隧道機械化施工中人機協同作業的優化與管理

張輝

（中鐵十二局集團第四工程有限公司，西安 710000）

1 引言

隧道施工不僅涉及復雜的工程技術問題， 而且涉及多樣的管理問題，如安全管理、風險控制、人員培訓等。 因此，隧道施工的技術進步和管理優化成為提升隧道施工效率和質量的關鍵。

2 隧道施工與機械化施工概述

2.1 隧道施工的基本概念與方法

隧道施工是一項涉及工程學、 地質學和物理學等多學科知識的復雜工程項目，對技術要求較高，難度較大。 基于地質條件和施工需求，隧道施工通?？梢苑譃閮纱箢悾好魍诜ê投軜嫹ā?開挖法也稱為傳統的“攻擊式”施工方法，是指先在地面開挖一個區域，然后從地面逐漸挖掘到地下，直到達到預定的深度和長度。 通常適用于地質條件較好，巖層穩定的地方，且對地面建筑物和環境影響較小， 需要經驗豐富的技術人員和專門的設備，以確保施工過程中的安全。 相比之下，盾構法是一種新型的機械化施工方法，主要用于地質條件較差，存在大量水分或砂土等不穩定地層的地方。 在盾構法中，盾構機設備可用于地下進行連續的挖掘和支護，既加快了施工速度，又減小了對地面建筑物和環境的影響。 與明挖法不同，盾構法的施工過程更加復雜和精細， 需要更高的技術水平和更先進的設備。 但是，無論采用哪種施工方法，都需要在施工過程中不斷進行地質勘查，以獲取最新的地質信息，做出正確的決策。 隧道施工的成功與否取決于嚴格的質量控制和安全管理， 應確保施工過程中的每一步都符合相關規定和標準[1]。

2.2 機械化施工的發展和優勢

隨著科技的快速進步， 機械化施工在建筑行業中已經得到廣泛的應用和發展，特別是在隧道施工中，機械化施工以其獨特的優勢贏得了認可，對隧道施工產生了深遠影響，能夠提高施工效率、改善工作環境、降低施工風險。 在早期的隧道施工中，人工挖掘是主要的施工方式，但這種方式施工速度慢、工作環境惡劣、施工風險高。 隨著科技的發展，機械化施工逐漸取代了人工施工，機械化施工使用高度自動化的機械設備，如盾構機、鑿巖機等，大大提高了隧道施工效率。 通過精確的機械設備，不僅施工質量更加穩定，還避免了人工施工中的誤差和差異， 而且機械化施工還能更有效地應對復雜和危險的地質條件，如軟土層、水下層、砂石層等。 機械化施工將人從重體力勞動中解放出來，降低了工人的勞動強度，提高了工作安全性。 通過智能化的管理系統， 還可以更精確地控制施工進度，避免施工中的延誤和變更[2]。

3 人機協同作業的關鍵技術

3.1 自動化和智能化技術在隧道施工中的應用

自動化和智能化技術的應用改變了隧道施工的傳統模式，優化了工作流程，提升了施工效率和質量。 這些技術并不僅使用了盾構機等高度自動化的設備， 更重要的是通過對數據的收集、處理和應用，使施工過程更加精確、高效和安全。 在現代隧道施工中， 自動化技術被廣泛應用于機械設備的操作和控制中。 例如，盾構機可以根據預設參數自動挖掘和支護隧道，從而大大提高了施工速度和質量；自動化的測量和監控系統可以實時收集和處理各種施工數據，以指導施工過程，避免錯誤和延誤。 智能化技術的應用則進一步提升了隧道的施工水平，人工智能和機器學習等技術可以對大量的施工數據進行深入的分析和處理，提出更優化的施工方案，預測和解決施工中的各種問題。 此外，自動化和智能化技術還在施工管理中發揮了重要作用。 通過建立數字化的施工管理系統，可以實時監控和調整施工進度，提高資源的利用率，降低施工成本。

