绿色施工技术，以降低施工对环境的负面影响。

（3）提高施工效率。采用BIM、预制装配式等绿色施工技术，提高施工效率，缩短施工工期，从而降低对铁路运营的干扰。

（4）节能减排。在铁路邻近营业线施工过程中，合理利用雨水收集装置、自动喷淋系统、太阳能发电系统等节能减排绿色施工技术措施，节约能源和资源，注重能源和资源的循环再利用，降低能耗和废弃物排放，从而降低施工成本。

1.3　邻近营业线绿色施工信息化管理需求分析

基于铁路邻近营业线工程对施工安全风险、施工精度、组织协调以及绿色施工等需求，需要借助信息化技术手段，构建一个多方协同、数据共享的绿色施工管理平台，满足施工全过程项目管理和绿色环保，其中涉及到的技术措施和需求包含以下方面^[6]。

（1）信息化管理系统。通过“云、物、大、智、移”等信息化技术建立一个多方协同、数据共享集成的管理平台，实时监控和管理施工过程，满足施工方案、计划安排、现场监测数据采集与分析、安全报警预警等需求。

（2）数据采集与传输。通过各类传感监测设备，对施工现场及周边环境噪音、粉尘、空气质量、施工机械状态、结构沉降变形等进行监测采集，并实时传输至管理平台。

（3）施工计划与调度。科学合理地安排施工计划，充分考虑天窗时间、施工等级等因素，优化施工流程，提高施工效率，减少对营业线运营的干扰。

（4）安全监测与预警。通过管理平台设置安全指标和阈值，对采集到的数据进行分析和比对，一旦发现异常情况，及时发出预警信息，以便采取相应的措施，确保施工安全和营业线的正常运营。

（5）多方协同与共享。建立各参建方信息协同与共享机制，及时沟通施工计划和运营需求。促进施工单位、设备管理单位、铁路运输企业等相关方之间的协同和信息共享，方便各方及时沟通和协调解决问题。

2　铁路邻近营业线绿色施工管理平台架构研究

通过分析邻近营业线工程特殊性，以及邻近营业线绿色施工技术应用及信息化管理需求，为满足建设、设计、施工、监理和运营的多方协同与数据信息资源共享，以铁路工程管理平台为基础，构建铁路邻近营业线绿色施工管理平台^[6-8]，铁路邻近营业线绿色施工管理平台总体架构如图1所示。

平台自下而上分为5层架构，依次为感知层、传输层、平台层、应用层和访问层。

（1）感知层。主要面向邻近营业线工程施工现场“人、机、料、法、环”的全要素、全场景感知，包括人员定位、行为识别、机械监测、机械定位、原材料检测、路基沉降观测、桥梁结构监测、隧道结构监测、环境监测、水电能耗监测以及其他类型的智能传感监测等。

（2）传输层。主要包括以太网、4G/5G移动互联网、WLAN、物联网和蓝牙、RFID近场通信等方式，为感知层设备提供数据传输通道。

（3）平台层。以铁路工程管理平台为支撑，针对邻近营业线工程特点，提供项目施工进度、质量、安全等业务系统和数据的统一部署与集成管控。

（4）应用层。针对邻近营业线绿色施工及信息化管理需求，开展作业计划管理，支持建设、设计、施工、运营等的作业方案、计划、任务下发等多方协同；远程调度指挥实时接收现场情况的反馈，迅速做出决策并下达指令，从而提高效率和准确性；现场施工管理对现场“人、机、料”等要素进行计划、组织、协调和控制，以实现施工项目的进度、质量、安全、成本等目标；安全监测预警通过各种监测手段和预警系统，对可能发生的安全生产事故、自然灾害、环境污染等安全风险进行实时监测和预警，以便及时采取预防措施，减少人员伤亡和财产损失；节能环保应用在施工过程中采用各种节能、环保技术、产品和方法，以减少能源消耗、降低环境污染、提高资源利用效率，更好地支撑工程绿色施工技术应用。

（5）访问层。面向建设、施工、监理、运营等单位管理人员，提供调度大屏、PC网页、移动APP(或小程序)等多种访问和展示手段，全方位满足各方各级管理人员的远程调度指挥与辅助决策。

3　邻近营业线工程绿色施工关键技术探索与应用

3.1　基于知识图谱的作业计划数字化管理

传统的邻近营业线施工作业计划管理存在手工更新计划、计划更新不及时、资源分配不明确、数据监管不完善等不足之处，且大多数情况下，因运营监管部门的管理职责和范围的约束，造成沟通协调不畅、执行不到位等问题，从而影响项目整体正常推进^[9]。

