隧道工程數(shù)字信息化施工關鍵技術及應用

智 鵬,解亞龍,史天運

(中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081)

引言

隧道工程普遍具有施工協(xié)調(diào)任務重，質量控制要求高、安全保證任務重，對施工組織、調(diào)度指揮和現(xiàn)場控制的有效性要求高；不良地質分布范圍較大，存在塌方、大變形、巖爆、突水、突泥等多種風險，施工安全風險大；隧道工程地質及環(huán)境條件復雜，不可預見安全風險因素多，工期風險較大。如何采用新理念、新技術、新方法和新工藝，全方面實現(xiàn)隧道工程高效、優(yōu)質、安全、按期建設尤為重要。

以數(shù)字信息化技術促進隧道工程施工信息化、精細化管理的發(fā)展理念為全隧道行業(yè)普遍接受，隧道工程施工數(shù)字信息化管理水平在近幾年有很大的提升。文獻[1-3]進行鐵路工程建設信息化管理平臺架構研究，提出基于BIM的鉆爆隧道建設安全質量動態(tài)控制技術研究和基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的盾構隧道實時感知與預警管控平臺研究，并進行試點應用；文獻[4-5]開展了隧道工程建設地質預報及信息化技術的主要進展及發(fā)展方向和信息管理探索研究；文獻[6-9]開展了軌道交通監(jiān)控量測和隧道工程變形監(jiān)測預警系統(tǒng)技術探索研究；文獻[10-15]開展基于激光點云的隧道超欠挖檢測方法研究，進行隧道超欠挖檢測信息系統(tǒng)設計與實現(xiàn)應用；文獻[16-17]基于信息化技術搭建隧道建設信息系統(tǒng)，實現(xiàn)隧道信息化施工管理應用等。

本文將從系統(tǒng)工程管理方法論和數(shù)字信息化應用角度出發(fā)，首先，圍繞隧道工程施工過程施組進度、安全風險、質量驗收、人員設備管理等客觀存在的一系列技術和管理難題進行問題分析，提出數(shù)字信息化技術解決思路；然后，重點研究隧道工程施工過程施組進度、安全質量、人員設備管理等數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)傳輸模式、數(shù)據(jù)安全機制、數(shù)據(jù)存儲形式、信息融合共享、專業(yè)分析預判等關鍵技術和創(chuàng)新應用內(nèi)容；最后，結合工程實際應用進行驗證，進一步總結探索隧道工程數(shù)字信息化施工實踐經(jīng)驗。

1 施工施組進度關鍵技術及應用

1.1 問題分析及解決思路

隧道工程具有復雜長大線性工程、專業(yè)交叉密切、工序銜接復雜等施工組織設計難點，存在工項劃分不統(tǒng)一、不明確、重復交叉等施組組合拆分困難，工程進度不好量化、施工進度精確統(tǒng)計分析困難，動態(tài)調(diào)整施組進度和合理優(yōu)化施工資源困難等一系列難題。通過研究提出隧道工程施工組織進度跨任務推演預測計算方法和基于施組進度綜合預警可視化呈現(xiàn)技術，實現(xiàn)多工序、多任務、多工點融合的隧道工程施工組織數(shù)字化編制、關鍵路徑分析與優(yōu)化、三維可視化形象進度展示和進度預報警閉環(huán)管理等，解決隧道工程施組管理數(shù)字化輔助決策管理技術難題。

1.2 關鍵技術及創(chuàng)新應用

研究提出基于數(shù)據(jù)的施工組織進度跨任務智能推演與預警技術，按照悲觀進度、樂觀進度、計劃進度和標段經(jīng)驗值等推演指標類型，設計多作業(yè)面并行工程定點貫通和動態(tài)會聚等隧道工程進度推演算法，解決隧道工程施工進度滯后的閉環(huán)管理，實現(xiàn)作業(yè)面沖突、資源延誤、關鍵路徑變更等預警提醒，提高施工組織進度風險預測與管控能力。

