基于信息化系統(tǒng)的數(shù)字隧道施工智能化管理

黃麗

（四川公路橋梁建設(shè)集團(tuán)有限公司公路隧道分公司，四川 成都 610200）

0 引言

隨著國(guó)內(nèi)外公路、鐵路隧道建設(shè)腳步的加快及互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的迅猛發(fā)展，信息化施工已經(jīng)成為高風(fēng)險(xiǎn)、多事故隧道建設(shè)中不可缺少的一部分。當(dāng)前，我國(guó)公路、鐵路隧道建設(shè)里程多年穩(wěn)居世界第一，隧道建設(shè)也正向特長(zhǎng)大深隧道方向發(fā)展，隧道建設(shè)比以往任何時(shí)刻更需要實(shí)現(xiàn)信息化施工；此外，國(guó)家大力提倡各行業(yè)進(jìn)行數(shù)字化轉(zhuǎn)型，培育相應(yīng)的數(shù)字產(chǎn)業(yè)，隧道施工信息化、數(shù)字化建設(shè)比以往任何時(shí)刻更加迫切。因此，在互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)已融入各行各業(yè)發(fā)展的大背景下，逐步提高隧道施工信息化水平，建設(shè)數(shù)字隧道與智慧隧道，以實(shí)現(xiàn)隧道施工建設(shè)各環(huán)節(jié)信息化全覆蓋將是隧道建設(shè)的必然發(fā)展趨勢(shì)[1]。

然而，就目前隧道建設(shè)而言，隧道整個(gè)過(guò)程管控全靠有經(jīng)驗(yàn)的項(xiàng)目經(jīng)理和項(xiàng)目總工，很多寶貴經(jīng)驗(yàn)沒(méi)有得到保留，更不用說(shuō)智能化集中建造。為此，公司適當(dāng)超前，基于公司20 年隧道施工數(shù)據(jù)的收集與經(jīng)驗(yàn)的積累，提出發(fā)展理念與實(shí)施方案。

1 系統(tǒng)介紹

基于公司豐富的隧道施工經(jīng)驗(yàn)，以數(shù)字隧道智能建造示范基地建設(shè)為工程依托，研發(fā)智慧隧道AI 建造系統(tǒng)，該系統(tǒng)將接入多個(gè)已有和正在研發(fā)的系統(tǒng)，包括物資設(shè)備、技術(shù)質(zhì)量、安全、綠創(chuàng)等多個(gè)與隧道生產(chǎn)管控相關(guān)的子系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)隧道施工、管理、質(zhì)量數(shù)據(jù)的整合、分析與應(yīng)用，并最終形成一套科學(xué)合理可推廣的數(shù)字隧道智能建造管理系統(tǒng)。本文主要圍繞超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理、監(jiān)控量測(cè)管理、地質(zhì)管理、隱蔽工程管理進(jìn)行介紹[2]。

2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)管理

各項(xiàng)目部針對(duì)地勘資料顯示存在不良地質(zhì)的隧道，應(yīng)對(duì)不良地質(zhì)和特殊性巖土地段編制專項(xiàng)施工方案，當(dāng)遇到不良地質(zhì)時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，及時(shí)反饋量測(cè)結(jié)果，并結(jié)合應(yīng)急預(yù)案，提前做好技術(shù)、物資、機(jī)械的儲(chǔ)備和應(yīng)急演練[3]。

為保證超前地質(zhì)預(yù)報(bào)數(shù)據(jù)的及時(shí)與準(zhǔn)確性，由第三方檢測(cè)單位進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入地質(zhì)超前預(yù)報(bào)內(nèi)容（地震法、地質(zhì)雷達(dá)法、鉆孔法等數(shù)據(jù)），在隧道施工中，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果顯示掌子面前方存在不良地質(zhì)時(shí)，第三方檢測(cè)單位人員輸入預(yù)報(bào)內(nèi)容，智慧隧道AI 建造系統(tǒng)識(shí)別不良地質(zhì)樁號(hào)，同時(shí)公司不定期在系統(tǒng)抽查各項(xiàng)目錄入系統(tǒng)的內(nèi)容進(jìn)行監(jiān)督檢查，當(dāng)系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)有預(yù)警時(shí)，及時(shí)將該信息推送至公司管理層，使得項(xiàng)目及公司層級(jí)均提前掌握即將面臨的不良地質(zhì)施工風(fēng)險(xiǎn)，從而采取措施，降低施工風(fēng)險(xiǎn)，確保安全施工。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)查看界面如表1 所示。

