鄭萬高鐵隧道智能化建造技術(shù)研究及展望

王志堅(jiān)

(武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司， 湖北 武漢 430200)

0 引言

截至2020年底，中國已投入運(yùn)營的高速鐵路總長約3.7萬 km，投入運(yùn)營的高速鐵路隧道共3 631 座、總長約6 003 km；正在建設(shè)的有隧道工程項(xiàng)目的高速鐵路共47 條、總長約8 327 km，共有隧道1 811 座、總長約2 750 km；規(guī)劃的有隧道工程項(xiàng)目的高速鐵路共93條、總長20 970 km，共有隧道3 525座、總長約7 966 km[1]。此外，《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》勾勒了新時(shí)期“八縱八橫”高速鐵路網(wǎng)的宏大藍(lán)圖。未來，中國高速鐵路隧道建設(shè)規(guī)模和難度巨大，高速鐵路隧道修建技術(shù)亟需大幅度革新，以滿足新時(shí)代高速鐵路隧道建設(shè)的要求。

近年來，隨著勞動(dòng)力成本的不斷提高，隧道現(xiàn)場施工技術(shù)人員數(shù)量逐年減少，隧道工程建設(shè)“以機(jī)代人”成為現(xiàn)實(shí)需求，少人化(甚至無人化)是未來隧道工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢[1]。對(duì)此，國內(nèi)外目前尚處于研究起步階段，僅在圍巖質(zhì)量智能分析、智能鉆孔、智能監(jiān)測等單項(xiàng)智能建造技術(shù)方面進(jìn)行了研究和試驗(yàn)應(yīng)用，并沒有形成成套技術(shù)體系，也未有一處智能建造工地[2]。

在此背景下，廣泛應(yīng)用新技術(shù)、新裝備、新材料，推進(jìn)新一代信息技術(shù)與隧道修建技術(shù)的深度融合，發(fā)展高速鐵路隧道智能建造技術(shù)，對(duì)提升隧道修建水平，促進(jìn)鐵路行業(yè)整體發(fā)展具有重大意義。

實(shí)現(xiàn)隧道智能建造，機(jī)械化施工、數(shù)字化管理體系是基礎(chǔ)。依托鄭萬高鐵湖北段，歷經(jīng)3年多的科研實(shí)踐，總結(jié)形成了高速鐵路隧道機(jī)械化大斷面法成套技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有支護(hù)體系及設(shè)計(jì)方法、施工工法工藝、管理手段等進(jìn)行了全方位的技術(shù)升級(jí)改造，建立了國內(nèi)首條高速鐵路隧道機(jī)械化施工、數(shù)字化管理示范線，具備了隧道智能建造的基礎(chǔ)[3-4]：

1)提出了全斷面法和微臺(tái)階法2大機(jī)械化大斷面標(biāo)準(zhǔn)施工工法及機(jī)械化配套方案[5-9]，并制定了施工期間掌子面穩(wěn)定性評(píng)價(jià)方法[10]、支護(hù)安全位移分段控制指標(biāo)[11]、施工安全步距控制標(biāo)準(zhǔn)[12]等系列措施，實(shí)現(xiàn)了全地質(zhì)、全工序的機(jī)械化大斷面法開挖。

2)開發(fā)了高壓劈裂注漿、機(jī)械化裝藥、精細(xì)化光面爆破、早高強(qiáng)噴射混凝土、低預(yù)應(yīng)力錨桿、寬幅防水板自動(dòng)鋪設(shè)、自行式液壓仰拱棧橋、襯砌智能帶壓分層澆筑等8大機(jī)械化大斷面法配套施工工藝[13-16]，實(shí)現(xiàn)了大斷面隧道機(jī)械化高質(zhì)量、安全快速施工。

3)研發(fā)了包含超前支護(hù)、超前預(yù)注漿、低預(yù)應(yīng)力錨桿、早高強(qiáng)噴射混凝土等措施的隧道主動(dòng)支護(hù)體系，建立了隧道大斷面法施工掌子面超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法[17-21]、洞身段圍巖形變壓力計(jì)算方法[22-25]，并在此基礎(chǔ)上，對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖進(jìn)行了2次系統(tǒng)優(yōu)化，形成了隧道機(jī)械化大斷面法施工圖[26]。

