基于透明隧道的全壽命周期管理方法在水下隧道的應用研究

解亞龍,王萬齊,周 平,劉 偉,宋樹寶

(1.中國鐵道科學研究院集團有限公司電子計算技術研究所,北京 100081； 2.中國鐵路廣州局集團有限公司江門工程建設指揮部,廣東江門 529000； 3.北京經(jīng)緯信息技術有限公司,北京 100081)

引言

近年來，我國水下隧道特別是高鐵水下隧道建設逐漸增多，大量水底隧道的成功修建，促進了我國水下隧道建設技術水平的提升。孫飛祥等[1]針對水下隧道盾構法與礦山法對接施工過程中可能發(fā)生的風險和防控措施進行了論證；李昌友等[2]針對水下隧道施工過程中突泥突水與塌方風險，利用模糊綜合層次模型建立了評估算法，對水下隧道施工風險預判和評估起到了一定作用；張健[3]利用風險管理的理念，系統(tǒng)識別了南湖路湘江隧道的施工風險，建立了風險清單，開展綜合風險評價，指導隧道施工；盧浩等[4]對水下盾構法施工安全風險評估進行了探討，利用肯特指數(shù)法建立評估模型，取得一定效果。由于水下隧道的施工風險大，地質條件復雜、影響因素多等問題，很多學者開展了相關研究，但在水底隧道的智能化應用實踐方面還未見報道。結合珠江口隧道施工特點，系統(tǒng)提出水下隧道智能化方案，為后續(xù)水底隧道施工提供借鑒和參考。

在隧道施工掘進過程中，地質條件一直是制約隧道開挖施作的一個重要影響因素，“地質情況像玻璃一樣透明”一直是隧道施工和維護人員的夢想[5]，因此，建立一個多維度、數(shù)字化、可視化的隧道工作面模型和隧道地質模型，實現(xiàn)隧道地質特征的可視化，是實現(xiàn)隧道全壽命周期管理的前提條件。

鐵路隧道在勘察設計完成后，對于施工人員來講，仍然存在很多不可知因素和許多不透明的情況。因此，在施工過程中采用邊施工邊探測地質的方法，利用超前地質預報、地質素描、圍巖監(jiān)測等手段，進一步掌握隧道地質情況，同步形成建設過程真實可追溯的信息。當隧道竣工時，隧道地質未知因素逐漸降低為零，通過信息化手段集成過程資料，能夠給運維單位交付一個完整、透明、全面的數(shù)字化隧道信息模型，是透明隧道的初衷。

1 透明隧道全域模型

眾所周知，隧道結構體系是由圍巖和支護結構共同組成的，其中，圍巖是主要的承載元素，支護結構是輔助性的，但通常也必不可少，在某些情況下，支護結構起主要承載作用。圍繞隧道施工管理，開挖區(qū)域的地質情況仍存在不透明且不確定性的問題，因此，提出透明工作面的概念。透明工作面的提法源于“透明地球”的概念，是地球物理探測理論及技術在隧道開挖掘進領域的具體應用和體現(xiàn)，透明工作面利用物聯(lián)網(wǎng)、BIM技術、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術手段，在隧道開挖過程中，構建實時數(shù)據(jù)支撐的動態(tài)透明數(shù)據(jù)模型，降低或解決隧道地質體和地質結構的復雜性和不可預見性導致的各類施工風險，指導隧道開挖工作。

對運維養(yǎng)護人員，引起隧道病害的施工過程質量和襯砌背后的地質情況往往存在不透明和不可知的問題。為完整解決這一問題，圍繞隧道全壽命周期管理提出透明隧道的概念，利用物聯(lián)網(wǎng)、AI、BIM仿真、三維成像等各類新技術，在隧道施工過程中同步動態(tài)采集、整理、重組各類地質信息、施工過程信息及養(yǎng)護維修信息，形成綜合性隧道數(shù)字模型，為隧道全壽命周期管理提供方便、全面、準確的隧道三維數(shù)據(jù)模型，輔助隧道施工運維決策智能化。

