高速鐵路山嶺隧道智能化建造技術(shù)研究
——以鄭萬高速鐵路湖北段為例

王志堅

(武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430200)

21世紀(jì)以來，隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展及綜合國力的日益提高，我國高速鐵路隧道建造技術(shù)發(fā)展迅猛。截至2018年底，中國已投入運(yùn)營的高速鐵路隧道共3 082座，總長4 896 km。中國已成為名副其實(shí)的隧道大國，但目前隧道施工的機(jī)械化、智能化程度較低，主要采用人工及小型機(jī)具進(jìn)行施工[1-2]。2015年，我國政府提出了力爭用十年時間使我國邁入制造強(qiáng)國行列，全面實(shí)現(xiàn)制造業(yè)重點(diǎn)領(lǐng)域智能化[3]。2018年，原中國鐵路總公司提出“交通強(qiáng)國、鐵路先行”戰(zhàn)略目標(biāo)[4]及智能鐵路總體框架與發(fā)展方向[5]。同時，隨著我國西部大開發(fā)戰(zhàn)略的實(shí)施，在中西部地區(qū)鐵路建設(shè)過程中必將涌現(xiàn)大量的復(fù)雜地質(zhì)長大隧道，對我國高速鐵路隧道建設(shè)的安全性、高效性、質(zhì)量可控性提出了更高的要求。

隧道智能化建造是指綜合運(yùn)用移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計算、人工智能、BIM等新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)大型智能化施工裝備對圍巖情況和支護(hù)結(jié)構(gòu)狀態(tài)等隧道施工相關(guān)信息動態(tài)感知、實(shí)時分析、自主決策、精準(zhǔn)執(zhí)行，打造更加安全、可靠、經(jīng)濟(jì)高效的隧道智能化建造體系，能有效節(jié)約人力資源，并更好的保證施工安全和質(zhì)量，是中國高速鐵路隧道施工技術(shù)的發(fā)展方向。同時，機(jī)械化施工、信息化管理是實(shí)現(xiàn)隧道智能化建造的基礎(chǔ)，而智能化建造是隧道機(jī)械化施工、信息化管理的進(jìn)一步提升與發(fā)展。

隧道智能化建造技術(shù)以全斷面機(jī)械化施工方法為基礎(chǔ)，必須同時保證掌子面及洞身的穩(wěn)定性[6-7]，而圍巖分級是洞身支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，掌子面分級是超前支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計的依據(jù)，因此智能圍巖分級系統(tǒng)包括圍巖分級與掌子面分級兩部分。近年來許多學(xué)者利用新興的數(shù)學(xué)理論及計算機(jī)智能化系統(tǒng)相結(jié)合的方法[8-11]，實(shí)現(xiàn)圍巖分級的智能化判別，但均需要人工測試巖體強(qiáng)度等分級指標(biāo)，然后手動輸入系統(tǒng)，并未實(shí)現(xiàn)圍巖參數(shù)自動采集、分析、分級的圍巖智能化分級系統(tǒng)[12-13]。目前，隨鉆測量技術(shù)可實(shí)現(xiàn)多參數(shù)自動獲取[14]，但多是研究單一鉆進(jìn)參數(shù)與某種巖性巖體的關(guān)系，不具有普遍性，難以指導(dǎo)實(shí)際工程中的圍巖分級。

國內(nèi)外支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計多采用經(jīng)驗(yàn)法，同時也開展了大量智能化設(shè)計方面的研究[15]，主要基于BIM的虛擬、動態(tài)設(shè)計和基于專家系統(tǒng)的支護(hù)參數(shù)自動推薦技術(shù)。在挪威，已經(jīng)有摒棄2D圖紙，直接應(yīng)用3DBIM模型指導(dǎo)施工的先例，此外韓國、日本、美國、德國等國家均有應(yīng)用BIM進(jìn)行大規(guī)模隧道工程建設(shè)的案例[16-17]。在國內(nèi)，將BIM應(yīng)用于隧道建設(shè)的實(shí)例很多，如：寶蘭客專石鼓山隧道、西成客專清涼山隧道等。但主要體現(xiàn)在基于BIM進(jìn)行動態(tài)設(shè)計，關(guān)于自動提供優(yōu)化施工參數(shù)、超前支護(hù)類型及設(shè)計參數(shù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計參數(shù)的智能化設(shè)計系統(tǒng)較少。

