高速鐵路隧道智能建造關(guān)鍵技術(shù)與發(fā)展趨勢(shì)

韓自力

（中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2019年底，我國(guó)已經(jīng)投入運(yùn)營(yíng)的高速鐵路有77條，總長(zhǎng)2.5萬(wàn)km；共建成高速鐵路隧道2 915座，總長(zhǎng)4 623 km，其中長(zhǎng)度大于10 km的特長(zhǎng)隧道61座，總長(zhǎng)約813 km［1］。隨著高速鐵路隧道的建設(shè)，我國(guó)隧道建造理念、勘察技術(shù)、設(shè)計(jì)技術(shù)、施工設(shè)備及施工管理水平有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，同時(shí)機(jī)械化裝備制造技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算及大數(shù)據(jù)等信息處理技術(shù)亦快速發(fā)展。在隧道工程智能建造方面，研發(fā)了可實(shí)現(xiàn)G1S技術(shù)集成于三維模型、數(shù)據(jù)處理的綜合監(jiān)控平臺(tái)，隧道工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，基于BIM的虛擬、動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和基于專(zhuān)家系統(tǒng)的隧道設(shè)計(jì)參數(shù)智能化選擇系統(tǒng)。鉆孔攝像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)、三維數(shù)碼攝像、激光掃描技術(shù)、隨鉆測(cè)量技術(shù)［2-5］已經(jīng)得到應(yīng)用。涵蓋初期支護(hù)、二次襯砌施工及運(yùn)營(yíng)的隧道質(zhì)量智能化管控及檢測(cè)技術(shù)，針對(duì)應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測(cè)和水壓力監(jiān)測(cè)的隧道襯砌結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［6-7］及基于建筑信息建模（BIM）的隧道智能化建造協(xié)同管理平臺(tái)等也得到了發(fā)展［8］。

政策與需求引領(lǐng)智能建造技術(shù)在鐵路工程行業(yè)的應(yīng)用。為實(shí)現(xiàn)制造強(qiáng)國(guó)戰(zhàn)略目標(biāo)，2015年國(guó)家提出了第一個(gè)十年行動(dòng)綱領(lǐng)“中國(guó)制造2025”。2016年7月，國(guó)務(wù)院重新修編了《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，規(guī)劃2020年鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到15萬(wàn)km，標(biāo)志著我國(guó)鐵路建設(shè)進(jìn)入新時(shí)期。與此同時(shí)，2018年1月，中國(guó)鐵路總公司提出鐵路應(yīng)率先實(shí)現(xiàn)現(xiàn)代化及2020，2025，2035年的奮斗目標(biāo)。

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［9］。隧道智能建造作為智能鐵路有機(jī)組成部分，代表了未來(lái)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(jì)基礎(chǔ)上的單一專(zhuān)業(yè)延伸實(shí)踐［10］，也是工程建造領(lǐng)域的發(fā)展方向，是新形勢(shì)下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢(shì)［11］。如何適應(yīng)新形勢(shì)下鐵路隧道建設(shè)需求，將智能建造技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道建設(shè)，從技術(shù)應(yīng)用層面和管理層面推進(jìn)其與鐵路建設(shè)的融合，利用智能建造技術(shù)這一重要工具促進(jìn)隧道工程項(xiàng)目的一體化管理、提升隧道工程品質(zhì)，已成為隧道工程建設(shè)領(lǐng)域的重要課題。

本文在總結(jié)近年來(lái)高速鐵路隧道智能建造典型工程實(shí)踐基礎(chǔ)上，闡述高速鐵路隧道智能建造的概念與關(guān)鍵技術(shù)，著重闡述基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)、隧道可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及高速鐵路隧道智能建造協(xié)同管控信息化平臺(tái)解決方案，并分析高速鐵路隧道智能建造發(fā)展趨勢(shì)。

1 高速鐵路隧道智能建造典型實(shí)踐及概念與關(guān)鍵技術(shù)