在實際隧道運維工作中，受限于沒有真實、準確的隧道地質資料，只有勘察設計資料，而勘察設計資料往往存在勘察設計深度不足，不能代表真實的隧道情況。因此，在隧道發(fā)生病害進行診斷和整治時往往缺乏真實的數(shù)據(jù)支撐，在長大隧道運維中尤其凸顯，成為制約隧道運維的關鍵因素。隧道施工過程中，及時采集圍巖變化的情況，通過地質素描技術，形成真實的地質情況描述，不但可以指導隧道施工，而且在隧道竣工時，可形成“一隧一圖”的完整地質資料，在竣工交付時能夠為運維單位提供一個真實完備的隧道地質三維描述圖，為隧道后期健康狀態(tài)評估、健康趨勢分析提供真實的數(shù)據(jù)基礎。一旦施工期間未采集這個信息，則隧道地質資料可能會永久缺失。因此，在施工階段真實、及時地采集地質數(shù)據(jù)成為一個關鍵環(huán)節(jié)，在隧道竣工時形成一個隧道全壽命周期追溯系統(tǒng)，記載每個循環(huán)的地質情況、圖片信息、素描情況，初支情況、襯砌情況，施工冷縫的處理情況等，附加勘察設計資料，整體形成一個隧道建造全過程系統(tǒng)，作為隧道運維的初始狀態(tài)或零點狀態(tài)，為隧道長期運維管理開個好頭，解決隧道運維“先天不足”的問題。由于珠江口隧道特殊性，將來必定是運維管理的重點和難點，建立全過程的透明隧道系統(tǒng)是非常關鍵且必要的。

2 透明隧道平臺技術架構

透明隧道本質上是隧道全過程、全壽命周期的信息化管理，是一個復雜的系統(tǒng)工程，從信息系統(tǒng)的技術架構來看，基本上分為感知層、傳輸層和應用層，數(shù)據(jù)匯集交付和全壽命周期應用等，具體見圖1。

圖1 透明隧道平臺的技術架構

(1)感知層是透明隧道感知信息的觸手，是整個體系的基礎，通過采集隧道施工、運維過程中的人員、裝備、材料、環(huán)境、檢測過程等信息，為決策分析和應用提供支撐。感知層負責數(shù)據(jù)采集，主要包括作業(yè)過程數(shù)據(jù)采集及檢測、量測數(shù)據(jù)采集。

作業(yè)過程數(shù)據(jù)包括裝備動態(tài)感知和人工作業(yè)記錄兩種方式，其中，裝備動態(tài)感知數(shù)據(jù)具有采集頻率高、數(shù)據(jù)量大等特征，是整個作業(yè)過程中最為詳盡的過程記錄，且數(shù)據(jù)連續(xù)，其詳細記錄了智能施工裝備各項系統(tǒng)運轉實測值、參數(shù)、狀態(tài)等信息，根據(jù)智能施工裝備的作業(yè)特征，借助平臺系統(tǒng)各數(shù)據(jù)接口，以某個采集頻率對數(shù)據(jù)進行采樣、量化、編碼，并按照某種特定的規(guī)則進行數(shù)據(jù)清洗與轉換，形成滿足數(shù)據(jù)分析計算要求的格式，通過計算分析來表征圍巖、支護和機械狀態(tài)。以鑿巖臺車施工為例，通過采集鉆進參數(shù)等鉆孔日志相關數(shù)據(jù)，上傳至平臺后進行數(shù)據(jù)分析，用于圍巖的智能分級。人工作業(yè)記錄以工序寫實為主，通過在每個工序施工過程中及時進行文字、照片、視頻等記錄，并形成結構化的數(shù)據(jù)表格，方便統(tǒng)計分析。

檢測及量測數(shù)據(jù)是指施工前測量放樣的數(shù)據(jù)以及施工后工程實體部位的檢測數(shù)據(jù)，借助各類測量儀器、作業(yè)臺車、檢測臺車，對隧道表面、輪廓、預埋件進行定位、測試、掃描等操作，并對結果進行采樣、編碼、清洗、轉換形成的數(shù)據(jù)。例如，采用激光點云掃描系統(tǒng)快速形成點云數(shù)據(jù)，及時進行數(shù)據(jù)處理和分析，實現(xiàn)隧道超欠挖分析、凈空分析，支持隧道開挖、初支、襯砌等工序的凈空缺陷定位，方量和襯砌厚度計算和全息變形監(jiān)測等，實現(xiàn)檢測智能化和便捷化。

