鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)現(xiàn)狀與展望

陳 丹， 劉 喆， 劉建友， 房 倩， 海 路

(1. 中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司， 北京 100055； 2. 中國鐵路經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院有限公司， 北京 100035；3. 北京交通大學(xué)， 北京 100044)

0 引言

隨著中國鐵路的快速發(fā)展，高鐵、城際鐵路進(jìn)入市區(qū)范圍越來越多。為了綜合利用地下空間，集約化利用土地，倡導(dǎo)綠色環(huán)保理念，需要修建越來越多的地下隧道，而盾構(gòu)作為隧道施工最為先進(jìn)的施工裝備，使隧道施工的機(jī)械化水平大幅提高。盾構(gòu)工法具有施工進(jìn)度快、作業(yè)安全、對地面環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，越來越多地應(yīng)用到鐵路隧道施工中來。伴隨著科技的發(fā)展，機(jī)械化、信息化、智能化必然是未來鐵路隧道發(fā)展的方向，中國鐵路隧道工程將由高速發(fā)展向著高質(zhì)量發(fā)展行進(jìn)。

為了提高鐵路盾構(gòu)隧道在勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)維全生命周期過程中的智能化水平，在建造過程中充分利用BIM技術(shù)、可視化技術(shù)、數(shù)字孿生、人工智能技術(shù)、5G通信技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)與盾構(gòu)相結(jié)合，可減少各階段對人員的依賴，減少人身財產(chǎn)損失，降低盾構(gòu)隧道自身施工風(fēng)險以及對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險，使盾構(gòu)隧道符合安全可靠、技術(shù)先進(jìn)、綠色環(huán)保、經(jīng)濟(jì)合理等要求。

由于我國盾構(gòu)工程起步較晚，相較于日本、歐美等發(fā)達(dá)國家，我國在鐵路盾構(gòu)隧道智能化建設(shè)方面剛剛開始，國內(nèi)大量學(xué)者對盾構(gòu)隧道智能建造各個環(huán)節(jié)開展了大量的研究。

閆強(qiáng)剛等[1]、黃勇[2]、劉勇飛[3]以實(shí)際隧道工程為例，研究了多種物探手段在勘察工作中的應(yīng)用，并結(jié)合鉆探驗(yàn)證及原位試驗(yàn)測試等手段相互驗(yàn)證。結(jié)果表明，綜合物探及勘察技術(shù)不僅可以提高勘探的工作效率，也能保證勘探成果的準(zhǔn)確性。

陳奇良[4]基于BIM技術(shù)，編寫了通用管片創(chuàng)建程序及基于管片模型的隧道模型創(chuàng)建程序，通過在工程案例中的應(yīng)用，驗(yàn)證程序編寫的正確性與可行性，同時論證了BIM技術(shù)在工程中的延續(xù)性及其在工程中服務(wù)全生命周期的特點(diǎn)。

何然[5]選取盾構(gòu)施工多種參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)樣本，通過研究得出泥水盾構(gòu)施工過程中多種關(guān)鍵掘進(jìn)參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，并建立了包含預(yù)測與控制功能的泥水盾構(gòu)參數(shù)智能系統(tǒng)。

張勇[6]通過工程實(shí)例，結(jié)合盾構(gòu)掘進(jìn)歷史數(shù)據(jù)并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析流程，對盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)進(jìn)行研究，設(shè)計盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)輔助分析系統(tǒng)，確定了各個參數(shù)之間的關(guān)系、量化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的控制。

楊斌[7]借助智能測控與計算機(jī)數(shù)據(jù)處理等信息化手段，在盾構(gòu)管片原有加熱方式基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)管片生產(chǎn)過程中電加熱蒸汽養(yǎng)護(hù)的智能化與程序化，對于提高盾構(gòu)管片養(yǎng)護(hù)的精確性與科學(xué)性有很大的作用。

田管鳳等[8]提出了通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，對盾構(gòu)施工引起的地面沉降進(jìn)行分析預(yù)測，并探索地層參數(shù)、掘進(jìn)參數(shù)與地面沉降量的關(guān)系。

林盼達(dá)等[9]以模糊綜合評級法為基礎(chǔ)，同時考慮復(fù)雜環(huán)境下各因素之間的關(guān)聯(lián)性，以及結(jié)構(gòu)病害對結(jié)構(gòu)造成的不可逆的影響，建立修正的模糊綜合評價方法，實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的合理評價。

目前，我國鐵路盾構(gòu)隧道智能化建造尚在起步階段，理論方法不成熟，智能技術(shù)較落后，智能化程度低、不成系統(tǒng)。本文通過對鐵路盾構(gòu)隧道智能化建設(shè)在勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)維全生命周期過程的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)分析，提出鐵路盾構(gòu)隧道智能化建造的發(fā)展方向，旨在推動智能化建造在鐵路盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用。