4)開發(fā)了基于輕量化BIM的數(shù)字化管理平臺(tái)，并建立了隧道機(jī)械化大斷面法作業(yè)安全及質(zhì)量信用管理方法，實(shí)現(xiàn)了大斷面隧道機(jī)械化施工全要素、全過程的數(shù)字化、精細(xì)化管理。

武九公司依托鄭萬高鐵湖北段隧道工程，在攻克了隧道機(jī)械化、數(shù)字化建造技術(shù)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行了隧道智能化建造科技創(chuàng)新實(shí)踐，明確了隧道智能建造內(nèi)涵及架構(gòu)，攻克了關(guān)鍵技術(shù)，總結(jié)形成了具備初級(jí)智能化特征的高速鐵路隧道智能建造技術(shù)體系。

1 隧道智能建造內(nèi)涵及架構(gòu)

隧道智能建造是現(xiàn)代信息技術(shù)(大數(shù)據(jù)、互聯(lián)網(wǎng)、人工智能)、現(xiàn)代隧道修建技術(shù)(機(jī)械化大斷面修建技術(shù))與智能工裝深度融合形成的隧道建造新模式，通過規(guī)范化建模、網(wǎng)絡(luò)化交互、可視化認(rèn)知、高性能計(jì)算以及智能化決策支持，實(shí)現(xiàn)圍巖智能判識(shí)、智能設(shè)計(jì)、智能施工及智能管理[27-28]。

目前鄭萬高鐵隧道建立的高速鐵路隧道智能建造體系是隧道智能建造的初級(jí)階段，其整體架構(gòu)見圖1。

圖1 隧道智能建造整體架構(gòu)示意圖

2 隧道智能建造關(guān)鍵技術(shù)

3年來，依托鄭萬高鐵湖北段隧道工程創(chuàng)新實(shí)踐，研究攻克了多項(xiàng)重難點(diǎn)問題，完成了9臺(tái)施工裝備智能升級(jí)，研發(fā)了3+1個(gè)系統(tǒng)(平臺(tái))，總結(jié)形成了圍巖智能分級(jí)、設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選、開挖及支護(hù)智能施工、智能建造協(xié)同管理等4大關(guān)鍵技術(shù)成果，初步構(gòu)建了高速鐵路隧道智能建造技術(shù)體系，具體如下。

2.1 隧道圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)

圍巖智能分級(jí)是隧道智能建造的基礎(chǔ)，也是目前智能化技術(shù)水平最高的施工環(huán)節(jié)。其核心包括圍巖智能分級(jí)方法、圍巖級(jí)別智能預(yù)測方法及圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)軟件等3部分內(nèi)容。

2.1.1 圍巖智能分級(jí)方法

現(xiàn)場采集了299份不同巖性、不同級(jí)別圍巖的掌子面鑿巖臺(tái)車鉆進(jìn)參數(shù)數(shù)據(jù)樣本(見表1)，在解析鉆桿推進(jìn)速度、推進(jìn)壓力、沖擊壓力及回轉(zhuǎn)壓力等鉆進(jìn)參數(shù)后，發(fā)現(xiàn)鉆進(jìn)參數(shù)和圍巖級(jí)別有較強(qiáng)的相關(guān)性，其中，推進(jìn)速度和圍巖級(jí)別呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，推進(jìn)壓力、沖擊壓力、回轉(zhuǎn)壓力和圍巖級(jí)別呈現(xiàn)正相關(guān)(見圖2和表2)，由此奠定了圍巖智能分級(jí)的基礎(chǔ)[29]。

表1 現(xiàn)場采集樣本基本信息統(tǒng)計(jì)

(a) 推進(jìn)速度

(b) 沖擊壓力

(c) 推進(jìn)壓力

(d) 回轉(zhuǎn)壓力

表2 鉆進(jìn)參數(shù)和圍巖級(jí)別相關(guān)性系數(shù)R[29]

基于這一特性，利用SVM、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等多種機(jī)器學(xué)習(xí)算法，建立了掌子面圍巖智能分級(jí)模型(見圖3)，準(zhǔn)確率約87%。