通過在系統(tǒng)內(nèi)編制或者外部導入施工計劃，并關聯(lián)隧道BIM模型構件，形成三維施工組織計劃，進行施工進度動態(tài)模擬和對比分析，優(yōu)化調(diào)整施組計劃，合理編排施組計劃，為后續(xù)施工人員安排、設備機具調(diào)配、大宗材料采購以及相鄰工序的施工計劃安排等[1-2]，提供切實可靠依據(jù)。

通過電子施工日志系統(tǒng)，定時采集每日進度數(shù)據(jù)，根據(jù)上傳分析結果自動形成進度日報、周報、月報、年報等，基于餅圖、柱狀圖、大屏看板等多維視圖展示可視化實際進度；同時關聯(lián)驅動BIM模型，實現(xiàn)隧道工程施工工點狀態(tài)、開挖進度、進度分析等三維可視化形象進度管理。

基于時間-里程維度的施工組織進度報警機制，結合電子施工日志實際進度數(shù)據(jù)和施工組織計劃工期數(shù)據(jù)對比分析，提前發(fā)現(xiàn)進度滯后點進行不同等級的預警，及時協(xié)助建設、施工單位采取施組進度優(yōu)化相應措施，最大限度保證施工進度順利進行。

如圖1所示，實現(xiàn)基于BIM的隧道工程形象進度精細管理。

圖1 基于BIM的隧道工程施工組織進度管理

2 施工安全風險管控關鍵技術及應用

2.1 問題分析及解決思路

隧道工程是一項高風險工程，存在不可預見風險因素多、安全風險識別難度大、風險有效監(jiān)測監(jiān)控難等施工安全風險難題。通過研究應用數(shù)字視頻分析、人臉自動識別和短距離定位等多種人機定位技術，實現(xiàn)隧道工程施工過程洞內(nèi)各工點作業(yè)機械、人員等實名制精確統(tǒng)計和工作軌跡精確分析，解決狹長隧道內(nèi)機械、人員監(jiān)控困難等技術問題。研究基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)、超前地質預報、自動監(jiān)控量測等多種技術與隧道工程施工安全風險監(jiān)控業(yè)務相融合，實現(xiàn)隧道施工風險源識別、安全隱患排查、地質超期探測預報、圍巖變形監(jiān)控量測、安全步距監(jiān)控等安全風險數(shù)字化、可視化動態(tài)監(jiān)控[1-2]，解決隧道施工安全風險有效監(jiān)控預防一系列技術難題。

2.2 關鍵技術及創(chuàng)新應用

通過人機定位技術對洞內(nèi)外人員進行精確定位，實時掌握現(xiàn)場人員分布及運行狀態(tài)，準確完成各區(qū)域人員數(shù)量、工作狀態(tài)統(tǒng)計分析和考勤管理，并對區(qū)域外作業(yè)的人員安全提醒或警示警告；利用數(shù)字視頻監(jiān)控技術，實現(xiàn)對隧道施工現(xiàn)場工點值班室、隧道洞口、隧道掌子面、棄砟場及其他重點生產(chǎn)區(qū)域全天候全方位遠程在線視頻監(jiān)控，對現(xiàn)場存在的物的不穩(wěn)定狀態(tài)、人的不安全行為、環(huán)境的不安全因素等進行提示、警示或警告。

基于物探法、鉆探法、掌子面素描、洞身素描、地表補充調(diào)查技術，完成對隧道開挖過程前方地質信息數(shù)據(jù)動態(tài)采集、定時遠程傳輸、專業(yè)可視分析、綜合預警提醒等全流程超前地質預報成果數(shù)字化統(tǒng)一管理，實現(xiàn)隧道超前地質監(jiān)測現(xiàn)場預報、成果發(fā)布顯示、工作量統(tǒng)計和進度即時匯總[1-2]；同時結合隧道地質BIM模型，以隧道圍巖等級等地質條件為判斷依據(jù)自動進行隧道風險等級和風險程度識別，從而實現(xiàn)安全風險評估可視化，對前方隧道開挖進行作業(yè)指導，保證隧道開挖的安全?；诙喾N監(jiān)測技術手段實現(xiàn)隧道工程超前地質預報分析頁面如圖2所示。