(2)傳輸層是連接感知層和應用層的紐帶，將感知層采集的信息通過各種網(wǎng)絡技術進行匯集、上傳，供進一步分析及利用。傳輸層的主要技術包括無線自組網(wǎng)、超級WiFi、互聯(lián)網(wǎng)、5G、無線中繼等。

(3)應用層是智能施工的大腦，將現(xiàn)場采集的海量數(shù)據(jù)，經(jīng)過數(shù)據(jù)挖掘、統(tǒng)計分析，形成業(yè)務領域的信息化應用。應用層是透明隧道主要的功能體現(xiàn)和關鍵價值信息的來源，應用圍巖自動識別、地質預報、三維激光點云掃描、BIM技術、圖像自動識別等技術，實現(xiàn)鉆爆法隧道、盾構隧道的安全風險、施工進度、工序質量、變更設計等智能化管理。

通過施工階段持續(xù)不斷的采集和匯總數(shù)據(jù)，形成隧道地質的數(shù)字化成果，經(jīng)過數(shù)據(jù)重組和整理后，為隧道全壽命周期管理提供透明準確的數(shù)據(jù)資產(chǎn)視圖。

實現(xiàn)隧道的智能化施工，圍巖智能判識與識別是其中的關鍵一項，尤其是采用機械化配套的隧道施工管理中，通過超前地質預報技術，結合全電腦三臂鑿巖臺車隨鉆參數(shù)采集和分析[6-7]，快速地質素描等技術，實現(xiàn)對掌子面信息、圍巖堅硬程度與破碎情況、地下水與空洞發(fā)育情況等圍巖信息的智能化采集，建立“地質預報+鉆進參數(shù)+素描照片∞圍巖級別”的樣本庫，應用支持向量機、BP神經(jīng)網(wǎng)絡、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡等多種機器學習算法建立圍巖智能分級模型[8]，研制圍巖自動識別和地質分析軟件，快速生成隧道地質云圖，直觀反映掌子面、洞身周圍的圍巖巖性和裂隙發(fā)育情況，技術方案見圖2。

圖2 圍巖智能分級系統(tǒng)技術方案

對于機械化配套不足的隧道施工管理，無法通過鉆機參數(shù)采集地質信息，通過超前地質預報技術形成地質斷面圖[9-11]，同時應用基于圖像識別的隧道掃描儀對掌子面拍照，自動提取掌子面節(jié)理發(fā)育等信息，定量計算巖體的完整程度，自動實現(xiàn)圍巖分級，快速形成地質成像，通過持續(xù)不斷的掌子面成像，形成隧道全息地質影像成果資料，實現(xiàn)隧道地質影像的三維重構。

同時，建立常用的隧道BIM標準構件庫，利用參數(shù)化建模技術，實現(xiàn)隧道(洞門、洞身、附屬設施、支護結構等重點部位)快速建模，基于地質斷面圖或鉆孔建立真實的三維地質模型，集成地質預報信息(掌子面素描、鉆探、TSP、地質雷達等)，為決策者提供地質情況的綜合分析報告，支持地質模型的任意剖切，集成施工測量信息和施工過程質量信息，實時匯集各類施作質量數(shù)據(jù)，形成完整、準確、全面的隧道設計、施工全過程資料，形成了全過程的透明隧道三維模型，具體見圖3。

圖3 隧道地質云圖模型

3 應用驗證

3.1 工程概況

珠江口隧道工程項目位于東莞、廣州之間的珠江入?？?，是新建深圳至江門鐵路的控制工程，隧道全長13 690 m，是目前國內(nèi)隧道礦山法施工最深的水下隧道。由于本項目工程地質、水文條件復雜，岸線以內(nèi)港口、碼頭、航道、錨地眾多，擬采用“淺埋明挖法+兩端盾構法+中間礦山法”組合方案進行施工，隧道縱斷面見圖4。

圖4 珠江口隧道縱斷面示意(單位：m)