1 鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)特點(diǎn)

1.1 鐵路盾構(gòu)隧道特點(diǎn)

隨著我國鐵路工程的大規(guī)模建設(shè)，在城市密集區(qū)修建盾構(gòu)隧道的工程越來越多。相較于一般的城市軌道交通盾構(gòu)隧道，鐵路車輛運(yùn)行時速快，站間距大。在綜合考慮隧道內(nèi)救援通道設(shè)置、接觸網(wǎng)懸掛、空氣動力學(xué)、軌下構(gòu)筑物布置等情況下，鐵路盾構(gòu)隧道斷面大、隧道長、耐久性要求高、運(yùn)維工作量大。由于隧道斷面大，對于活動斷裂、軟弱地層、巖溶等地層情況，隧道自身變形更難控制，下穿(或上跨)控制點(diǎn)的情況下，對周邊環(huán)境的沉降控制更為不利。

1.2 隧道智能建造的概念

隧道智能建造是基于信息化技術(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(shí)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[10]。

1.3 鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)特點(diǎn)

傳統(tǒng)的鐵路隧道建造在勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)維等環(huán)節(jié)之間關(guān)聯(lián)甚少，甚至是相互獨(dú)立的，而盾構(gòu)隧道智能建造的各個環(huán)節(jié)其實(shí)是相互作用、相互影響的。

1)根據(jù)鐵路隧道盾構(gòu)法特點(diǎn)和智能建造的要求，地質(zhì)勘察階段要提供設(shè)計和施工階段的詳細(xì)地質(zhì)資料，并為預(yù)測工程活動對周邊環(huán)境的影響提供信息支撐。因鐵路盾構(gòu)隧道斷面大，對地層變形控制更加困難，所以針對強(qiáng)透水松散砂層、軟硬不均地層、含漂石(塊石)或卵石(碎石)的地層、斷層破碎帶、巖溶地層等要尤其重視。

2)基于BIM技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)高精度、全信息的整體模型的設(shè)計，因此可為施工過程中智能放樣、智能制造、智能拼裝提供技術(shù)支持。盾構(gòu)隧道智能建造設(shè)計宜采用BIM正向設(shè)計，BIM正向設(shè)計是項(xiàng)目從方案構(gòu)思、初步設(shè)計、施工圖全部過程均采用三維信息化模型模擬構(gòu)建工程實(shí)體的設(shè)計過程，盡可能提高鐵路盾構(gòu)隧道的設(shè)計質(zhì)量。

3)盾構(gòu)隧道智能建造施工應(yīng)配置滿足智能建造要求的盾構(gòu)設(shè)備，并配備智能化建造軟件和相關(guān)人員，根據(jù)智能建造實(shí)施方案和實(shí)施細(xì)則，從盾構(gòu)管片的運(yùn)輸與吊裝、掘進(jìn)施工、智能拼裝等方面完成隧道施工的智能建造。

4)因?yàn)殍F路盾構(gòu)隧道里程長，運(yùn)營維護(hù)工作量大，運(yùn)維階段應(yīng)根據(jù)鐵路盾構(gòu)隧道的特點(diǎn)，充分利用智能建造形成的三維可視化信息模型，根據(jù)施工過程留存的圍巖地質(zhì)信息、周邊環(huán)境信息、監(jiān)測和檢測信息，針對隧道缺陷段落，制定差異化的養(yǎng)護(hù)維護(hù)方案。

1.4 智能管理平臺

隨著大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，信息化和智能化已成為盾構(gòu)隧道建造發(fā)展的必然方向。盾構(gòu)隧道智能建造涵蓋各專業(yè)、全壽命周期的可視化智能管理平臺可實(shí)現(xiàn)將地層信息、周邊環(huán)境信息、加固措施信息、監(jiān)控量測信息等進(jìn)行數(shù)字化，同時錄入管理平臺。智能管理平臺(見圖1)的建立，實(shí)現(xiàn)了隧道勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)維環(huán)節(jié)遠(yuǎn)程統(tǒng)一在線實(shí)時監(jiān)控和管理。通過各種功能的組合形成一套智能、高效的鐵路盾構(gòu)隧道工程智能管控系統(tǒng)，通過這一系列舉措能夠降低鐵路盾構(gòu)隧道自身施工風(fēng)險以及對周邊環(huán)境影響的風(fēng)險。

圖1 智能管理平臺

2 智能建造關(guān)鍵技術(shù)

