基于案例庫的鐵路隧道開挖方案智能設計方法

高玉祥 董曉峰 程建軍 韓峰

1.北京交通大學土木建筑工程學院，北京100044；2.北京交通大學建筑與藝術學院，北京100044；3.石河子大學水利建筑工程學院，新疆石河子832003；4.蘭州交通大學土木工程學院，蘭州730070

我國是世界上山地分布最廣的國家之一，山區面積約占到陸地面積的三分之二，而中西部的山地占比則更大［1］。隧道是山區鐵路設計中的重要內容。我國在長期的鐵路建設過程中解決了很多工程難題，積累了豐富的隧道建設經驗。由于隧道工程非常復雜，斷面開挖方法的選擇至關重要，科學合理的開挖方法能夠保證隧道施工安全和預期的工程進度。顏杜民［2］根據隧道開挖不同階段的圍巖變形曲線特征，建立了基于S 型函數的隧道開挖全過程變形預測模型，提高了隧道工程安全施工的水平。黃維新等［3］通過研究隧道開挖順序分析軟弱圍巖不同時間段變形量，提出了先開挖深埋側的建議。劉詩音等［4］采用最小安全系數法對開挖過程中圍巖穩定性進行分析。趙智濤等［5］認為隧道爬坡開挖與水平開挖的影響區域范圍具有差異性，但掌子面穩定性則區別不大。馬玉春等［6］利用有限元數值模擬方法研究了高地應力軟巖隧道的開挖方法及變形控制措施。目前，關于隧道開挖方案的研究多針對具體工程解決難點問題，而對于綜合同類型的既有實例及工程經驗來設計新隧道施工方案的研究尚不多見，鐵路隧道建設工程經驗的價值沒有得到有效發揮。

隨著大數據、云計算的迅速發展，將人工智能理論及技術引入到隧道工程設計中，對于提高隧道工程設計質量和速度具有實用意義。本文提出基于案例庫的隧道開挖方案智能設計方法，利用地理信息系統（Geographic Information System，GIS）強大的空間分析、數據管理能力對海量的隧道工程案例進行存儲、管理，使用數據算法對既有案例設計經驗進行挖掘，構造隧道開挖方案相似設計決策模型，借助既有設計案例及其經驗實現新建鐵路隧道開挖方案的設計決策。

1 鐵路隧道工程設計影響因素及案例表征

1.1 隧道開挖的影響因素分析

鐵路隧道作為管狀的地下構造物，其施工是很復雜的系統工程，修建時開挖方法的選擇會受到很多因素的制約。鐵路隧道施工方案應該根據其所處的地形、地質、氣候、水文等條件，結合隧道的幾何特性、工程施工條件等因素綜合確定，主要有礦山法、掘進機法、盾構法、明挖法等［7］。

單線鐵路與雙線鐵路的隧道斷面尺寸、結構形式相差很大，單洞雙線隧道、單洞單線隧道的開挖方法不同。由于列車通過隧道時會產生壓力波和微壓波現象，根據新建隧道設計時常用的軌面以上最小凈空橫斷面要求，列車設計行車速度的凈空橫斷面大小不同。長大隧道的埋深通常較大，山體內部容易出現高地應力，不利于結構保持穩定性，還會在施工過程中使隧道出現變形，對于埋深超過400 m 的隧道可能會出現高地溫現象，還需要進行地溫監測［8-9］。圍巖分級是指按照巖體完整程度、巖石強度對無限巖體序列的等級劃分，是決定隧道開挖方案的一個重要因素。圍巖等級越高，巖體的完整程度和強度指標越好。圍巖質量較好的隧道可以選擇更適合的隧道位置和襯砌類型，降低工程難度，從而減小工程量并節約投資。開挖隧道時，若滲水量較大就會出現掌子面無法施工的情況，故一定要處理好排水的問題。而高寒高海拔地區的隧道工程則會受到更多復雜因素的綜合作用，氣候惡劣、生態環境脆弱、通風、凍害、襯砌裂損是最常見的施工難題，適用于平原低海拔地區的傳統設計方法在該類地區并不適用。

