高速鐵路隧道智能建造關鍵技術與發展趨勢

韓自力

（中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2019年底，我國已經投入運營的高速鐵路有77條，總長2.5萬km；共建成高速鐵路隧道2 915座，總長4 623 km，其中長度大于10 km的特長隧道61座，總長約813 km［1］。隨著高速鐵路隧道的建設，我國隧道建造理念、勘察技術、設計技術、施工設備及施工管理水平有了長足的進步，同時機械化裝備制造技術與物聯網、云計算及大數據等信息處理技術亦快速發展。在隧道工程智能建造方面，研發了可實現G1S技術集成于三維模型、數據處理的綜合監控平臺，隧道工程結構狀態健康監測系統，基于BIM的虛擬、動態設計系統和基于專家系統的隧道設計參數智能化選擇系統。鉆孔攝像技術、高光譜成像技術、三維數碼攝像、激光掃描技術、隨鉆測量技術［2-5］已經得到應用。涵蓋初期支護、二次襯砌施工及運營的隧道質量智能化管控及檢測技術，針對應力應變監測和水壓力監測的隧道襯砌結構智能化監測系統［6-7］及基于建筑信息建模（BIM）的隧道智能化建造協同管理平臺等也得到了發展［8］。

政策與需求引領智能建造技術在鐵路工程行業的應用。為實現制造強國戰略目標，2015年國家提出了第一個十年行動綱領“中國制造2025”。2016年7月，國務院重新修編了《中長期鐵路網規劃》，規劃2020年鐵路網規模將達到15萬km，標志著我國鐵路建設進入新時期。與此同時，2018年1月，中國鐵路總公司提出鐵路應率先實現現代化及2020，2025，2035年的奮斗目標。

智能鐵路是現代新技術在鐵路領域的綜合應用，是鐵路運輸發展的必然方向［9］。隧道智能建造作為智能鐵路有機組成部分，代表了未來隧道修建技術的發展方向。隧道智能建造是在智能系統頂層設計基礎上的單一專業延伸實踐［10］，也是工程建造領域的發展方向，是新形勢下鐵路工程建設發展的必然趨勢［11］。如何適應新形勢下鐵路隧道建設需求，將智能建造技術應用于鐵路隧道建設，從技術應用層面和管理層面推進其與鐵路建設的融合，利用智能建造技術這一重要工具促進隧道工程項目的一體化管理、提升隧道工程品質，已成為隧道工程建設領域的重要課題。

本文在總結近年來高速鐵路隧道智能建造典型工程實踐基礎上，闡述高速鐵路隧道智能建造的概念與關鍵技術，著重闡述基于輕量化BIM的隧道建設信息化智慧系統、隧道可視化智能檢測監測系統及高速鐵路隧道智能建造協同管控信息化平臺解決方案，并分析高速鐵路隧道智能建造發展趨勢。

1 高速鐵路隧道智能建造典型實踐及概念與關鍵技術

中國鐵路隧道建造始于1888年獅球嶺隧道（全長261 m），130余年來，中國鐵路隧道先后經歷了技術起步、初步發展、快速發展和引領世界4個階段，不斷刷新世界隧道建造紀錄，成為“中國建造”的亮麗名片，我國已成為名副其實的隧道建設大國。近年來在高速鐵路隧道建設領域，以京張、鄭萬、京雄等線路隧道工程為代表的多座隧道實現了“智能建造”理念在鐵路隧道工程領域的綜合應用。

開挖工法的選擇直接決定了建造全過程中智能建造技術的不同，由于隧道鉆爆法施工在地質適應性、斷面適應性、短距離施工、設備購置成本等方面優于掘進機法施工，鐵路隧道仍將多數采用鉆爆法施工建造。