2.1 地質(zhì)勘察

隧道建設(shè)，地勘先行?？辈祀A段對于隧道工程有著至關(guān)重要的作用，當(dāng)前地質(zhì)勘察多依賴人工，可靠性差、效率低、周期長。

盾構(gòu)隧道智能建造的工程地質(zhì)勘察是結(jié)合場地、周邊環(huán)境、工程特點(diǎn)及智能建造方案制定勘察方案和實(shí)施細(xì)則，建立全面反映場地工程地質(zhì)和巖土工程相關(guān)信息的勘察模型。盾構(gòu)隧道智能建造的勘察成果為智能建造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并形成三維可視化的信息模型，滿足各階段設(shè)計、施工及建管的要求?？辈煸O(shè)備一般可采用無人機(jī)航拍設(shè)備、智能鉆探設(shè)備、智能原位測試設(shè)備、智能視頻監(jiān)控設(shè)備等，形成空天地一體化的測繪多技術(shù)融合勘測方案。勘察手段可采用綜合地質(zhì)勘察方法，查明工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，進(jìn)行綜合工程地質(zhì)分析，提供設(shè)計施工所需的地質(zhì)參數(shù)和工程措施建議。綜合勘探技術(shù)如表1所示。

綜上所述，在既有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用遙感技術(shù)指導(dǎo)大面積地質(zhì)調(diào)繪，進(jìn)而開展物探工作，最后進(jìn)行鉆探及綜合測試、試驗(yàn)工作，每一環(huán)節(jié)勘察成果為下一環(huán)節(jié)提供了基礎(chǔ)，而且各環(huán)節(jié)之間還可相互對各自的結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證。以上方法結(jié)合智能設(shè)備即可提供完整合理的地質(zhì)勘察信息，又可減少人員介入，同時智能設(shè)備高強(qiáng)的存儲、計算、數(shù)據(jù)傳輸能力大大提高了工作效率。

表1 綜合勘探技術(shù)

在實(shí)際工程中，僅靠勘察階段所得的地質(zhì)資料不足以保障盾構(gòu)正常順利掘進(jìn)。盾構(gòu)施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報工作也同樣重要，尤其是鐵路盾構(gòu)隧道斷面大，為特殊地層預(yù)報和工程施工提出預(yù)防措施，能使工程施工過程中的安全性大大提高。超前地質(zhì)預(yù)報工作方法應(yīng)用較多的有地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、超前水平鉆探法、地質(zhì)雷達(dá)、物探法(彈性波反射法、電磁波反射法、紅外探測)。隧道施工可采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報，將多種預(yù)報手段相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合、多頻次相互印證，以提高勘察預(yù)報的可靠度。綜合超前地質(zhì)預(yù)報流程見圖2。

圖2 綜合超前地質(zhì)預(yù)報工作一般流程

2.2 建造設(shè)計

鐵路盾構(gòu)隧道作為重要的交通通道，由于復(fù)雜的地質(zhì)地形條件以及工程規(guī)模巨大，導(dǎo)致其設(shè)計相對復(fù)雜，利用BIM技術(shù)以及其他智能技術(shù)或軟件，可極大地降低設(shè)計難度、減少工作時間、提高工作效率。目前，盾構(gòu)隧道的主體及附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計均可采用基于BIM技術(shù)的隧道智能仿真設(shè)計技術(shù)，建立包含地質(zhì)地形信息、結(jié)構(gòu)信息、施工方案、施工機(jī)械、風(fēng)險預(yù)警方案的3D可視化模型。BIM技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用大大提升了隧道工程的設(shè)計效率和質(zhì)量水平，基于BIM技術(shù)的隧道智能仿真設(shè)計正在逐步取代傳統(tǒng)的設(shè)計方式。

2.2.1 基于BIM的隧道智能仿真設(shè)計流程

基于基礎(chǔ)設(shè)計資料、規(guī)范要求及使用需求等，通過知識庫以及數(shù)據(jù)庫的支持，智能仿真設(shè)計技術(shù)可以提供適合特定環(huán)境條件的基本方案和設(shè)計成果。智能仿真設(shè)計平臺應(yīng)包括BIM隧道智能設(shè)計、協(xié)同設(shè)計平臺、仿真計算分析、全生命周期需求檢驗(yàn)和BIM設(shè)計成果交付等內(nèi)容。初步設(shè)定智能仿真設(shè)計流程如圖3所示。BIM模型就是信息的載體,智能仿真設(shè)計流程就是基于BIM技術(shù)融合其他智能技術(shù)的設(shè)計流程。

圖3 智能仿真設(shè)計流程

2.2.2 基于BIM的隧道智能仿真設(shè)計內(nèi)容

1)智能設(shè)計基礎(chǔ)資料準(zhǔn)備。盾構(gòu)隧道BIM設(shè)計的基礎(chǔ)資料應(yīng)包括三維地形信息、三維地質(zhì)信息模型、水文地質(zhì)信息、相關(guān)規(guī)范要求、業(yè)主使用需求等。