表1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

3 監(jiān)控量測(cè)管理

在隧道道施工中，為掌握圍巖和支護(hù)的工作狀態(tài)，判斷圍巖穩(wěn)定性、支護(hù)結(jié)構(gòu)的合理性和隧道整體安全性，確定二襯的合理施作時(shí)間，需進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)。隧道現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)的必測(cè)項(xiàng)目有：洞內(nèi)外觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉、拱腳下沉[4]。

監(jiān)控量測(cè)由第三方檢測(cè)單位進(jìn)行數(shù)據(jù)錄入，根據(jù)每日輸入的監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)，系統(tǒng)自動(dòng)生成位移時(shí)間曲線，自動(dòng)計(jì)算變形速率并與0 進(jìn)行比較，當(dāng)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示圍巖變形快、結(jié)構(gòu)變形快，或者累計(jì)變形量達(dá)到一定值時(shí)，智慧隧道AI 建造系統(tǒng)將實(shí)測(cè)值與設(shè)定值進(jìn)行比較，若實(shí)測(cè)值超過(guò)設(shè)定值，則自動(dòng)將預(yù)警信息以短信的方式發(fā)送至項(xiàng)目及公司相關(guān)人員手機(jī)上。實(shí)現(xiàn)公司層級(jí)實(shí)時(shí)掌握各項(xiàng)目隧道施工監(jiān)控量測(cè)異常信息，便于公司與項(xiàng)目共同按照位移管理等級(jí)進(jìn)行隧道施工管理。

實(shí)測(cè)位移值不應(yīng)大于隧道的極限位移、并按表2位移管理等級(jí)管理。一般情況下，將隧道設(shè)計(jì)的預(yù)留變形量作為極限位移，設(shè)計(jì)變形量應(yīng)根據(jù)檢測(cè)結(jié)果不斷修正。管理位移在Ⅲ、Ⅱ級(jí)時(shí)，通知到項(xiàng)目相關(guān)管理人員，當(dāng)位移管理在Ⅰ級(jí)或位移速率逐漸增大時(shí)，系統(tǒng)將相關(guān)信息以短信的方式發(fā)送至項(xiàng)目及公司相關(guān)人員手機(jī)上。（預(yù)警值U＞（2U0/3））

表2 位移管理等級(jí)

監(jiān)控量測(cè)位移正常曲線和異常曲線如圖1、圖2所示。

圖1 監(jiān)控量測(cè)位移正常曲線

圖2 監(jiān)控量測(cè)位移異常曲線

根據(jù)位移速率變化趨勢(shì)判斷：當(dāng)圍巖位移速率不斷下降時(shí)，圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)圍巖位移速率保持不變時(shí)，圍巖尚不穩(wěn)定，應(yīng)加強(qiáng)支護(hù)；當(dāng)圍巖位移速率上升時(shí)，圍巖處于危險(xiǎn)狀態(tài)，必須立即停止掘進(jìn)，采取應(yīng)急措施。

根據(jù)位移速率變化趨勢(shì)來(lái)判斷：由于巖體的流變特性，巖體破壞前變形時(shí)程曲線可分為3 個(gè)階段：①基本穩(wěn)定區(qū)：主要標(biāo)志為位移速率逐漸下降，表明圍巖處于穩(wěn)定狀態(tài)；②過(guò)渡區(qū)：位移速率保持不變，表明圍巖向不穩(wěn)定狀態(tài)發(fā)展，需發(fā)出警告，加強(qiáng)支護(hù)系統(tǒng)（以等于0 的參數(shù)為預(yù)警值）；③破壞區(qū)：位移速率逐漸增大，表明圍巖進(jìn)入危險(xiǎn)狀態(tài)，要立即停止施工，采取有效手段，控制其變形。監(jiān)控量測(cè)位移實(shí)際填報(bào)曲線如圖3所示。

圖3 監(jiān)控量測(cè)位移曲線

4 地質(zhì)管理

項(xiàng)目部由技術(shù)員負(fù)責(zé)上報(bào)地質(zhì)照片，項(xiàng)目總工對(duì)照片進(jìn)行審核。在每一循環(huán)施工結(jié)束后，技術(shù)員登錄賬號(hào)進(jìn)入所屬項(xiàng)目地質(zhì)工程版塊，上傳地質(zhì)工程照片，包括拱頂照片、左邊墻照片、右邊墻照片、掌子面照片，且要求照片清晰可判識(shí)。項(xiàng)目總工對(duì)照片上傳的質(zhì)量、及時(shí)性、準(zhǔn)確性進(jìn)行把關(guān)，實(shí)施監(jiān)督，項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)根據(jù)掌子面地質(zhì)圖及AI 系統(tǒng)自動(dòng)判識(shí)結(jié)果判別施工風(fēng)險(xiǎn)，保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全。地質(zhì)工程情況填報(bào)如圖4所示。