考慮到現(xiàn)有樣本不多，屬于小樣本問題，而SVM模型在小樣本的非線性分類方面具有較好的魯棒性，因此，以基于SVM方法的掌子面圍巖智能分級(jí)模型為基礎(chǔ)，建立了隧道圍巖智能精細(xì)化分級(jí)方法，實(shí)現(xiàn)了根據(jù)鉆進(jìn)參數(shù)自動(dòng)、快速進(jìn)行掌子面圍巖精細(xì)化分級(jí)，并根據(jù)權(quán)重給出掌子面整體圍巖級(jí)別。

具體步驟為：

1)根據(jù)掌子面炮孔分布特征對(duì)掌子面進(jìn)行分塊，以隧道中軸線為基準(zhǔn)線、左右間距2 m為單位將隧道掌子面分為6縱；以隧道拱頂為基準(zhǔn)點(diǎn)、上下間距2 m為單位將掌子面分為6層。最終，掌子面被分為了6層6縱34塊，并對(duì)各塊區(qū)域進(jìn)行編號(hào)(見圖4)。

2)調(diào)用圍巖智能分級(jí)模型，根據(jù)各炮孔鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行炮孔自動(dòng)分級(jí)(見圖5)。

(a) SVM模型

(b) BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖4 掌子面編號(hào)示意圖

3)將每一塊內(nèi)各個(gè)炮孔的圍巖級(jí)別取算數(shù)平均值，得到各塊圍巖級(jí)別(見圖6)。

4)將各塊圍巖級(jí)別加權(quán)平均，得到掌子面圍巖級(jí)別，權(quán)重系數(shù)按照拱頂區(qū)域重要性>邊墻區(qū)域重要性>中部區(qū)域重要性>底部區(qū)域重要性的原則確定(見表3)。

圖5 掌子面炮孔分級(jí)示意圖

圖6 掌子面精細(xì)化分級(jí)示意圖

表3 掌子面各塊權(quán)重

2.1.2 圍巖級(jí)別智能預(yù)測方法

基于掌子面圍巖精細(xì)化分級(jí)結(jié)果，利用掌子面圍巖橫向分區(qū)、縱向分層特征，根據(jù)已開挖段2個(gè)斷面圍巖鉆進(jìn)參數(shù)精細(xì)化分級(jí)結(jié)果，建立掌子面圍巖級(jí)別沿隧道縱向的空間映射關(guān)系，從而對(duì)掌子面前方圍巖級(jí)別進(jìn)行動(dòng)態(tài)預(yù)測(見圖7)。

圖7 基于鉆進(jìn)參數(shù)的掌子面圍巖級(jí)別動(dòng)態(tài)預(yù)測模型示意

在此基礎(chǔ)上，結(jié)合超前鉆探、超前物探、勘察設(shè)計(jì)等多源地質(zhì)信息，遵循“以近為主、以鉆為主”的原則，具體優(yōu)先級(jí)為“鉆進(jìn)參數(shù)預(yù)測>超前鉆探>超前物探>勘察設(shè)計(jì)”，進(jìn)行掌子面前方圍巖進(jìn)階式綜合預(yù)測(見圖8)。

2.1.3 圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)軟件

以圍巖智能分級(jí)方法、圍巖智能預(yù)測方法為核心，開發(fā)了“高速鐵路山嶺隧道圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)”軟件。其具有項(xiàng)目基本信息、項(xiàng)目進(jìn)度控制、實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分級(jí)、圍巖級(jí)別變更、圍巖級(jí)別預(yù)測、圍巖級(jí)別驗(yàn)證和歷史數(shù)據(jù)查詢等7項(xiàng)功能模塊。典型界面如圖9所示。

圖8 圍巖級(jí)別智能綜合預(yù)測結(jié)果示意

圖9 圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)軟件界面示意(實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)分級(jí))

2.2 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選系統(tǒng)

隧道設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選是隧道智能建造的重要組成部分，是連接隧道圍巖智能分級(jí)和隧道開挖及支護(hù)智能施工的中間環(huán)節(jié)，起著承上啟下的重要作用。其核心包括設(shè)計(jì)參數(shù)智能匹配、推薦方法，設(shè)計(jì)參數(shù)智能校核、優(yōu)化方法和設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選軟件3部分內(nèi)容。