圖2 隧道工程施工超前地質預報分析

基于隧道圍巖自動監(jiān)控量測和移動物聯(lián)技術，完成對地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂的實時監(jiān)控監(jiān)測，自動繪制隧道測點的變形趨勢曲線和自動匯總各項統(tǒng)計數(shù)據(jù)，實現(xiàn)對隧道開挖斷面變形速率超標和累計變形量超標雙控報警，并按多層級預報警機制進行預報報警閉環(huán)處置管理；達到根據(jù)隧道實際開挖進度動態(tài)展示隧道圍巖安全狀態(tài)，更加形象和準確的去指導隧道現(xiàn)場施工，降低隧道施工安全風險，提升風險管控能力，確保隧道施工安全性。

根據(jù)每天電子施工日志采集的實際進度，自動計算隧道施工仰拱和二襯步距，以工區(qū)為單位，顯示掌子面、仰拱、二襯三維立體關系圖，形成二三維圖多視角的安全步距形象化分析展示，對于超過安全步距自動進行三維可視化預警提醒，并提醒相關人員進行閉環(huán)處置。隧道工程施工安全步距動態(tài)監(jiān)控如圖3所示。

圖3 隧道工程施工安全步距動態(tài)監(jiān)控

3 施工質量在線管理關鍵技術及應用

3.1 問題分析及解決思路

受施工技術手段、經(jīng)費、現(xiàn)場條件等限制，導致遺漏誤判隧道地質情況發(fā)生，致使隧道施工開挖過程中出現(xiàn)塌方及冒頂?shù)人淼朗┕な鹿?；隧道施工中對圍巖的穩(wěn)定性進行準確預報是極其重要的環(huán)節(jié)，當隧道變形較大時，如不能及時發(fā)現(xiàn)并采取相應措施，會造成拱頂塌陷，拱底隆起等問題。通過綜合應用BIM、三維掃描、自動監(jiān)測、物聯(lián)感知、可視分析等新技術，進行隧道施工超欠挖、中線偏差、混凝土方量等精細化專業(yè)分析，對隧道工程襯砌防脫空自動分析報警、工程實體質量專業(yè)分析判斷、原材料質量數(shù)據(jù)閉環(huán)追溯，解決隧道施工初期支護是否侵限、襯砌是否澆筑密實、襯砌背后是否空洞等技術難題。

3.2 關鍵技術及創(chuàng)新應用

通過三維激光掃描技術對隧道開挖斷面進行掃描，形成隧道開挖斷面三維可視化測量點云圖(圖4)，依據(jù)鐵路隧道工程超欠挖和平整度相關規(guī)范和計算原理，基于隧道實際實測的點云圖模型與隧道理論參考BIM模型對比分析，綜合分析判斷隧道超欠挖、平整度以及初期支護是否侵限，實現(xiàn)對隧道工程超欠挖和平整度三維可視化合格性判定與優(yōu)化[1，2，18]。隧道工程施工超欠挖計算流程見圖4，三維點云超欠挖和平整度分析見圖5。

圖4 隧道工程施工超欠挖計算流程

圖5 隧道工程三維點云超欠挖和平整度分析

利用液位繼電器工作原理，研發(fā)混凝土澆筑自動監(jiān)測預警裝置，當襯砌混凝土澆筑至拱頂最高點時，通過觸發(fā)混凝土液位繼電器的聲光報警器開啟提醒功能，綜合判定混凝土澆筑結束時機；通過計算混凝土應澆筑數(shù)量與實際澆筑數(shù)量進行對比，分析襯砌是否澆筑密實，確保襯砌混凝土澆筑密實。