20世紀80年代以來，帶有液壓機械臂的鑿巖鉆機在隧道內開始應用，標志著我國隧道機械化施工的開端。其中，以衡廣復線大瑤山隧道作為我國隧道機械化施工推廣的起點，隨后在大秦、南昆、滬昆、京九、西康、成蘭等線路鐵路建設中逐步完善，形成了多種機械化施工成套技術和設備配套模式。近年來，京張高速鐵路和鄭萬高速鐵路典型隧道修建過程中，已經掌握了全斷面、臺階法開挖方式下硬巖、軟巖在超前鉆探、開挖作業、支護作業、仰拱作業、防（排）水板作業、二次襯砌作業及水溝電纜槽七條作業生產線智能化裝備的配套應用［12-15］，見表1。當前機械化應用水平規模由小到大、試用范圍由窄到寬、信息化水平由低到高、支護結構適應性由差變強，在智能化裝備合理配套、性能匹配、均衡生產、造價核算等方面積累了豐富的經驗。圖1、圖2所示裝備布置上具備一定的推廣價值。在此基礎上，逐漸形成了以數字化資源為核心和基礎，以智能化裝備為工具，以網絡化信息傳輸、信息化經營管理為抓手，以現代化監控量測為輔助，以實現建造運維全過程的信息化、自動化、無人化或少人化的高速鐵路隧道智能建造理念。

表1 智能化裝備成套配置（單作業面）

圖1 懸臂掘進機法機械化配套施工示意

圖2 三臂鑿巖臺車法機械化配套施工示意

中國工程院在“智能高鐵戰略研究（2035）”項目研究中圍繞國家高速鐵路智能化發展的重大戰略需求，構建了智能高速鐵路體系架構，提出了智能高速鐵路技術平臺和關鍵技術，制定了智能高速鐵路標準體系和評價體系，規劃了智能高速鐵路發展路線圖及相關政策建議［16］。該項目研究提出了隧道智能建造概念，即基于信息化技術，通過對“地-隧-機-信-人”及內外部環境的全面感知、泛在互聯、融合處理、主動學習和科學決策，高效綜合利用鐵路隧道的移動、固定、空間、時間和人力資源，實現隧道建設、運維全生命周期的高度信息化、自動化、智能化，打造更安全可靠、經濟高效的新一代隧道建造技術體系，并闡述了智能建造在勘察設計、工程施工和建設管理方面的技術路線，明確了BIM與物聯網結合、檢測監測數據自動傳輸及融合設計、施工、物資、質量評價等于一體的協同管控平臺3個方面的關鍵技術。

高速鐵路隧道智能建造同樣遵循“從實踐中來，到實踐中去的”的馬克思主義實踐與認識的辯證關系。立足國情、路情，根據當前裝備與信息化技術發展，并總結典型高速鐵路隧道建設經驗，中國鐵道科學研究院集團有限公司提出了基于輕量化BIM的隧道建設信息化智慧系統、隧道可視化智能檢測監測系統及高速鐵路隧道智能建造協同管控信息化平臺解決方案，相關技術在京張高速鐵路清華園隧道與八達嶺隧道、浩吉鐵路中條山隧道（重載鐵路隧道）進行了應用，為智能建造技術在此類鐵路隧道工程中的深化應用提供參考。

2 基于輕量化BIM的隧道建設信息化智慧系統關鍵技術

2.1 需求分析

當前既有鐵路隧道建設管理系統主要面向施工單位，主要包括進度管理、合同管理、物資管理、材料管理、成本管理、拌和站管理和試驗室管理等模塊。多年來既有管理系統在隧道工程的建設中起到了相當重要的積極作用，同時多年來的實踐也發現既有系統存在以下問題：