1.2 案例表征

鐵路隧道工程開挖方案的選定受很多因素的影響，在借助既有案例輔助新項目設計的過程中，案例表征是智能決策設計方法應用的前提，只有進行準確的案例表征才能保證設計方案的科學性、合理性。在案例表征時，如果考慮所有因素，案例表征將會復雜化，不利于案例的特征表達，故確定屬性單元時應選擇影響隧道開挖設計的主要因素，舍棄部分次要因素，且這些信息在項目建設前期就方便獲取。根據主要影響因素的類型，通過劃分屬性單元來表征隧道案例，提取出的每個屬性單元都影響隧道開挖方法的選擇，同時也是相似案例檢索的重要依據。結合TB 10003—2016《鐵路隧道設計規范》，從設計因素、地質環境和地理環境3 方面選取13 個屬性單元來實現案例的表征，見圖1。

圖1 屬性單元及層次結構

屬性單元的值是開挖方案設計中的重要內容，也是案例數字化、規則化表達的依據。圖1 中的屬性單元按屬性值可分為兩種表示形式。

1）數值型：隧道長度c1、線路設計速度c3、穿越斷層數目c5、最大滲水量c6、最高地溫c9、地震動峰值加速度c10、最冷月平均氣溫c11、最大埋深c12、海拔高度c13。

2）等級型：隧道斷面類型c2、圍巖級別c4、節理發育程度c7、地應力級別c8。

對于數值型單元而言，每個方案都有各自的屬性值，為了實現方案之間相似度計算的合理性、便捷性，將其進行規范化的等級劃分處理，用數字1—5分別表示對應的等級。劃分依據見表1。

表1 屬性單元值等級劃分

2 隧道開挖相似方案設計決策方法

2.1 相似決策模型

相似決策模型是案例匹配的依據。制約隧道方案設計的工程特性、地理屬性、地質屬性等因素具有空間的多維度特征。根據空間多維度相似的基本理論，并結合表1的屬性單元等級劃分標準，兩座鐵路隧道開挖方案的相似度函數可由Q來表征［10］，即

式中：K、L分別為隧道A、隧道B包含的屬性單元個數；Ng為兩座隧道設計方案均有屬性值的單元個數；ci為每一個單元的屬性值，i為屬性單元的序號。

由于獲取的隧道工程案例信息可能會存在部分單元屬性值缺失的情形，為規避在這種情況下相似度不能計算的問題，對兩個隧道A、B 開挖方案設定屬性單元的數量相似度ssl，計算公式為

式中：Nmax為隧道方案中屬性單元數目的最大值。

隧道方案單個屬性單元的相似度s（ci）計算公式為

式中：cAi、cBi分別為隧道A、B第i個單元對應的屬性值。

由于不同屬性單元對隧道開挖設計方案的影響程度不同，具有不同的重要性，為體現單元間的差異化作用，對屬性單元c1，c2，…，cn設立權重w1，w2，…，wn，則由單元屬性值確定的隧道方案屬性相似度Ssx為

根據以上確定的單元的數量相似度和屬性相似度的計算內容，綜合后得到兩座鐵路隧道開挖方案的總相似度S（A，B）為

2.2 案例相似度計算

相似度計算實現了案例間相似程度的量化，隧道開挖方案設計受多因素共同影響，屬性單元的作用程度和機理差異明顯，應分別計算其重要性系數。層次賦權法能夠充分利用定性、定量相結合的優勢計算指標權重。根據圖1 的屬性單元層次結構，利用層次賦權法可有效地計算出各單元的重要性系數。模型共分3層，第一層為設計鐵路隧道開挖方案，第二層為工程設計b1、地質環境b2、地理環境b3，第三層是具體的屬性單元ci，i=1，2，…，n，按照圖1所示的順序排列。

先計算準則層（工程設計、地質環境、地理環境）對于開挖方案的權重系數，然后分別計算各單元對于準則層的重要性。在通過指標的一致性檢驗后，即可得到各屬性單元的權重，計算結果見表2。

表2 各屬性單元權重

隧道案例T1和T2由屬性單元ci（i= 1，2，…，n）可分別表征如下。

T1：1 223 m、單洞雙線、160 km/h、［Ⅳ，Ⅴ）、穿越斷層0 條、0.364 m3/（d·m）、弱發育、低地應力、22.4 ℃、0.15g、4.3 ℃、205 m、1 391 m；

