隧道智能建造技術的發展與應用

殷付通 王明軍 張世超 靳浩然 呂慶霞 劉靜菲

摘要：我國隧道與地下工程建設由高速度發展轉向了高質量發展，大量新技術和新裝備的使用提高了隧道建設施工的質量和效率。以隧道建筑信息模型和地理信息系統為核心，結合多種信息技術的隧道智能建造體系（Intelligent tunnel construction system），可以有效的降低隧道施工的人員成本，提高隧道施工機械化水平，實現隧道建設全過程的智能化、標準化、信息化管理。

Abstract： The construction of tunnels and underground engineering in China has shifted from high-speed development to high-quality development. The use of a large number of new technologies and equipment has improved the quality and efficiency of tunnel construction. The intelligent tunnel construction system takes tunnel building information model and geographic information system as the core， and combines with a variety of information technologies， so it can effectively reduce the cost of tunnel construction personnel， improve the level of tunnel construction mechanization， and realize the intelligent， standardized， and informatized management of the whole process of tunnel construction.

關鍵詞：隧道建設;智能建造;BIM;機械化;信息化

Key words： tunnel construction;intelligent construction;BIM;mechanization;informatization

中圖分類號：TU741? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2020）23-0112-02

0? 引言

我國隧道工程技術的快速發展始于上世紀80年代，當時正值改革開放的浪潮席卷我國東部沿海地區[3]。作為一個隧道建設大國，近40年隧道和地下工程建設技術積累，我國在隧道勘察、設計、建造和運營領域取得了長足的發展和經驗。在隧道的建設全生命周期內不斷應用各種高新科技，提出并實踐了一系列隧道工程技術，也為國際隧道工程技術的進步與發展做出了不可或缺的貢獻。

傳統土木建筑領域是勞動密集型產業，一個工程項目往往需要大量人員參與，由于人員素質和水平參差不齊，管理尤為困難。在很長一段時間內，國內勞動力的成本低廉直接促進了隧道工程的快速發展。但是低廉的人工成本和昂貴的施工機械一次性投入也阻礙著國內先進隧道施工機械的大規模普及，傳統的勞動密集型的施工方法與新的隧道施工方法、理念顯得格格不入。隨著農村老一代勞動人口老齡化，大量的建筑從業者退出建筑行業，農村新一代年輕群體大多不愿意從事繁重的建筑勞動，造成了建筑業勞動力在一段時間內相對短缺的情況[2]。勞動力短缺引發的勞動力成本逐年上升，迫使企業越來越多的使用機械替代人工。機械化水平的提高帶來的不僅是生產效率的提高、施工質量、安全的保證，還有人員管理成本的大幅度縮減。高度機械化、信息化、智能化是隧道工程未來必然的發展方向。

1? 我國隧道工程建設的發展

中國古代有著“火燒水澆”原始隧道開挖方法，今陜西省漢中縣褒谷口內的“石門”隧道就是用這種方法修建的，而中國最早的地下隧道可以追溯到春秋戰國期間，是秦國為了鞏固統治修建的“褒斜道”。隨著火藥的發明，隧道建設也進入了“礦山法”時代，“礦山法”是中國隧道建設歷史上使用時間最長、應用最廣泛的隧道施工方法。后來國內引入的“新奧法”和“新意法”等先進施工理念與中國實際工程相結合發展出了“淺埋暗挖法”[4]并成功運用在北京復興門地鐵折返線工程中，“淺埋暗挖法”的出現使得我國的淺埋暗挖技術一直處于世界領先地位[5]。盾構和TBM技術作為隧道施工最為先進的施工裝備使得隧道施工的機械化水平得到了大幅度提升，掘進機施工有著機械化程度高、施工速度快、地面沉降小等優點，為隧道智能建造的發展提供了良好平臺。

我國盾構與TBM起步較晚，但經過十多年的潛心學習和自主創新我國的盾構技術已經達到了世界先進水平，國產盾構機和TBM不僅占有國內近90%的市場，還遠銷世界多個國家[6]。我國隧道建設施工經歷了“手工化”到“機械化”再到“信息化”的發展路程，未來的智能“信息化”隧道建造會更加的高效、智能，智能化的機械裝備將會取代人工和落后的機械設備。

2? 隧道智能建造的內容

2.1 隧道智能建造的提出

隨著城市地下綜合體、地下鐵路，綜合管廊以及各類淺層地下設施的開發與建設，未來的地下工程會向著更深的地層發展，隧道建設也會迎來各種復雜地質條件下的隧道工程，埋深大、隧道長、大斷面、修建難度大將會是隧道建設中不可回避的挑戰，傳統的隧道建設施工方法難以在復雜的地質條件下正常的開展隧道工程作業。隧道智能建造的提出不僅是為了解決復雜地質下隧道修建的有關問題，而且隧道工程也要緊跟信息技術的急速發展，更好更快的完成工程建設。

