我國鐵路隧道建造方法沿革及智能建造技術(shù)體系與展望

王同軍

（中國國家鐵路集團(tuán)有限公司，北京100844）

1 概述

1888年我國第1座鐵路隧道獅球嶺隧道（全長261 m）開工建設(shè)，之后的130余年，我國發(fā)展成為世界上鐵路隧道運(yùn)營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。改革開放40年來，我國不僅建成了大量的隧道工程，而且在修建技術(shù)上取得了長足進(jìn)步，在勘察、設(shè)計、施工、裝備、信息化應(yīng)用等方面取得了一大批創(chuàng)新成果，建成了一批特長、超深埋、超大斷面、高海拔等重大隧道工程［1］。

進(jìn)入21世紀(jì)，信息技術(shù)發(fā)展突飛猛進(jìn)，機(jī)械裝備制造能力與日俱增，信息化與機(jī)械化深度融合，人工智能技術(shù)大范圍多領(lǐng)域應(yīng)用，涵蓋智能建造、智能裝備和智能運(yùn)營的智能鐵路應(yīng)運(yùn)而生［2］。智能鐵路是現(xiàn)代新技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，是鐵路運(yùn)輸發(fā)展的必然方向［3］。成蘭鐵路、西成鐵路、浩吉鐵路、鄭萬鐵路、京張鐵路等線路隧道工程，一定程度上實現(xiàn)了智能建造理念在鐵路隧道工程領(lǐng)域的應(yīng)用。隧道智能建造作為智能鐵路有機(jī)組成部分，代表了未來隧道修建技術(shù)的發(fā)展方向。隧道智能建造是在智能系統(tǒng)頂層設(shè)計［4］基礎(chǔ)上的單一專業(yè)延伸實踐，也是工程建造領(lǐng)域的發(fā)展方向，是新形勢下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢［5］。基于我國隧道建造技術(shù)的發(fā)展沿革，對我國鐵路隧道智能建造的概念、核心、體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢進(jìn)行闡述。

2 建造方法沿革

我國鐵路隧道建造技術(shù)共經(jīng)歷技術(shù)起步、初步發(fā)展、快速發(fā)展和引領(lǐng)世界4個階段（見圖1）。設(shè)計、建造工藝工法、新技術(shù)應(yīng)用不斷迭代發(fā)展。

圖1 我國鐵路隧道發(fā)展階段

2.1 早期建造方法

1900年之前，我國鐵路隧道都是由外國人主持修建的，標(biāo)準(zhǔn)較低。1908年，京張鐵路總工程師詹天佑親自規(guī)劃和督造建成京張鐵路八達(dá)嶺隧道開通（全長1 091 m），是我國自行修建的第1座越嶺鐵路隧道（見圖2）。1911—1949年，我國在7 000 km的鐵路線上建成總長100 km的370余座鐵路隧道。

新中國成立前，設(shè)計方法多采用圖解法計算襯砌內(nèi)力（見圖3），未考慮地層彈性約束，襯砌計算按容許應(yīng)力校核襯砌截面的抗拉與抗壓強(qiáng)度。施工方法采用人工開挖、木支撐，永久襯砌則用磚、石或混凝土，作業(yè)斷面小、施工危險性高，效率低。

圖2 京張鐵路八達(dá)嶺隧道

圖3 圖解法計算襯砌內(nèi)力

新中國成立初期至20世紀(jì)60年代，隧道設(shè)計依據(jù)蘇聯(lián)的普氏地層壓力理論（見圖4）進(jìn)行內(nèi)力計算［6］。

20世紀(jì)50年代中期，隧道施工工序及襯砌支護(hù)方式采用上下導(dǎo)坑先拱后墻法［7］（見圖5），對一些圍巖較完整的隧道采用漏斗棚架先墻后拱法［8］（見圖6）。1956年我國自行設(shè)計和建造的寶成鐵路建成通車，全線隧道304座，總延長84 428 m，施工中克服了線路地形復(fù)雜、運(yùn)輸不便和施工干擾等困難，顯示出我國該時期的施工技術(shù)水平。

