隧道工程數(shù)字信息化施工關(guān)鍵技術(shù)研究

陳平超,豐權(quán)章

（北京中交華聯(lián)科技發(fā)展有限公司,北京 100101）

0 引言

隧道工程施工過程復(fù)雜，因安全保證任務(wù)多、施工質(zhì)量控制要求高、施工協(xié)調(diào)工作重，故對施工現(xiàn)場控制、調(diào)度指揮、施工組織等提出較高的要求。隧道工程施工環(huán)境條件與地質(zhì)情況復(fù)雜，存在較多不可預(yù)見的安全風(fēng)險因素，易出現(xiàn)工期延長風(fēng)險問題。隧道工程施工現(xiàn)場分布有較多的不良地質(zhì)，易出現(xiàn)突泥、突水、巖爆、變形、塌方等，故存在較大的施工安全風(fēng)險[1]。由此可見，怎樣采用新工藝、新技術(shù)與新方法，實現(xiàn)隧道工程的安全、高效、按期施工是亟待解決的問題。在現(xiàn)階段隧道工程施工中，越來越普遍接受與引用數(shù)字信息化施工技術(shù)，并已獲取較好的施工效果。基于此，該文就隧道工程數(shù)字信息化施工關(guān)鍵技術(shù)展開了探討，以供大家參考。

1 施工安全風(fēng)險管控數(shù)字信息化施工關(guān)鍵技術(shù)分析

1.1 存在的問題與解決思路

1.1.1 存在的問題

隧道工程屬于高風(fēng)險工程，隧道工程在施工中存在多種不可預(yù)見風(fēng)險因素，并且存在施工風(fēng)險監(jiān)測難度大、施工安全風(fēng)險識別難度高等問題[2]。

1.1.2 解決思路

為解決隧道工程施工安全風(fēng)險監(jiān)控預(yù)防技術(shù)問題，可在隧道工程施工安全風(fēng)險監(jiān)控業(yè)務(wù)中，引用自動監(jiān)測技術(shù)、超前地質(zhì)預(yù)報技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)等，及時排查隧道施工安全隱患，快速識別施工風(fēng)險源，監(jiān)測圍巖變形，并進行可視化動態(tài)監(jiān)控[3]。為解決狹長隧道工程中人員、設(shè)備監(jiān)控難度大等問題，精準分析隧道工程施工過程洞內(nèi)的工作軌跡，準確統(tǒng)計隧道洞內(nèi)所有工點作業(yè)人員與設(shè)備，應(yīng)深入研究各種人機定位技術(shù)，包括短距離定位技術(shù)、人臉自動識別技術(shù)、數(shù)字視頻技術(shù)等。

1.2 關(guān)鍵技術(shù)

采用數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù)，全方位、24 h遠程在線視頻監(jiān)控隧道重點生產(chǎn)區(qū)域，包括棄渣場、隧道掌子面、隧道洞口、隧道施工現(xiàn)場工點值班室等。警告、提示施工現(xiàn)場中存在的各種不安全因素，包括環(huán)境因素、人的不安全行為因素、物的不穩(wěn)定狀態(tài)因素等。

采用人機定位技術(shù)精準定位隧道洞內(nèi)外施工人員，動態(tài)掌握施工現(xiàn)場運行與人員分布狀態(tài)，警告、提醒施工區(qū)域外作業(yè)人員注意安全，精準考勤管理與統(tǒng)計不同施工區(qū)域中人員的工作狀態(tài)與數(shù)量[4]；采用地表補充調(diào)查、洞身素描、掌子面素描、鉆探等技術(shù)，動態(tài)采集、定時遠程傳輸隧道開挖施工中前方地質(zhì)的信息數(shù)據(jù)，對地質(zhì)預(yù)報成果進行數(shù)字化管理，可即時匯總施工進度、統(tǒng)計施工工程量，發(fā)布與顯示施工成果，超前預(yù)報隧道地質(zhì)現(xiàn)場施工工況等[5]；根據(jù)隧道工程地質(zhì)條件，利用隧道工程地質(zhì)BIM模型，自動識別隧道工程的風(fēng)險程度與風(fēng)險等級，以可視化評估隧道工程施工安全風(fēng)險，科學(xué)指導(dǎo)前方隧道的施工開挖作業(yè)，確保隧道開挖的施工安全。

采用移動物聯(lián)技術(shù)、隧道圍巖自動監(jiān)控測量技術(shù)，實時監(jiān)測隧道的拱頂下沉、地表沉降等，對隧道變形趨勢曲線進行自動繪制，對各統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行自動匯總，根據(jù)多層級預(yù)報警機制，對報警閉環(huán)處置管理進行預(yù)報，雙控報警隧道開挖斷面累計變形量超標與變形速率超標[6]；將每日電子施工日志采集到的實際進度作為依據(jù)，對隧道二襯步距與仰拱進行自動計算，選擇工區(qū)作為單位，繪制二襯、仰拱、掌子面三維立體關(guān)系圖，自動三維可視化預(yù)警提醒超過安全步距，提醒施工人員進行閉環(huán)處置。