中國(guó)鐵路隧道建造始于1888年獅球嶺隧道（全長(zhǎng)261 m），130余年來(lái)，中國(guó)鐵路隧道先后經(jīng)歷了技術(shù)起步、初步發(fā)展、快速發(fā)展和引領(lǐng)世界4個(gè)階段，不斷刷新世界隧道建造紀(jì)錄，成為“中國(guó)建造”的亮麗名片，我國(guó)已成為名副其實(shí)的隧道建設(shè)大國(guó)。近年來(lái)在高速鐵路隧道建設(shè)領(lǐng)域，以京張、鄭萬(wàn)、京雄等線路隧道工程為代表的多座隧道實(shí)現(xiàn)了“智能建造”理念在鐵路隧道工程領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。

開(kāi)挖工法的選擇直接決定了建造全過(guò)程中智能建造技術(shù)的不同，由于隧道鉆爆法施工在地質(zhì)適應(yīng)性、斷面適應(yīng)性、短距離施工、設(shè)備購(gòu)置成本等方面優(yōu)于掘進(jìn)機(jī)法施工，鐵路隧道仍將多數(shù)采用鉆爆法施工建造。

20世紀(jì)80年代以來(lái)，帶有液壓機(jī)械臂的鑿巖鉆機(jī)在隧道內(nèi)開(kāi)始應(yīng)用，標(biāo)志著我國(guó)隧道機(jī)械化施工的開(kāi)端。其中，以衡廣復(fù)線大瑤山隧道作為我國(guó)隧道機(jī)械化施工推廣的起點(diǎn)，隨后在大秦、南昆、滬昆、京九、西康、成蘭等線路鐵路建設(shè)中逐步完善，形成了多種機(jī)械化施工成套技術(shù)和設(shè)備配套模式。近年來(lái)，京張高速鐵路和鄭萬(wàn)高速鐵路典型隧道修建過(guò)程中，已經(jīng)掌握了全斷面、臺(tái)階法開(kāi)挖方式下硬巖、軟巖在超前鉆探、開(kāi)挖作業(yè)、支護(hù)作業(yè)、仰拱作業(yè)、防（排）水板作業(yè)、二次襯砌作業(yè)及水溝電纜槽七條作業(yè)生產(chǎn)線智能化裝備的配套應(yīng)用［12-15］，見(jiàn)表1。當(dāng)前機(jī)械化應(yīng)用水平規(guī)模由小到大、試用范圍由窄到寬、信息化水平由低到高、支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性由差變強(qiáng)，在智能化裝備合理配套、性能匹配、均衡生產(chǎn)、造價(jià)核算等方面積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)。圖1、圖2所示裝備布置上具備一定的推廣價(jià)值。在此基礎(chǔ)上，逐漸形成了以數(shù)字化資源為核心和基礎(chǔ)，以智能化裝備為工具，以網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸、信息化經(jīng)營(yíng)管理為抓手，以現(xiàn)代化監(jiān)控量測(cè)為輔助，以實(shí)現(xiàn)建造運(yùn)維全過(guò)程的信息化、自動(dòng)化、無(wú)人化或少人化的高速鐵路隧道智能建造理念。

表1 智能化裝備成套配置（單作業(yè)面）

圖1 懸臂掘進(jìn)機(jī)法機(jī)械化配套施工示意

圖2 三臂鑿巖臺(tái)車(chē)法機(jī)械化配套施工示意

中國(guó)工程院在“智能高鐵戰(zhàn)略研究（2035）”項(xiàng)目研究中圍繞國(guó)家高速鐵路智能化發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，構(gòu)建了智能高速鐵路體系架構(gòu)，提出了智能高速鐵路技術(shù)平臺(tái)和關(guān)鍵技術(shù)，制定了智能高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系和評(píng)價(jià)體系，規(guī)劃了智能高速鐵路發(fā)展路線圖及相關(guān)政策建議［16］。該項(xiàng)目研究提出了隧道智能建造概念，即基于信息化技術(shù)，通過(guò)對(duì)“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(dòng)學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，高效綜合利用鐵路隧道的移動(dòng)、固定、空間、時(shí)間和人力資源，實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)、運(yùn)維全生命周期的高度信息化、自動(dòng)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，并闡述了智能建造在勘察設(shè)計(jì)、工程施工和建設(shè)管理方面的技術(shù)路線，明確了BIM與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合、檢測(cè)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)自動(dòng)傳輸及融合設(shè)計(jì)、施工、物資、質(zhì)量評(píng)價(jià)等于一體的協(xié)同管控平臺(tái)3個(gè)方面的關(guān)鍵技術(shù)。