1）進度管理方面，進度計劃靈活性不足，協調、監管難。

2）施工組織設計方面，編制工作繁重，信息內容重復率高，方案編制受人員影響較大，部分方案編制與實施分離。

3）施工質量管理方面，預埋預留問題多，各類隧道襯砌結構病害問題及成因考慮不足，質量問題整改不力。

4）監控量測方面，監測信息不直觀，監測信息滯后，監測斷面沒有針對性。

5）圖紙管理方面，紙質圖紙管理復雜，圖紙解讀易出錯。

6）技術交底方面，施工復雜與工人理解力較低存在矛盾，紙質交底效率低，相關單位參與度低。

上述問題，對隧道建設信息化技術應用提出了現實需求。鑒于此，中國鐵道科學研究院集團有限公司開發了基于輕量化BIM的隧道建設信息化智慧系統。

2.2 管理優勢

當前BIM技術應用已經從理論探討進入實踐應用階段，已從規劃設計階段的虛擬施工、碰撞檢測拓展至施工階段4D虛擬施工、物料跟蹤、施工現場配合等。概括起來，基于BIM的鐵路隧道建設管理集中體現在6方面：①施工進度動態管理；②質量監控與管理；③施工安全評估與預警管理；④可視化交底管理；⑤“三維-二維-三維”圖紙管理；⑥虛擬建造。

2.3 管理模式

鐵路隧道BIM施工安全管理模型是在鐵路隧道BIM設計模型和施工模型基礎上，結合隧道施工前、施工中、施工后完整過程的安全管理工作而形成的流程化模型體系，如圖3所示。模型由數據層、施工模型層和應用層3個層次組成，數據層主要由隧道的BIM設計模型、施工過程中各類監測信息、虛擬施工模型及施工相關的標準、規范、施工組織設計、合約文件等構成；施工模型層是對數據層信息數據的加工與技術處理，形成相應的質量管理模塊、進度管理模塊、安全管理模塊和成本管理模塊；應用層是進行相應的安全管理，包括三維圖紙資料、專項方案編制、安全措施費用管理、應急疏散模擬管理、安全技術交底、施工安全檢查、安全空間管理、監控量測數據處理等工作。基于此模型，實現自上而下的數據調用，以及橫向各模塊、各專業間信息互通，各層次分工明確、流程清晰、信息流暢，形成完整動態的應用閉環，對傳統鐵路隧道施工管理工作進行了較大的改造和提升。

圖3 鐵路隧道BIM施工管理模型

2.4 系統實現

BIM模型最終是以多維度、多功能、多用途的模型計算機圖形的形式展現在顯示設備上。隧道建設工程往往體量巨大，龐大冗余的海量信息加上巨大的隧道BIM模型，即使在高配民用計算機設備上運行起來也是捉襟見肘。為解決上述矛盾，提出將BIM模型進行輕量化處理的解決方案。

通過從幾何轉換和渲染處理2個環節進行優化，將復雜網格切分、重復網格合并、幾何數據壓縮，最大程度減少對計算機資源的占用，達到輕便快捷、合理易用的效果，如圖4所示。圖5為基于輕量化BIM的隧道建造期綜合信息管理系統架構，融信息管理、施工進度管理、監控量測及風險預警、圖紙管理、虛擬建造于一體，為隧道建設的智慧化提供助力。

圖4 BIM輕量化技術手段

在圖5的基礎上，可建立基于輕量化BIM設計的系統架構，如圖6所示，將施工信息輸入至服務器，服務器基于SQL Sever數據庫系統進行大數據管理與計算，同時利用免費開源的Web輕量級應用服務Apache Tomcat系統技術將數據庫信息共享至Web網站系統及移動客戶端。

圖5 基于輕量化BIM的隧道建造期綜合信息管理系統架構

圖6 基于輕量化BIM的隧道建設信息智慧系統架構

3 隧道可視化智能檢測監測系統關鍵技術

3.1 可視化檢測監測必要性及系統組成

采用新奧法修建的山嶺隧道，施工前依據計算與工程類比等綜合決定支護結構設計參數，施工中根據位移等的監控量測結果進行動態設計修正。當前，監控量測數據多采用報表形式體現，主要存在以下弊端：①監測里程無法與現場圍巖情況、施工方法、施工管理手段直觀對應；②各監測斷面間缺乏聯系，無法對監測段落進行總體把控；③監測日報或月報存在上傳下達周期，影響管理人員根據監測數據作出響應的時間。