3.2 人機接口設計

人機接口設計是隧道施工中的關鍵部分， 尤其在實現隧道施工過程中的自動化和智能化時更顯重要。 有效的人機接口設計能幫助工程師和操作員更準確、 更有效地操作機械設備，提高施工效率，降低出錯率，增強安全性。 人機接口設計是一種媒介，連接了人和機器，使施工人員能夠以人性化、直觀化的方式理解和控制復雜的機械設備和系統。 在隧道施工中，高度自動化的設備，如盾構機等，其復雜性和精確性要求人機接口設計要高度專業。 操作員需要通過人機接口獲取關于機器狀態、工作環境和施工進度的實時信息，同時通過接口下達命令，控制機器的工作。 因此，人機接口需要簡潔、明了，能夠準確地反映機器的工作狀態， 同時能夠清晰地顯示需要操作員注意或操作的項目。 人機接口設計需要考慮用戶的需求和習慣， 提供符合用戶認知和操作習慣的界面和操作方式。 例如，接口的布局、顏色和標識都需要符合人的視覺習慣和理解方式，以方便用戶快速識別和操作。 同時還需要考慮到施工環境的特殊性，例如，施工現場的噪聲、光線和振動等可能影響操作員的注意力和判斷， 接口設計需要考慮如何在這些環境下能夠提供清晰、準確的信息。

4 人機協同作業的優化

4.1 數據驅動的優化方法

數據驅動的優化方法正在逐漸改變隧道施工的全貌。 在這個信息化的時代，大量的數據被不斷生成并用于分析決策，從而使施工過程更加精確、 高效和安全。 其關鍵在于通過收集、分析和應用各種施工數據實現對施工過程的優化。 在隧道施工中，可以收集到來自地質勘查、設備監測、施工監控和環境監測等多個環節的數據，如地質數據、施工設備數據、施工進度數據、環境數據等，涵蓋施工過程的各個方面。 通過對這些數據的深入分析，可以發現施工過程的模式和規律，預測施工中可能出現的問題和風險，為施工決策提供有力的支持。 數據驅動的優化方法可以在施工過程中的各個環節發揮作用。在施工前期，可以通過對地質數據的分析，優化施工方案和施工路徑，減少施工風險；在施工過程中，通過對設備數據和施工進度數據的分析，實時調整施工參數，提高施工效率；在施工后期，通過對施工結果和環境影響的數據分析，評估施工質量，改進施工方法。 此外，數據驅動的優化方法也可以與其他現代技術相結合，以實現更高級別的優化。 其與人工智能和機器學習技術相結合， 能夠實現對施工數據的自動化分析和預測；與物聯網和云計算技術相結合，能夠實現對施工設備和施工環境的實時監控和遠程控制。

4.2 基于仿真的優化方法

基于仿真的優化方法是將實際的施工過程抽象為數學模型，然后在計算機中模擬施工過程，以分析和優化施工方案，在不影響實際施工的情況下， 對施工過程進行深入研究和改進，從而提高施工效率和質量，降低施工風險。 基于仿真的優化方法可以用于隧道施工中的各個環節， 從施工方案的選擇到施工參數的調整，再到施工結果的評估，都可以通過仿真進行優化。 施工前期，通過仿真對各種施工方案進行預測和比較，選擇最佳的施工方案；在施工過程中，應用仿真優化方法對施工參數進行動態調整， 以適應地質條件和施工環境的變化；在施工后期，應用該方法對施工結果進行評估，找出施工中的問題，提出改進措施。 基于仿真的優化方法，優勢在于其本身的靈活性和準確性，可以模擬各種復雜的地質條件和施工環境，預測各種不確定性的影響，從而準確預測施工結果。 同時，也可以模擬各種可能的施工方案，找出最優的施工方法，使施工管理人員能夠預知施工結果，避免施工中的錯誤和延誤。