高速鐵路隧道智能建造同樣遵循“從實(shí)踐中來(lái)，到實(shí)踐中去的”的馬克思主義實(shí)踐與認(rèn)識(shí)的辯證關(guān)系。立足國(guó)情、路情，根據(jù)當(dāng)前裝備與信息化技術(shù)發(fā)展，并總結(jié)典型高速鐵路隧道建設(shè)經(jīng)驗(yàn)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司提出了基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)、隧道可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及高速鐵路隧道智能建造協(xié)同管控信息化平臺(tái)解決方案，相關(guān)技術(shù)在京張高速鐵路清華園隧道與八達(dá)嶺隧道、浩吉鐵路中條山隧道（重載鐵路隧道）進(jìn)行了應(yīng)用，為智能建造技術(shù)在此類(lèi)鐵路隧道工程中的深化應(yīng)用提供參考。

2 基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 需求分析

當(dāng)前既有鐵路隧道建設(shè)管理系統(tǒng)主要面向施工單位，主要包括進(jìn)度管理、合同管理、物資管理、材料管理、成本管理、拌和站管理和試驗(yàn)室管理等模塊。多年來(lái)既有管理系統(tǒng)在隧道工程的建設(shè)中起到了相當(dāng)重要的積極作用，同時(shí)多年來(lái)的實(shí)踐也發(fā)現(xiàn)既有系統(tǒng)存在以下問(wèn)題：

1）進(jìn)度管理方面，進(jìn)度計(jì)劃靈活性不足，協(xié)調(diào)、監(jiān)管難。

2）施工組織設(shè)計(jì)方面，編制工作繁重，信息內(nèi)容重復(fù)率高，方案編制受人員影響較大，部分方案編制與實(shí)施分離。

3）施工質(zhì)量管理方面，預(yù)埋預(yù)留問(wèn)題多，各類(lèi)隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害問(wèn)題及成因考慮不足，質(zhì)量問(wèn)題整改不力。

4）監(jiān)控量測(cè)方面，監(jiān)測(cè)信息不直觀，監(jiān)測(cè)信息滯后，監(jiān)測(cè)斷面沒(méi)有針對(duì)性。

5）圖紙管理方面，紙質(zhì)圖紙管理復(fù)雜，圖紙解讀易出錯(cuò)。

6）技術(shù)交底方面，施工復(fù)雜與工人理解力較低存在矛盾，紙質(zhì)交底效率低，相關(guān)單位參與度低。

上述問(wèn)題，對(duì)隧道建設(shè)信息化技術(shù)應(yīng)用提出了現(xiàn)實(shí)需求。鑒于此，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)了基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)。

2.2 管理優(yōu)勢(shì)

當(dāng)前BIM技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)從理論探討進(jìn)入實(shí)踐應(yīng)用階段，已從規(guī)劃設(shè)計(jì)階段的虛擬施工、碰撞檢測(cè)拓展至施工階段4D虛擬施工、物料跟蹤、施工現(xiàn)場(chǎng)配合等。概括起來(lái)，基于BIM的鐵路隧道建設(shè)管理集中體現(xiàn)在6方面：①施工進(jìn)度動(dòng)態(tài)管理；②質(zhì)量監(jiān)控與管理；③施工安全評(píng)估與預(yù)警管理；④可視化交底管理；⑤“三維-二維-三維”圖紙管理；⑥虛擬建造。

