隧道智能建造技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

殷付通 王明軍 張世超 靳浩然 呂慶霞 劉靜菲

摘要：我國(guó)隧道與地下工程建設(shè)由高速度發(fā)展轉(zhuǎn)向了高質(zhì)量發(fā)展，大量新技術(shù)和新裝備的使用提高了隧道建設(shè)施工的質(zhì)量和效率。以隧道建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)為核心，結(jié)合多種信息技術(shù)的隧道智能建造體系（Intelligent tunnel construction system），可以有效的降低隧道施工的人員成本，提高隧道施工機(jī)械化水平，實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)全過(guò)程的智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、信息化管理。

Abstract： The construction of tunnels and underground engineering in China has shifted from high-speed development to high-quality development. The use of a large number of new technologies and equipment has improved the quality and efficiency of tunnel construction. The intelligent tunnel construction system takes tunnel building information model and geographic information system as the core， and combines with a variety of information technologies， so it can effectively reduce the cost of tunnel construction personnel， improve the level of tunnel construction mechanization， and realize the intelligent， standardized， and informatized management of the whole process of tunnel construction.

關(guān)鍵詞：隧道建設(shè);智能建造;BIM;機(jī)械化;信息化

Key words： tunnel construction;intelligent construction;BIM;mechanization;informatization

中圖分類號(hào)：TU741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1006-4311（2020）23-0112-02

0? 引言

我國(guó)隧道工程技術(shù)的快速發(fā)展始于上世紀(jì)80年代，當(dāng)時(shí)正值改革開放的浪潮席卷我國(guó)東部沿海地區(qū)[3]。作為一個(gè)隧道建設(shè)大國(guó)，近40年隧道和地下工程建設(shè)技術(shù)積累，我國(guó)在隧道勘察、設(shè)計(jì)、建造和運(yùn)營(yíng)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的發(fā)展和經(jīng)驗(yàn)。在隧道的建設(shè)全生命周期內(nèi)不斷應(yīng)用各種高新科技，提出并實(shí)踐了一系列隧道工程技術(shù)，也為國(guó)際隧道工程技術(shù)的進(jìn)步與發(fā)展做出了不可或缺的貢獻(xiàn)。

傳統(tǒng)土木建筑領(lǐng)域是勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)，一個(gè)工程項(xiàng)目往往需要大量人員參與，由于人員素質(zhì)和水平參差不齊，管理尤為困難。在很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)，國(guó)內(nèi)勞動(dòng)力的成本低廉直接促進(jìn)了隧道工程的快速發(fā)展。但是低廉的人工成本和昂貴的施工機(jī)械一次性投入也阻礙著國(guó)內(nèi)先進(jìn)隧道施工機(jī)械的大規(guī)模普及，傳統(tǒng)的勞動(dòng)密集型的施工方法與新的隧道施工方法、理念顯得格格不入。隨著農(nóng)村老一代勞動(dòng)人口老齡化，大量的建筑從業(yè)者退出建筑行業(yè)，農(nóng)村新一代年輕群體大多不愿意從事繁重的建筑勞動(dòng)，造成了建筑業(yè)勞動(dòng)力在一段時(shí)間內(nèi)相對(duì)短缺的情況[2]。勞動(dòng)力短缺引發(fā)的勞動(dòng)力成本逐年上升，迫使企業(yè)越來(lái)越多的使用機(jī)械替代人工。機(jī)械化水平的提高帶來(lái)的不僅是生產(chǎn)效率的提高、施工質(zhì)量、安全的保證，還有人員管理成本的大幅度縮減。高度機(jī)械化、信息化、智能化是隧道工程未來(lái)必然的發(fā)展方向。

1? 我國(guó)隧道工程建設(shè)的發(fā)展

中國(guó)古代有著“火燒水澆”原始隧道開挖方法，今陜西省漢中縣褒谷口內(nèi)的“石門”隧道就是用這種方法修建的，而中國(guó)最早的地下隧道可以追溯到春秋戰(zhàn)國(guó)期間，是秦國(guó)為了鞏固統(tǒng)治修建的“褒斜道”。隨著火藥的發(fā)明，隧道建設(shè)也進(jìn)入了“礦山法”時(shí)代，“礦山法”是中國(guó)隧道建設(shè)歷史上使用時(shí)間最長(zhǎng)、應(yīng)用最廣泛的隧道施工方法。后來(lái)國(guó)內(nèi)引入的“新奧法”和“新意法”等先進(jìn)施工理念與中國(guó)實(shí)際工程相結(jié)合發(fā)展出了“淺埋暗挖法”[4]并成功運(yùn)用在北京復(fù)興門地鐵折返線工程中，“淺埋暗挖法”的出現(xiàn)使得我國(guó)的淺埋暗挖技術(shù)一直處于世界領(lǐng)先地位[5]。盾構(gòu)和TBM技術(shù)作為隧道施工最為先進(jìn)的施工裝備使得隧道施工的機(jī)械化水平得到了大幅度提升，掘進(jìn)機(jī)施工有著機(jī)械化程度高、施工速度快、地面沉降小等優(yōu)點(diǎn)，為隧道智能建造的發(fā)展提供了良好平臺(tái)。