國內(nèi)外以AMV、Atlas Copco及智能化鑿巖臺車為代表的智能化施工設(shè)備已經(jīng)取得了豐富成果并在實(shí)際隧道工程中得到應(yīng)用。智能化施工設(shè)備大多可以實(shí)現(xiàn)地下施工機(jī)械的自動導(dǎo)航、快速就位，基于現(xiàn)場施工機(jī)械上傳數(shù)據(jù)在云端快速生成施工報告，可及時傳輸?shù)接脩粢苿佣诉M(jìn)行查看等功能。單機(jī)智能化施工裝備開始了初步探索和研發(fā)，但由于隧道施工存在多個工序，目前研發(fā)的智能裝備還不能實(shí)現(xiàn)全工序遠(yuǎn)程遙控施工，各智能裝備之間信息流動類型、協(xié)同控制技術(shù)等研究不足，未形成統(tǒng)一的開挖及支護(hù)智能化裝備協(xié)同管理平臺。

國內(nèi)外隧道施工及運(yùn)營期間質(zhì)量控制及檢測多以傳統(tǒng)方法(肉眼觀察、鉆芯取樣、回彈測試、沖擊聲波法、地質(zhì)雷達(dá)等)為主，作業(yè)效率較低，尚未達(dá)到高效、全面地對隧道超前支護(hù)、初期支護(hù)、二次襯砌進(jìn)行質(zhì)量管控及檢測。此外，激光三維掃描、數(shù)碼成像、機(jī)器人智能監(jiān)測等新技術(shù)也被應(yīng)用于隧道質(zhì)量管控及檢測，但集成化、智能化程度不高。

國內(nèi)外在隧道掌子面及超前地質(zhì)信息自動獲取及判別、設(shè)計參數(shù)智能化選擇、開挖及支護(hù)智能化施工、隧道質(zhì)量智能化管控及檢測的研究、應(yīng)用方面尚有很多不足，且未形成“地質(zhì)信息收集判別—設(shè)計參數(shù)智能化選擇—開挖及支護(hù)智能化施工—智能化質(zhì)量管控及檢測”建造體系，因此需對智能化建造協(xié)同管理平臺開展系統(tǒng)性的研究。

鄭萬高速鐵路湖北段是我國高速鐵路隧道全地質(zhì)、全斷面實(shí)施機(jī)械化施工、信息化管理的先行者。2017年5月，原中國鐵路總公司批準(zhǔn)了“鄭萬高鐵大斷面隧道安全快速標(biāo)準(zhǔn)化修建關(guān)鍵技術(shù)研究”科研立項，對大斷面隧道機(jī)械化施工系列裝備、隧道支護(hù)設(shè)計方法、大斷面隧道施工工法及工藝、隧道施工質(zhì)量信息化管控等關(guān)鍵技術(shù)開展系統(tǒng)、深入研究，目前已在18座隧道(47個工區(qū))實(shí)現(xiàn)了全地質(zhì)、全斷面、機(jī)械化、信息化、安全、高質(zhì)量、快速施工，前期相關(guān)研究成果為隧道智能化建造技術(shù)的發(fā)展奠定了堅實(shí)的基礎(chǔ)[6-7,18-21]。2018年10月，原中國鐵路總公司批準(zhǔn)《高速鐵路山嶺隧道智能化建造技術(shù)研究》科研立項，我國高速鐵路隧道智能化建造就此正式拉開序幕。

1 鄭萬高速鐵路湖北段隧道工程概況

鄭萬高速鐵路湖北段起于襄陽、止于巴東，全長約287 km，設(shè)計速度350 km/h，是鄭渝高速鐵路(鄭州—重慶)的重要組成部分，鄭萬高速鐵路湖北段線路平縱斷面見圖1。