2 施工質(zhì)量在線管理數(shù)字信息化施工關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 存在的問題與解決思路

2.1.1 存在的問題

在隧道工程施工中，若隧道發(fā)生較大變形，易出現(xiàn)拱底隆起、拱頂塌陷等問題，故精準預(yù)報圍巖的穩(wěn)定性是非常重要的。因受多種約束條件的影響[7]，如施工現(xiàn)場條件、施工經(jīng)費、施工技術(shù)手段等，易遺漏誤判隧道地質(zhì)情況，導(dǎo)致隧道在開挖施工中易出現(xiàn)安全事故，如冒頂、塌方等。

2.1.2 解決思路

為避免隧道襯砌背后出現(xiàn)空洞、初期支護侵限，并且澆筑密實襯砌，可采用多種新技術(shù)，如物聯(lián)感知技術(shù)、自動監(jiān)測技術(shù)、BIM技術(shù)等。精細化專業(yè)分析隧道混凝土方量、中線偏差、施工超欠挖等，并閉環(huán)追溯原材料質(zhì)量數(shù)據(jù)、專業(yè)分析判斷隧道工程實體質(zhì)量、對隧道工程襯砌防脫空自動分析報警等。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)

利用三維激光掃描技術(shù)，掃描隧道工程開挖斷面，構(gòu)成三維可視化測量點云圖；根據(jù)隧道工程平整度、超欠挖基本計算原理與有關(guān)規(guī)范，比較分析隧道理論參考BIM模型與實測點云圖模型，判斷隧道初期支護是否出現(xiàn)侵限現(xiàn)象，分析隧道的平整度與超欠挖情況。其中，隧道工程施工超欠挖計算流程如圖1所示。

圖1 隧道工程施工超欠挖計算流程

利用試驗室信息化系統(tǒng)，對試驗室預(yù)警處置數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)控，展現(xiàn)尚未處置的監(jiān)控數(shù)據(jù)，并與應(yīng)用位置信息進行關(guān)聯(lián)，嚴格監(jiān)控與閉環(huán)處置施工原材料的質(zhì)量[8]；利用拌和站信息化系統(tǒng)，對尚未處置的監(jiān)控數(shù)據(jù)進行動態(tài)監(jiān)控，并與拌和站工單和盤信息進行關(guān)聯(lián)，嚴格監(jiān)控與閉環(huán)處置施工原材料的質(zhì)量。

根據(jù)液位繼電器的基本工作原理，對混凝土澆筑自動監(jiān)測預(yù)警裝置進行深度研發(fā)；對混凝土需澆筑工程量進行計算，并比較分析澆筑實際量與計算理論量，分析襯砌澆筑的密實度[9]；在澆筑襯砌混凝土到拱頂最高點時，可利用觸發(fā)混凝土液位繼電器的聲光報警器開啟提醒功能，對混凝土澆筑結(jié)束時機進行精準判定。

對不同齡期的混凝土回彈檢測值、各里程段檢測區(qū)設(shè)計強度、鉆芯設(shè)計與實測厚度等進行統(tǒng)計與分析，通過采用圖表形式，對第三方檢測報告進行查詢，分析襯砌背后是否出現(xiàn)空洞現(xiàn)象等。

3 施工設(shè)備數(shù)字化管理數(shù)字信息化施工關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 存在的問題與解決思路

3.1.1 存在的問題

在狹長隧道中，因公路里程較長，故存在運輸干擾、運輸車輛與工程機械設(shè)備監(jiān)管難度高、交通運輸管理效率低、交通組織難度大、數(shù)據(jù)采集傳輸難度大等多種問題。

3.1.2 解決思路

在隧道運輸車輛施工監(jiān)控、機械設(shè)備中運用GIS、GPS、短距離定位、視頻分析等技術(shù)。

3.2 關(guān)鍵技術(shù)

利用人機定位系統(tǒng)，對各種施工機械設(shè)備的實時工作軌跡、關(guān)閉或開啟狀態(tài)、位置信息等信息進行統(tǒng)計分析；在隧道進洞車輛中安裝終端設(shè)備，在隧道洞中安裝數(shù)字視頻監(jiān)控終端與定位基站，對車輛位置信息進行實時捕捉，并將其上傳到云服務(wù)平臺中[10]；為提醒隧道洞中行駛車輛及時就近避讓，構(gòu)建車輛信息數(shù)據(jù)庫，對錯車道、車輛等相對位置信息關(guān)系進行動態(tài)分析，將指令發(fā)送到車輛終端；在隧道工程施工中，為實時分析與統(tǒng)計各施工機械設(shè)備的在線工作軌跡，利用GPS、GIS技術(shù)動態(tài)可視化監(jiān)控與在線精準跟蹤隧道工程車輛運輸行駛路徑。

對施工機械設(shè)備進行加油管控，統(tǒng)計施工機械的油量，分析其油耗情況；利用信息化技術(shù)，動態(tài)監(jiān)控施工機械設(shè)備的工作環(huán)境、工作內(nèi)容與工作場所，形成運行軌跡，集中管理施工機械的工作參數(shù)、外觀質(zhì)量、新舊程度等；統(tǒng)計施工機械設(shè)備的故障、工時、工況等，對施工機械設(shè)備的故障率、使用率進行分析，及時清退經(jīng)常閑置、車況較差的施工機械設(shè)備。