知识图谱是一种揭示实体关系的语义网络，用实体作为节点，用节点间的边表示语义关系，基本形式为<实体，关系，实体>的三元组，并采用图的形式描述和表达知识^[10]。

通过对邻近营业线工程相关数据的收集、整理和分析，构建涵盖项目类型、参与方、管理制度、审批流程等多维度的知识图谱，实现项目信息的全面整合和关联，邻近营业线绿色施工作业计划管理知识图谱如图2所示。利用知识图谱技术将传统的复杂管理制度和项目管理信息转化为数字化形式，以图谱形式呈现，使信息之间的关系更加清晰直观，统一规范审批流程，打破信息孤岛，实现项目各参与方之间的信息实时共享和协同工作，减少人为因素干扰，提高审批效率和质量^[11]。

3.2　邻近营业线绿色施工安全监测预警

邻近营业线绿色施工安全监测是确保铁路运输安全的重要环节。在铁路营业线附近进行施工时，必须对可能影响铁路行车安全的施工活动进行实时监测，以确保施工过程中的安全。

3.2.1　基于北斗高精度定位的基坑变形自动监测

铁路邻近营业线施工过程中，对于靠近或侵入营业线运营安全范围内的基坑工程，需要根据地质条件、基坑开挖深度等，对影响的区域范围进行安全监测。传统的监测方式多采用人工全站仪测量方式，测点布置、测量频次难以保证，尤其是汛期，需要加强监测频次，及时采取措施，防止基坑坍塌，影响行车安全。

为了解决测量频次不足、监测实时性不高等问题，采用北斗导航高精度定位技术进行基坑变形自动化监测，实现对基坑变形情况的自动记录和分析^[12]。基于北斗高精度定位的基坑变形自动监测系统结构如图3所示，通过在基坑及其周边环境中布置北斗定位接收机，实时采集基坑的变形情况，如位移、沉降、倾斜等。数据传输部分负责将监测节点采集到的数据实时传输到数据处理中心。数据处理中心对接收到的监测数据进行处理和分析，提取基坑变形特征，评估基坑稳定性，预警潜在的安全隐患。根据数据处理中心提供的分析结果，及时反馈给远程调度指挥中心，发出预警报警信号，提醒相关部门采取相应的安全措施，降低基坑坍塌等安全风险。

基于北斗高精度定位的基坑变形自动监测具有高度的精确性和可靠性，能够有效提高基坑监测工作的效率和准确性，为基坑工程的设计、施工和监理等工作提供重要的技术支持。

3.2.2　基于多源信息融合的列车接近预警

一般情况下的邻近营业线施工靠近或侵入营业线运营安全区域时，要申请“天窗”作业，此时天窗点内作业区域无列车通行。当客货运输任务紧张且线路周边确需施工时，列车在经过施工区域时要采取降速或临时停车措施，现场安全防护人员及时提醒施工人员安全有序撤离。因现场安全防护人员脱岗、提醒不及时等造成的人员不及时撤离引发的伤亡事故屡有发生。列车接近预警系统有助于减少铁路事故，特别是在视线受阻或通信不良的区域。传统的列车接近预警多采用在施工区域上、下行布设移动摄像机，通过视频识别的方式进行预警，易受光照、雨雪天气、异物遮挡、摄像机角度等影响，效果较差。

基于多源信息融合的列车接近预警，通过整合来自多个不同数据源的信息来提高列车接近预警的准确性、可靠性和及时性^[13-15]。系统通过在施工区域上、下行约2 km处设置视频摄像头、激光雷达、测速雷达等监测传感器，利用边缘AI计算盒收集汇总多个传感器数据并进行计算分析，将分析结果及时反馈至施工区域作业人员，提前做好安全防护。基于多源信息融合的列车接近预警系统如图4所示。

3.3　邻近营业线绿色施工节能环保应用

在邻近铁路营业线的施工过程中，采用节能环保的施工方法和施工技术，是降低施工对环境的影响，实现绿色铁路建设的重要途径。

3.3.1　基于BIM+GIS三维场布优化

通常来说，铁路建设工程用地分为临时性用地和永久性用地，其中临时性用地是指根据铁路建设的需要，短期内使用的施工场地，材料和机械堆放、简易道路和便线、取弃土场等临建用地。由于铁路邻近营业线工程的特殊性，在确保运输安全的前提下，制定施工方案时，需要对临时施工场地进行科学合理的规划，确保作业区、办公区和生活区等合理布设，并充分利用场地环境条件，减少临时设施的重复搭设，以达到“节约用地”的目的。基于BIM+GIS的三维场布优化是一种高效、精准的场地布置方法，同时也是一种综合高效的节地技术方法，有助于节约土地资源、提高施工效率并保障施工安全^[16]。