鄭萬高速鐵路湖北段隧道工程有以下幾個典型特點(diǎn)：

(1)隧線比高。新建隧道32.5座，總長167.6 km，隧線比約58%。

圖1 鄭萬高速鐵路湖北段線路平縱斷面圖

(2)隧道斷面面積大。采用單洞雙線大斷面型式，開挖面積約150 m2。

(3)軟弱圍巖比例大。Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖段長度為113.0 km，占比約67.4%，其中頁巖、灰?guī)r、白云巖、砂巖、泥巖5種巖性圍巖地段長度占比88.8%。

(4)長大深埋隧道多。深埋隧道占97.5%，10 km以上隧道7座。

為實(shí)現(xiàn)鄭萬高速鐵路湖北段安全、高質(zhì)量、快速施工，同時推進(jìn)我國高速鐵路隧道機(jī)械化、信息化建造技術(shù)的發(fā)展，武九鐵路客運(yùn)專線有限責(zé)任公司(以下簡稱“武九公司”)聯(lián)合科研、設(shè)計、施工、裝備制造等多家單位，圍繞大斷面隧道機(jī)械化開挖工法、支護(hù)參數(shù)及設(shè)計方法、配套施工工藝、信息化管理方法等方面開展了研究，并取得了大量成果[6-7]。在此基礎(chǔ)上，為進(jìn)一步推廣以上研究成果、提升我國高速鐵路隧道建造水平，開展高速鐵路山嶺隧道智能化建造技術(shù)研究。

2 隧道支護(hù)設(shè)計的智能化構(gòu)建

2.1 高速鐵路山嶺隧道圍巖智能分級系統(tǒng)

2.1.1 研究思路及技術(shù)路線

構(gòu)建不同圍巖級別條件下由鉆進(jìn)參數(shù)及對應(yīng)地質(zhì)素描得到的圍巖級別、掌子面穩(wěn)定性級別樣本庫；應(yīng)用多層前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分別建立圍巖分級和掌子面穩(wěn)定性分級模型；采用樣本庫對模型進(jìn)行訓(xùn)練，最終建立以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為核心的圍巖分級方法，利用機(jī)器學(xué)習(xí)開源框架編寫圍巖智能分級軟件。技術(shù)路線見圖2。

圖2 高速鐵路山嶺隧道圍巖智能分級系統(tǒng)技術(shù)路線

2.1.2 采集樣本形成樣本庫

(1)鉆進(jìn)參數(shù)(DP)

三臂鑿巖臺車鉆進(jìn)過程中，傳感器自動記錄6項鉆進(jìn)參數(shù)，包括推進(jìn)速度Vp、沖擊壓力Ph、推進(jìn)壓力Pf、回轉(zhuǎn)壓力Pr、水壓力Pw、水流量Qw，鉆進(jìn)參數(shù)的處理通過臺車配套的處理軟件實(shí)現(xiàn)。

(2)圍巖級別和掌子面穩(wěn)定性

通過現(xiàn)場掌子面地質(zhì)素描獲得巖石堅硬程度、巖體完整程度和地下水狀態(tài)等指標(biāo)，并根據(jù)TB 10003—2016《鐵路隧道設(shè)計規(guī)范》[22]及“鄭萬高鐵大斷面隧道安全快速標(biāo)準(zhǔn)化修建關(guān)鍵技術(shù)研究”課題的相關(guān)研究成果[19]判斷圍巖級別和掌子面穩(wěn)定性級別。

截至到目前，共采集鉆進(jìn)參數(shù)、掌子面地質(zhì)素描各800余份，涉及Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖，涵蓋白云巖、變質(zhì)砂巖、灰?guī)r、頁巖、泥巖共5種主要巖性。

2.1.3 圍巖智能分級和掌子面穩(wěn)定性智能分級模型

(1)圍巖智能分級模型

采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立圍巖智能分級模型[23]，見圖3，網(wǎng)絡(luò)層數(shù)為5層，即輸入層、3層隱含層和輸出層。其中輸入層6個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)6個鉆進(jìn)參數(shù)，輸出層1個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)圍巖級別，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)通過研究確定。