2)鐵路盾構(gòu)隧道BIM設(shè)計路線初步確定。在既有設(shè)計資料基礎(chǔ)上，初步確定路線走向，并進(jìn)行路線的平、縱斷面設(shè)計。

3)隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計。對隧道BIM設(shè)計模型進(jìn)行分類，根據(jù)不同參數(shù)，形成隧道結(jié)構(gòu)模板； 將每一類模板與相適應(yīng)的地形地質(zhì)條件進(jìn)行匹配，形成結(jié)構(gòu)-地質(zhì)條件匹配數(shù)據(jù)庫[16]；將實(shí)際工程的地質(zhì)地形條件與數(shù)據(jù)庫進(jìn)行匹配，確定相應(yīng)的隧道結(jié)構(gòu)模板；最后結(jié)合路線數(shù)據(jù)，建立隧道BIM三維結(jié)構(gòu)模型，完成盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)智能設(shè)計。

4)優(yōu)化隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計。針對某些設(shè)計細(xì)節(jié)或特殊區(qū)域，需要設(shè)計人員進(jìn)行隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計的調(diào)整、細(xì)化，使隧道整體結(jié)構(gòu)達(dá)到設(shè)計要求。

5)盾構(gòu)隧道仿真計算。完成盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計后，對BIM模型進(jìn)行仿真模擬，部分需要通過數(shù)字孿生等技術(shù)實(shí)現(xiàn)。仿真計算內(nèi)容包括結(jié)構(gòu)力學(xué)計算、注漿計算、抗?jié)B性能、地面沉降、突發(fā)事件仿真模擬等。若不滿足要求，則需重新進(jìn)行設(shè)計。

6)盾構(gòu)隧道全生命周期需求檢驗(yàn)。需要從盾構(gòu)管片制作、施工過程、運(yùn)維管理等角度對設(shè)計進(jìn)行動態(tài)和靜態(tài)檢驗(yàn)。

7)數(shù)字化交付。在完成盾構(gòu)隧道設(shè)計仿真計算驗(yàn)證和全生命周期需求檢驗(yàn)后，可以確定最終的隧道BIM設(shè)計方案，將成果上傳至云平臺，實(shí)現(xiàn)設(shè)計成果的數(shù)字化交付，最終實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)隧道工程全生命周期數(shù)字化控制。參建各方可以通過BIM云平臺遠(yuǎn)程使用BIM成果。

2.3 隧道施工

盾構(gòu)隧道施工過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)資料，比如水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、施工進(jìn)度數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)如果沒有得到科學(xué)、合理的使用，就會成為無用數(shù)據(jù)，無法對盾構(gòu)隧道施工過程起到指導(dǎo)作用。為解決盾構(gòu)隧道施工中信息雜亂、集成化不足、信息傳遞差等問題，可基于BIM技術(shù)建立隧道地質(zhì)、土建結(jié)構(gòu)、機(jī)電設(shè)備全BIM模型解決這一問題[16]。可以以BIM模型為載體，將盾構(gòu)隧道建設(shè)全過程的各類信息數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、關(guān)聯(lián)，形成數(shù)據(jù)庫，進(jìn)而形成智能管理信息平臺(見圖4)。平臺包括施工進(jìn)度管理、掘進(jìn)參數(shù)管理、監(jiān)測信息管理、預(yù)測預(yù)警管理、風(fēng)險管理等功能。

平臺可實(shí)現(xiàn)將水文地質(zhì)信息、周邊環(huán)境信息、防護(hù)加固措施信息、監(jiān)控量測信息等進(jìn)行數(shù)字化處理，并納入可視化智能管理平臺，同時可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)上傳、遠(yuǎn)程瀏覽查看、遠(yuǎn)程控制，這樣各參建單位在可視化平臺上可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程虛擬辦公，大大提升了盾構(gòu)隧道掘進(jìn)的施工效率，同時也提高了智能化管理水平[17]。

盾構(gòu)隧道施工涉及多個環(huán)節(jié)的相互作用，目前隨著科技的發(fā)展，人工智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在管片預(yù)制與運(yùn)輸、盾構(gòu)掘進(jìn)、管片安裝、監(jiān)控量測、風(fēng)險管理等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，極大減少了人工操作的工作量，減小了施工誤差，提高了工程建設(shè)質(zhì)量。

圖4 信息平臺

2.3.1 盾構(gòu)掘進(jìn)