圖4 普氏地層壓力理論計算模型

圖5 上下導(dǎo)坑先拱后墻法

圖6 漏斗棚架先墻后拱法

新技術(shù)應(yīng)用方面，50年代后期開始試用正、反臺階開挖法和遙感技術(shù)。1959年，鐵路勘測設(shè)計部門在西康線越嶺方案草測中采用航測遙感技術(shù)進(jìn)行地質(zhì)調(diào)繪，提高了信息化技術(shù)在隧道建設(shè)中的應(yīng)用。

2.2 鉆爆法

20世紀(jì)60—70年代初，鐵路隧道多沿用早期設(shè)計理論及方法，隨著隧道工程增多，不同水文地質(zhì)條件隧道設(shè)計可供類比工程越來越多。1972年，原鐵道部提出以圍巖穩(wěn)定性為主要依據(jù)的鐵路隧道圍巖分類法，得出以六級圍巖分類為基礎(chǔ)的鐵路隧道圍巖壓力計算公式，1975年納入《鐵路工程技術(shù)規(guī)范：第三篇：隧道》，至此結(jié)束我國鐵路部門襲用普氏地層壓力理論及以地層堅固性系數(shù)的圍巖分類法歷史。

60年代起鉆爆法應(yīng)用并推廣，從早期的人工手把釬、錘擊鑿孔，用火雷管逐個引爆單個藥包，發(fā)展到用鑿巖臺車或多臂鉆車鉆孔，應(yīng)用毫秒爆破、預(yù)裂爆破及光面爆破等技術(shù)，現(xiàn)在仍然是世界上應(yīng)用最廣的施工工法。同期，隧道鉆爆機(jī)械化施工和隧道襯砌作業(yè)機(jī)械化在國內(nèi)初步應(yīng)用。1964年，在川黔、貴昆及成昆鐵路西南大三線建設(shè)中開始使用鑿巖機(jī)鉆孔臺車、襯砌模板臺車等施工機(jī)械。1965年初，成昆鐵路關(guān)村壩隧道（見圖7）采用噴水沖洗、加設(shè)錨桿及掛網(wǎng)等措施，防止巖爆災(zāi)害。豐沙線落坡嶺隧道圍巖較好地段，試驗采用全斷面開挖法，并在圍巖穩(wěn)定性好的隧道工程中推廣應(yīng)用。整個60年代，原鐵道部組織西南鐵路建設(shè)大會戰(zhàn)，建成貴昆、成昆、京原以及東川、鏡鐵山、嫩林、盤西、水大等鐵路，共修建隧道1 113座，總延長660 km。

圖7 關(guān)村壩隧道

在隧道施工工序及襯砌支護(hù)方式創(chuàng)新方面，60年代在成昆線、70年代在枝柳線部分隧道采用反臺階先墻后拱法［7］。70—80年代后期，正臺階開挖先墻后拱法基本取代了先拱后墻法。

在新技術(shù)應(yīng)用方法方面，70年代末期，鐵路系統(tǒng)錨噴支護(hù)和“新奧法”研究課題重點(diǎn)轉(zhuǎn)向軟弱破碎圍巖，并研究在軟弱破碎圍巖條件下，實現(xiàn)大斷面開挖的一系列新技術(shù)、新工藝。1981年，衡廣鐵路復(fù)線大瑤山雙線隧道開工建設(shè)；1987年，大瑤山隧道貫通［9］，全長14 295 m，是我國20世紀(jì)最長的雙線鐵路隧道，當(dāng)時名列世界第10位。該隧道是我國鐵路隧道技術(shù)進(jìn)步的里程碑，在隧道施工中，首次引進(jìn)并試驗了國外最先進(jìn)的“新奧法”施工技術(shù)，組織研發(fā)、自主創(chuàng)新的深孔光面爆破、噴錨支護(hù)、監(jiān)控量測等10余項配套技術(shù)，解決40余項技術(shù)難題，達(dá)到國際先進(jìn)水平，實現(xiàn)大斷面快速安全施工，結(jié)束了中國人不能自主修建10 km以上特長隧道的歷史。