T2：1 065 m、單洞雙線、160 km/h、［Ⅳ，Ⅴ）、穿越斷層1 條、0.235 m3/（d·m）、發育、高地應力、18.7 ℃、0.20g、3.5 ℃、182 m、1 624 m。

根據表1 對T1、T2的單元特征值進行等級劃分，并由式（5）計算T1和T2的相似度，公式為

相似度是判斷兩個案例相似程度的量化指標，相似度較高的案例會有更多的共性。為減小計算量，并提升案例庫的檢索效率，在進行相似案例匹配時，可根據對隧道開挖方案查找的相似度設定一個閾值，這樣就會只得到與新建項目相似度較高的案例。由于單洞雙線隧道與單洞單線隧道設計具有較大差異，構建的算法中進行相似度匹配時，先對這一條件進行判斷，通過后再計算2個隧道方案的整體相似度。

在既有設計案例的經驗重用時，若兩個方案之間的相似度過小，則表明隧道工程所處的工程環境差異過大，不能用庫中案例來解決實際工程問題。根據對設計方案的統計分析，并參考已有研究成果，當案例間的相似度大于0.8 時［11］，將庫中案例作為新項目的初步設計方案，對其進行修正后可實現新項目的設計，能達到較為滿意的開挖方案設計結果。因此，將整體相似度臨界值設定為0.8，作為既有案例及其經驗重用的依據。

3 基于GIS的隧道工程案例庫

3.1 案例庫設計與案例存儲

由于相似案例匹配的成功與否很大程度上取決于案例庫的性能和質量，一個存儲海量案例的案例庫是實現項目設計決策的前提條件。GIS 數據庫可以同時實現屬性數據和圖形數據（矢量數據、柵格數據）的雙重管理，且存儲的數據還可以帶有地理空間位置屬性，方便隧道工程的分類管理和查詢。組件式GIS 是指通過.NET 組件對象平臺，利用C#、Java 等計算機語言，根據實際功能需求對GIS軟件進行二次開發，構建適用于某特定功能的分析系統，有較好的擴展性和開放性，還具有二次開發便捷、高效的優勢［12］。

案例庫是工程方案設計決策的載體，系統中的數據類型比較豐富，主要為矢量數據、柵格數據、圖片數據、Excel數據、文本等類型，實現對案例及其相關內容的存儲。針對多源異構特征的各種數據，并根據方案設計實際需求，建立基于GIS 隧道案例庫的系統模型框架，見圖2。

圖2 基于GIS鐵路隧道案例庫系統模型

基于屬性單元的案例表征是案例存儲、管理和應用的關鍵，也是設計中的重點，須通過統一的規則用符號化、規范化的語言進行表示?？蚣苤R表示法由于具有較好的兼容性、推理機制和層次性，可以對多種信息、知識在不同的框架內自由組合，是當前最有效的知識表示形式之一。根據收集的既有案例資料［13-16］、影響因素作用機理和已劃分屬性單元的特征，采用框架知識表示法作為案例表征的方法，結合屬性單元的特性，對于不同單元設定對應的存儲規則，部分內容見表3。

表3 部分案例存儲內容

3.2 案例庫開發

在進行基于GIS 的隧道案例庫二次開發設計時，首先利用 Visual Studio 2012 和.NET 平臺，在Windows主窗體下選擇一些ArcGIS Engine 中的可視化控件，根據實際的功能需求添加到主窗體中；然后分別添加 LicenseControl、MapControl、TOCCControl 和 Toolbar Control 控件。對 TOCCControl 和 ToolbarControl 實現地圖綁定的程序代碼為

隧道工程案例庫由很多模塊構成，主要包括案例分析、案例管理、空間分析等主要模塊及其子菜單。根據各模塊的功能需求進行相應的控件設置和代碼編寫。既有工程案例的部分信息須用文字形式進行呈現，查看相關信息時通過點擊按鈕即可實現。對保存在案例庫中的既有工程設計經驗txt 文檔中的項目信息查看，實現其功能的部分關鍵代碼為

既有相似案例經驗是案例設計的主要內容，也是設計者對工程方案設計智慧的體現，應以文本形式存儲，案例匹配完成后可以通過相關按鈕查看。用txt存儲的案例設計經驗文本信息查看結果見圖3。