(2)掌子面穩(wěn)定性智能分級模型

采用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立掌子面穩(wěn)定性分級模型，見圖4。網(wǎng)絡(luò)層數(shù)為5層，即輸入層、3層隱含層和輸出層。其中輸入層6個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)6個鉆進(jìn)參數(shù)，輸出層1個節(jié)點(diǎn)對應(yīng)掌子面穩(wěn)定性級別，隱含層節(jié)點(diǎn)數(shù)通過研究確定。

圖3 圍巖智能分級深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

圖4 掌子面穩(wěn)定性分級深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型

目前，根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)原理及圍巖樣本鉆進(jìn)參數(shù)、掌子面地質(zhì)素描，已完成基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的圍巖智能分級軟件核心程序編譯，可實(shí)現(xiàn)手動輸入掌子面鉆進(jìn)參數(shù)，自動進(jìn)行掌子面圍巖級別判釋。

2.2 高速鐵路山嶺隧道設(shè)計參數(shù)智能化選擇系統(tǒng)

2.2.1 研究思路及技術(shù)路線

根據(jù)鐵路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖和設(shè)計方案及鄭萬高速鐵路大型機(jī)械化配套施工隧道設(shè)計參數(shù)優(yōu)化資料，建立設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)庫A；從“高速鐵路山嶺隧道圍巖智能分級系統(tǒng)”和“武九公司信息化管理系統(tǒng)”[8-9]及設(shè)計要求，獲取掌子面穩(wěn)定性級別、圍巖級別、隧道分類管理等級、隧道斷面埋深等選擇設(shè)計參數(shù)B，并結(jié)合設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)庫，建立設(shè)計參數(shù)匹配方法(A，B)；融合專家知識庫和機(jī)器學(xué)習(xí)開源框架，最終形成設(shè)計參數(shù)智能化選擇軟件。技術(shù)路線見圖5。

圖5 高速鐵路山嶺隧道設(shè)計參數(shù)智能化選擇系統(tǒng)

2.2.2 建立設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)庫

隧道設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)庫包含3個子庫，即超前支護(hù)設(shè)計參數(shù)子庫、鉆爆設(shè)計參數(shù)子庫、支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)子庫。其中，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)子庫根據(jù)《鐵路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖》及鄭萬高速鐵路大型機(jī)械化配套施工隧道設(shè)計參數(shù)優(yōu)化資料建立，超前支護(hù)設(shè)計參數(shù)子庫、鉆爆設(shè)計參數(shù)子庫根據(jù)現(xiàn)場工程設(shè)計方案建立。通過搜集鐵路隧道設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)圖及相關(guān)鐵路隧道支護(hù)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計圖，已整理形成支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)子庫。

2.2.3 建立設(shè)計參數(shù)匹配方法

結(jié)合“高速鐵路山嶺隧道圍巖智能分級系統(tǒng)”給出的掌子面穩(wěn)定性級別和圍巖級別、“武九公司信息化管理系統(tǒng)”給出的隧道分類管理等級及隧道斷面埋深情況及設(shè)計要求，獲取設(shè)計速度、單雙線類型、線路類型(客貨共線、客運(yùn)專線等)等參數(shù)。輸入“設(shè)計參數(shù)選擇匹配系統(tǒng)”，并調(diào)用統(tǒng)計整理形成的“設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)庫”進(jìn)行參數(shù)匹配，進(jìn)而給出符合所有選擇參數(shù)的設(shè)計參數(shù)。其中，文獻(xiàn)[7]對隧道分類管理等級進(jìn)行了介紹。

目前建立了基于Oracle 11 g數(shù)據(jù)庫的支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計參數(shù)自動選擇軟件，該軟件初步實(shí)現(xiàn)根據(jù)輸入的選擇參數(shù)自動推薦支護(hù)結(jié)構(gòu)類型及設(shè)計參數(shù)并給出相應(yīng)圖紙。

3 高速鐵路山嶺隧道智能化施工與質(zhì)量控制體系

3.1 高速鐵路山嶺隧道開挖及支護(hù)智能化施工系統(tǒng)