利用輕量化BIM可視化與模型信息關聯性特點，結合施工期間隧道監控測量項目對地表沉降、洞周收斂、拱頂下沉點、混凝土應力、鋼筋應力、土壓力、錨桿軸力、隧道襯砌空洞、滲水狀況進行建模，建立數據庫，將數據庫中信息匹配到輕量化BIM模型中相應位置，可高效合理地指導隧道施工。如圖7所示，將隧道的輕量化BIM模型與隧道動態施工信息計算機系統集成，可以充分利用BIM三維可視化和信息標準化特點，解決了隧道施工監測信息管理的瓶頸問題，實現隧道真正意義上的動態設計。此外，還可針對各工點隧道設計特定的監控量測要求，并根據大數據對監測項目的合理性給出建議。

圖7 基于輕量化BIM的隧道可視化檢測監測系統組成

3.2 基于無線自組網與輕量化BIM融合的隧道可視化智能檢測監測系統

目前國內隧道監控測量基本采用埋設傳感器，靠人工周期性讀取數據，手工分析判讀的方法，存在成本高、效率低、數據滯后、實時性差、數據利用率低等問題。因此，需要建立一套信息化的監控測量系統，實現采集實時化、傳輸自主化、存儲數據化、判讀智能化的目標。

鑒于以上，中國鐵道科學研究院集團有限公司開發了基于無線自組網與輕量化BIM融合的隧道可視化智能檢測監測系統，如圖8所示。本系統由遠程智能檢測監測系統、中繼轉發設備、無線通信專網、數據采集終端等幾部分組成。遠程智能檢測監測系統部署于專用機房，基于輕量化BIM技術開發，負責數據匯聚、存儲、分析、智能研判、趨勢分析、信息推送等。用戶終端采用B/S架構，通過接入服務器獲取數據展示、信息接收，實現對傳感器的遠程控制等功能。中繼轉發設備位于隧道兩端，同時連接隧道內無線通信專網網絡和外部鐵路專網，一方面負責將無線通信專網的數據上傳至鐵路專網服務器，另一方面將服務器的操作指令轉發至隧道內無線通信專網網絡。無線通信專網位于隧道內，由基站設備、無線接入終端等幾部分組成，具備隧道內無線組網、傳感器數據采集等功能。基站設備一方面可以自動組成貫穿全隧道的干線網并代替光纜，另一方面還可以向下提供無線接入網絡，無線接入終端可以將數據采集設備采集的數據進行回傳。數據采集終端部署于各監測斷面，通過RS232，RS485總線等與傳感器連接，定時主動或根據服務器指定命令讀取傳感器數據。傳感器數據采集模塊完成信息采集后，通過無線通信專網基站設備匯聚到數據中繼終端，并經外部鐵路專網回傳到服務器上。

圖8 隧道可視化智能檢測監測系統架構

系統具備無線組網、高兼容性、多種采集方式、實時回傳、反向可控、數據歸一化處理與大數據應用等特點或功能，體現系統通用性與擴展性相結合、技術先進性與任務實際需求相結合開發理念，在京張高速鐵路八達嶺隧道開展了應用，效果良好。

4 高速鐵路隧道智能建造協同管控技術體系及平臺建設

4.1 技術體系組成及架構

鐵路隧道智能建造是一個系統工程，其總體架構由智能裝備、智能感知、數據資源、智能決策和智能管控5個層級構成，見圖9。其中智能感知、數據資源、智能決策3個中間層級的運用體現于第2，第3章核心技術的實現過程。底層智能裝備是機械化、信息化高度融合的隧道開挖裝備，圖9集中體現的是山嶺隧道開挖所需關鍵裝備。頂層智能管控集中體現智能建造的精髓與能動性、互動性，是全生命周期智能建造過程的集中展示與運用，也是協同管控技術體系最直接的表現，其作為應用于各條鐵路線路隧道工程的面向管理、設計、施工技術人員的管理平臺展現出來，包含機器人化施工管控、動態三維設計管控及各項業務智能化管理，其中施工是設計的延伸與體現，管理是施工與設計有效實施的推手，三者各自作為鐵路隧道智能建造的技術體系之一集中體現于智能建造的管控平臺上。