2.3 管理模式

鐵路隧道BIM施工安全管理模型是在鐵路隧道BIM設(shè)計(jì)模型和施工模型基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道施工前、施工中、施工后完整過(guò)程的安全管理工作而形成的流程化模型體系，如圖3所示。模型由數(shù)據(jù)層、施工模型層和應(yīng)用層3個(gè)層次組成，數(shù)據(jù)層主要由隧道的BIM設(shè)計(jì)模型、施工過(guò)程中各類(lèi)監(jiān)測(cè)信息、虛擬施工模型及施工相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、施工組織設(shè)計(jì)、合約文件等構(gòu)成；施工模型層是對(duì)數(shù)據(jù)層信息數(shù)據(jù)的加工與技術(shù)處理，形成相應(yīng)的質(zhì)量管理模塊、進(jìn)度管理模塊、安全管理模塊和成本管理模塊；應(yīng)用層是進(jìn)行相應(yīng)的安全管理，包括三維圖紙資料、專(zhuān)項(xiàng)方案編制、安全措施費(fèi)用管理、應(yīng)急疏散模擬管理、安全技術(shù)交底、施工安全檢查、安全空間管理、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)處理等工作?；诖四Ｐ?，實(shí)現(xiàn)自上而下的數(shù)據(jù)調(diào)用，以及橫向各模塊、各專(zhuān)業(yè)間信息互通，各層次分工明確、流程清晰、信息流暢，形成完整動(dòng)態(tài)的應(yīng)用閉環(huán)，對(duì)傳統(tǒng)鐵路隧道施工管理工作進(jìn)行了較大的改造和提升。

圖3 鐵路隧道BIM施工管理模型

2.4 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

BIM模型最終是以多維度、多功能、多用途的模型計(jì)算機(jī)圖形的形式展現(xiàn)在顯示設(shè)備上。隧道建設(shè)工程往往體量巨大，龐大冗余的海量信息加上巨大的隧道BIM模型，即使在高配民用計(jì)算機(jī)設(shè)備上運(yùn)行起來(lái)也是捉襟見(jiàn)肘。為解決上述矛盾，提出將BIM模型進(jìn)行輕量化處理的解決方案。

通過(guò)從幾何轉(zhuǎn)換和渲染處理2個(gè)環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，將復(fù)雜網(wǎng)格切分、重復(fù)網(wǎng)格合并、幾何數(shù)據(jù)壓縮，最大程度減少對(duì)計(jì)算機(jī)資源的占用，達(dá)到輕便快捷、合理易用的效果，如圖4所示。圖5為基于輕量化BIM的隧道建造期綜合信息管理系統(tǒng)架構(gòu)，融信息管理、施工進(jìn)度管理、監(jiān)控量測(cè)及風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、圖紙管理、虛擬建造于一體，為隧道建設(shè)的智慧化提供助力。

圖4 BIM輕量化技術(shù)手段

在圖5的基礎(chǔ)上，可建立基于輕量化BIM設(shè)計(jì)的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖6所示，將施工信息輸入至服務(wù)器，服務(wù)器基于SQL Sever數(shù)據(jù)庫(kù)系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)管理與計(jì)算，同時(shí)利用免費(fèi)開(kāi)源的Web輕量級(jí)應(yīng)用服務(wù)Apache Tomcat系統(tǒng)技術(shù)將數(shù)據(jù)庫(kù)信息共享至Web網(wǎng)站系統(tǒng)及移動(dòng)客戶(hù)端。

圖5 基于輕量化BIM的隧道建造期綜合信息管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息智慧系統(tǒng)架構(gòu)

3 隧道可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 可視化檢測(cè)監(jiān)測(cè)必要性及系統(tǒng)組成

采用新奧法修建的山嶺隧道，施工前依據(jù)計(jì)算與工程類(lèi)比等綜合決定支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)，施工中根據(jù)位移等的監(jiān)控量測(cè)結(jié)果進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)修正。當(dāng)前，監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)多采用報(bào)表形式體現(xiàn)，主要存在以下弊端：①監(jiān)測(cè)里程無(wú)法與現(xiàn)場(chǎng)圍巖情況、施工方法、施工管理手段直觀對(duì)應(yīng)；②各監(jiān)測(cè)斷面間缺乏聯(lián)系，無(wú)法對(duì)監(jiān)測(cè)段落進(jìn)行總體把控；③監(jiān)測(cè)日?qǐng)?bào)或月報(bào)存在上傳下達(dá)周期，影響管理人員根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作出響應(yīng)的時(shí)間。