隧道淺埋段及工作井采用明挖法施工，并根據(jù)水文地質情況及埋深確定圍護結構形式，主體結構采用模筑混凝土襯砌。

盾構法區(qū)段水下最大埋深約93 m，隧底最大水頭差106 m；礦山法段水下最大埋深約104 m，隧底最大水頭差約115 m，因此，控制好高水壓盾構密封技術是當前必須解決的難題，盾構掘進既有長距離穿越硬巖地層，也有長距離穿越的軟硬不均地層，長距離軟硬不均掘進對刀盤的強度要求極高。

礦山法段隧道最大水下埋深約104 m(國內(nèi)最深礦山法隧道)，存在多個斷層破碎帶，經(jīng)過圍巖斷層破碎帶風化槽時，水壓高，水量大，將可能發(fā)生涌泥、涌砂、突水、冒頂?shù)陌踩L險。

3.2 透明隧道的智能化實踐

由于珠江口隧道特殊復雜的工程特點，面臨較大的工期、安全和質量管理壓力，需借助信息化手段，對隧道施工過程開展全程監(jiān)測和管控，提高施工管理的智能化水平；同時，利用各個工序的信息系統(tǒng)形成完整真實的數(shù)字化寫實和記錄，為隧道全壽命周期管理提供三維的管理手段。

珠江口隧道全壽命周期透明管理的總體技術框架如圖5所示。

圖5 珠江口隧道全壽命周期透明管理方案

(1)勘察地質成果管理

勘察地質成果主要通過工程地質圖和地質模型的方式表達隧址范圍內(nèi)地質變化和風險情況，實現(xiàn)地質模型，地質風險、地質圖等資料的關聯(lián)管理，構建了隧道初期數(shù)字化的地質資產(chǎn)，為施工方案提供指導。在后期施工過程中，需融合超前地質預報、高清掌子面素描矢量圖，掌子面開挖揭示的斷面地質信息，動態(tài)更新地勘階段的地質模型信息，實現(xiàn)對隧址范圍內(nèi)地質模型更新。

(2)明挖段安全監(jiān)測

明挖段和工作井段，由于基坑開挖過程中，周邊地層透水性強，地面荷載過大，容易出現(xiàn)基坑失穩(wěn)的情況。因此，需嚴格安全監(jiān)測，應用基坑監(jiān)測系統(tǒng)，確?；邮┕ぐ踩?，同時，及時進行圍護結構施工。

深基坑工程施工時，監(jiān)測工作是重中之重，傳統(tǒng)的監(jiān)測方式普遍存在監(jiān)測頻率不足、數(shù)據(jù)失真、監(jiān)測隨意、風險提醒不夠及時、直觀等問題[12]。通過建立珠江口隧道明挖段和工作井段基坑監(jiān)測系統(tǒng)，以BIM模型為載體，融合多種監(jiān)測數(shù)據(jù)，將施工過程基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)實時上傳至集成化管理平臺，通過BIM模型展示基坑安全狀態(tài)。針對不同的數(shù)據(jù)預警發(fā)布對應的處置指令，糾正現(xiàn)場施工偏差，確?；影踩€(wěn)固，達到“實時感知風險、快速預報風險、形象展現(xiàn)風險、有效控制風險”的目標。深基坑監(jiān)測系統(tǒng)的技術架構如圖6所示。

圖6 深基坑監(jiān)測系統(tǒng)技術架構

(3)盾構段智能化管理

盾構段根據(jù)工程特點，需在盾構掘進、管片拼裝、壁后注漿3個環(huán)節(jié)加強智能化管控[13-14]，同時加強出土量監(jiān)測和二次注漿監(jiān)測。

① 盾構機監(jiān)控

建立盾構施工信息監(jiān)控系統(tǒng)，通過高頻次采集盾構機各子系統(tǒng)傳感器數(shù)據(jù)，對盾構機工作狀態(tài)、軸力、扭矩、掘進速度、注漿量等參數(shù)進行實時監(jiān)控，實現(xiàn)盾構隧道掘進過程中盾構機掘進參數(shù)的實時監(jiān)控[15-16]，并根據(jù)地質變化、隧道埋深、上方荷載、地表沉降、盾構機姿態(tài)、刀盤扭矩、千斤頂推力等各種數(shù)據(jù)信息，隨時調整盾構機參數(shù)，正確下達推進指令；同時提醒盾構機操作人員須嚴格執(zhí)行指令，謹慎操作，對初始出現(xiàn)的小偏差應及時糾正，盡量避免盾構機走“蛇”形，盾構機一次糾偏量不宜過大，以減少對地層的擾動。