圖9 鐵路隧道智能建造總體架構

管控平臺建設的前提是對機器人化施工管控、動態三維設計管控及各項業務智能化管理三者核心技術的程序化實現，施工管控體現于工藝工法，設計管控體現于智能設計，業務智能化管理直接展現于協同管控平臺。

工藝工法技術架構見圖10，其落腳點是各類信息化高度集成的機械裝備智能化施工，涵蓋常規的山嶺隧道施工、隧道掘進機施工和預制裝配式施工。每一類施工工法都涵蓋檢測監測，基于物聯網與各類智能傳感器，最終可實現第3節所述可視化智能檢測監測系統，該系統作為協同管理平臺的分項顯示于程序界面上。

圖10 鐵路隧道智能建造工藝工法技術架構

鐵路隧道智能設計方法技術架構見圖11。隧道的智能設計是實現數字隧道和智慧隧道的基礎，智能設計的關鍵在于設計參數的智能化選擇與修正。借助于BIM等信息化技術，可實現隧道的三維數字化建模與數據建檔，實現隧道各項數據的數字化存儲，依托物聯網技術，結合安全風險感知和預警技術，實現隧道與外部的信息互聯，建立智慧隧道信息和數據流傳輸通道，最終建立基于輕量化BIM的隧道建設信息化智慧系統，該系統同樣作為協同管理平臺的分項顯示于程序界面上。

鐵路隧道智能建造協同管理技術架構見圖12。協同體現在多類型參建單位的標準化、一體化管理，是創新性管理模式的主體，融合多種信息化系統的集中管控是智能決策和智能管控的外在表現，考慮全生命周期的各類成本控制技術是隧道工程建設經濟性的有效保障。

圖11 鐵路隧道智能設計方法技術架構

圖12 鐵路隧道智能建造協同管理技術架構

4.2 信息化協同管理平臺建設

從隧道工程建造全過程實際需求角度出發，統一接口、標準，中國鐵道科學研究院集團有限公司提出了高速鐵路隧道智能建造信息化協同管理平臺架構，見圖13。

1）主要功能

①平臺對隧道設計、施工全過程運行設施和單元進行精細化綜合管理，根據需要通過互聯網瀏覽器，全天候實時三維可視化展現設備及單元運行狀態。

②通過傳感器實現隧道建設過程數據的全樣本采集，實現隧道建設過程數據的自動存儲、梳理、分析、判斷、歸集處理、定向目標推送、數據關聯、展現、形成報表等。

圖13 高速鐵路隧道智能建造信息化協同管理平臺架構圖

③融合輕量化BIM系統、可視化智能檢測監測系統、建設單位既有管理系統、國鐵集團工程建設管理平臺，實時掌握項目現場的“項、機、人、物、環”各環節中的項目情況、設備情況、人員情況，物資情況、環境情況。

2）軟件實現

①將隧道建設設施及單元的運行數據、環境狀態參數等通過相應的傳感器組網，實時在線與離線人工有效填報相結合，實現隧道建設過程運行數據采集。

②通過輕量化BIM信息化智慧系統，可視化智能檢測監測系統在互聯網上通過瀏覽器（B/S）實現隧道建設過程實時場景與運行設備及設備之間的連接等三維動態可視化。

③若建設單位已經具備諸如“施工管理系統”“混凝土拌和站質量管理系統”“質量信譽評價系統”等，在統一數據類型基礎上，將此類系統與輕量化BIM信息化智慧系統和可視化智能檢測監測系統并列設置，按照模塊化獨立功能單元形式在顯示界面上橫向排列出來，選定某一模塊后，界面左邊將豎向分層級列出該模塊的所屬功能子模塊，并可任意選擇調用。