在機(jī)械應(yīng)用上，采用當(dāng)時國內(nèi)外最先進(jìn)的大型機(jī)械（見圖8），建起了鉆爆、支護(hù)、裝運(yùn)3條主要工序機(jī)械化作業(yè)線，使我國隧道建設(shè)由手抬肩扛、手持風(fēng)鉆的原始落后狀態(tài)，跨越到大型機(jī)械化作業(yè)行列。20世紀(jì)90年代以來，原鐵道部制定了鐵路隧道噴錨構(gòu)筑法技術(shù)規(guī)則，形成有中國特色的隧道修建新方法，濕噴混凝土技術(shù)、工藝及濕噴機(jī)開始應(yīng)用，自進(jìn)式錨桿支護(hù)技術(shù)開始發(fā)展，淺埋暗挖法進(jìn)一步發(fā)展，由臺階法演變?yōu)閱蝹?cè)壁導(dǎo)坑法［10］、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法［11］、中隔壁法（CD法）［12］、交叉中隔壁法（CRD法）［13］。自21世紀(jì)起，我國隧道建設(shè)者相繼攻克了特長隧道斷裂帶擠壓變形、高壓富水充填溶腔、斷裂帶、特殊圍巖地層大變形、濕陷性黃土地區(qū)、膏溶角礫巖地段、水下隧道建設(shè)以及第三系砂泥巖地層圍巖特性和安全控制技術(shù)難題。相繼建成了蘭新二線烏鞘嶺特長隧道、宜萬鐵路多座巖溶隧道、鄭西客運(yùn)專線濕陷性黃土地區(qū)隧道、石太高鐵太行山隧道、青藏鐵路西格二線新關(guān)角隧道、蘭渝鐵路胡麻嶺隧道。大量機(jī)械裝備得以自主生產(chǎn)和應(yīng)用，躋身世界大型隧道施工機(jī)械制造強(qiáng)國。

2.3 隧道掘進(jìn)機(jī)工法

隧道掘進(jìn)機(jī)在我國習(xí)慣按照適用的軟硬地層區(qū)分為盾構(gòu)與TBM 2種。

圖8 Atlas TH286型四臂全液壓鑿巖臺車

我國盾構(gòu)始于1953年阜新煤礦，當(dāng)前盾構(gòu)開挖隧道已是城市地鐵隧道的主要施工方法。在鐵路隧道領(lǐng)域，2007年廣深港鐵路獅子洋隧道采用4臺直徑11.18 m泥水盾構(gòu)施工，克服了高水壓、地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜等技術(shù)難題［14］；2015年浩吉鐵路白城隧道為克服工程地質(zhì)難題創(chuàng)新性提出“大斷面馬蹄形的土壓平衡盾構(gòu)方法”（見圖9），我國鐵路山嶺隧道首次采用盾構(gòu)法施工，解決了隧道圓形斷面軌下空間過大、空間利用率低的問題，為非圓形斷面由鉆爆法施工調(diào)整為盾構(gòu)法施工提供參考［15］；2017年京張高鐵清華園隧道采用2臺直徑12.2 m的盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)（見圖10），創(chuàng)新采用軌下預(yù)制箱涵結(jié)構(gòu)（見圖11），有效保障了線路開通。

圖9 白城隧道大斷面馬蹄形的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)

我國自1964年開始TBM設(shè)備的研發(fā)和施工［13］，半個多世紀(jì)以來，TBM發(fā)展分自力更生、國外承包、國外引進(jìn)、自主施工聯(lián)合生產(chǎn)與研發(fā)創(chuàng)新4個階段。由于TBM開挖隧道多為圓形，因此多應(yīng)用于礦業(yè)和水利水電系統(tǒng)。

90年代，針對不良地質(zhì)隧道，在設(shè)計、施工、防災(zāi)減災(zāi)、信息化、機(jī)械化方面技術(shù)進(jìn)步顯著。西康鐵路西秦嶺Ⅰ線隧道［16］（全長18 460 m）首次采用TBM和整塊預(yù)制仰拱技術(shù)（見圖12），是我國鐵路隧道修建技術(shù)一個新的里程碑。20世紀(jì)以來，寧西鐵路桃花鋪1號隧道與磨溝嶺隧道、南疆鐵路中天山隧道、蘭渝鐵路西秦嶺隧道在刀盤刀具高效設(shè)計、擴(kuò)挖設(shè)計、隱藏式超前鉆機(jī)設(shè)計（見圖13）、集成式支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計（見圖14）、超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)等方面取得了長足發(fā)展。

