巖土工程智能建造在地下空間的應用及展望

李輝

（中冶集團武漢勘察研究院有限公司）

1 引言

統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示：北上廣、京津冀、南杭青等20多個城市地區(qū)已經(jīng)編制了巖土工程智能建造地下空間專項規(guī)劃，占全國總城市數(shù)量的2/3以上?？梢?，我國已經(jīng)成為世界上地下空間開發(fā)和利用的大國。

2 地下空間建設現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢

2.1 地下空間建設現(xiàn)狀

西方大部分國家在地下空間的開發(fā)和利用方面都取得了較理想的成績，雖然我國在該領域起步較晚，但也取得了一定成效[1]。同時，還存在一些問題。

①我國的巖土工程智能建造在地下空間的應用經(jīng)過多年實踐與積累取得了很大進步，智能建造水平有了顯著提高，但仍然落后于西方國家。

②在地下空間的建設過程中，有個別參建單位為了節(jié)約施工成本和追求利潤最大化，省去了很多環(huán)節(jié)。比如，巖土編制報告由鉆探人員完成，地下水位未能嚴格按照要求進行測量，巖土測試與取樣也未達到要求與標準，后期的勘察報告委托非專業(yè)人員編寫，資料的整理由實習生套用其他項目，未對報告內(nèi)容進行針對性評價。以上問題的存在使報告成果失去了參考意義，給工程的建設質(zhì)量埋下隱患。

③常見的巖土工程地下空間支護體系，從受力模型建立到交付沿用了過去傳統(tǒng)的計算—實驗—施工—產(chǎn)品—交付等環(huán)節(jié)。

2.2 國內(nèi)外發(fā)展趨勢

縱觀世界上的各個國家，都十分注重地下空間的開發(fā)與利用[2]。19世紀中葉世界上第一條地鐵的建設使英國倫敦成為最受矚目的國家，地下空間的開發(fā)和利用也因此得到了長足發(fā)展。地下空間構(gòu)造利用進一步延伸，如地下超市、地下停車場、地下工廠、超深地下實驗室等，這些都已在西方國家地下巖土工程中得到了良好應用。隨著經(jīng)濟社會的不斷發(fā)展，人類對土地資源的需求也在與日俱增，巖土工程智能建造也應運而生。

我國陜西和山西一帶的窯洞是地下空間最成功的案例，早期，窯洞為了抗戰(zhàn)而建設，可以有效躲避敵襲擊。但由于當時不具備專業(yè)技術，修建出來的地下空間存在很多安全問題。在現(xiàn)代社會中，全國各地由于技術不成熟被迫將已經(jīng)修建完成的地下空間推倒早已屢見不鮮，造成極大的經(jīng)濟損失。同時，我國的地下鐵路建設正在快速發(fā)展，給人們?nèi)粘３鲂袔肀憷耐瑫r，也合理利用了地下空間資源。巖土工程智能建造在地下空間的應用為施工企業(yè)提供了技術指導和安全防御措施。

相較傳統(tǒng)的巖土工程項目，地下空間建設環(huán)境復雜，受地形、地質(zhì)條件以及水文等因素的影響較大，地下空間工程要合理解決地面與地下空間二者之間的矛盾，在工程項目開始建設之前，要正確協(xié)調(diào)巖土體與支護結(jié)構(gòu)之間的關系。巖土工程智能建造工程創(chuàng)新模式是將新一代信息技術與工程建造融合，實現(xiàn)建筑業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

3 智能建造在地下空間應用的價值和意義

智能建造是信息技術的產(chǎn)物，是經(jīng)濟社會發(fā)展、科學技術發(fā)展的必然趨勢，是人、物體和信息的智慧結(jié)合，是建立在行為學、信息學以及社會工程學之上的交叉應用。在未來時期內(nèi)，智能化建造將會成為建筑物的重要標志。巖土工程智能化建造在地下空間的應用相比傳統(tǒng)施工來說，具有前沿性。

1）可以實現(xiàn)施工現(xiàn)場全面管理

施工現(xiàn)場的全面管理是決定地下空間質(zhì)量與效率的關鍵所在，智能建造在地下空間中的應用離不開智能技術的支持，這對地下空間的發(fā)展和整體情況來說具有重要影響。智能建造是智能系統(tǒng)的整合，是物理空間與網(wǎng)絡空間的交互，實現(xiàn)了施工現(xiàn)場的全面管理。