3.1.1 研究思路及技術(shù)路線

依據(jù)隧道施工需求，以機(jī)械化、信息化施工技術(shù)為基礎(chǔ)，深度融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)開挖及支護(hù)智能化施工設(shè)備，依據(jù)隧道全工序智能化施工要求，建立開挖及支護(hù)智能化裝備協(xié)同管理方法，并利用計算機(jī)語言建立協(xié)同管理平臺。技術(shù)路線見圖6。

本系統(tǒng)主要包括智能化施工裝備、智能化裝備協(xié)同管理平臺兩部分。其中，智能化施工裝備根據(jù)施工分區(qū)，又可分為超前支護(hù)智能化施工裝備、鉆爆開挖智能化施工裝備、初期支護(hù)智能化施工裝備、二次襯砌智能化施工裝備。

共計劃研發(fā)大型智能型施工裝備8臺，目前，已成功研發(fā)的裝備見表1，各智能化設(shè)備技術(shù)參數(shù)見文獻(xiàn)[24]。

圖6 高速鐵路山嶺隧道開挖及支護(hù)智能化施工系統(tǒng)

表1 智能化施工裝備研發(fā)狀態(tài)

序號施工工序設(shè)備名稱研發(fā)狀態(tài)具體進(jìn)度1超前支護(hù)智能型注漿臺車已研發(fā)已研制成功2鉆爆開挖智能型鑿巖臺車已研發(fā)已研制成功345初期支護(hù)智能型噴射臺車已研發(fā)已研制成功智能型拱架臺車已研發(fā)已研制成功智能型錨桿臺車已研發(fā)已研制成功678二次襯砌數(shù)字化防水板臺車已研發(fā)已研制成功數(shù)字化襯砌臺車已研發(fā)已研制成功數(shù)字化養(yǎng)護(hù)臺車研發(fā)中已完成智能化方案設(shè)計

3.2 高速鐵路山嶺隧道質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)

3.2.1 研究思路及技術(shù)路線

通過智能化施工裝備的精確作業(yè)，實(shí)現(xiàn)對施工質(zhì)量的初步管控；通過智能化施工裝備自感知元件，獲取隧道超前支護(hù)、鉆爆開挖、初期支護(hù)、二次襯砌的質(zhì)量管控參數(shù)；通過開展相關(guān)質(zhì)量檢測，綜合獲得隧道超前支護(hù)、鉆爆開挖、初期支護(hù)、二次襯砌的質(zhì)量檢測參數(shù)；建立質(zhì)量管控及檢測參數(shù)數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)相關(guān)規(guī)范確定的評價標(biāo)準(zhǔn)，構(gòu)建隧道施工質(zhì)量評價方法和相應(yīng)工程對策，實(shí)現(xiàn)對施工質(zhì)量的最終管控，并利用計算機(jī)語言編寫隧道施工質(zhì)量評價軟件。技術(shù)路線見圖7。

本系統(tǒng)主要包括超前支護(hù)質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)、鉆爆開挖質(zhì)量管控與檢測系統(tǒng)、初期支護(hù)質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)、二次襯砌質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)等4部分。

3.2.2 超前支護(hù)質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)

超前支護(hù)主要包括超前注漿、超前小導(dǎo)管、超前管棚、超前纖維錨桿，主要利用智能型鑿巖臺車、智能型注漿臺車實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的精準(zhǔn)管控，利用“開挖及支護(hù)智能化裝備協(xié)同管理平臺”相應(yīng)施工日志(鉆孔日志、注漿日志、支護(hù)日志等)及常規(guī)和無損檢測手段對施工質(zhì)量進(jìn)行檢測。

3.2.3 鉆爆開挖質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)

鉆爆開挖質(zhì)量管控主要利用智能型鑿巖臺車對過程參數(shù)精準(zhǔn)管控，利用“開挖及支護(hù)智能化裝備協(xié)同管理平臺”相應(yīng)施工日志(鉆孔信息、輪廓掃描信息等)對超欠挖情況進(jìn)行檢測。

圖7 高速鐵路山嶺隧道質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)