圖4 地質(zhì)情況

公司分管責(zé)任人以管理員身份登錄系統(tǒng)地質(zhì)工程管理模塊，查看各項(xiàng)目不同工作部位不同循環(huán)所上報(bào)的地質(zhì)情況照片，通過(guò)查看掌子面地質(zhì)圖及AI 系統(tǒng)自動(dòng)判識(shí)結(jié)果，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程管控；對(duì)于復(fù)雜/不良地質(zhì)情況，邀請(qǐng)地質(zhì)專家進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)。

通過(guò)AI 建造系統(tǒng)，形成整個(gè)掌子面地質(zhì)圖，自動(dòng)判識(shí)當(dāng)前掌子面圍巖巖性、發(fā)育程度、裂隙等。

5 隱蔽工程管理

為牢固樹(shù)立公司“百年大計(jì)、質(zhì)量第一”的思想，全面貫徹落實(shí)“以人為本、健康安全、保護(hù)環(huán)境、持續(xù)發(fā)展、誠(chéng)信守法、質(zhì)量至上”的管理方針，進(jìn)一步加強(qiáng)公司對(duì)工程項(xiàng)目重點(diǎn)工序隱蔽工程管理，避免重點(diǎn)工序隱蔽工程可能造成的質(zhì)量隱患，確保各項(xiàng)目各分項(xiàng)工程中重點(diǎn)工序隱蔽工程嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)圖紙、施工技術(shù)規(guī)范和檢評(píng)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行施工，檢驗(yàn)和中間交工驗(yàn)收，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目交工驗(yàn)收質(zhì)量合格、竣工驗(yàn)收質(zhì)量?jī)?yōu)良的目標(biāo)，公司開(kāi)發(fā)了隱蔽工程管理模塊，不定期對(duì)各項(xiàng)目重點(diǎn)工序隱蔽工程管理情況進(jìn)行檢查[5]。

項(xiàng)目部由技術(shù)員負(fù)責(zé)上報(bào)隱蔽工程照片，項(xiàng)目總工對(duì)照片進(jìn)行審核。在每一循環(huán)施工結(jié)束后，技術(shù)員登錄賬號(hào)進(jìn)入所屬項(xiàng)目隱蔽工程版塊，上傳隱蔽工程照片，包括拱頂（120°范圍）照片、左側(cè)拱腳照片、右側(cè)拱腳照片、光面爆破效果圖，且要求照片清晰可判識(shí)。項(xiàng)目部總工對(duì)照片上傳的質(zhì)量、及時(shí)性、準(zhǔn)確性進(jìn)行把關(guān)，實(shí)施監(jiān)督。隱蔽工程情況填報(bào)如圖5 所示。

圖5 隱蔽工程情況

公司分管責(zé)任人以管理員身份登錄系統(tǒng)隱蔽工程模塊，查看各項(xiàng)目不同工作部位不同循環(huán)所上報(bào)的照片，通過(guò)照片識(shí)別鋼拱架數(shù)量、間距是否滿足設(shè)計(jì)要求；超前小導(dǎo)管/超前錨桿數(shù)量是否滿足，是否存在偷工減料行為；鎖腳錨桿安裝是否規(guī)范，拱腳是否脫空；是否采用光面爆破開(kāi)挖，殘孔率是否滿足要求，是否存在嚴(yán)重的超欠挖。

通過(guò)AI 建造系統(tǒng)，形成整個(gè)支護(hù)全景圖，可反映整個(gè)循環(huán)支護(hù)情況，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)場(chǎng)施工問(wèn)題，管理員及時(shí)對(duì)接施工現(xiàn)場(chǎng)，實(shí)施監(jiān)督并糾偏，保證現(xiàn)場(chǎng)施工安全。

6 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)“智慧隧道AI 建造”的實(shí)施，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)分析、AI 算法等信息技術(shù)，固化隧道建造工序庫(kù)和定額庫(kù)，形成標(biāo)準(zhǔn)化、流程化、數(shù)字化的隧道建造方案，從而實(shí)現(xiàn)隧道智能化集中建造，為隧道施工的信息化、智慧化轉(zhuǎn)型賦能。通過(guò)實(shí)踐應(yīng)用，數(shù)字隧道智能建造管理系統(tǒng)的應(yīng)用可形成龐大數(shù)據(jù)庫(kù)，進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)和整合應(yīng)用，進(jìn)行施工指導(dǎo)，讓使用者全面掌握施工動(dòng)態(tài)，實(shí)時(shí)監(jiān)控現(xiàn)場(chǎng)施工，大大提高施工安全與質(zhì)量。