隨著城市化的進(jìn)展，地下空間被大量開發(fā)利用，鐵路盾構(gòu)隧道不可避免地受到障礙物、布局條件、地質(zhì)因素、周邊建(構(gòu))筑物等的限制，隧道設(shè)計線形多為復(fù)雜的組合曲線，這對盾構(gòu)的掘進(jìn)施工、姿態(tài)控制提出了較高的要求。

隨著科技的發(fā)展進(jìn)步，盾構(gòu)的掘進(jìn)系統(tǒng)采用智能化控制，根據(jù)試掘進(jìn)段施工參數(shù)的總結(jié)分析，確定了后續(xù)施工的掘進(jìn)參數(shù)。基于前期調(diào)查資料、盾構(gòu)始發(fā)等準(zhǔn)備工作，根據(jù)施工測量和監(jiān)測系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)隨時調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，控制盾構(gòu)的掘進(jìn)姿態(tài)，以控制隧道和地層變形。隨著智能化控制系統(tǒng)的不斷優(yōu)化發(fā)展，大量智能算法被用于優(yōu)化、調(diào)整盾構(gòu)的施工進(jìn)程參數(shù)，盾構(gòu)隧道的施工方案更加經(jīng)濟(jì)、高效、合理。

基于智能方法提出的盾構(gòu)姿態(tài)預(yù)測與調(diào)整智能決策系統(tǒng)，解決了人為調(diào)整精準(zhǔn)度低、調(diào)整不及時的問題[18]。盾構(gòu)智能姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)見圖5，此系統(tǒng)是利用原有大量的施工數(shù)據(jù)，通過機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，建立智能決策系統(tǒng)。智能化一體注漿設(shè)備實(shí)現(xiàn)了對漿液的輸送和存儲、注漿泵的控制以及注漿過程的監(jiān)控與記錄，提高了注漿工作的效率與注漿質(zhì)量。盾構(gòu)的換刀作業(yè)流程復(fù)雜、周期長、作業(yè)環(huán)境惡劣,操作人員自身安全風(fēng)險極大。換刀機(jī)器人的出現(xiàn)解決了以上問題，并且機(jī)器人換刀有著更高的操作精準(zhǔn)度。

圖5 盾構(gòu)智能姿態(tài)調(diào)整系統(tǒng)

2.3.2 管片預(yù)制、抓取與拼裝

管片的預(yù)制、運(yùn)輸、拼裝可通過機(jī)械化手段配合人工智能完成。管片全壽命周期信息管理系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了管片的動態(tài)管理，針對預(yù)制管片從生產(chǎn)出廠、裝卸轉(zhuǎn)運(yùn)、現(xiàn)場裝配、后期維護(hù)監(jiān)測等全過程進(jìn)行跟蹤式管理。

目前，盾構(gòu)管片均采用工廠預(yù)制的方式，混凝土養(yǎng)護(hù)可通過智能監(jiān)測技術(shù)對溫度、濕度等要素進(jìn)行控制?；谖鏖T子S7-200 smart PLC和Wincc組態(tài)軟件[19]建立的混凝土管片蒸養(yǎng)工序的智能控制系統(tǒng)如圖6所示，實(shí)現(xiàn)了混凝土養(yǎng)護(hù)全程監(jiān)控[20]。

圖6 養(yǎng)護(hù)智能控制系統(tǒng)

隨著科技的進(jìn)步發(fā)展，以及機(jī)械化的不斷推進(jìn)、人工智能的快速發(fā)展，實(shí)現(xiàn)管片自動拼裝、減少人工操作是必然趨勢。目前，在日本、歐洲等地基本上實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)管片的全自動拼裝。德國WIRTH和海瑞克公司開發(fā)的真空吸盤式管片拼裝機(jī)抓取裝置提高了盾構(gòu)管片的拼裝效率和自動化水平，降低了工作人員的工作強(qiáng)度[21]。國內(nèi)學(xué)者也提出了基于管片拼裝機(jī)智能化抓取及拼裝的算法[22]，并通過數(shù)值仿真驗(yàn)證了其準(zhǔn)確性。管片拼裝機(jī)智能化抓取及拼裝算法如圖7所示。

圖7 管片拼裝機(jī)智能化抓取及拼裝算法

2.3.3 監(jiān)控量測

監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時反饋是保證施工正常進(jìn)行的基礎(chǔ)，隨著人工智能技術(shù)的快速發(fā)展，可以將盾構(gòu)隧道施工過程中傳統(tǒng)的監(jiān)控量測技術(shù)與人工智能技術(shù)相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)地面建(構(gòu))筑物、隧道圍巖及結(jié)構(gòu)等的自動化監(jiān)測與智能化監(jiān)測[23]。智能化監(jiān)測作為目前監(jiān)控量測最先進(jìn)的手段，實(shí)現(xiàn)了監(jiān)控量測數(shù)據(jù)采集實(shí)時化、處理自動化、分析智能化、輸出標(biāo)準(zhǔn)化，并可通過將海量監(jiān)測數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫上傳至云平臺的方式，供參建各方實(shí)時查詢數(shù)據(jù)。