隧道智能建造以隧道建筑信息模型和地理信息系統為核心，利用大數據、人工智能、信息化監控等一系列高新技術與先進隧道施工機械裝備實現隧道建設全過程的智能化、信息化管理[7]。隧道的智能化建造已經不是一項單純的隧道設計、開挖、掘進、支護的技術，它是一種多種智能信息技術與先進機械裝備互相配合開展的多專業、多工種、多工序的系統性工程。智能勘測與超前預報、智能化協同設計、開挖施工貫穿了隧道建設項目全生命周期，是隧道智能建造全生命周期的核心問題。

2.2 智能勘測與超前地質預報

地質勘測與超前地質預報是隧道建設的先行軍，是隧道及地下工程建設中極其重要的一項任務。隧道智能建造依靠地理信息系統、三維空間定位系統以及精密的量測設備完成工程擬建區域內地形、地層全要素的信息獲取。在隧道擬建區域進行勘測后建立道勘測數據庫，依據圍巖與支護理論自動進行圍巖分級并給出設計開挖、支護措施建議。

隧道超前地質預報技術是指在隧道開挖過程中，對掌子面前方及其周邊的圍巖與地層情況做出超前預報[8]。為可能出現的各種不良地質情況作出應對措施。超前地質預報可以極大地降低施工風險，保障隧道施工的安全進行。智能化的隧道建設體系中在開挖、鉆孔、爆破、支護的各個階段實時采集、監測圍巖參數，利用鉆孔分析法和計算機圖像分析法結合大數據分析比對自主判斷前方圍巖穩定性狀況并實現支護和襯砌的動態優化設計。

2.3 隧道智能化協同設計

基于BIM技術的隧道項目設計是實現隧道智能協同化設計的可行方案，隧道建設生命周期的BIM技術可以實現對隧道勘測、設計、施工到運維的智能信息化管理[9]。建筑工程領域BIM技術在建筑、結構、給排水等專業的協同設計已應用于實際工程。利用地質勘察的數據結合地理坐標系統可建立隧道擬建區域的可視化模型，根據智能化的圍巖分級結果進行隧道結構優化設計。

BIM協同設計的另一項優點是可以實現三維圖紙的存檔和數字化設計交付，甚至可以完全省去紙質圖紙。基于BIM技術得三維設計模型能夠輸出任意位置的隧道橫、縱截面圖，節省了大量重復性繪圖工作。在對BIM模型進行輕量化處理后可以實現隧道建設過程AI模擬參觀展示。

2.4 隧道智能化開挖施工

隧道的智能化建設也必須遵循傳統隧道開挖方法的經驗理論，堅持圍巖的主體地位，襯砌與圍巖共同作用，發揮圍巖的自穩能力，安全合理高效地進行隧道智能化設計、建造。以TBM和盾構機為主要掘進手段的隧道智能化施工的核心是在信息化系統的指導下利用機械設備進行隧道施工[10][11]。根據前期地質勘測和超前地質預報的數據參數，系統智能選擇最佳的掘進參數，利用已開挖洞體周邊圍巖的監測信息動態化進行支護襯砌，及時用預制管片封閉成環。基于BIM技術的隧道智能化施工可以做到管片級定位，每一片預制管片都可以做到實時定位、應力監測和狀態查看。基于BIM建立的隧道信息化施工管理體系統籌管理各項工作信息，監測圍巖數據并及時智能分析反饋，實時掌握施工現場作業情況。

3? 隧道智能建造的工程應用

貴南高鐵廣西段隧道在建設過程中圍繞隧道拱頂空洞、矮墻滲水等問題自主研發了的隧道智能澆筑系統PMS信息管理系統結合多種隧道施工裝備共同構成了智能化隧道建設管理信息系統，解決高鐵隧道施工過程中的諸多難題，為貴南高鐵廣西段施工順利完工提供了可靠保障[12]。京張高鐵清華園隧道段是京張高鐵重要的控制節點工程，線路穿越北京主城區，橫跨多條城區主道路，與多條地鐵線路較差重疊。為解決工程地質復雜、環境特殊、施工難度大的難題，研發基于BIM的隧道施工管理信息系統，并成功應用在該項目中[13]。鄭萬高鐵湖北段在建設過程中為實現預定施工目標，基于圍巖穩定承載和新奧法的理念，建立了一套貫穿隧道結構設計、機械化施工、智能動態支護、防水作業和信息管理的智能化隧道修建技術體系[14]。

4? 結語

隧道智能化建造技術的基礎是隧道施工的高度機械化和信息化技術的進步。機械化水平的提高解放了大量的勞動力，也改善了施工質量良莠不齊的局面;信息化技術的進步將隧道建設數據化，實現了實時數據保存與分析，給出最優的施工方案;智能管理系統的應用確保了隧道施工的安全有序可視化管理，極大地改善隧道施工管理水平。三者相互促進發展并利用人工智能結合大數據信息處理隧道建設中可能出現的突發問題，自主調整施工參數，真正實現隧道施工智能化、標準化、無人化施工。

參考文獻：

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