5 人機協同作業的管理

5.1 人機協同作業的規劃與調度

人機協同作業的規劃與調度在隧道施工中的應用是實現效率、安全和質量目標的關鍵手段，需要根據施工任務、施工環境和設備條件等因素，明確每個施工角色的任務和順序，制訂詳細的施工方案和時間表。 其間， 還要考慮各種因素的影響，如地質條件、施工技術、設備性能和人員技能等，同時也需要考慮各種可能出現的風險和應急措施。 在人機協同作業的調度階段，根據施工進度和實際情況，動態調整施工方案和時間表，以適應施工環境的變化，保證施工任務的順利完成；實時收集和分析各種施工數據，如設備狀態、工作環境和施工質量等，通過智能決策，快速并準確地下達指令，控制設備的工作及指導人員的操作。

5.2 管理策略和工具

管理策略和工具在隧道工程中的應用可以有效地協調和控制施工過程，提高施工效率、降低施工風險、保證施工質量。管理策略是對施工過程的宏觀指導，決定了施工的目標、路徑和方式。 在隧道施工中，管理策略包括項目管理策略，如定義項目目標、組織項目團隊、制訂項目計劃；施工管理策略，如選擇施工方法、調度施工資源、控制施工質量；風險管理策略，如識別施工風險、評估風險影響、制定風險應對措施；環境管理策略，如評估環境影響、制定環保措施、執行環保法規。 管理工具是實施管理策略的具體手段，可以使管理工作更加方便、準確和高效。在隧道施工中，管理工具包括計劃工具，如甘特圖，用于制定和展示施工進度；控制工具，如質量控制圖，用于監控和控制施工質量；決策工具，如決策樹，用于分析和選擇施工方案；信息工具，如信息管理系統，用于收集、存儲和傳遞施工信息。

5.3 安全管理和風險控制

在隧道施工中， 安全管理和風險控制不僅關乎工程人員和公眾的生命安全，而且直接影響工程的進度和成本。 安全管理是一種預防性的管理策略， 目標是建立和執行安全規章制度、提供安全培訓和教育、營造安全的工作環境，以預防和減少施工事故； 風險控制則是對可能影響施工安全和效率的風險進行識別、評估和管理。 為了保證施工安全，必須遵循一套嚴謹的安全管理體系，該體系包括嚴格的施工規章制度、定期的安全培訓和教育，以及全面的安全監控和審查。 施工規章制度是工程人員在施工過程中必須遵循的規則， 旨在減少不安全的行為和操作； 安全培訓和教育則是增強工程人員的安全意識和技能，使其了解和掌握安全規章制度，避免不安全的行為；安全監控和審查是對施工過程和結果的實時檢查，以發現和糾正不安全的狀況。 風險控制則是對施工風險的識別、評估和管理，需要識別所有可能影響施工安全和效率的風險，如地質條件、施工技術、設備性能和人員技能等，然后對這些風險進行評估，確定風險發生的可能性及風險結果的嚴重性，確定應對的優先級，并制訂風險管理計劃，包括預防措施和應對措施，以降低風險的可能性和影響。 隨著科技的發展，安全管理和風險控制也有了新的發展和創新，例如，通過使用傳感器和物聯網技術，可以實時監測施工現場的安全狀況、工作環境、設備狀態和人員行為等。 通過使用大數據和人工智能技術，可以對施工數據進行深入分析，預測可能出現的安全問題，提前采取預防措施。

6 結語

本文深入分析了隧道施工中各個關鍵領域的現狀和挑戰，探討了各種技術和策略的應用和影響。 這些技術和策略的綜合應用，可以顯著提高隧道施工的效率和質量，降低施工風險，提升施工的安全性和可靠性，提高施工人員的技術能力，協調施工過程，保障施工目標的實現，推動隧道施工的科技進步和持續發展，實現隧道施工的智能化、精細化和綠色化，為我國的隧道施工技術和管理水平提供更強大的支撐。