2.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)智能匹配、推薦方法

廣泛收集部頒隧道通用參考圖、鄭萬高鐵隧道支護(hù)設(shè)計(jì)圖、鄭萬高鐵爆破設(shè)計(jì)圖，整理形成了包括超前支護(hù)、洞身支護(hù)設(shè)計(jì)、爆破設(shè)計(jì)等設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫。根據(jù)圍巖級(jí)別、埋深、巖石類型、施工水平等參數(shù)，利用數(shù)據(jù)庫智能搜索匹配算法，進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)匹配、推薦。

目前，該庫包含鄭萬高鐵隧道支護(hù)參數(shù)圖、部頒隧道通用參考圖等共12部圖、255套設(shè)計(jì)參數(shù)，具體見表4。

表4 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)數(shù)據(jù)庫匯總表

2.2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)智能校核、優(yōu)化方法

利用隧道機(jī)械化大斷面法超前支護(hù)設(shè)計(jì)方法[17-21](見圖10、式(1))、洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法[22-25](見圖11、式(2)和式(3))對(duì)設(shè)計(jì)參數(shù)初選值進(jìn)行校核、優(yōu)化。

D為掌子面高度，m； Le為未支護(hù)段長度； p1為掌子面錨桿合支護(hù)力，kN； Fw為掌子面滑移體自重，kN； Fc為掌子面滑移面黏聚力合力，kN； Fφ為掌子面滑移面摩擦力合力，kN； Fq為掌子面滑移體豎向形變壓力合力，kN； q為豎向形變壓力，kPa； q′為管棚折減后豎向形變壓力； θ0為破裂角，(°)； α0為掌子面滑移體上方豎向形變壓力折減系數(shù)； α1為管棚支護(hù)下掌子面前方擾動(dòng)段豎向形變壓力折減系數(shù)； α2為掌子面預(yù)注漿加固后圍巖粘聚力增大系數(shù)。

(1)

式中：K為掌子面穩(wěn)定系數(shù)，當(dāng)K>[K]時(shí)，掌子面穩(wěn)定； [K]為掌子面設(shè)計(jì)穩(wěn)定系數(shù)，參考GB 50068—2015《巖土錨桿與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》，取[K]=1.15；β1、β2、β3分別為與φ相關(guān)的系數(shù)。

豎向形變壓力

q=0.33γ(0.2+0.1B)e-0.006BQ+4.2。

(2)

水平形變壓力

e=2.7e-0.006 6BQq。

(3)

式(2)—(3)中：γ為圍巖重度，kN/m3；B為隧道跨度，m； BQ為巖體基本質(zhì)量指標(biāo)。

綜合考慮安全性和經(jīng)濟(jì)性進(jìn)行設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化，即計(jì)算后安全系數(shù)既不能太大也不能太小，具體標(biāo)準(zhǔn)見表5。

q為豎向形變壓力； e為水平形變壓力。

表5 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)校核參考標(biāo)準(zhǔn)

2.2.3 設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選系統(tǒng)軟件

以設(shè)計(jì)參數(shù)智能匹配推薦方法、設(shè)計(jì)參數(shù)智能校核優(yōu)化方法為核心，開發(fā)了“高速鐵路山嶺隧道設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選系統(tǒng)”軟件，具有項(xiàng)目基本信息、項(xiàng)目進(jìn)度控制、超前支護(hù)設(shè)計(jì)、洞身支護(hù)設(shè)計(jì)和歷史數(shù)據(jù)查詢等5項(xiàng)功能模塊。典型界面如圖12所示。

2.3 隧道開挖及支護(hù)智能施工系統(tǒng)

隧道開挖及支護(hù)智能施工是隧道智能建造的重要部分，承擔(dān)了隧道智能建造的現(xiàn)場施工任務(wù)。其包括裝備動(dòng)態(tài)感知技術(shù)、裝備傳輸接口技術(shù)、裝備機(jī)群控制技術(shù)、系列裝備智能升級(jí)、開挖及支護(hù)智能施工系統(tǒng)軟件等5部分。

2.3.1 裝備動(dòng)態(tài)感知技術(shù)