2）有效彌補傳統(tǒng)施工疏漏缺陷

現(xiàn)階段，智能建造已經(jīng)成為地下空間開發(fā)和利用工程中的重要組成部分，通過安裝在施工現(xiàn)場的監(jiān)控設備、健全與完善的智能監(jiān)控防范體系，更好地彌補了傳統(tǒng)施工模式下的各種疏漏與缺陷。另外，對施工現(xiàn)場的人員、材料和設備也實現(xiàn)了全方位管理，充分體現(xiàn)了規(guī)范管理的優(yōu)勢。

3）避免對環(huán)境造成影響

巖土工程智能建造在地下空間的應用不僅讓施工現(xiàn)場管理工作更加信息化，讓工程項目的質(zhì)量得到了保證，還可有效避免對周圍自然環(huán)境造成惡劣影響，保證上傳下達信息的暢通無阻。

4）降低施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)的損失

巖土工程智能建造在地下空間的應用不僅讓施工現(xiàn)場管理更加安全可靠，還使智能建造流程達到更高標準，對施工過程中的各類安全隱患可以委派專業(yè)人員進行預防和解決，降低施工環(huán)節(jié)出現(xiàn)的損失，同時讓各項管理工作變得更加專業(yè)、有效率。

5）滿足城市交通實際需求

地下空間的開發(fā)和利用滿足了城市交通的實際需求，地下空間將城市中地面的部分交通設施有序轉(zhuǎn)入地下，在緩解地面交通擁擠的同時，減少因交通建設而占用土地的問題。比如，英國倫敦第一條地鐵的建設其實是將地面鐵路搬到了地下，與地面車輛實行立體分離，滿足城市交通實際需求。

4 傳統(tǒng)巖土工程地下空間建造的弊端與不足

4.1 數(shù)據(jù)準確性易受人為影響

數(shù)據(jù)準確性易受人為影響主要指的是勘查現(xiàn)場的各項數(shù)據(jù)信息的真實性和準確性容易受到人為因素影響。雖然一些施工企業(yè)會委派專業(yè)工程師對施工現(xiàn)場實施全過程跟蹤，但由于其勞動成本過高，在一定程度上會加劇施工企業(yè)的負擔。為此，智能建造被提上了日程。

4.2 數(shù)據(jù)重復問題嚴重

傳統(tǒng)的巖土工程地下空間建造產(chǎn)生的數(shù)據(jù)是由人工方式完成統(tǒng)計的，容易出現(xiàn)大量的重復性記錄，導致數(shù)據(jù)錯誤問題接踵而至。智能建造既可減少人工錄入的繁重工作量，還可提升數(shù)據(jù)信息的準確性。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸流程復雜多變

傳統(tǒng)的巖土工程地下空間建造還存在數(shù)據(jù)傳輸流程復雜多變的現(xiàn)象，導致勘察設備、軟件外業(yè)環(huán)節(jié)與內(nèi)業(yè)環(huán)節(jié)孤立，數(shù)據(jù)傳輸流程復雜。應積極推廣智能建造在傳統(tǒng)巖土工程地下空間的應用，簡化數(shù)據(jù)傳輸流程，大力發(fā)展信息化系統(tǒng)技術。

4.4 數(shù)據(jù)信息共享過程困難

巖土工程地下空間建造會產(chǎn)生大量的信息數(shù)據(jù)。比如，在地質(zhì)地形條件的分析方面，各部門工作人員不僅需要信息數(shù)據(jù)的共享，還要不斷挖掘其他更有價值的數(shù)據(jù)信息。為此，應借助智能建造優(yōu)勢降低數(shù)據(jù)信息統(tǒng)計難度，實現(xiàn)信息數(shù)據(jù)共享。

5 巖土工程智能建造在地下空間的應用

巖土工程智能建造指的是在地下空間開發(fā)過程中充分利用智能技術和智能化系統(tǒng)，提高地下空間建設水平，減少其對人的依賴，達到安全與穩(wěn)定的目的。為此，巖土工程智能建造在地下空間的應用需要做好幾個方面的工作。

1）建立資料文檔信息化系統(tǒng)

資料文檔信息化系統(tǒng)的建立是巖土工程智能建造在地下空間中應用的最基本形式，該系統(tǒng)可以幫助施工企業(yè)解決其在地下空間開發(fā)過程中資料管理、存儲等難題。具體操作流程如下：①將紙質(zhì)版資料文檔統(tǒng)一進行錄入、掃描和數(shù)碼處理，形成電子數(shù)據(jù)庫；②以項目為單位實現(xiàn)文檔信息化，以便各個參建單位人員對地下空間有關資料進行查詢與瀏覽。