利用輕量化BIM可視化與模型信息關(guān)聯(lián)性特點(diǎn)，結(jié)合施工期間隧道監(jiān)控測(cè)量項(xiàng)目對(duì)地表沉降、洞周收斂、拱頂下沉點(diǎn)、混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、土壓力、錨桿軸力、隧道襯砌空洞、滲水狀況進(jìn)行建模，建立數(shù)據(jù)庫(kù)，將數(shù)據(jù)庫(kù)中信息匹配到輕量化BIM模型中相應(yīng)位置，可高效合理地指導(dǎo)隧道施工。如圖7所示，將隧道的輕量化BIM模型與隧道動(dòng)態(tài)施工信息計(jì)算機(jī)系統(tǒng)集成，可以充分利用BIM三維可視化和信息標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)，解決了隧道施工監(jiān)測(cè)信息管理的瓶頸問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)隧道真正意義上的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。此外，還可針對(duì)各工點(diǎn)隧道設(shè)計(jì)特定的監(jiān)控量測(cè)要求，并根據(jù)大數(shù)據(jù)對(duì)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的合理性給出建議。

圖7 基于輕量化BIM的隧道可視化檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成

3.2 基于無(wú)線自組網(wǎng)與輕量化BIM融合的隧道可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

目前國(guó)內(nèi)隧道監(jiān)控測(cè)量基本采用埋設(shè)傳感器，靠人工周期性讀取數(shù)據(jù)，手工分析判讀的方法，存在成本高、效率低、數(shù)據(jù)滯后、實(shí)時(shí)性差、數(shù)據(jù)利用率低等問(wèn)題。因此，需要建立一套信息化的監(jiān)控測(cè)量系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)采集實(shí)時(shí)化、傳輸自主化、存儲(chǔ)數(shù)據(jù)化、判讀智能化的目標(biāo)。

鑒于以上，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司開(kāi)發(fā)了基于無(wú)線自組網(wǎng)與輕量化BIM融合的隧道可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，如圖8所示。本系統(tǒng)由遠(yuǎn)程智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集終端等幾部分組成。遠(yuǎn)程智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部署于專(zhuān)用機(jī)房，基于輕量化BIM技術(shù)開(kāi)發(fā)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯聚、存儲(chǔ)、分析、智能研判、趨勢(shì)分析、信息推送等。用戶(hù)終端采用B/S架構(gòu)，通過(guò)接入服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)展示、信息接收，實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器的遠(yuǎn)程控制等功能。中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備位于隧道兩端，同時(shí)連接隧道內(nèi)無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和外部鐵路專(zhuān)網(wǎng)，一方面負(fù)責(zé)將無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)的數(shù)據(jù)上傳至鐵路專(zhuān)網(wǎng)服務(wù)器，另一方面將服務(wù)器的操作指令轉(zhuǎn)發(fā)至隧道內(nèi)無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)位于隧道內(nèi)，由基站設(shè)備、無(wú)線接入終端等幾部分組成，具備隧道內(nèi)無(wú)線組網(wǎng)、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能?；驹O(shè)備一方面可以自動(dòng)組成貫穿全隧道的干線網(wǎng)并代替光纜，另一方面還可以向下提供無(wú)線接入網(wǎng)絡(luò)，無(wú)線接入終端可以將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。數(shù)據(jù)采集終端部署于各監(jiān)測(cè)斷面，通過(guò)RS232，RS485總線等與傳感器連接，定時(shí)主動(dòng)或根據(jù)服務(wù)器指定命令讀取傳感器數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊完成信息采集后，通過(guò)無(wú)線通信專(zhuān)網(wǎng)基站設(shè)備匯聚到數(shù)據(jù)中繼終端，并經(jīng)外部鐵路專(zhuān)網(wǎng)回傳到服務(wù)器上。

圖8 隧道可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)具備無(wú)線組網(wǎng)、高兼容性、多種采集方式、實(shí)時(shí)回傳、反向可控、數(shù)據(jù)歸一化處理與大數(shù)據(jù)應(yīng)用等特點(diǎn)或功能，體現(xiàn)系統(tǒng)通用性與擴(kuò)展性相結(jié)合、技術(shù)先進(jìn)性與任務(wù)實(shí)際需求相結(jié)合開(kāi)發(fā)理念，在京張高速鐵路八達(dá)嶺隧道開(kāi)展了應(yīng)用，效果良好。