通過溫度、壓力、速度、加速度、角度、位移、電壓等各類機(jī)載傳感器在智能裝備施工過程中自動(dòng)采集施工過程信息形成施工日志，并通過解析實(shí)現(xiàn)鉆進(jìn)參數(shù)信息、隧道輪廓信息(開挖輪廓、初期支護(hù)輪廓、二次襯砌輪廓等)、混凝土澆筑信息和裝備狀態(tài)信息等多源異構(gòu)信息的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知，為隧道圍巖智能分級(jí)、智能管理等提供了數(shù)據(jù)支撐。

圖12 設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選系統(tǒng)軟件界面示意(洞身支護(hù)優(yōu)化)

2.3.2 裝備傳輸接口技術(shù)

如圖13所示，提出了隧道裝備多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的統(tǒng)一交互方法。對(duì)隧道地質(zhì)、設(shè)計(jì)、施工、質(zhì)量等不同數(shù)據(jù)進(jìn)行了無監(jiān)督聚類分析，明確了隧道施工多源異構(gòu)數(shù)據(jù)的時(shí)間、空間和語義特征，提出了全工序智能裝備統(tǒng)一數(shù)據(jù)交互制式，建立了基于寬窄帶融合技術(shù)的高可靠、低時(shí)延隧道施工現(xiàn)場裝備物聯(lián)網(wǎng)體系，開發(fā)了隧道多源異構(gòu)大數(shù)據(jù)分布式存儲(chǔ)交互架構(gòu)，搭建了智能裝備機(jī)群信息交互橋梁。

圖13 智能鑿巖臺(tái)車參數(shù)采集與標(biāo)準(zhǔn)化交互

2.3.3 裝備機(jī)群控制技術(shù)

利用遠(yuǎn)程指揮車(見圖14)及隧道傳輸網(wǎng)絡(luò)，實(shí)現(xiàn)了隧道智能裝備機(jī)群的遠(yuǎn)程遙控作業(yè)(見圖15)。

圖14 裝備機(jī)群遠(yuǎn)程指揮車

圖15 裝備機(jī)群遠(yuǎn)程指揮施工(噴混凝土作業(yè))

研發(fā)了裝備臂架作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)規(guī)劃與控制系統(tǒng)(見圖16)，實(shí)現(xiàn)了隧道智能裝備按照隧道設(shè)計(jì)自動(dòng)規(guī)劃運(yùn)動(dòng)軌跡并自主控制精準(zhǔn)作業(yè)(見圖17)。

圖16 臂架作業(yè)運(yùn)動(dòng)軌跡自動(dòng)規(guī)劃與控制

圖17 裝備自主控制精準(zhǔn)作業(yè)(鉆孔施工)

2.3.4 系列裝備智能升級(jí)

基于裝備動(dòng)態(tài)感知技術(shù)、裝備傳輸接口技術(shù)、裝備機(jī)群控制技術(shù)，對(duì)現(xiàn)有機(jī)械化裝備進(jìn)行了智能升級(jí)，研發(fā)了智能注漿臺(tái)車、智能鑿巖臺(tái)車、智能鏟銑機(jī)、智能濕噴臺(tái)車、智能拱架臺(tái)車、智能錨桿臺(tái)車、數(shù)字化防水板臺(tái)車、數(shù)字化襯砌臺(tái)車、數(shù)字化養(yǎng)護(hù)臺(tái)車等9臺(tái)隧道鉆爆法施工智能成套裝備(見表6)，為隧道智能建造提供了裝備支撐。

2.3.5 開挖及支護(hù)智能施工系統(tǒng)軟件

以裝備動(dòng)態(tài)感知技術(shù)、裝備傳輸接口技術(shù)、裝備機(jī)群控制技術(shù)為核心，開發(fā)了“高速鐵路山嶺隧道開挖及支護(hù)智能系統(tǒng)”軟件。其具有設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)交互、設(shè)備遠(yuǎn)程監(jiān)測、施工日志交付、文件傳輸概覽等4項(xiàng)功能模塊。典型界面如圖18所示。

表6 隧道鉆爆法施工智能成套裝備

2.4 隧道智能建造協(xié)同管理平臺(tái)