2.3.3.1 智能監(jiān)測系統(tǒng)的功能

智能監(jiān)測系統(tǒng)具有監(jiān)測數(shù)據(jù)自動采集、分析及評價、預(yù)報警、查詢管理、制作報表等功能以及監(jiān)測設(shè)備管理功能、監(jiān)測畫面組態(tài)編輯功能。

2.3.3.2 智能監(jiān)測系統(tǒng)原則

1)監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)施工進(jìn)度、地質(zhì)條件、監(jiān)測對象的變形量和變形速率確定，監(jiān)測頻率應(yīng)使監(jiān)測信息及時、系統(tǒng)地反映施工工況及監(jiān)測對象的動態(tài)變化。

2)對穿越重要建(構(gòu))筑物、鐵路、橋梁、城市軌道交通、江河、重要管線等周邊環(huán)境風(fēng)險等級較高的工程，提高監(jiān)測頻率，并宜對關(guān)鍵監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。

3)監(jiān)測數(shù)據(jù)達(dá)到或超過預(yù)警值時(或時態(tài)曲線出現(xiàn)異常)，應(yīng)立即采取相應(yīng)措施。

2.3.3.3 智能監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)測內(nèi)容

盾構(gòu)法隧道應(yīng)結(jié)合工程、水文地質(zhì)、環(huán)境條件、施工方法與進(jìn)度計劃等制定詳細(xì)的監(jiān)控量測實(shí)施方案。監(jiān)測項(xiàng)目內(nèi)容主要是隧道結(jié)構(gòu)和周邊環(huán)境，包括盾構(gòu)隧道襯砌環(huán)的變形量測、地表沉降量測、臨近建(構(gòu))筑物變形量測和地下管線變形量測等內(nèi)容。

2.3.4 風(fēng)險管理

盾構(gòu)法隧道風(fēng)險可分為地質(zhì)風(fēng)險、技術(shù)風(fēng)險、自然風(fēng)險和社會穩(wěn)定風(fēng)險，各階段風(fēng)險識別可采用核對表法、專家調(diào)查法、頭腦風(fēng)暴法和層次分析法等方法。

施工過程的風(fēng)險管理過程包括風(fēng)險因素識別、分級、動態(tài)分析、風(fēng)險控制等。

2.3.4.1 風(fēng)險源

在隧道施工過程中，風(fēng)險的發(fā)生大部分歸因于工程自身的復(fù)雜性、施工條件惡劣、人為因素、應(yīng)急預(yù)案不合理、施工安全管理不到位等因素。盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險源如表2所示。

2.3.4.2 風(fēng)險評估方法

盾構(gòu)隧道掘進(jìn)施工過程中應(yīng)對施工范圍內(nèi)的風(fēng)險進(jìn)行評估，包括辨識施工過程中的潛在風(fēng)險因素、事故發(fā)生原因和機(jī)制等?，F(xiàn)階段應(yīng)用較為廣泛的風(fēng)險評估方法如表3所示。

表2 盾構(gòu)隧道施工風(fēng)險源

表3 風(fēng)險評估方法

基于人工智能技術(shù)以及大數(shù)據(jù)分析的智能風(fēng)險評估方法使得上述風(fēng)險評估方法實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化與信息化，評估效率與評估結(jié)果精確度均大大提高。結(jié)合前期工作基礎(chǔ)，利用人工智能以及大數(shù)據(jù)分析方法，分析關(guān)鍵風(fēng)險源，提出風(fēng)險動態(tài)分級評估方法，制定盾構(gòu)隧道安全隱患排查清單并針對風(fēng)險因素進(jìn)行分級[24]。

2.3.4.3 風(fēng)險預(yù)測與控制

鐵路盾構(gòu)法隧道斷面大、隧道長，施工中對地表變形(隆起、沉降)、周邊建(構(gòu))筑物變形、管片結(jié)構(gòu)損傷的預(yù)測與控制，是保證隧道正常施工、運(yùn)營維護(hù)施工中周圍環(huán)境土工安全的基礎(chǔ)。人工智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析等方法提高了盾構(gòu)風(fēng)險預(yù)測精度與準(zhǔn)確度，智能風(fēng)險預(yù)測方法包括人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊控制理論、邏輯風(fēng)險評估方法、改進(jìn)克隆選擇算法[25]、結(jié)構(gòu)物風(fēng)險評估理論[26]等?；谥悄茴A(yù)測方法給出的結(jié)果，根據(jù)規(guī)范或既有工程經(jīng)驗(yàn)，對風(fēng)險控制方法進(jìn)行合理選擇。