圖10 京張高鐵清華園隧道

圖11 京張高鐵清華園隧道標(biāo)準(zhǔn)段軌下預(yù)制箱涵

圖13 隱藏式超前鉆機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

圖14 集成式支護(hù)系統(tǒng)設(shè)計示意圖

3 隧道智能建造概念與核心

3.1 隧道智能建造概念

智能建造 （Intelligent Building System，IBS）是以BIM+GIS技術(shù)為核心，將云計算、大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)、人工智能等新一代信息技術(shù)與先進(jìn)的工程建造技術(shù)相融合，實現(xiàn)建設(shè)全過程的精細(xì)化和智能化管理。隧道智能建造（Tunnel Intelligent Building System，TIBS）為IBS在隧道范疇內(nèi)的具體延伸與實踐，是基于信息化技術(shù)，通過對“地-隧-機(jī)-信-人”及內(nèi)外部環(huán)境的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，高效綜合利用鐵路隧道的移動、固定、空間、時間和人力資源，實現(xiàn)隧道建設(shè)、運(yùn)維全生命周期的高度信息化、自動化、智能化，打造更安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的新一代隧道建造技術(shù)體系。

3.2 隧道智能建造核心

隧道智能建造的核心是以數(shù)字化資源為核心和基礎(chǔ)，以智能化施工裝備為工具，以網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸、信息化經(jīng)營管理為抓手，以現(xiàn)代化監(jiān)控量測為輔助，實現(xiàn)建造運(yùn)維全過程的信息化、自動化、無人化或少人化智能理念。

在勘察設(shè)計方面，以BIM+GIS技術(shù)為核心，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，依托智能化裝備，實現(xiàn)基礎(chǔ)三維實體模型全生命周期信息再現(xiàn)的自動化動態(tài)設(shè)計。

在工程施工方面，依托協(xié)同管理平臺，指揮智能化施工裝備進(jìn)行隧道修建及四電工程施工，基于物聯(lián)網(wǎng)的智能管理平臺自動傳輸檢測信息、自動評價施工質(zhì)量、自動評估安全性、自動反饋工程對策、自動記錄物料信息，實施動態(tài)反饋施工過程。

在建設(shè)管理方面，基于BIM技術(shù)，融合設(shè)計、施工、物資、質(zhì)量評價等平臺于一體，以智能化建造為驅(qū)動，建立涵蓋管理單位、建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位等的標(biāo)準(zhǔn)化鐵路隧道管理模式，全過程數(shù)字化管理，多專業(yè)協(xié)同管控，形成安全、經(jīng)濟(jì)、高效與可普適推廣的創(chuàng)新性管理體制。

4 隧道智能建造總體架構(gòu)、技術(shù)體系框架與關(guān)鍵技術(shù)

4.1 總體架構(gòu)

近年來鐵路隧道采用掘進(jìn)機(jī)開挖的隧道中，多類型智能大斷面盾構(gòu)應(yīng)用也較為廣泛［14］，但掘進(jìn)機(jī)工法存在地質(zhì)適應(yīng)性較差、不適宜中短距離隧道施工、斷面適應(yīng)性差、設(shè)備購置及使用成本高等特點(diǎn)，一定時期內(nèi)鐵路隧道仍將多數(shù)采用鉆爆法施工建造。因此，著重圍繞鉆爆法建造工藝開展鐵路隧道智能建造研究。