我國(guó)盾構(gòu)與TBM起步較晚，但經(jīng)過(guò)十多年的潛心學(xué)習(xí)和自主創(chuàng)新我國(guó)的盾構(gòu)技術(shù)已經(jīng)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)機(jī)和TBM不僅占有國(guó)內(nèi)近90%的市場(chǎng)，還遠(yuǎn)銷世界多個(gè)國(guó)家[6]。我國(guó)隧道建設(shè)施工經(jīng)歷了“手工化”到“機(jī)械化”再到“信息化”的發(fā)展路程，未來(lái)的智能“信息化”隧道建造會(huì)更加的高效、智能，智能化的機(jī)械裝備將會(huì)取代人工和落后的機(jī)械設(shè)備。

2? 隧道智能建造的內(nèi)容

2.1 隧道智能建造的提出

隨著城市地下綜合體、地下鐵路，綜合管廊以及各類淺層地下設(shè)施的開發(fā)與建設(shè)，未來(lái)的地下工程會(huì)向著更深的地層發(fā)展，隧道建設(shè)也會(huì)迎來(lái)各種復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程，埋深大、隧道長(zhǎng)、大斷面、修建難度大將會(huì)是隧道建設(shè)中不可回避的挑戰(zhàn)，傳統(tǒng)的隧道建設(shè)施工方法難以在復(fù)雜的地質(zhì)條件下正常的開展隧道工程作業(yè)。隧道智能建造的提出不僅是為了解決復(fù)雜地質(zhì)下隧道修建的有關(guān)問(wèn)題，而且隧道工程也要緊跟信息技術(shù)的急速發(fā)展，更好更快的完成工程建設(shè)。

隧道智能建造以隧道建筑信息模型和地理信息系統(tǒng)為核心，利用大數(shù)據(jù)、人工智能、信息化監(jiān)控等一系列高新技術(shù)與先進(jìn)隧道施工機(jī)械裝備實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)全過(guò)程的智能化、信息化管理[7]。隧道的智能化建造已經(jīng)不是一項(xiàng)單純的隧道設(shè)計(jì)、開挖、掘進(jìn)、支護(hù)的技術(shù)，它是一種多種智能信息技術(shù)與先進(jìn)機(jī)械裝備互相配合開展的多專業(yè)、多工種、多工序的系統(tǒng)性工程。智能勘測(cè)與超前預(yù)報(bào)、智能化協(xié)同設(shè)計(jì)、開挖施工貫穿了隧道建設(shè)項(xiàng)目全生命周期，是隧道智能建造全生命周期的核心問(wèn)題。

2.2 智能勘測(cè)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

地質(zhì)勘測(cè)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)是隧道建設(shè)的先行軍，是隧道及地下工程建設(shè)中極其重要的一項(xiàng)任務(wù)。隧道智能建造依靠地理信息系統(tǒng)、三維空間定位系統(tǒng)以及精密的量測(cè)設(shè)備完成工程擬建區(qū)域內(nèi)地形、地層全要素的信息獲取。在隧道擬建區(qū)域進(jìn)行勘測(cè)后建立道勘測(cè)數(shù)據(jù)庫(kù)，依據(jù)圍巖與支護(hù)理論自動(dòng)進(jìn)行圍巖分級(jí)并給出設(shè)計(jì)開挖、支護(hù)措施建議。

隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)是指在隧道開挖過(guò)程中，對(duì)掌子面前方及其周邊的圍巖與地層情況做出超前預(yù)報(bào)[8]。為可能出現(xiàn)的各種不良地質(zhì)情況作出應(yīng)對(duì)措施。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以極大地降低施工風(fēng)險(xiǎn)，保障隧道施工的安全進(jìn)行。智能化的隧道建設(shè)體系中在開挖、鉆孔、爆破、支護(hù)的各個(gè)階段實(shí)時(shí)采集、監(jiān)測(cè)圍巖參數(shù)，利用鉆孔分析法和計(jì)算機(jī)圖像分析法結(jié)合大數(shù)據(jù)分析比對(duì)自主判斷前方圍巖穩(wěn)定性狀況并實(shí)現(xiàn)支護(hù)和襯砌的動(dòng)態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

2.3 隧道智能化協(xié)同設(shè)計(jì)

基于BIM技術(shù)的隧道項(xiàng)目設(shè)計(jì)是實(shí)現(xiàn)隧道智能協(xié)同化設(shè)計(jì)的可行方案，隧道建設(shè)生命周期的BIM技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道勘測(cè)、設(shè)計(jì)、施工到運(yùn)維的智能信息化管理[9]。建筑工程領(lǐng)域BIM技術(shù)在建筑、結(jié)構(gòu)、給排水等專業(yè)的協(xié)同設(shè)計(jì)已應(yīng)用于實(shí)際工程。利用地質(zhì)勘察的數(shù)據(jù)結(jié)合地理坐標(biāo)系統(tǒng)可建立隧道擬建區(qū)域的可視化模型，根據(jù)智能化的圍巖分級(jí)結(jié)果進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。