2.4 運(yùn)營維護(hù)

鐵路盾構(gòu)隧道運(yùn)營期一般長達(dá)50～100年，鐵路盾構(gòu)隧道的運(yùn)營維護(hù)包括對隧道的翻新改造、加固維修、設(shè)備監(jiān)控、備件管理等。

盾構(gòu)隧道智能建造過程中的大量數(shù)據(jù)、模型、信息化管理軟件等智能化成果應(yīng)交付給運(yùn)營維護(hù)單位，運(yùn)營維護(hù)單位充分利用智能建造形成三維可視化信息模型，根據(jù)施工過程留存的圍巖地質(zhì)信息、周邊環(huán)境信息、監(jiān)測和檢測信息等，針對隧道缺陷段落，制定差異化的養(yǎng)護(hù)和維護(hù)方案。

運(yùn)維技術(shù)的提升需要大量盾構(gòu)隧道病害、破壞等數(shù)據(jù)的積累，因此，運(yùn)營維護(hù)方案及實(shí)施情況的相關(guān)資料應(yīng)同步至可視化智能管理平臺，實(shí)現(xiàn)信息共享。

3 存在問題及發(fā)展方向

3.1 存在問題

隨著我國鐵路盾構(gòu)隧道的建設(shè)，盾構(gòu)隧道建設(shè)理念、勘察設(shè)計技術(shù)、施工設(shè)備及施工管理水平有了長足的進(jìn)步，盾構(gòu)隧道智能建造代表了未來隧道修建技術(shù)的發(fā)展方向，但是目前我國鐵路盾構(gòu)隧道智能化建造尚處于初步發(fā)展階段，主要存在問題如下。

1)人員依賴度高、理論方法不成熟、智能技術(shù)較為落后、智能化普及度低、智能化建造不成系統(tǒng)等，國內(nèi)學(xué)者開展了大量盾構(gòu)隧道智能化的研究，但大部分研究成果缺乏實(shí)用性。

2)盾構(gòu)隧道的勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)營維護(hù)等環(huán)節(jié)之間沒有建立起一種便利的、有效的信息交換渠道，隧道全壽命周期系統(tǒng)沒有形成完整的體系，導(dǎo)致大量工程數(shù)據(jù)無法得到正確合理的應(yīng)用。

3)勘察專業(yè)存在外業(yè)勘察數(shù)據(jù)庫設(shè)計沒有從整個勘察項(xiàng)目管理高度來設(shè)計的問題，造成各個勘察環(huán)節(jié)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能完全共享，降低了各系統(tǒng)的使用效率，造成數(shù)據(jù)資源浪費(fèi)，未實(shí)現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化。

4)BIM技術(shù)在盾構(gòu)隧道建設(shè)領(lǐng)域得到了充分的發(fā)展與應(yīng)用，當(dāng)前BIM技術(shù)發(fā)展遇到新瓶頸，主要表現(xiàn)為： 雖然BIM具有完善的內(nèi)部信息、精密的構(gòu)件關(guān)系、注重細(xì)節(jié)技術(shù)，但缺乏大場景展示及地理空間分析等宏觀功能，基于隧道模型的大數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用不夠。

5)在管片運(yùn)輸、吊裝、拼裝、施工環(huán)節(jié)中換刀以及工程管理等過程需要大量工作人員參與，缺乏科學(xué)的施工管理以及可靠的監(jiān)測手段，導(dǎo)致施工監(jiān)測資料大量缺失，無法真正做到信息化施工，大數(shù)據(jù)理論沒有可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

6)對于運(yùn)營維護(hù)階段盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全性評價，目前大多數(shù)的研究只針對管片脫落、裂縫、滲漏水、管片錯臺等進(jìn)行單因素分析，未進(jìn)行多因素分析。運(yùn)維技術(shù)的提升需要大量隧道病害等資料的數(shù)據(jù)積累，但鐵路盾構(gòu)隧道資料繁雜，信息化、集成化不足，信息傳遞差，無法實(shí)現(xiàn)資源共享，影響運(yùn)維管理。

3.2 發(fā)展方向

基于既有鐵路盾構(gòu)隧道修建技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)隧道全生命周期信息化、自動化、智能管理是未來的發(fā)展趨勢。隨著通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)等的發(fā)展和完善，完全可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)，而且還會向著高可靠性，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境及多功能方向發(fā)展。

