新興信息技術(shù)手段在隧道工程施工中的應(yīng)用

吳 昆

山東交通職業(yè)學(xué)院，山東 濰坊 261206

1 引言

交通運輸是國民經(jīng)濟中基礎(chǔ)性、先導(dǎo)性、戰(zhàn)略性產(chǎn)業(yè)，根據(jù)“2018 年交通運輸行業(yè)發(fā)展統(tǒng)計公報”數(shù)據(jù)顯示，截至2018年末我國公路通車總里程已達484.65 萬km，其中公路隧道已有17738 處，共計1723.61 萬m。交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)在巨大的市場需求中正在追求更高質(zhì)量的發(fā)展，而隧道施工相關(guān)建設(shè)管理水平、技術(shù)質(zhì)量標準也在逐步提高與完善，新興信息技術(shù)手段與傳統(tǒng)施工的有益互補也在日趨凸顯。

2 工程概況

G220 陶莊至平陰東平界段改建工程黑風(fēng)口隧道項目地處濟南市平陰縣，具體位于平陰縣玫瑰鎮(zhèn)、東阿鎮(zhèn)與刁山坡鎮(zhèn)交界地帶的山坳里，北面是山坡，東、西面是山體，南面是山溝。黑風(fēng)口隧道分左右兩幅，長度均為440m。兩幅隧道間凈距約13m，為小凈距短隧道，左、右幅均位于直線段上。隧道V 級圍巖共有116m，Ⅳ級圍巖共有476m，Ⅲ級圍巖共有288m。

3 信息技術(shù)手段的應(yīng)用

近年來，隨著深度學(xué)習(xí)的興起，信息技術(shù)迎來了一個新的發(fā)展熱潮，許多新產(chǎn)品不斷出現(xiàn)并應(yīng)用到了社會生產(chǎn)生活的各個領(lǐng)域。交通土建行業(yè)作為我國傳統(tǒng)的體量巨大的支柱型行業(yè)，也必將在信息技術(shù)的推動下實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)的進步與升級。

3.1 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測是在隧道施工過程中，采用專用儀器和工具對圍巖和支護結(jié)構(gòu)的變形、受力以及相互關(guān)系進行觀測，并對其穩(wěn)定性、安全性進行評價。監(jiān)控量測是確保隧道施工安全、結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定的重要預(yù)警手段，可及時收集圍巖和支護結(jié)構(gòu)的動態(tài)響應(yīng)，為優(yōu)化施工方法、調(diào)整支護參數(shù)，研判關(guān)鍵工序開展時間提供了有力依據(jù)。通過開展有效的隧道監(jiān)控量測，建立并完善相應(yīng)預(yù)警機制能夠最大程度地降低隧道開挖的安全風(fēng)險，減少坍塌、冒頂?shù)葞淼氖┕p失。在監(jiān)控量測過程中，如何對隧道圍巖及支護結(jié)構(gòu)進行準確地變形識別、變形定位及變形量化是施工的難點之一，監(jiān)控量測的目的就是要提出準確可靠的監(jiān)控量測方法，從而及時地掌握隧道變形狀態(tài)，為采取合理有效的防護加固措施提供科學(xué)依據(jù)。信息技術(shù)的深化應(yīng)用，為隧道施工監(jiān)控量測提供了物聯(lián)網(wǎng)等新興技術(shù)手段。在黑風(fēng)口隧道監(jiān)控量測中基于BIM 和GIS 平臺開展了隧道信息化施工技術(shù)研究，技術(shù)方法是在監(jiān)控量測環(huán)節(jié)充分發(fā)揮物聯(lián)網(wǎng)全方位采集信息的能力，將所采信息導(dǎo)入BIM 平臺實現(xiàn)動態(tài)預(yù)警與協(xié)同管理，依靠GIS 平臺實現(xiàn)人員、設(shè)備的定位追蹤，提高工程管理水平。相比于人工采集數(shù)據(jù)，物聯(lián)網(wǎng)優(yōu)勢明顯，它可以實現(xiàn)數(shù)據(jù)收集的連續(xù)性與可靠性，降低了施工成本與風(fēng)險。隨著科技發(fā)展和信息化時代的來臨，使用智慧平臺進行工程管理也是大勢所趨，蘇州科技大學(xué)的錢程利用機器視覺與無線通訊技術(shù)設(shè)計了一套基于機器視覺的無線自動監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)對橋梁應(yīng)變、裂縫、位移、索力的長期監(jiān)測，該監(jiān)測系統(tǒng)有助于建立全過程動態(tài)管理體系［1］。