隧道智能建造協(xié)同管理平臺(tái)是隧道智能建造的核心，是隧道智能建造的大腦中心，協(xié)同控制著隧道智能建造各關(guān)鍵環(huán)節(jié)。其核心包括隧道智能建造多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接口技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)、多源異構(gòu)數(shù)據(jù)安全技術(shù)和隧道智能建造協(xié)同管理平臺(tái)軟件等4部分。

2.4.1 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接口技術(shù)

智能施工裝備所采集的數(shù)據(jù)格式以半結(jié)構(gòu)化和非結(jié)構(gòu)化格式居多，多種類型智能設(shè)備所感知數(shù)據(jù)方式、類型、存儲(chǔ)格式或表現(xiàn)形式可能存在較大的差異。施工過程數(shù)據(jù)有采集頻率高、數(shù)據(jù)記錄多等特點(diǎn)；視頻或高清數(shù)碼具有存儲(chǔ)空間大、文件格式存儲(chǔ)等特點(diǎn)，現(xiàn)場手持終端檢測數(shù)據(jù)具有格式化、模板化等特點(diǎn)。搭建一套滿足不同數(shù)據(jù)類型、存儲(chǔ)格式的數(shù)據(jù)交互、轉(zhuǎn)換接口，借助“數(shù)據(jù)交互”實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)外的數(shù)據(jù)交互，借助“業(yè)務(wù)轉(zhuǎn)換接口”將施工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成滿足業(yè)務(wù)管理要求的數(shù)據(jù)格式，并提取、分析關(guān)鍵數(shù)據(jù)形成項(xiàng)目管理基層數(shù)據(jù)源。數(shù)據(jù)接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖19所示。

圖18 開挖及支護(hù)智能施工系統(tǒng)軟件界面示意(掃描日志)

圖19 數(shù)據(jù)接口內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

2.4.2 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)技術(shù)

智能建造管理平臺(tái)涉及到的數(shù)據(jù)具有類型多、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、量大、訪問頻率高等特點(diǎn)，為提升系統(tǒng)交互效率和訪問速度，需構(gòu)建一個(gè)存儲(chǔ)結(jié)構(gòu)合理、讀寫速度快、安全性高的數(shù)據(jù)存儲(chǔ)方案，借助數(shù)據(jù)拆分存儲(chǔ)等技術(shù)，改善了海量數(shù)據(jù)的讀寫性能。

2.4.2.1 數(shù)據(jù)垂直拆分

依據(jù)智能建造協(xié)同平臺(tái)各個(gè)子系統(tǒng)和各業(yè)務(wù)管理的需要，將整個(gè)平臺(tái)的數(shù)據(jù)分割到不同的數(shù)據(jù)表空間，將原來強(qiáng)耦合的系統(tǒng)拆分成多個(gè)弱耦合的服務(wù)，通過服務(wù)間的調(diào)用來滿足業(yè)務(wù)需求。確保核心模塊的穩(wěn)定性，同時(shí)有效緩解了不同業(yè)務(wù)模塊之間的IO競爭壓力。

2.4.2.2 數(shù)據(jù)水平拆分

針對(duì)智能施工設(shè)備所采集的數(shù)據(jù)，依據(jù)范圍或時(shí)間屬性將數(shù)據(jù)拆分到多個(gè)結(jié)構(gòu)相同的數(shù)據(jù)表中，借助數(shù)據(jù)映射關(guān)系進(jìn)行數(shù)據(jù)訪問，有效地解決了施工過程數(shù)據(jù)、質(zhì)檢資料等單表數(shù)據(jù)量大的數(shù)據(jù)讀寫瓶頸。

2.4.2.3 數(shù)據(jù)分區(qū)存儲(chǔ)

充分借助Oracle數(shù)據(jù)庫提供的分區(qū)機(jī)制，將表中的數(shù)據(jù)劃分成多個(gè)區(qū)域，通過分區(qū)表的映射關(guān)系，快速定位查詢、讀取數(shù)據(jù)，有效緩解部分?jǐn)?shù)據(jù)持續(xù)陡增而引起的數(shù)據(jù)讀寫速度慢等問題，從而改善巨型數(shù)據(jù)表的讀寫性能。

2.4.3 多源異構(gòu)數(shù)據(jù)安全技術(shù)