BIM協(xié)同設(shè)計(jì)的另一項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)是可以實(shí)現(xiàn)三維圖紙的存檔和數(shù)字化設(shè)計(jì)交付，甚至可以完全省去紙質(zhì)圖紙?；贐IM技術(shù)得三維設(shè)計(jì)模型能夠輸出任意位置的隧道橫、縱截面圖，節(jié)省了大量重復(fù)性繪圖工作。在對(duì)BIM模型進(jìn)行輕量化處理后可以實(shí)現(xiàn)隧道建設(shè)過(guò)程AI模擬參觀展示。

2.4 隧道智能化開挖施工

隧道的智能化建設(shè)也必須遵循傳統(tǒng)隧道開挖方法的經(jīng)驗(yàn)理論，堅(jiān)持圍巖的主體地位，襯砌與圍巖共同作用，發(fā)揮圍巖的自穩(wěn)能力，安全合理高效地進(jìn)行隧道智能化設(shè)計(jì)、建造。以TBM和盾構(gòu)機(jī)為主要掘進(jìn)手段的隧道智能化施工的核心是在信息化系統(tǒng)的指導(dǎo)下利用機(jī)械設(shè)備進(jìn)行隧道施工[10][11]。根據(jù)前期地質(zhì)勘測(cè)和超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的數(shù)據(jù)參數(shù)，系統(tǒng)智能選擇最佳的掘進(jìn)參數(shù)，利用已開挖洞體周邊圍巖的監(jiān)測(cè)信息動(dòng)態(tài)化進(jìn)行支護(hù)襯砌，及時(shí)用預(yù)制管片封閉成環(huán)。基于BIM技術(shù)的隧道智能化施工可以做到管片級(jí)定位，每一片預(yù)制管片都可以做到實(shí)時(shí)定位、應(yīng)力監(jiān)測(cè)和狀態(tài)查看。基于BIM建立的隧道信息化施工管理體系統(tǒng)籌管理各項(xiàng)工作信息，監(jiān)測(cè)圍巖數(shù)據(jù)并及時(shí)智能分析反饋，實(shí)時(shí)掌握施工現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)情況。

3? 隧道智能建造的工程應(yīng)用

貴南高鐵廣西段隧道在建設(shè)過(guò)程中圍繞隧道拱頂空洞、矮墻滲水等問(wèn)題自主研發(fā)了的隧道智能澆筑系統(tǒng)PMS信息管理系統(tǒng)結(jié)合多種隧道施工裝備共同構(gòu)成了智能化隧道建設(shè)管理信息系統(tǒng)，解決高鐵隧道施工過(guò)程中的諸多難題，為貴南高鐵廣西段施工順利完工提供了可靠保障[12]。京張高鐵清華園隧道段是京張高鐵重要的控制節(jié)點(diǎn)工程，線路穿越北京主城區(qū)，橫跨多條城區(qū)主道路，與多條地鐵線路較差重疊。為解決工程地質(zhì)復(fù)雜、環(huán)境特殊、施工難度大的難題，研發(fā)基于BIM的隧道施工管理信息系統(tǒng)，并成功應(yīng)用在該項(xiàng)目中[13]。鄭萬(wàn)高鐵湖北段在建設(shè)過(guò)程中為實(shí)現(xiàn)預(yù)定施工目標(biāo)，基于圍巖穩(wěn)定承載和新奧法的理念，建立了一套貫穿隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、機(jī)械化施工、智能動(dòng)態(tài)支護(hù)、防水作業(yè)和信息管理的智能化隧道修建技術(shù)體系[14]。

4? 結(jié)語(yǔ)

隧道智能化建造技術(shù)的基礎(chǔ)是隧道施工的高度機(jī)械化和信息化技術(shù)的進(jìn)步。機(jī)械化水平的提高解放了大量的勞動(dòng)力，也改善了施工質(zhì)量良莠不齊的局面;信息化技術(shù)的進(jìn)步將隧道建設(shè)數(shù)據(jù)化，實(shí)現(xiàn)了實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)保存與分析，給出最優(yōu)的施工方案;智能管理系統(tǒng)的應(yīng)用確保了隧道施工的安全有序可視化管理，極大地改善隧道施工管理水平。三者相互促進(jìn)發(fā)展并利用人工智能結(jié)合大數(shù)據(jù)信息處理隧道建設(shè)中可能出現(xiàn)的突發(fā)問(wèn)題，自主調(diào)整施工參數(shù)，真正實(shí)現(xiàn)隧道施工智能化、標(biāo)準(zhǔn)化、無(wú)人化施工。

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