3.2.4 初期支護(hù)質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)

初期支護(hù)主要包括錨桿、鋼架(含鋼筋網(wǎng)片)、噴混凝土，主要利用智能型錨桿臺車、智能型拱架臺車、智能型噴射混凝土臺車實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的精準(zhǔn)管控，利用“開挖及支護(hù)智能化裝備協(xié)同管理平臺”相應(yīng)施工日志(鉆孔信息、注漿信息、支護(hù)信息等)及常規(guī)和無損檢測手段對施工質(zhì)量進(jìn)行檢測。

3.2.5 二次襯砌質(zhì)量智能化管控及檢測系統(tǒng)

二次襯砌主要包括防水板、模筑鋼筋混凝土，主要利用數(shù)字化防水板臺車、智能型襯砌臺車、智能型養(yǎng)護(hù)臺車實(shí)現(xiàn)對過程參數(shù)的精準(zhǔn)管控，利用“開挖及支護(hù)智能化裝備協(xié)同管理平臺”相應(yīng)施工日志(安裝信息、澆筑信息、養(yǎng)護(hù)信息等)及常規(guī)和無損檢測手段對二次襯砌施工及長期運(yùn)營質(zhì)量進(jìn)行檢測。

4 高速鐵路山嶺隧道智能化建造協(xié)同管理平臺

4.1 研究思路及技術(shù)路線

分析智能施工設(shè)備的數(shù)據(jù)采集方法，構(gòu)建數(shù)據(jù)識別、清洗、封裝、存儲、轉(zhuǎn)換規(guī)則庫，研發(fā)施工作業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與傳輸系統(tǒng)；分析各子系統(tǒng)之間輸入與輸出關(guān)系，研究系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)、業(yè)務(wù)關(guān)系，開發(fā)系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)接口；以“武九公司信息化管理系統(tǒng)”為核心，研究與“高速鐵路山嶺隧道圍巖智能分級系統(tǒng)”“高速鐵路山嶺隧道設(shè)計參數(shù)智能化選擇系統(tǒng)”“高速鐵路山嶺隧道開挖及支護(hù)智能化施工系統(tǒng)”“高速鐵路山嶺隧道質(zhì)量智能化管控與檢測系統(tǒng)”的整合方案，并實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)集成，最終形成“高速鐵路山嶺隧道智能化建造協(xié)同管理平臺”。技術(shù)路線見圖8。

4.2 數(shù)據(jù)采集、預(yù)處理規(guī)則研究

研究適合智能施工設(shè)備的數(shù)據(jù)感知方法，結(jié)合新舊系統(tǒng)的業(yè)務(wù)管理需要，構(gòu)建各類智能施工設(shè)備感知數(shù)據(jù)的識別、清洗、編碼、封裝等規(guī)則庫，利用規(guī)則庫對數(shù)據(jù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)化封裝處理，主要包括：

(1)數(shù)據(jù)采集，利用各類傳感器采集數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)與智能施工設(shè)備唯一身份標(biāo)識ID屬性進(jìn)行組合，形成感知數(shù)據(jù)元；

(2)內(nèi)部傳輸，借助無線網(wǎng)絡(luò)將感知數(shù)據(jù)元傳送至數(shù)據(jù)預(yù)處理中心；

(3)數(shù)據(jù)預(yù)處理，依據(jù)規(guī)則對數(shù)據(jù)元進(jìn)行識別、清洗、剔除冗余或無效數(shù)據(jù)元，并與施工作業(yè)參數(shù)和屬性進(jìn)行結(jié)構(gòu)化封裝，形成結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包，并對數(shù)據(jù)包進(jìn)行本地存儲。