以沈白高速铁路(沈阳北—长白山)某车站改造工程场布优化为例，场布优化前后效果如图5所示。该车站三维场布优化主要体现在以下方面。

（1）施工便道。场布优化前施工便道道路曲折，个别区段道路宽度设计不合理，难以满足车辆交会、大型机械通行等特殊情况，也不便于车辆的通行调度，容易引发交通事故。场布优化后施工便道道路平直，便于车辆、机械等通行调度指挥，配合交叉路口的交通安全标识指引，做到运输调度的规范化、合理化。

（2）原材料堆放区布置。针对钢筋、木材、砂石等原材料的堆放，既要考虑到营业线运输安全，又要满足现场施工进度和作业效率。场布优化前原材料堆放区的设置相对集中，优点是便于统一管理，不足是当现场工程进度较快时，原材料的供给直接影响施工进度，容易产生窝工。场布优化后原材料堆放区根据现场工程需要，把一些现场使用量较大、急需的原材料设置在作业一线，减少运输转场次数，更好地进行工序流转。

（3）生产区域划分。由于该车站改造工程涉及跨营业线施工，考虑到工程建设与线路运输双重因素制约，对于现场各生产区域的合理划分，有助于工程进度、质量和安全管控。场布优化前对站房主要改造区域整体划分为4个生产区域，管理粒度较粗，没有体现出各施工阶段区域划分逻辑。场布优化后根据施工过程分阶段布置原则，把改造区域划分为7个作业区域，根据不同的施工阶段，动态调整平面布置与管理，尽量节约施工用地。

通过BIM+GIS三维场布优化，直观地了解场地实际利用情况，并基于场布模型对施工场地进行动态优化调整，同时充分考虑劳动保护、应急安全和消防等要求，确保施工过程进度、质量、安全的精细化管控。

3.3.2　基于BIM+预制装配式施工技术

铁路邻近营业线工程相对于传统新建项目来说，具有施工交叉作业多、任务时间紧、作业空间受限等特点，对于原材料的使用要做到精细化管控。通过综合运用BIM、GIS、传感物联、边缘计算、云计算等信息通信技术，对关键构筑物进行预制，精准控制原材料的使用，同时对施工过程进行动态模拟仿真，避免重复返工，提高施工作业质量和效率，达到“节约材料”的目的。

基于BIM+预制装配式技术，运用BIM三维结构设计、3D造型、三维可视化交底等先进技术和工具，通过先进的生产设备和工艺，以专业化、信息化、数智化手段模拟仿真工程施工过程，对工程结构构件进行精确划分和尺寸优化，确保构件之间的互换性和通用性，减少非标准件的使用，以数字建造技术确保一次成优^[17]。通过对构件的预制，工厂化生产可以控制材料的使用量，减少边角料的产生。同时，也可以减少现场调整次数和工作量，进一步降低材料损耗，从而实现“节材”应用。以跨线天桥顶推施工为例，施工单位可采用“工厂内分段制作+现场分单元组拼+数控液压同步顶推”的方案^[18]。装配式施工方式可以减少传统装配方式的现场作业时间，大大提高施工效率，减少资源浪费。

此外，在工程材料选择与使用方面，优先选择高性能、低耗材、耐久性好的新型建筑材料，合理选用可循环、可回用和可再生的建筑材料，也可以达到节材降耗的目的，减少对环境的影响。

4　结束语

通过对铁路邻近营业线工程特殊性，以及邻近营业线绿色施工技术应用和信息化管理需求进行分析，结合国家和行业层面绿色铁路发展理念，设计铁路邻近营业线绿色施工管理平台架构，为施工参与各方提供多方协同与数据信息资源共享服务。以平台为支撑，探索邻近营业线工程绿色施工技术。开展基于知识图谱的作业计划数字化管理，将传统的复杂管理制度和项目管理信息转化为数字化图谱形式进行呈现，使信息之间的关系更加清晰直观，统一规范审批流程，提高审批效率和质量。开展铁路邻近营业线施工安全监测预警技术研究，基于北斗高精度定位技术实现基坑变形自动化监测，基于多源信息融合技术实现列车接近预警，提高铁路邻近营业线施工过程安全防护能力。针对铁路邻近营业线工程特点和绿色施工需求，积极探索绿色施工新技术、新工艺、新方法，开展基于BIM+GIS的三维场布优化以及BIM+预制装配式技术，实现施工过程的节能环保，推动绿色铁路建设水平提升和交通运输结构绿色低碳转型。

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基金资助

中国国家铁路集团有限公司科技研究开发计划课题(N2023G074)