4 高速鐵路隧道智能建造協(xié)同管控技術(shù)體系及平臺(tái)建設(shè)

4.1 技術(shù)體系組成及架構(gòu)

鐵路隧道智能建造是一個(gè)系統(tǒng)工程，其總體架構(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(gè)層級(jí)構(gòu)成，見(jiàn)圖9。其中智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策3個(gè)中間層級(jí)的運(yùn)用體現(xiàn)于第2，第3章核心技術(shù)的實(shí)現(xiàn)過(guò)程。底層智能裝備是機(jī)械化、信息化高度融合的隧道開(kāi)挖裝備，圖9集中體現(xiàn)的是山嶺隧道開(kāi)挖所需關(guān)鍵裝備。頂層智能管控集中體現(xiàn)智能建造的精髓與能動(dòng)性、互動(dòng)性，是全生命周期智能建造過(guò)程的集中展示與運(yùn)用，也是協(xié)同管控技術(shù)體系最直接的表現(xiàn)，其作為應(yīng)用于各條鐵路線路隧道工程的面向管理、設(shè)計(jì)、施工技術(shù)人員的管理平臺(tái)展現(xiàn)出來(lái)，包含機(jī)器人化施工管控、動(dòng)態(tài)三維設(shè)計(jì)管控及各項(xiàng)業(yè)務(wù)智能化管理，其中施工是設(shè)計(jì)的延伸與體現(xiàn)，管理是施工與設(shè)計(jì)有效實(shí)施的推手，三者各自作為鐵路隧道智能建造的技術(shù)體系之一集中體現(xiàn)于智能建造的管控平臺(tái)上。

圖9 鐵路隧道智能建造總體架構(gòu)

管控平臺(tái)建設(shè)的前提是對(duì)機(jī)器人化施工管控、動(dòng)態(tài)三維設(shè)計(jì)管控及各項(xiàng)業(yè)務(wù)智能化管理三者核心技術(shù)的程序化實(shí)現(xiàn)，施工管控體現(xiàn)于工藝工法，設(shè)計(jì)管控體現(xiàn)于智能設(shè)計(jì)，業(yè)務(wù)智能化管理直接展現(xiàn)于協(xié)同管控平臺(tái)。

工藝工法技術(shù)架構(gòu)見(jiàn)圖10，其落腳點(diǎn)是各類(lèi)信息化高度集成的機(jī)械裝備智能化施工，涵蓋常規(guī)的山嶺隧道施工、隧道掘進(jìn)機(jī)施工和預(yù)制裝配式施工。每一類(lèi)施工工法都涵蓋檢測(cè)監(jiān)測(cè)，基于物聯(lián)網(wǎng)與各類(lèi)智能傳感器，最終可實(shí)現(xiàn)第3節(jié)所述可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為協(xié)同管理平臺(tái)的分項(xiàng)顯示于程序界面上。

圖10 鐵路隧道智能建造工藝工法技術(shù)架構(gòu)

鐵路隧道智能設(shè)計(jì)方法技術(shù)架構(gòu)見(jiàn)圖11。隧道的智能設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)數(shù)字隧道和智慧隧道的基礎(chǔ)，智能設(shè)計(jì)的關(guān)鍵在于設(shè)計(jì)參數(shù)的智能化選擇與修正。借助于BIM等信息化技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)隧道的三維數(shù)字化建模與數(shù)據(jù)建檔，實(shí)現(xiàn)隧道各項(xiàng)數(shù)據(jù)的數(shù)字化存儲(chǔ)，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合安全風(fēng)險(xiǎn)感知和預(yù)警技術(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道與外部的信息互聯(lián)，建立智慧隧道信息和數(shù)據(jù)流傳輸通道，最終建立基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣作為協(xié)同管理平臺(tái)的分項(xiàng)顯示于程序界面上。

鐵路隧道智能建造協(xié)同管理技術(shù)架構(gòu)見(jiàn)圖12。協(xié)同體現(xiàn)在多類(lèi)型參建單位的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化管理，是創(chuàng)新性管理模式的主體，融合多種信息化系統(tǒng)的集中管控是智能決策和智能管控的外在表現(xiàn)，考慮全生命周期的各類(lèi)成本控制技術(shù)是隧道工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的有效保障。