鐵路隧道智能建造是一個系統(tǒng)工程，其體系架構(gòu)由智能裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策和智能管控5個層級構(gòu)成（見圖15）。智能感知連接智能裝備與后臺各類服務(wù)器，通過多樣化、泛在化的采集方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動讀取與快速傳輸。從2013年開始，在中國國家鐵路集團(tuán)有限公司（原中國鐵路總公司）領(lǐng)導(dǎo)下，依托鐵路BIM聯(lián)盟，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司開始鐵路工程管理平臺建設(shè)與應(yīng)用［17］，數(shù)據(jù)資源是建造實現(xiàn)智能化的基礎(chǔ)，歸類歸一化的海量數(shù)據(jù)可為智能決策提供基礎(chǔ)支撐。智能決策是智能建造的大腦，多種人工智能學(xué)習(xí)方法的綜合應(yīng)用，保障決策結(jié)果的準(zhǔn)確性和有效性。智能管控集中體現(xiàn)智能建造的精髓與能動性、互動性，是全生命周期智能建造過程的集中展示與運(yùn)用。

圖15 鐵路隧道智能建造總體架構(gòu)

4.2 技術(shù)體系框架

作為智能高鐵智能建造技術(shù)體系框架的專業(yè)細(xì)分，隧道智能建造技術(shù)體系框架從上至下含3個領(lǐng)域、5個方向、26項創(chuàng)新，詳細(xì)組成見圖16。

隧道勘察設(shè)計領(lǐng)域包含基于GIS的工程勘察、基于BIM的工程設(shè)計2個方向?；贕IS的工程勘察方向涵蓋空天地一體化隧道地質(zhì)勘察預(yù)報、基于GIS的智能化量測、隧址范圍內(nèi)地形地貌全要素信息獲取與快速處理、隧道工程地質(zhì)和環(huán)境綜合勘察與基于隧址范圍內(nèi)地質(zhì)信息的綜合勘察判釋6項創(chuàng)新內(nèi)容。基于BIM的工程設(shè)計涵蓋BIM建模、圍巖自動分級與爆破參數(shù)自動優(yōu)化、設(shè)計參數(shù)智能化選擇與修正、協(xié)同設(shè)計、三維圖紙存檔、數(shù)字化設(shè)計交付、基于AI虛擬現(xiàn)實與BIM技術(shù)的建造過程展示7項創(chuàng)新內(nèi)容。

隧道工程施工領(lǐng)域包含基于BIM的土建工程施工1個方向。土建工程施工方向涵蓋圍巖監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報、洞內(nèi)循環(huán)作業(yè)優(yōu)化與有害氣體檢測、火工品管理與人員定位、鉆爆法與掘進(jìn)機(jī)法施工監(jiān)控的自適應(yīng)控制、智能工裝施工狀態(tài)實時感知與動態(tài)調(diào)控、預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控與自適應(yīng)控制6項創(chuàng)新內(nèi)容。

隧道建設(shè)管理領(lǐng)域主要是基于BIM的虛擬建造1個方向。涵蓋全過程數(shù)字化管理、“地-隧-機(jī)-信-人”智能建造協(xié)同管控與可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)、考慮全生命周期的成本控制3項創(chuàng)新內(nèi)容。

圖16 鐵路隧道智能建造技術(shù)體系架構(gòu)

4.3 關(guān)鍵技術(shù)難題及實現(xiàn)方法

根據(jù)鐵路隧道智能建造技術(shù)體系，隧道智能建造涉及以下關(guān)鍵技術(shù)難題。

4.3.1 鐵路隧道工程地質(zhì)環(huán)境信息綜合勘察判釋

工程地質(zhì)環(huán)境信息勘察判釋是隧道設(shè)計施工的基礎(chǔ)和前提。隧道智能建造要求針對不同結(jié)構(gòu)化信息存在異步性、矛盾性特點(diǎn)，提出結(jié)構(gòu)化、半結(jié)構(gòu)化與非結(jié)構(gòu)化信息的特征識別方法，規(guī)避龐雜數(shù)據(jù)融合分析過程中伴隨的沖突矛盾問題，建立表征隧道地質(zhì)信息的多源異構(gòu)信息數(shù)據(jù)庫。建立“信息格式化—深度挖掘—融合分析”隧道多源異構(gòu)信息融合分析理論與方法，為隧道智能勘察設(shè)計、施工和管理提供理論基礎(chǔ)和精細(xì)化的地質(zhì)支撐。