圖3 案例設計經驗查看示例

3.3 案例庫應用與相似案例查找

案例庫是進行新項目方案設計的載體，其應用過程見圖4，主要包括案例匹配、案例修正、案例學習和案例庫入庫，其中最關鍵的是科學使用既有案例及其設計經驗。相似案例匹配是在案例庫中查找到滿足要求的既有案例，并根據項目的工程資料和屬性單元劃分標準將屬性值標準化，為案例匹配提供參數支撐。對于工程設計而言，兩個案例之間都會存在不同程度的細節差異，完全相同的兩個案例幾乎沒有，故檢索到相似案例后，其設計結果并不能直接使用，應根據案例之間的差異和實際工程特點進行適當的修改，進而將其作為新建隧道工程的開挖方案。

圖4 案例庫應用流程

案例庫中案例的豐富性和完善性是解決工程問題的關鍵。應不斷地將新案例補充到已構建的案例庫中，增加案例的種類、數量和覆蓋面，通過增量式學習的方式使設計系統不斷積累經驗，從而提高方案設計的水平和科學性。

利用案例庫進行開挖方案設計時，案例匹配與修正是最關鍵的步驟。利用SQL 語言進行查詢，關鍵詞可為多個詞語或一條語句，保證了檢索的自由度和信息的查全率。若存在滿足條件的相似案例，則會有一個符合條件的案例集，通過構建的相似度模型及其算法得到方案間的相似度值。例如，若要查找出蘭新（蘭州—烏魯木齊）高速鐵路中長度9 000 m 左右、海拔超過3 000 m 的高地應力隧道，針對隧道的項目特性構造邏輯表達式，編寫其模糊查詢表達式，見圖5。

圖5 查詢表達式編寫

在查詢表達式構造完成后，對語句進行準確性驗證。通過后即可查找出滿足查詢條件的案例，最相似案例的匹配結果見圖6。

圖6 查詢結果

4 工程應用

某山區鐵路隧道為長度約615 m 的單洞雙線隧道。根據工程設計方案，最大埋深116.6 m，主要以Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，洞身段位于兩級圍巖的交界處，拱頂側壁易坍塌，主要的工程問題為圍巖軟弱破碎、地下水問題突出，經常性突泥，遇水容易變形的坍塌地質。隧道的地質地理特性見表4。

表4 擬建隧道的屬性

根據新隧道的工程特性和地質地理環境屬性，利用單元值在案例庫中查找與擬建項目相似度最高的案例，結果為成昆鐵路沈家壩2#隧道，且相似度為0.815，大于案例重用的臨界值，可將該隧道開挖方案作為新項目的初步設計方案。沈家壩2#隧道的開挖方法有超前支護弱爆開挖法、臺階法。

根據最相似案例的地質地理特性及工程經驗，并結合該隧道實際的情況，確定開挖方案如下：

1）由于隧道進出口位于淺埋地段，以土層為主，工程地質條件差，容易導致拱頂坍塌，故在進口采用超前支護弱爆開挖法進行施工作業，并在施工時加強圍巖變形的監控量測。

2）在Ⅴ級圍巖地段，巖性主要為較破碎的千枚巖、板巖，將開挖方法定為三臺階加臨時仰拱法，采用曲墻帶仰拱的復合襯式襯砌結構形式，復合式襯砌由初期支護、防水隔離層與二次襯砌組成。

3）在Ⅳ級圍巖地段，掌子面干燥無水、圍巖整體完整性較好，為保證施工進度，采用兩臺階法開挖。

4）針對本隧道的情況，在隧道開挖過程中嚴格執行“短進尺、弱擾動、強支護、快封閉、勤測量”的原則，保證隧道施工安全科學地進行。

5 結語

根據鐵路隧道工程的設計特點，從工程設計、地質環境和地理環境3 方面選取了13 個屬性單元表征隧道工程案例，借助相似理論建立了隧道開挖方案相似決策模型及相似度量化計算方法。基于組件式GIS技術和. NET 平臺，利用C#語言建立了基于GIS 的鐵路隧道工程案例庫系統，實現了對既有隧道工程案例的存儲管理和相似案例的匹配，并根據系統的功能對工程的地質、地形等因素進行空間分析。以工程資料為依據進行了鐵路隧道開挖方案智能設計方法的應用，進一步驗證了該方法的可行性和有效性，可供今后隧道工程方案智能化設計參考。