圖11 鐵路隧道智能設(shè)計(jì)方法技術(shù)架構(gòu)

圖12 鐵路隧道智能建造協(xié)同管理技術(shù)架構(gòu)

4.2 信息化協(xié)同管理平臺(tái)建設(shè)

從隧道工程建造全過(guò)程實(shí)際需求角度出發(fā)，統(tǒng)一接口、標(biāo)準(zhǔn)，中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司提出了高速鐵路隧道智能建造信息化協(xié)同管理平臺(tái)架構(gòu)，見(jiàn)圖13。

1）主要功能

①平臺(tái)對(duì)隧道設(shè)計(jì)、施工全過(guò)程運(yùn)行設(shè)施和單元進(jìn)行精細(xì)化綜合管理，根據(jù)需要通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器，全天候?qū)崟r(shí)三維可視化展現(xiàn)設(shè)備及單元運(yùn)行狀態(tài)。

②通過(guò)傳感器實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)過(guò)程數(shù)據(jù)的全樣本采集，實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)過(guò)程數(shù)據(jù)的自動(dòng)存儲(chǔ)、梳理、分析、判斷、歸集處理、定向目標(biāo)推送、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、展現(xiàn)、形成報(bào)表等。

圖13 高速鐵路隧道智能建造信息化協(xié)同管理平臺(tái)架構(gòu)圖

③融合輕量化BIM系統(tǒng)、可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)、建設(shè)單位既有管理系統(tǒng)、國(guó)鐵集團(tuán)工程建設(shè)管理平臺(tái)，實(shí)時(shí)掌握項(xiàng)目現(xiàn)場(chǎng)的“項(xiàng)、機(jī)、人、物、環(huán)”各環(huán)節(jié)中的項(xiàng)目情況、設(shè)備情況、人員情況，物資情況、環(huán)境情況。

2）軟件實(shí)現(xiàn)

①將隧道建設(shè)設(shè)施及單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境狀態(tài)參數(shù)等通過(guò)相應(yīng)的傳感器組網(wǎng)，實(shí)時(shí)在線與離線人工有效填報(bào)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)過(guò)程運(yùn)行數(shù)據(jù)采集。

②通過(guò)輕量化BIM信息化智慧系統(tǒng)，可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)上通過(guò)瀏覽器（B/S）實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)過(guò)程實(shí)時(shí)場(chǎng)景與運(yùn)行設(shè)備及設(shè)備之間的連接等三維動(dòng)態(tài)可視化。

③若建設(shè)單位已經(jīng)具備諸如“施工管理系統(tǒng)”“混凝土拌和站質(zhì)量管理系統(tǒng)”“質(zhì)量信譽(yù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)”等，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)類(lèi)型基礎(chǔ)上，將此類(lèi)系統(tǒng)與輕量化BIM信息化智慧系統(tǒng)和可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)并列設(shè)置，按照模塊化獨(dú)立功能單元形式在顯示界面上橫向排列出來(lái)，選定某一模塊后，界面左邊將豎向分層級(jí)列出該模塊的所屬功能子模塊，并可任意選擇調(diào)用。

④平臺(tái)搭建完成后，按照國(guó)鐵集團(tuán)信息化系統(tǒng)管理各類(lèi)文件進(jìn)行試用、驗(yàn)證、評(píng)審。

5 高速鐵路隧道智能建造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)

總體來(lái)說(shuō)，智能建造在高速鐵路隧道領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于快速發(fā)展階段，如何利用先進(jìn)的信息技術(shù)及工業(yè)裝備制造資源，建立完善智能建造技術(shù)體系是當(dāng)前面臨的核心難題，也是本領(lǐng)域研究發(fā)展的趨勢(shì)?？筛爬橐韵?點(diǎn)：

1）完善高速鐵路隧道智能建造理論創(chuàng)新。綜合物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、移動(dòng)互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、BIM、GIM等技術(shù)，立足機(jī)械化與信息化深度融合，基于運(yùn)籌學(xué)、管理學(xué)、工程經(jīng)濟(jì)學(xué)與系統(tǒng)工程理論，構(gòu)建適用于我國(guó)國(guó)情的高速鐵路隧道智能建造頂層設(shè)計(jì)體系及功能架構(gòu)，引入工程控制論的基本思想，提出適用于高速鐵路隧道建造全生命周期的機(jī)械行為方式、電子遠(yuǎn)程傳輸、信息整合融合、材料適配優(yōu)選、工程經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等方面的理論體系。