4.3.2 自動化圍巖分級、爆破參數(shù)優(yōu)化及設(shè)計參數(shù)選擇

隧道智能建造的理論技術(shù)及隧道長期安全穩(wěn)定要求對施工期工裝、圍巖及支護(hù)結(jié)構(gòu)協(xié)同作用機(jī)理進(jìn)行深度剖析。研究“機(jī)械-圍巖-支護(hù)”動力耦合模型，給出滿足工程安全的極限變形值，建立基于深、淺層隧道圍巖結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的荷載效應(yīng)分析模型，推導(dǎo)圍巖壓力計算公式，并確定預(yù)測荷載、基本荷載及結(jié)構(gòu)支護(hù)荷載計算方法?；谌斯ぶ悄芷ヅ浼夹g(shù)，建立設(shè)計參數(shù)智能化動態(tài)優(yōu)化選擇系統(tǒng)，根據(jù)隧道圍巖評價結(jié)果，進(jìn)行隧道鉆爆設(shè)計、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計自適應(yīng)調(diào)節(jié)，確定爆破設(shè)計參數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及參數(shù)。提高智能施工裝備條件下支護(hù)設(shè)計對圍巖的自主適應(yīng)性，為高效施工提供科學(xué)依據(jù)。

4.3.3 鐵路隧道型譜化智能裝備施工狀態(tài)實時感知與動態(tài)調(diào)控技術(shù)

機(jī)械裝備施工期間會采集、收集多類型大量數(shù)據(jù)?；诖髷?shù)據(jù)挖掘技術(shù)，研究隧道施工參數(shù)與裝備故障的關(guān)聯(lián)規(guī)律，提出智能施工裝備故障遠(yuǎn)程在線監(jiān)測與診斷方法。實現(xiàn)施工故障狀態(tài)的感知識別與自動調(diào)控，建立“地質(zhì)智能評價—自適應(yīng)設(shè)計—智能裝備作業(yè)—過程動態(tài)調(diào)節(jié)—故障實時反饋”的施工狀態(tài)實時感知與動態(tài)調(diào)控體系。

4.3.4 鐵路隧道智能建造自適應(yīng)控制理論

隧道智能建造全生命周期是一個動態(tài)過程，提出與鐵路隧道智能化建造匹配的自適應(yīng)控制系統(tǒng)設(shè)計方法，比較各種自適應(yīng)控制算法的性能，并應(yīng)用于機(jī)械裝備自動控制、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)傳輸處理、多源異構(gòu)信息融合分析、各類建筑材料性能比選及適配。

4.3.5 “地-隧-機(jī)-信-人”智能建造協(xié)同管控與可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)

采用計算機(jī)AI、VR與BIM信息化技術(shù)，構(gòu)建三維隧道及圍巖環(huán)境信息化模型，研發(fā)可實現(xiàn)信息存儲查詢、三維可視化、工程水文地質(zhì)信息再現(xiàn)、設(shè)計施工監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋、安全風(fēng)險實時感知的智慧隧道建造基礎(chǔ)平臺。針對機(jī)械化、信息化、人機(jī)結(jié)合等方面在鐵路隧道建造過程中的應(yīng)用，在保質(zhì)量、保安全、重效率、節(jié)能耗、重環(huán)保的前提下，研發(fā)鐵路隧道智能建造協(xié)同管控與可視化遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)。

5 發(fā)展趨勢

2017年國務(wù)院印發(fā)《中國制造2025》指導(dǎo)文件，全面部署實施制造強(qiáng)國戰(zhàn)略，以推進(jìn)智能制造為主攻方向，為隧道智能建造所需關(guān)鍵大型智能機(jī)械裝備研發(fā)，提供了方向與支撐。工業(yè)制造技術(shù)日新月異，已邁入以數(shù)字化、網(wǎng)絡(luò)化和智能化為特點(diǎn)的工業(yè)4.0時代，如何占領(lǐng)“智”高點(diǎn)是每1個隧道技術(shù)人員應(yīng)該思考的問題。