借助磁盤陣列從物理上進(jìn)行有冗余的數(shù)據(jù)備份存儲(chǔ)，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)的安全存儲(chǔ)和快速數(shù)據(jù)還原。應(yīng)用程序嚴(yán)格按照前端、應(yīng)用邏輯、數(shù)據(jù)庫進(jìn)地分離，防止非法軟件通過前端攻擊數(shù)據(jù)庫和竊取數(shù)據(jù)信息。利用票據(jù)與令牌信息進(jìn)行用戶認(rèn)證與授權(quán)，借助token驗(yàn)證用戶的合法性與有效性，有效避免了非法訪問。借助MD5加密技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行加密處理，降低了數(shù)據(jù)在傳輸、讀寫等環(huán)節(jié)出現(xiàn)信息泄露的風(fēng)險(xiǎn)。引入數(shù)字指紋和CA數(shù)字簽名技術(shù)，有效避免了數(shù)據(jù)被惡意篡改或偽造，同時(shí)確保數(shù)據(jù)的完整性。通過時(shí)間戳機(jī)制可以有效地防御DOS攻擊，提高了數(shù)據(jù)交互接口的可用性。

2.4.4 智能建造協(xié)同管理平臺(tái)軟件

運(yùn)用多源異構(gòu)數(shù)據(jù)接口、安全及存儲(chǔ)等關(guān)鍵技術(shù)，將圍巖智能分級(jí)系統(tǒng)、設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選系統(tǒng)、開挖及支護(hù)智能施工系統(tǒng)與現(xiàn)有信息化管理系統(tǒng)進(jìn)行整合，形成隧道智能化建造協(xié)同管理平臺(tái)(見圖20)。

圖20 隧道智能化建造協(xié)同管理平臺(tái)

整合完成后的各子系統(tǒng)間以平臺(tái)數(shù)據(jù)中心為媒介，通過高效的數(shù)據(jù)流動(dòng)，協(xié)同完成隧道圍巖智能分級(jí)、智能設(shè)計(jì)、智能施工等隧道智能建造核心功能。具體而言，開挖及支護(hù)智能施工子系統(tǒng)的施工信息中的智能型鑿巖臺(tái)車鉆進(jìn)參數(shù)通過平臺(tái)傳輸給圍巖智能分級(jí)子系統(tǒng)；圍巖智能分級(jí)子系統(tǒng)根據(jù)此鉆進(jìn)參數(shù)進(jìn)行圍巖智能分級(jí)，并通過平臺(tái)輸出掌子面圍巖級(jí)別給設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選子系統(tǒng)；設(shè)計(jì)參數(shù)智能優(yōu)選子系統(tǒng)根據(jù)此圍巖級(jí)別完成設(shè)計(jì)參數(shù)智能匹配、推薦及校核、優(yōu)化工作，并通過平臺(tái)輸出最終設(shè)計(jì)參數(shù)給開挖及支護(hù)智能施工子系統(tǒng)；開挖及支護(hù)智能施工子系統(tǒng)根據(jù)此設(shè)計(jì)參數(shù)，生成施工方案，并下發(fā)給各智能裝備，進(jìn)而完成現(xiàn)場各項(xiàng)施工工作。隧道智能建造協(xié)同管理平臺(tái)內(nèi)部各系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流動(dòng)關(guān)系如圖21所示。

3 隧道智能建造應(yīng)用及展望

2020年7—10月，在鄭萬高鐵湖北段隧道選擇了3個(gè)工點(diǎn)進(jìn)行現(xiàn)場試驗(yàn)，初步驗(yàn)證了隧道智能建造各項(xiàng)功能。

圖21 隧道智能建造協(xié)同管理平臺(tái)子系統(tǒng)間數(shù)據(jù)流動(dòng)關(guān)系示意

根據(jù)隧道智能建造三步走總體規(guī)劃，下一步主要依托宜興高鐵隧道工程，選定3個(gè)工點(diǎn)進(jìn)行智能建造應(yīng)用示范，完成關(guān)鍵工序智能互聯(lián)工程裝備施工，實(shí)現(xiàn)“人工決策為主、機(jī)器決策為輔”，形成初級(jí)版(V1.0)。