4.3 數(shù)據(jù)傳輸研究

數(shù)據(jù)傳輸主要是將封裝后的結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)包從作業(yè)現(xiàn)場推送至協(xié)同平臺服務(wù)器，由數(shù)據(jù)推送和數(shù)據(jù)接收兩個服務(wù)組成。數(shù)據(jù)推送服務(wù)位于智能施工設(shè)備的PC控制臺，數(shù)據(jù)接收服務(wù)位于協(xié)同平臺服務(wù)器。數(shù)據(jù)推送服務(wù)由遠(yuǎn)程推送請求、遠(yuǎn)程響應(yīng)識別、數(shù)據(jù)推送控制、異常處理四個子服務(wù)組成。數(shù)據(jù)接收服務(wù)由實(shí)時監(jiān)聽服務(wù)、數(shù)據(jù)接收控制、作業(yè)數(shù)據(jù)識別三個部分組成。

4.4 數(shù)據(jù)接口研究

在現(xiàn)有的協(xié)同管理平臺基礎(chǔ)上增加“系統(tǒng)采集與傳輸系統(tǒng)”，借助新增模塊獲取智能施工設(shè)備的作業(yè)數(shù)據(jù)。在新舊系統(tǒng)整合過程中，采用“中間件”來實(shí)現(xiàn)，通過建立“接口中間件”的方式來實(shí)現(xiàn)不同應(yīng)用模塊之間的數(shù)據(jù)交互。

目前已研發(fā)了高可用、可伸縮、可擴(kuò)展的隧道大數(shù)據(jù)協(xié)同管理平臺，這是隧道智能建造的核心，可有效打破設(shè)計單位、施工單位、建設(shè)單位、智能裝備之間的信息孤島，為整個隧道智能建造的管理創(chuàng)新提供核心數(shù)據(jù)支撐。可以實(shí)現(xiàn)隧道圍巖智能分級、隧道智能設(shè)計、智能施工管理、質(zhì)量智能評價、襯砌智能監(jiān)測等功能，但目前均處于試驗(yàn)階段尚未投入生產(chǎn)。

圖8 高速鐵路山嶺隧道智能化建造協(xié)同管理平臺

5 結(jié)束語

目前，鄭萬高速鐵路隧道已實(shí)現(xiàn)全地質(zhì)、全斷面、全工序機(jī)械化施工及信息化管理，為我國高速鐵路山嶺隧道實(shí)現(xiàn)智能化建造提供了技術(shù)支撐。綜合當(dāng)前高速鐵路隧道建設(shè)需求、現(xiàn)階段技術(shù)水平以及未來發(fā)展趨勢，我國隧道智能化建造技術(shù)的發(fā)展可以分為以下3個階段：

(1)2019-2020年，鄭萬高速鐵路湖北段在機(jī)械化施工、信息化管理的基礎(chǔ)上，開發(fā)成套智能化施工裝備，創(chuàng)新性的將隧道數(shù)字化設(shè)計理論、機(jī)器人設(shè)計理論、三維重建技術(shù)應(yīng)用至施工裝備，全面完善隧道施工過程中的數(shù)據(jù)采集、傳輸過程，使用人工智能技術(shù)對施工過程大數(shù)據(jù)進(jìn)行有效分析，為裝備施工決策、施工組織、施工質(zhì)量評價提供準(zhǔn)確、透明數(shù)據(jù)，初步建立隧道智能化建造體系。

(2)2021-2025年，隨著智能建造體系的試驗(yàn)與推行，不斷積累完善各類地質(zhì)條件下的隧道設(shè)計與施工方法，最終突破基于深度學(xué)習(xí)的隧道智能化建造技術(shù)理論，實(shí)現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的隧道智能化建造體系。

(3)2026-2035年，建立動態(tài)感知、實(shí)施分析、精準(zhǔn)決策、自主執(zhí)行的隧道智能化建造體系，全面推廣、實(shí)現(xiàn)隧道智能化建造。

此外，施工機(jī)械信息化和智能化技術(shù)的不斷進(jìn)步，對施工人員自身素質(zhì)也提出了更高的要求。然而現(xiàn)階段由于一些因素的限制，智能裝備推廣和施工理念更新還需要時間，現(xiàn)階段具有智能化裝備操作經(jīng)驗(yàn)的施工人員相對緊缺就是具體表現(xiàn)之一。為了進(jìn)一步推進(jìn)隧道智能化建造技術(shù)的發(fā)展，還需要在技能人才的培養(yǎng)方面投入更多。