4 施工施組進度關(guān)鍵技術(shù)分析

4.1 存在的問題與解決思路

4.1.1 存在的問題

在隧道工程施工組織設(shè)計中，存在較多難點，包括施工工序銜接復(fù)雜、專業(yè)交叉多、長大線工程復(fù)雜等，難以拆分重復(fù)交叉施工組織組合，無法統(tǒng)一劃分工項與量化工程進度，難以精準統(tǒng)計分析施工進度，并且無法對施工組織進度進行科學(xué)動態(tài)調(diào)整。

4.1.2 解決思路

為進一步優(yōu)化隧道工程施工組織關(guān)鍵路徑，編制數(shù)字化施工組織設(shè)計方案，閉環(huán)管理施工組織進度預(yù)報警，展示三維可視化形象進度，解決施工組織管理數(shù)字化決策技術(shù)問題，應(yīng)研究施工組織進度預(yù)警可視化表現(xiàn)技術(shù)，制定隧道工程施工組織進度跨任務(wù)推演預(yù)測計算方法。

4.2 關(guān)鍵技術(shù)

根據(jù)不同推演指標類型，包括標段經(jīng)驗值、計劃進度、樂觀進度、悲觀進度等。利用數(shù)字化施工組織進度智能預(yù)警、推演技術(shù)，科學(xué)設(shè)計隧道工程進度推演算法，及時解決隧道施工進度滯后的閉環(huán)管理問題，及時預(yù)警提醒關(guān)鍵路徑變更、資源延誤、作業(yè)面沖突等問題，進一步提升隧道工程施工單位進度風(fēng)險預(yù)測能力與風(fēng)險管控水平。

5 工程案例

5.1 隧道工程中存在的問題

某一隧道工程，施工現(xiàn)場地層巖性較復(fù)雜，分布大量的不良地質(zhì)，如變質(zhì)巖、沉積巖、軟弱圍巖等，存在較大的施工安全風(fēng)險；該隧道工程附近為飲用水水源二級保護區(qū)，提出較高的環(huán)水保要求；隧道工程施工現(xiàn)場環(huán)境條件與地質(zhì)條件較復(fù)雜，存在較大的施工工期風(fēng)險；在隧道小斷面斜井長距離運輸中，存在較多的干擾因素，交通運輸管理效率較低、施工交通組織難度大。

5.2 數(shù)字信息化施工技術(shù)的運用

為解決某隧道工程的問題，在隧道工程施工中采用數(shù)字信息化施工技術(shù)，建立隧道工程施工安全網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、BIM管理平臺、施工指揮監(jiān)控中心、施工統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心。施工生產(chǎn)指揮中心可利用各種業(yè)務(wù)系統(tǒng)，掌握隧道工程動態(tài)施工數(shù)據(jù)信息，包括施工安全數(shù)據(jù)、施工質(zhì)量數(shù)據(jù)、施工進度數(shù)據(jù)等，同時可在監(jiān)控屏中，對預(yù)警進行集成展示與分析，遠程集中指揮隧道工程施工作業(yè)，綜合管理隧道工程宏觀信息，集中展示與分析日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)；為徹底排查隧道工程安全隱患，檢測隧道圍巖變形情況，實名管理人機安全定位，可搭建施工BIM管理平臺，設(shè)置隧道施工機械設(shè)備管理模塊、施工質(zhì)量模塊、施工安全模塊、施工進度模塊，并配置20個業(yè)務(wù)運用功能，以精細化管理隧道工程施工電子施工日志、施工組織計劃、施工進度推演預(yù)警等；采用數(shù)字信息化施工技術(shù)，統(tǒng)計與分析拌和站報警處置與產(chǎn)能信息、試驗機試驗數(shù)量不合格數(shù)處置率，并利用監(jiān)控大屏從多個層面實時統(tǒng)計與分析隧道工程的施工安全、施工質(zhì)量、施工進度等情況。

6 結(jié)論

綜上所述，該文深入分析了多種隧道工程技術(shù)與管理問題，包括施工機械設(shè)備管理問題、施工質(zhì)量問題、施工安全風(fēng)險問題、施工進度問題等，提出了隧道工程施工進度與視頻識別、人機定位、變形監(jiān)測、BIM、地質(zhì)探測、三維掃描、物聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字信息化技術(shù)的深度融合，重點探討了多種數(shù)字化信息施工關(guān)鍵技術(shù)，包括施工安全風(fēng)險管控、施工質(zhì)量在線管理、施工設(shè)備數(shù)字化管理數(shù)字信息化施工關(guān)鍵技術(shù)，并以某一隧道工程為例，首先提出了該隧道工程中存在的問題，然后提出相應(yīng)的數(shù)字信息化施工技術(shù)解決方案。該文研究內(nèi)容，對相關(guān)工作人員起到一定的借鑒作用。