截至2019年底，我國鐵路運(yùn)營里程達(dá)13.9萬km，運(yùn)營隧道16 084 km，近5年來平均每年新增隧道超過1 400 km，相當(dāng)于4 km/d多的建設(shè)進(jìn)度。我國為隧道規(guī)模最大的國家，隧道智能建造市場前景廣闊，結(jié)合我國鐵路隧道發(fā)展現(xiàn)狀及國情、路情，隧道智能建造發(fā)展趨勢可概括為以下幾點(diǎn)。

5.1 空天地一體化隧道地質(zhì)勘察預(yù)報

隧道建設(shè)，地勘先行。當(dāng)前地質(zhì)勘察多依賴人工，可靠性差、效率低、周期長、時效性差。近年來拉林、鄭萬鐵路等在建項目及即將開工的川藏鐵路雅安—林芝段都面臨多類型嚴(yán)峻的不良地質(zhì)考驗，綜合采用POS（Position and Orientation System）數(shù)碼航空影像、高分辨率衛(wèi)星影像、雷達(dá)影像、機(jī)載LIDAR（激光雷達(dá)）、無人機(jī)攝影及傾斜攝影、三維激光掃描及超前千米級水平鉆機(jī)等綜合測量技術(shù)，形成空天地一體化的測繪多技術(shù)融合勘測方案（見圖17），有利于及時提供施工各階段數(shù)字化地質(zhì)資料，在質(zhì)量、工期和安全保證等方面為隧道建造提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障。

5.2 多功能集成化隧道施工大機(jī)裝備

當(dāng)前，隧道施工一般采用鉆孔、裝藥、爆破、出渣、鋼拱架支護(hù)、混凝土注漿、錨桿加固等一系列專用機(jī)械裝備組合施工（見圖18），面臨工序多、裝備多等問題。自掌子面沿開挖區(qū)間線性布置開始，多工序作業(yè)沖突以及設(shè)備的更換移動等造成時間浪費(fèi)，極大影響作業(yè)效率。將鑿巖臺車、混凝土濕噴機(jī)、鋼拱架臺車、吊車、注漿泵、集（除）塵器、破碎錘（剪）、排風(fēng)管組合為一體的多功能工程臺車并統(tǒng)一集中管控是新的發(fā)展方向，可改善作業(yè)環(huán)境、提高安全性和作業(yè)效率，降低成本和易于維護(hù)。

圖17 空天地一體化隧道地質(zhì)勘察預(yù)報示意圖

圖18 集成化多功能隧道工程臺車示意圖

5.3 基于BIM的智能隧道設(shè)計施工解決方案

當(dāng)前基于BIM技術(shù)的鐵路工程建設(shè)管理創(chuàng)新與實踐已有相當(dāng)?shù)姆e累［18-19］。針對當(dāng)前鐵路隧道工程建設(shè)中進(jìn)度管理、安全管理、合同管理、物資管理及成本管理系統(tǒng)相互獨(dú)立，各系統(tǒng)之間信息交流非電子化等問題，借助BIM可視化、協(xié)調(diào)性和模擬性的優(yōu)勢，將上述5個方面系統(tǒng)融合為基于BIM的統(tǒng)一管理平臺，進(jìn)一步完善BIM在施工和運(yùn)維不同階段下可視化交底、“三維-二維-三維”圖紙管理、虛擬超前建造、施組、過程進(jìn)度管理以及監(jiān)控量測可視化等典型功能模塊解決方案（見圖19），為施工分析、工藝工序、資源配置、施組計劃、施工模擬、圖紙校驗、監(jiān)控量測等提供技術(shù)支持。

圖19 基于BIM的智能隧道設(shè)計施工功能示意

5.4 全斷面預(yù)制裝配式新型隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)體系智能建造技術(shù)