1)地質(zhì)勘察方面，針對實(shí)際問題具體分析，綜合研究各種技術(shù)手段的優(yōu)劣，力求以最少的工作量布置及最優(yōu)的技術(shù)組合，取得最好的勘察效果。隨著智能信息化發(fā)展，勘察四維時空信息可視化技術(shù)、云GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)智能感知挖掘技術(shù)、人工智能+視覺識別技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，工程勘察設(shè)備及作業(yè)管理信息化系統(tǒng)逐漸向一體化、智能化升級，內(nèi)外業(yè)一體化智能化設(shè)備、內(nèi)外業(yè)一體化智能作業(yè)系統(tǒng)是未來發(fā)展方向。

2)盾構(gòu)隧道設(shè)計建模流程可通過可視化編程軟件提高建模效率和精度，實(shí)現(xiàn)成果的可復(fù)制性；CLOUD-BIM架構(gòu)對于施工工點(diǎn)分散、技術(shù)環(huán)節(jié)復(fù)雜、涉及更多訪問用戶的大規(guī)模的鐵路盾構(gòu)隧道BIM模型，具有更好的適應(yīng)性。BIM技術(shù)實(shí)施的最大收益在運(yùn)維階段，設(shè)計和建設(shè)階段產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)信息在后期漫長的鐵路盾構(gòu)隧道運(yùn)維階段凸顯價值，因此，基于盾構(gòu)隧道模型的BIM大數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用，是未來鐵路盾構(gòu)隧道設(shè)計的發(fā)展方向。

3)人工智能技術(shù)的應(yīng)用在管片養(yǎng)護(hù)、風(fēng)險預(yù)測等環(huán)節(jié)中，能使結(jié)果更加精確，效率更高，也將在未來的隧道建設(shè)中發(fā)揮重要作用。盾構(gòu)隧道的施工過程更加趨向于智能化、無人化發(fā)展，盾構(gòu)自身的高性能、高可靠性和高適應(yīng)性仍然是盾構(gòu)技術(shù)發(fā)展的主要方向，BIM+GIS三維可視化技術(shù)、盾構(gòu)姿態(tài)自動控制、機(jī)器人自動換刀、管片自動精準(zhǔn)拼裝將是未來盾構(gòu)施工的主流方向。

4)鐵路盾構(gòu)隧道的運(yùn)營里程長，運(yùn)維工作量大，構(gòu)建基于結(jié)構(gòu)性能與成本的預(yù)測型運(yùn)維體系，發(fā)展一體化運(yùn)維技術(shù)、快速維修加固技術(shù)、開發(fā)智能運(yùn)維管理系統(tǒng)是未來的發(fā)展方向。

5)在隧道全生命周期中，可以依賴BIM技術(shù)的發(fā)展，建立智能管理平臺，讓BIM技術(shù)發(fā)揮更大的作用。該平臺應(yīng)包括隧道地質(zhì)環(huán)境信息存儲、高精度隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計、施工進(jìn)度管理、掘進(jìn)參數(shù)管理、運(yùn)營維護(hù)、結(jié)構(gòu)檢測管理、監(jiān)測信息管理、預(yù)測預(yù)警管理、風(fēng)險管理等，同時還可以實(shí)現(xiàn)將各個環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)、信息完整地收集起來，并運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)、應(yīng)用軟件等進(jìn)行篩選、處理、整合、利用，實(shí)現(xiàn)勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)維等各環(huán)節(jié)之間的良好銜接。

目前急需利用先進(jìn)的信息技術(shù)及工業(yè)裝備制造資源，建立完善的盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)體系，完善鐵路盾構(gòu)隧道智能建造理論創(chuàng)新，啟動鐵路盾構(gòu)智能建造相關(guān)規(guī)程的編制，完備標(biāo)準(zhǔn)體系是目前的核心難題，也是我國鐵路盾構(gòu)隧道智能建造研究領(lǐng)域發(fā)展的趨勢。

4 結(jié)論與建議

科技的不斷發(fā)展促進(jìn)了鐵路盾構(gòu)建造智能化施工水平的提高，越來越多的智能技術(shù)與方法被應(yīng)用到鐵路盾構(gòu)隧道的勘察、設(shè)計、施工、運(yùn)維等階段，智能建造極大地縮減了人工使用，大大提高了施工效率與工程建造質(zhì)量，并且建造技術(shù)的創(chuàng)新又能助力于行業(yè)的發(fā)展。

我國是世界上隧道數(shù)量最多、建設(shè)規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的隧道大國，利用智能建造技術(shù)促進(jìn)鐵路盾構(gòu)隧道工程項(xiàng)目的一體化管理，提升鐵路隧道工程品質(zhì)是一項(xiàng)重要的工作。但是，目前我國鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)發(fā)展還不成熟，在很多方面不具有系統(tǒng)性與實(shí)用性，立足國情，構(gòu)建適合我國國情的鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)體系及功能架構(gòu)，在智能化建造方面還需要不斷積累和提高。