統(tǒng)計分析各里程段檢測測區(qū)數(shù)量、設計強度以及不同齡期的混凝土回彈檢測值，以及各里程段鉆芯檢測部位、混凝土設計強度等級、鉆芯設計與實測厚度、混凝土設計與實測強度，并以圖表形式查詢第三方檢測相關信息和檢測報告，判斷襯砌背后是否空洞，實現(xiàn)對隧道工程實體質量數(shù)字化在線分析。

基于試驗室信息化系統(tǒng)，動態(tài)監(jiān)控試驗室預警處置數(shù)據(jù)，顯示當前試驗室監(jiān)控數(shù)據(jù)中未處置的監(jiān)控數(shù)據(jù)，同時關聯(lián)應用位置信息，從原材料方面進行質量的監(jiān)控和閉環(huán)處置管理?；诎韬驼拘畔⒒到y(tǒng)，動態(tài)監(jiān)控當前拌和站監(jiān)控數(shù)據(jù)中未處置的監(jiān)控數(shù)據(jù)，同時關聯(lián)拌和站的相應工單和盤信息，從原材料方面進行質量的監(jiān)控和閉環(huán)處置管理?；炷涟韬驼拘畔⒒瘜崟r監(jiān)控如圖6所示。

圖6 隧道工程混凝土拌和站實時監(jiān)控

4 施工設備數(shù)字化管理關鍵技術及應用

4.1 問題分析及解決思路

針對狹長隧道長距離運輸干擾因素多、交通組織困難、交通運輸管理效率低、工程機械設備和運輸車輛監(jiān)管困難等管理和技術難題，綜合研究基于視頻分析、短距離定位、GPS和GIS等多種技術與隧道內(nèi)外機械設備、運輸車輛施工監(jiān)控業(yè)務深度融合，解決隧道內(nèi)外設備定位難、數(shù)據(jù)采集傳輸困難、統(tǒng)計分析不準確、組織管理效率低等技術管理難題。

4.2 關鍵技術及創(chuàng)新應用

通過在洞內(nèi)安裝定位基站、數(shù)字視頻監(jiān)控終端及進洞車輛內(nèi)安裝終端設備的方式，實時捕捉、上傳車輛位置信息到云服務平臺，動態(tài)建立車輛信息數(shù)據(jù)庫，動態(tài)分析車輛、錯車道等相對位置信息關系，發(fā)送指令至車輛終端，提醒洞內(nèi)行駛車輛及時就近避讓；通過人機定位系統(tǒng)，統(tǒng)計分析各類機械洞內(nèi)外位置信息、設備開啟或關閉狀態(tài)及實時工作軌跡等相關信息；同時基于GIS+GPS實現(xiàn)對隧道工程車輛運輸行駛路徑的在線精確跟蹤和動態(tài)可視化監(jiān)控，實現(xiàn)隧道工程建設過程洞內(nèi)各工點機械、設備等精確定位、實時統(tǒng)計和在線工作軌跡分析。

基于信息化手段實現(xiàn)對進場設備銘牌、新舊程度、外觀質量、機械參數(shù)等基礎信息集中管理，對工作狀態(tài)下的機械設備的工作場所、工作內(nèi)容和工作環(huán)境進行監(jiān)控，并形成運行軌跡；通過對機械設備的加油管控，對機械運行及油量進行統(tǒng)計，形成油耗分析；通過對機械設備的工況、工時、故障統(tǒng)計，分析設備使用率、故障率，對于車況不好或經(jīng)常閑置的設備予以清退。

基于人機定位技術的隧道內(nèi)設備精準定位和人員、機械、設備綜合信息管理如圖7所示。

圖7 隧道工程施工人員、機械、設備信息管理

5 工程應用案例

5.1 新烏鞘嶺隧道工程概況及重難點

蘭張三四線鐵路新烏鞘嶺隧道地層巖性復雜，沉積巖、變質巖分布廣泛，軟弱圍巖等不良地質分布范圍較大，施工安全風險大；位于甘肅祁連山保護區(qū)及黑松驛鎮(zhèn)稱溝臺飲用水水源二級保護區(qū)附近，環(huán)水保要求高；施工協(xié)調(diào)任務重、質量控制要求高、安全保證任務重，對施工組織、調(diào)度指揮和現(xiàn)場控制的有效性要求高；隧道工程地質及環(huán)境條件復雜，工期風險較大；隧道小斷面斜井長距離運輸干擾因素多，交通組織困難、交通運輸管理效率低。