具體工作從以下3個(gè)方面展開：

1)進(jìn)一步深化隧道機(jī)械化施工技術(shù)體系——夯實(shí)基礎(chǔ)，提升經(jīng)濟(jì)性。

首先是進(jìn)一步深化主動(dòng)支護(hù)體系設(shè)計(jì)方法研究，特別是突破初期支護(hù)設(shè)計(jì)方法以經(jīng)驗(yàn)定性為主的現(xiàn)狀，研究形成主動(dòng)支護(hù)體系初期支護(hù)理論設(shè)計(jì)方法，并在此基礎(chǔ)上繼續(xù)開展支護(hù)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化工作，以提高主動(dòng)支護(hù)體系的經(jīng)濟(jì)性，增強(qiáng)推廣的生命力。

其次是進(jìn)一步研究擴(kuò)展大斷面法的適用性，尤其是在極軟弱及特殊地質(zhì)條件適用性，研究形成大斷面法在極軟弱及特殊地質(zhì)條件的安全配套保障措施，推廣機(jī)械化、大斷面法的應(yīng)用范圍，促進(jìn)隧道行業(yè)整體的技術(shù)進(jìn)步。

最后是進(jìn)一步深化研究完善大斷面施工配套工藝，特別是機(jī)械化裝藥技術(shù)和精細(xì)化爆破技術(shù)。因?yàn)橄啾绕渌ば?，裝藥爆破這一關(guān)鍵工序仍存在掌子面施工人員多、機(jī)械化及智能化程度不高、施工安全風(fēng)險(xiǎn)大、超挖過大等問題，需進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，以減少掌子面施工人員、減少超欠挖，進(jìn)一步提升隧道施工安全性、經(jīng)濟(jì)性。

2)進(jìn)一步提高隧道智能化建造可靠性——提升水平，增強(qiáng)可靠性。

首先是進(jìn)一步深化圍巖智能判識(shí)技術(shù)研究，通過擴(kuò)展樣本類型及數(shù)量、優(yōu)化算法的形式，進(jìn)一步提升圍巖智能判識(shí)的精度。

其次是在機(jī)械化裝藥技術(shù)的基礎(chǔ)上，研究運(yùn)用深度學(xué)習(xí)、圖像識(shí)別、機(jī)器人自動(dòng)控制等人工智能技術(shù)，實(shí)現(xiàn)散裝炸藥智能裝填、智能精細(xì)化爆破設(shè)計(jì)，進(jìn)一步完善現(xiàn)有隧道智能建造技術(shù)體系。

最后是根據(jù)現(xiàn)場應(yīng)用情況，持續(xù)推進(jìn)智能裝備改造升級(jí)，進(jìn)一步提高智能裝備施工可靠性及智能化水平，以達(dá)到質(zhì)量更優(yōu)、效率更高的目的。

3)進(jìn)一步深化隧道精細(xì)化管理——加強(qiáng)管理，過程可控。

主要是在現(xiàn)有管理體系的基礎(chǔ)上，增加工序質(zhì)量后評(píng)估環(huán)節(jié)，充分利用掃描儀、信息化實(shí)驗(yàn)室、微信App小程序等手段，自動(dòng)、快速采集工序質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過真實(shí)的數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)工序質(zhì)量的實(shí)時(shí)、量化評(píng)價(jià)。

總之，隧道智能化建造道阻且長，不可能一蹴而就，國外隧道機(jī)械化、數(shù)字化發(fā)展經(jīng)歷了近百年才逐漸成熟，智能化也尚處于開端。因此，必須結(jié)合我國國情，依托具體工程項(xiàng)目，以建設(shè)單位為主體，廣泛組織協(xié)調(diào)科研、設(shè)計(jì)、施工、裝備制造等單位，廣泛應(yīng)用新材料、新技術(shù)、新裝備，全面革新隧道設(shè)計(jì)方法、施工方法、管理方法，在完成隧道機(jī)械化、數(shù)字化建造技術(shù)改造升級(jí)的前提下，持續(xù)推進(jìn)隧道智能化建造技術(shù)進(jìn)步，加快開展隧道智能化建造推廣應(yīng)用，合力把我國鐵路隧道修建水平推向一個(gè)新的高度。