同時，通過數(shù)據(jù)接口的形式，將盾構機監(jiān)控室數(shù)據(jù)傳送至互聯(lián)網(wǎng)，讓用戶通過電腦隨時隨地查看盾構機推進參數(shù)，實現(xiàn)施工方為主體，多方共同監(jiān)管的模式。

② 管片生產(chǎn)及拼裝全過程管理

管片是盾構施工的主要裝配構件，是隧道的最內(nèi)層屏障，用來抵抗土層壓力和地下水壓力，因此，管片質量直接關系到隧道的整體質量和安全，影響隧道的防水性和耐久性。

為確保管片生產(chǎn)、運輸和拼裝質量，采用管片生產(chǎn)及拼裝管理系統(tǒng)，利用二維碼對每片管片進行唯一性的身份標識，通過移動端APP或PC端的質量填報系統(tǒng)，實現(xiàn)管片生產(chǎn)各工序物資信息、試驗信息、生產(chǎn)進度、成品把控、產(chǎn)能分析、管片生產(chǎn)臺賬、檢驗批生成等信息綜合分析管理，實現(xiàn)隧道管片拼裝質量信息、管片橢圓度、管片病害以及成環(huán)隧道軸線偏差等質量數(shù)據(jù)可視化分析，將現(xiàn)場管片拼裝質量數(shù)據(jù)上傳至云端協(xié)同管理平臺，全面掌握盾構管片生產(chǎn)進度、質量和工效。

(4)鉆爆法段智能化管理

本段鉆爆段隧道按Ⅰ型機械化配套施工，Ⅲ級圍巖盡量采用全斷面法開挖，Ⅳ級地段采用微臺階法施工(當掌子面穩(wěn)定性差時，對掌子面超前加固)，Ⅴ級圍巖一般地段采用三臺階臨時仰拱法開挖，Ⅴ級圍巖斷層破碎帶、風化槽采用CRD法施工。

鉆爆法施工作業(yè)線主要分為超前支護作業(yè)線、開挖作業(yè)線、初期支護作業(yè)線和二次襯砌作業(yè)線，根據(jù)機械化配套程度，Ⅰ型機械化配套在超前支護、開挖和初期支護作業(yè)線配置了全電腦三臂鑿巖臺車，鉆爆段的智能化方案如下。

①超前地質預報及圍巖自動分級

利用超前地質預報系統(tǒng)的采集信息，結合智能鑿巖臺車自動上傳超前鉆孔的隨鉆參數(shù)和掌子面地質素描的三維成像信息，輸入圍巖智能分級系統(tǒng)，利用神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的收斂模型，自動判斷掌子面前方地質情況[17]。

②爆破開挖智能化及信息自動采集

利用三維激光掃描軟件及圍巖智能分級系統(tǒng)，對上循環(huán)開挖斷面超欠挖情況和圍巖情況進行綜合分析，動態(tài)調整周邊眼間距、周邊眼及輔助眼裝藥量，周邊眼開孔位置等爆破參數(shù)，利用長短眼技術，減小因鉆桿外插角過大造成的超挖。

③其他智能化手段

襯砌施工階段采用物聯(lián)網(wǎng)技術，采集頂部壓力、拱頂空洞、澆筑方量、端部搭接、自動振搗等數(shù)據(jù)信息，實現(xiàn)襯砌作業(yè)的智能化施工。

利用工序循環(huán)系統(tǒng)開展工序循環(huán)寫實，開展大數(shù)據(jù)分析，堅持問題導向，協(xié)助施工單位持續(xù)改進隧道施工管理、設備管理和勞務管理，持續(xù)提升施工效率。

利用火工品管理系統(tǒng)，實現(xiàn)火工品存、領、用等流程管理和特種運輸車輛軌跡跟蹤，給現(xiàn)場管理提供抓手，實現(xiàn)爆破管理規(guī)范化和信息化。