5.2 新烏鞘嶺隧道工程數(shù)字信息化應用

按照“互聯(lián)網(wǎng)+鐵路工程建設”的思路推進數(shù)字信息化建設，構建新烏鞘嶺隧道工程施工統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心、安全網(wǎng)絡環(huán)境、指揮監(jiān)控中心、BIM管理平臺，生產(chǎn)指揮中心從各個業(yè)務系統(tǒng)獲取相關工程進度、質量、安全等實時數(shù)據(jù)，并能夠在監(jiān)控大屏進行集成展示分析預警，實現(xiàn)日常業(yè)務數(shù)據(jù)集中分析展示、工程宏觀信息綜合管理、建設管理遠程集中指揮和輔助決策[19-21]。

施工BIM管理平臺實現(xiàn)隧道工程施工進度、安全、質量和設備管理四大模塊18個業(yè)務應用功能，達到利用BIM技術實現(xiàn)新烏鞘嶺隧道工程指揮中心標段級和工區(qū)級多層級施組進度計劃、電子施工日志、實際形象進度、進度推演預警等精細化管理，隧道工程安全隱患排查、人機安全定位實名管理、遠程數(shù)字視頻監(jiān)控、圍巖變形監(jiān)控量測、安全步距分析預警等全方位可視化安全風險監(jiān)控，拌和站和試驗室統(tǒng)計分析、當日拌和站產(chǎn)能及報警處置信息、試驗室不同試驗機試驗數(shù)量統(tǒng)計及不合格數(shù)處置率等，并能夠在監(jiān)控大屏進行多角度多層級進度、質量和安全的實時統(tǒng)計分析、綜合預警提醒。新烏鞘嶺隧道數(shù)字信息化生產(chǎn)指揮中心如圖8所示。

圖8 新烏鞘嶺隧道數(shù)字信息化生產(chǎn)指揮中心

6 結論

通過分析隧道工程施工施組進度、安全風險、質量驗收和人員設備管理一系列技術和管理難題，系統(tǒng)研究BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、三維掃描、地質探測、變形監(jiān)測、人機定位、視頻識別等新技術與隧道工程施工技術深度融合，開展了隧道工程狀態(tài)數(shù)字化宏觀管理，施組進度數(shù)字化推演預測和形象進度精細化管理，施工現(xiàn)場人員、機械、地質、圍巖、環(huán)境等重大風險源動態(tài)可視化監(jiān)控和安全風險實時監(jiān)測預警，襯砌防脫空自動分析報警、工程實體質量分析判斷、原材料質量數(shù)據(jù)追溯等質量在線數(shù)字化管理等一系列關鍵技術研究和創(chuàng)新應用；最后，結合蘭張鐵路三四線新烏鞘嶺隧道實際工程應用，實現(xiàn)了隧道工程施工施組進度精確形象化動態(tài)管理、安全風險可視化監(jiān)控監(jiān)測預警、質量檢驗在線數(shù)字化管理、人員機械設備信息化管理和生產(chǎn)指揮一張圖輔助決策管理，為實現(xiàn)隧道工程施工信息化、數(shù)字化、精細化管理提供實踐借鑒。

后續(xù)將進一步基于全生命周期建造理念，加深人工智能、數(shù)字孿生等技術在隧道建造方面應用研究，實現(xiàn)建造信息由設計階段向施工階段、竣工交付階段的無損傳遞，進一步提升隧道精益化建造管理水平，并為智能化運維提供建造數(shù)據(jù)和模型服務。