3.2 全過程管理

BIM 技術(shù)可以構(gòu)建一個虛擬建造環(huán)境，搭建了實時溝通的便利平臺，可以實現(xiàn)信息共享，優(yōu)化施工過程控制與管理，提高利潤［2］。在G220 黑風(fēng)口隧道的施工過程中，依托合肥工業(yè)大學(xué)BIM 技術(shù)應(yīng)用與開發(fā)課題組的團隊優(yōu)勢，采用BIM 技術(shù)開展了施工全過程管理，主要完成了以下九項工作：隧道主體結(jié)構(gòu)三維可視化查看與技術(shù)交底（不同圍巖等級主體結(jié)構(gòu)等）、施工工藝模擬（CRD 法、CD 法及臺階法等）、施工進度模擬及控制、基于模型的施工資料與信息集成平臺（質(zhì)量標準、主體結(jié)構(gòu)信息、二維圖紙等）、隧道主體質(zhì)量安全標準樣板（大管棚、各圍巖等級主體結(jié)構(gòu)、配筋構(gòu)造等）、工程量統(tǒng)計（開挖工程量、工程量自動計算等）、移動端模型信息查看與注釋（隧道主體結(jié)構(gòu)、質(zhì)量安全標準樣板等）、施工協(xié)同平臺（基于云平臺的PC 端、網(wǎng)頁端、移動端模型）、VR 審閱與查看（隧道主體區(qū)、虛擬樣板區(qū)、進度和工藝模擬區(qū)）。黑風(fēng)口隧道施工協(xié)同平臺的搭建集成了隧道施工全部工程信息（如設(shè)計參數(shù)、生產(chǎn)安裝、養(yǎng)護管理、工序驗收等），協(xié)同平臺歸納研判，移動終端一線貫穿，共同實現(xiàn)黑風(fēng)口隧道施工全過程的智慧管控和質(zhì)量追溯，有效解決現(xiàn)有施工過程調(diào)度管控不力、信息溝通不暢、責(zé)任界定不明、補救措施不當?shù)默F(xiàn)狀。

3.3 通風(fēng)分析

無論是隧道施工過程還是運營階段，均對其通風(fēng)性能提出了較高的要求。近日來交通運輸部先后頒布了兩項重要規(guī)范，《公路瓦斯隧道設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3374-2020）與《公路工程節(jié)能規(guī)范》（JTG/T 2340-2020），兩項規(guī)范均對通風(fēng)指標作出了相關(guān)要求。由于隧道施工中瓦斯涌出的不可預(yù)見性和突發(fā)性，導(dǎo)致公路瓦斯隧道勘察難度較大、施工風(fēng)險較高，因此其施工過程及正常運營均需考慮瓦斯?jié)舛鹊挠绊?，這決定了公路瓦斯隧道的防控與檢測不可能一勞永逸。公路瓦斯隧道施工運營期間通風(fēng)需風(fēng)量計算具有特殊性，一方面要滿足普通隧道正常通風(fēng)的要求，另外尚應(yīng)考慮瓦斯積聚的特殊工況，因此規(guī)范要求風(fēng)速不應(yīng)小于1.0m/s。施工通風(fēng)是合理控制洞內(nèi)瓦斯?jié)舛?，確保施工安全及工人新鮮空氣供應(yīng)的根本手段，因此需要對有害氣體濃度進行動態(tài)監(jiān)測，及時調(diào)整通風(fēng)系統(tǒng)參數(shù)，避免出現(xiàn)通風(fēng)盲區(qū)，確保通風(fēng)能力滿足各用風(fēng)地點的風(fēng)量要求，即瓦斯?jié)舛仍礁叩乃淼缹︼L(fēng)速的要求就越高［3］。在隧道運營階段，通風(fēng)與照明是運營能耗的主要構(gòu)成部分，通風(fēng)系統(tǒng)的規(guī)模并不是隧道通車才最后決定的，而是與隧道場址和結(jié)構(gòu)方案的選擇等環(huán)節(jié)均息息相關(guān)?！豆饭こ坦?jié)能規(guī)范》指出，隧道通風(fēng)設(shè)計要選擇經(jīng)濟節(jié)能的通風(fēng)方案和運營通風(fēng)控制策略，應(yīng)綜合考慮公路技術(shù)等級、工程特點、設(shè)計交通量、自然條件等因素，同時要充分利用自然通風(fēng)［4］。因此要采用相應(yīng)的信息技術(shù)手段，模擬預(yù)測隧道通風(fēng)需求，為工程設(shè)計及通風(fēng)方案的優(yōu)化調(diào)整提供建議。黑風(fēng)口隧道工程施工不存在瓦斯這一危險氣體，技術(shù)人員研究的重點集中在爆破粉塵等有害氣體的擴散及通風(fēng)方案的節(jié)能優(yōu)化上。技術(shù)人員以ICEM 軟件建立了隧道洞身模型，并進行了網(wǎng)格的劃分，采用計算流體動力學(xué)（CFD）專業(yè)軟件FLUENT，發(fā)揮多種湍流模型的優(yōu)勢，對隧道通風(fēng)狀況進行了數(shù)值模擬計算，實現(xiàn)了對爆破粉塵、汽車尾氣等污染物擴散的精準模擬，并對二次襯砌澆筑面、掌子面等廢氣易積聚的局部區(qū)域進行重點分析，同時模擬了隧道通車后的洞內(nèi)流場分布，為通風(fēng)機、空氣引射器等設(shè)備的布置提供了依據(jù)。

4 結(jié)語

實施創(chuàng)新驅(qū)動發(fā)展策略，傳統(tǒng)隧道施工產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代信息技術(shù)的有機結(jié)合，可以建立掌控整體、兼顧局部的綜合評定方法。以現(xiàn)代信息技術(shù)助力智慧交通建設(shè)，產(chǎn)、學(xué)、研、用共同發(fā)力，可顯著提高交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)管理水平，進一步引領(lǐng)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)過程的信息化、智能化，具有良好的工程應(yīng)用前景。