結合BIM模型對圍巖分級結果進行展示，通過顏色對風險等級進行區(qū)分，形成隧道地質云圖，支持施工建議和屬性信息的快速查詢。

(5)鉆爆法與盾構法對接段三維仿真

鉆爆段通過斜井向兩側施工，礦山法先施工至對接里程、擴挖盾構機接收洞室，盾構機空推至接收洞室內(nèi)解體運出，可能存在由于對接面兩側的水土壓力不平衡，隧道貫通過程中開挖面失穩(wěn)破壞的情況。利用BIM技術對礦山法和盾構法施工對階段的施工工藝進行虛擬仿真模擬，對施工方案進行比選，保障施工安全，提升對接精度。

(6)全壽命周期透明管理

應用全壽命周期透明隧道管理系統(tǒng)，通過勘察地質成果的三維表達與管理，利用BIM模型數(shù)據(jù)集成的特點，持續(xù)集成隧道開挖揭示的地質情況、掌子面影像和自動素描照片[18-19]，以及隧道圍巖分級系統(tǒng)結果，形成同一個里程斷面上設計與實際地質情況的比對。通過構建技術動態(tài)調整隧址范圍內(nèi)的BIM模型，通過顏色、紋理展示隧道揭示的地質情況，結合專家分析系統(tǒng)，給出該地質情況下的施工措施和方案。集成隧道地質預報結果、地質影像與視頻、地質素描云圖、圍巖變形情況、襯砌施工情況等信息，不斷積累沉淀各工序施作過程中采集的施工過程數(shù)據(jù)，按照“隧道—工點—里程段落”和“勘察—施工—運維”兩種維度組織形成不同斷面里程上全壽命周期的隧道數(shù)字資產(chǎn)。同時，將設計里程轉換為運營里程，按照運維管理的跨度重組數(shù)據(jù)，服務隧道全壽命周期管理，最終形成寶貴的服務全壽命周期管理的透明隧道數(shù)據(jù)資產(chǎn)，為日后長達數(shù)十年的養(yǎng)護維護、病害整治提供真實、準確、可透視的依據(jù)[20]。

4 應用效果

珠江口隧道是典型的水下隧道，施工方法分為明挖法、盾構法及鉆爆法，采用透明隧道的智能施工技術，在隧道施工進度水平，超欠挖控制、變形量控制、隧道安全風險管控、全生命周期的地質信息采集方面取得了較好的應用效果。同時，堅持工序循環(huán)寫實記錄，圍繞施工管理要點，制定關鍵指標，配套相關的獎懲制度，提升隧道施工精細化管理水平，隧道智能建造的效果逐漸顯現(xiàn)。目前，隧道正處在施工階段，同步積累了寶貴的隧道地質和施工過程資料，必將在隧道運維和全壽命周期管理方面發(fā)揮巨大價值。

5 結論

結合我國鐵路隧道施工和維護的現(xiàn)狀和需求，特別是針對隧道地質情況的不可控、不透明、不掌握完備信息問題，提出了透明隧道、透明工作面的概念和技術架構，綜合利用物聯(lián)網(wǎng)、BIM仿真、三維成像、圖像識別等各類新技術，在隧道施工過程中同步動態(tài)采集、整理、重組各類施工環(huán)境、工程地質、施工過程及養(yǎng)護維修信息，形成綜合性的全壽命周期隧道模型，形成“一隧一圖”的三維數(shù)字檔案。以珠江口隧道為例，利用勘察地質成果管理，實現(xiàn)隧址范圍內(nèi)數(shù)字化可視化的地質風險圖譜，在勘察地質的基礎上，分別針對明挖段、盾構段、鉆爆法段以及對接段提出了較為全面的智能化手段。結合施工過程中超前地質預報信息、隨鉆參數(shù)信息和掌子面地質素描信息，應用圍巖智能分級系統(tǒng)，綜合判斷掌子面前方地質情況，降低施工風險，積累了大量施工過程的有效數(shù)據(jù)，既提高施工管理水平，同時整體匯集成隧道全壽命透明可信的數(shù)據(jù)資產(chǎn)，有效提升隧道施工運維的管理效率，是鐵路智能建造體系的深化和隧道智能運維的數(shù)據(jù)基座。