2）完成巖土工程地質(zhì)建模

由于巖土工程施工現(xiàn)場勘察鉆孔資料零散，為便于對資料整體分析，一些勘察單位利用計算機完成對巖土工程地質(zhì)的建模。目前，巖土工程地質(zhì)建模方法主要有數(shù)字表面模型法、不規(guī)則格網(wǎng)法。其中，數(shù)字表面模型法指的是根據(jù)巖土工程的特點，通過利用數(shù)據(jù)解釋結(jié)構(gòu)重構(gòu)地質(zhì)體界面，形成網(wǎng)狀曲面；不規(guī)則格網(wǎng)法指的是將區(qū)域劃分為相連的三角面網(wǎng)格，再將三角面的定點、邊進行插值處理。

3）設置勘察數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)

勘察數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)指的是在原始數(shù)據(jù)的基礎上自動生成中間數(shù)據(jù)和最終成果數(shù)據(jù)。常見的有GIS系統(tǒng)。GIS系統(tǒng)既有助于勘察資料的分析與整理，又可以簡化勘察資料的錄入流程。工程項目剖面圖、三維模型等數(shù)據(jù)信息存儲于該系統(tǒng)中，實現(xiàn)數(shù)據(jù)信息的統(tǒng)一管理，達到數(shù)據(jù)信息集成的目的。

6 巖土工程智能建造在地下空間未來展望

6.1 四維可視化技術

巖土工程智能建造中數(shù)據(jù)信息的獲取、傳輸在未來時期都以四維呈現(xiàn)，四維可視化技術指利用物聯(lián)網(wǎng)技術實現(xiàn)巖土工程智能建造現(xiàn)場信息獲取，比如鉆機現(xiàn)場監(jiān)控、基坑隧道動態(tài)監(jiān)測，減少人工工作，保證數(shù)據(jù)信息的真實性與客觀性。

6.2 云GIS技術

云GIS技術指的是在傳統(tǒng)GIS技術的基礎上，通過利用計算機技術幫助作業(yè)人員解決無法及時獲取關鍵信息的難點，使作業(yè)人員根據(jù)實時數(shù)據(jù)信息合理指導施工人員施工。

6.3 感知挖掘技術

感知挖掘技術可以用于巖土工程智能物探、地質(zhì)條件預測等方面，利用大數(shù)據(jù)感知挖掘技術理論，對測量結(jié)果進行統(tǒng)計與分析，幫助項目各專業(yè)技術人員和管理方實現(xiàn)對巖土工程智能建造的宏觀認識，可對地下空間不安全因素的進行判斷。

6.4 BIM技術信息化系統(tǒng)

BIM技術指的是通過數(shù)字仿真模擬建筑物建造過程的一種技術。近年來，BIM技術在巖土工程地下空間建造中的應用主要體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)、技術以及地質(zhì)的可視化即協(xié)同數(shù)據(jù)信息計算方面。隨著科學技術的日新月異，如何更好地實現(xiàn)地下空間建造在結(jié)構(gòu)、技術以及地質(zhì)可視化相互作用、精細化管理的耦合模擬，還需要將智能建造技術融入工程項目的全生命周期中。

6.5 一體化數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)

巖土工程智能建造在地下空間應用涉及多方面環(huán)節(jié)，比如現(xiàn)場勘察、設計、檢測等。但是由于各個環(huán)節(jié)的獨立性，所以各項數(shù)據(jù)信息難免會出現(xiàn)多元化、格式標準化等方面的問題。一體化數(shù)據(jù)與大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)是解決以上問題的重要支撐。隨著信息化技術的普及，智能建造將會越來越多積累各類應用場景的經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，使數(shù)據(jù)智能化，未來時期內(nèi)的巖土工程地下空間建造一體化數(shù)據(jù)與智能化建造大數(shù)據(jù)分析系統(tǒng)相結(jié)合將會成為主流趨勢。

7 結(jié)語

巖土工程智能建造在地下空間的應用任重而道遠，相關工程人員需要不斷學習和創(chuàng)新，勇于發(fā)現(xiàn)其中存在的問題，克服重重困難，促進巖土智能建造在地下空間中的深度應用。