相對于隧道傳統(tǒng)建造方法，預(yù)制裝配式技術(shù)以其標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計、工廠化生產(chǎn)、裝配化施工、智能化管理等特點(diǎn)得到工程界的認(rèn)可與推廣，其綠色、智能、標(biāo)準(zhǔn)化管理、智能化施工等優(yōu)勢對于促進(jìn)鐵路隧道智能建造技術(shù)發(fā)展大有裨益。新建京張鐵路清華園隧道（長6.02 km）是我國第1座采用軌下預(yù)制裝配式工藝的高速鐵路盾構(gòu)隧道，新建鄭萬鐵路羅家山隧道橫洞都采用了預(yù)制裝配式軌下拼裝結(jié)構(gòu)（見圖20），在結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)、規(guī)格型式、連接方式與接口設(shè)計參數(shù)等方面進(jìn)行了探索與實踐，同時建立了鐵路隧道底部預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)理論分析框架，一定程度上促進(jìn)了裝配式技術(shù)在鐵路隧道領(lǐng)域的發(fā)展。值得說明的是，既有研究成果對于預(yù)制裝配式隧道智能建造全過程所涉及的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、頭腦智慧等特征體現(xiàn)尚不充分，對于預(yù)制裝配式隧道智能建造、追蹤感知、運(yùn)輸、拼裝、監(jiān)測檢測等技術(shù)尚未深入系統(tǒng)研究，尚未搭建完備的智能建造關(guān)鍵技術(shù)體系。因此，在充分考慮項目研究系統(tǒng)性、適用性和前瞻性的基礎(chǔ)上，研究并推廣應(yīng)用隧道預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件智能建造及全生命周期在線監(jiān)測檢測關(guān)鍵技術(shù)，可加快既有科研成果付諸實踐，串聯(lián)并貫通科研設(shè)計、生產(chǎn)制造、運(yùn)輸拼裝、監(jiān)測檢測全鏈條，促進(jìn)研究成果驗證并轉(zhuǎn)化、落地、推廣。

5.5 專業(yè)化隧道建造運(yùn)維全生命周期信息技術(shù)難題解決服務(wù)

針對隧道建設(shè)分布范圍廣、參建單位多、工程類型多樣、技術(shù)發(fā)展不均衡等特點(diǎn)，以及工業(yè)機(jī)器人、3D打印、工業(yè)物聯(lián)網(wǎng)、云計算、工業(yè)大數(shù)據(jù)、知識工作自動化、工業(yè)網(wǎng)絡(luò)安全、虛擬現(xiàn)實和人工智能等技術(shù)的綜合應(yīng)用，可組建多專業(yè)協(xié)同的科研隊伍開展多層級專業(yè)化專門性技術(shù)服務(wù)（見圖21），統(tǒng)一深入分析隧道智能建造全生命周期各專業(yè)系統(tǒng)管理的差異性、數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)膶崟r性、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)融合關(guān)聯(lián)的復(fù)雜性、智能決策分析場景的多樣性等特殊需求，攻克核心關(guān)鍵技術(shù)，解決數(shù)據(jù)實時采集傳輸、網(wǎng)絡(luò)能力保持與安全防御、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的解析同化融合關(guān)聯(lián)、面向工程及應(yīng)用的建模決策分析等系列難題，基于中國鐵路主數(shù)據(jù)中心的數(shù)據(jù)服務(wù)平臺，開展數(shù)據(jù)匯集整理與融合分析。通過信息化和智能服務(wù)關(guān)鍵技術(shù)研究，解決隧道工程建設(shè)、運(yùn)營等不同時期面臨的信息化突出的共性難題，為鐵路隧道工程建造運(yùn)維提供有力的、滿足特殊需求的專門性智能服務(wù)。

圖20 預(yù)制裝配式隧道新型支護(hù)體系示意圖

圖21 多層級專業(yè)化專門性技術(shù)服務(wù)

6 結(jié)束語

智能鐵路是我國鐵路的發(fā)展方向［3］，隧道智能建造是隧道工程建設(shè)的必然趨勢。在梳理我國鐵路隧道建造方法沿革演變的基礎(chǔ)上，明確了鐵路隧道智能建造的概念、核心與鐵路隧道智能建造總體架構(gòu)，闡明架構(gòu)實現(xiàn)所依托的技術(shù)體系框架，分析了關(guān)鍵技術(shù)及實現(xiàn)方法，闡述了隧道智能建造在勘察、施工、設(shè)計、新結(jié)構(gòu)、信息技術(shù)等方面的發(fā)展趨勢及前景，為我國鐵路隧道智能建造的實踐實施、戰(zhàn)略研究及城市軌道交通地下工程等其他領(lǐng)域的智能化研究提供參考。