④平臺搭建完成后，按照國鐵集團信息化系統管理各類文件進行試用、驗證、評審。

5 高速鐵路隧道智能建造技術發展趨勢

總體來說，智能建造在高速鐵路隧道領域的應用尚處于快速發展階段，如何利用先進的信息技術及工業裝備制造資源，建立完善智能建造技術體系是當前面臨的核心難題，也是本領域研究發展的趨勢。可概括為以下4點：

1）完善高速鐵路隧道智能建造理論創新。綜合物聯網、云計算、移動互聯、大數據、BIM、GIM等技術，立足機械化與信息化深度融合，基于運籌學、管理學、工程經濟學與系統工程理論，構建適用于我國國情的高速鐵路隧道智能建造頂層設計體系及功能架構，引入工程控制論的基本思想，提出適用于高速鐵路隧道建造全生命周期的機械行為方式、電子遠程傳輸、信息整合融合、材料適配優選、工程經濟優化等方面的理論體系。

2）推廣預制裝配式新型支護結構體系及營造方式。裝配式結構標準化、定制化、批量化等特點可更有效地串聯溝通制造單位、建設單位、設計單位、施工單位和后期運營維護單位，相較于傳統隧道建造工法，其在信息化、機械化等方面的應用具有天然優勢。新建京張鐵路清華園隧道及新建鄭萬鐵路羅家山隧道橫洞都采用了預制裝配式軌下拼裝結構，在結構構件材質、規格形式、連接方式與接口設計參數等方面進行了探索與實踐，已經證明了該類結構可有效降低工程造價、提升生產效率和施工安全。在充分考慮項目研究適用性和前瞻性的基礎上，推廣應用全斷面預制裝配式隧道新型建造技術可加快既有科研成果付諸實踐，串聯貫通科研、設計、施工、建設管理等單位，促進研究成果驗證并轉化、落地、推廣。

3）加快多功能智能化隧道開挖支護大機裝備研發。我國目前隧道工程機械基本依靠國外進口，且主要被德國、芬蘭、瑞典等國家企業所壟斷，建設成本與技術受限阻礙了鐵路隧道工程產業結構調整及建造技術升級。高技術、高附加值的隧道智能建造裝備研發關聯到材料、電子、信息、機械等工業方向，盡快開展系列鐵路隧道智能建造單工序機器人化裝備與多功能集成化隧道施工大機裝備研發，不但可以提升我國隧道工程裝備技術水平，同時對于提升我國鐵道行業整體競爭能力，維護國家經濟安全和戰略利益具有重要的意義。

4）啟動高速鐵路隧道智能建造施工、驗收、工程造價方面技術立法。基于智能建造裝備，編制涵蓋超前支護施工、鉆爆開挖施工、初期支護施工、防（排）水板施工、二次襯砌施工、溝槽施工等各階段的標準機械化施工流程與工藝，通過現場應用推廣進一步形成建造工法。在此基礎上制定修訂驗收與物資驗收方面核算規程，完備標準規范體系。

6 結束語

在當前世界制造業加速向我國轉移的過程中，通過發展隧道智能建造技術來提升我國鐵道行業整體競爭能力，對實現“中國制造2025”和中國鐵路“走出去”的戰略布局具有極其重要的意義。本文在闡述高速鐵路隧道智能建造典型實踐及概念和關鍵技術的基礎上，詳細論述了關鍵核心技術所包括的基于輕量化BIM的隧道建設信息化智慧系統、隧道可視化智能檢測監測系統這2個子系統與隧道智能建造協同管控平臺的實現方法，進一步分析了高速鐵路隧道智能建造技術發展趨勢，為高速鐵路隧道及相關工程領域的智能化方向研究應用提供一定的參考。