2）推廣預(yù)制裝配式新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及營(yíng)造方式。裝配式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、定制化、批量化等特點(diǎn)可更有效地串聯(lián)溝通制造單位、建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位和后期運(yùn)營(yíng)維護(hù)單位，相較于傳統(tǒng)隧道建造工法，其在信息化、機(jī)械化等方面的應(yīng)用具有天然優(yōu)勢(shì)。新建京張鐵路清華園隧道及新建鄭萬(wàn)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)，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)、規(guī)格形式、連接方式與接口設(shè)計(jì)參數(shù)等方面進(jìn)行了探索與實(shí)踐，已經(jīng)證明了該類(lèi)結(jié)構(gòu)可有效降低工程造價(jià)、提升生產(chǎn)效率和施工安全。在充分考慮項(xiàng)目研究適用性和前瞻性的基礎(chǔ)上，推廣應(yīng)用全斷面預(yù)制裝配式隧道新型建造技術(shù)可加快既有科研成果付諸實(shí)踐，串聯(lián)貫通科研、設(shè)計(jì)、施工、建設(shè)管理等單位，促進(jìn)研究成果驗(yàn)證并轉(zhuǎn)化、落地、推廣。

3）加快多功能智能化隧道開(kāi)挖支護(hù)大機(jī)裝備研發(fā)。我國(guó)目前隧道工程機(jī)械基本依靠國(guó)外進(jìn)口，且主要被德國(guó)、芬蘭、瑞典等國(guó)家企業(yè)所壟斷，建設(shè)成本與技術(shù)受限阻礙了鐵路隧道工程產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及建造技術(shù)升級(jí)。高技術(shù)、高附加值的隧道智能建造裝備研發(fā)關(guān)聯(lián)到材料、電子、信息、機(jī)械等工業(yè)方向，盡快開(kāi)展系列鐵路隧道智能建造單工序機(jī)器人化裝備與多功能集成化隧道施工大機(jī)裝備研發(fā)，不但可以提升我國(guó)隧道工程裝備技術(shù)水平，同時(shí)對(duì)于提升我國(guó)鐵道行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)能力，維護(hù)國(guó)家經(jīng)濟(jì)安全和戰(zhàn)略利益具有重要的意義。

4）啟動(dòng)高速鐵路隧道智能建造施工、驗(yàn)收、工程造價(jià)方面技術(shù)立法?；谥悄芙ㄔ煅b備，編制涵蓋超前支護(hù)施工、鉆爆開(kāi)挖施工、初期支護(hù)施工、防（排）水板施工、二次襯砌施工、溝槽施工等各階段的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械化施工流程與工藝，通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用推廣進(jìn)一步形成建造工法。在此基礎(chǔ)上制定修訂驗(yàn)收與物資驗(yàn)收方面核算規(guī)程，完備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

6 結(jié)束語(yǔ)

在當(dāng)前世界制造業(yè)加速向我國(guó)轉(zhuǎn)移的過(guò)程中，通過(guò)發(fā)展隧道智能建造技術(shù)來(lái)提升我國(guó)鐵道行業(yè)整體競(jìng)爭(zhēng)能力，對(duì)實(shí)現(xiàn)“中國(guó)制造2025”和中國(guó)鐵路“走出去”的戰(zhàn)略布局具有極其重要的意義。本文在闡述高速鐵路隧道智能建造典型實(shí)踐及概念和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了關(guān)鍵核心技術(shù)所包括的基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)、隧道可視化智能檢測(cè)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)這2個(gè)子系統(tǒng)與隧道智能建造協(xié)同管控平臺(tái)的實(shí)現(xiàn)方法，進(jìn)一步分析了高速鐵路隧道智能建造技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，為高速鐵路隧道及相關(guān)工程領(lǐng)域的智能化方向研究應(yīng)用提供一定的參考。