本文摘要：摘要:我國鐵路盾構(gòu)隧道智能化理論方法還不成熟，智能技術(shù)較落后，大部分理論研究成果缺乏實用性;盾構(gòu)隧道各環(huán)節(jié)未建立起有效信息交換渠道，沒有形成盾構(gòu)隧道全生命周期系統(tǒng)的完整體系。為了推動智能化建造在我國鐵路盾構(gòu)隧道中的發(fā)展應(yīng)用，通過對鐵路盾構(gòu)隧
摘要:我國鐵路盾構(gòu)隧道智能化理論方法還不成熟，智能技術(shù)較落后，大部分理論研究成果缺乏實用性;盾構(gòu)隧道各環(huán)節(jié)未建立起有效信息交換渠道，沒有形成盾構(gòu)隧道全生命周期系統(tǒng)的完整體系。為了推動智能化建造在我國鐵路盾構(gòu)隧道中的發(fā)展應(yīng)用，通過對鐵路盾構(gòu)隧道智能化建造在地質(zhì)勘察、設(shè)計、施工、運維全生命周期過程中的研究現(xiàn)狀、存在問題進行總結(jié)分析，提出建立完善的盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)體系，完善鐵路盾構(gòu)隧道智能建造理論創(chuàng)新，啟動鐵路盾構(gòu)隧道智能建造相關(guān)規(guī)程的編制，完備標準體系，是鐵路盾構(gòu)隧道智能化建造技術(shù)發(fā)展的方向。
關(guān)鍵詞:鐵路盾構(gòu)隧道;智能建造;全生命周期;BIM;信息化
0引言
隨著中國鐵路的快速發(fā)展，高鐵、城際鐵路進入市區(qū)范圍越來越多。為了綜合利用地下空間，集約化利用土地，倡導(dǎo)綠色環(huán)保理念，需要修建越來越多的地下隧道，而盾構(gòu)作為隧道施工最為先進的施工裝備，使隧道施工的機械化水平大幅提高。盾構(gòu)工法具有施工進度快、作業(yè)安全、對地面環(huán)境影響小等優(yōu)點，越來越多地應(yīng)用到鐵路隧道施工中來。伴隨著科技的發(fā)展，機械化、信息化、智能化必然是未來鐵路隧道發(fā)展的方向，中國鐵路隧道工程將由高速發(fā)展向著高質(zhì)量發(fā)展行進。
為了提高鐵路盾構(gòu)隧道在勘察、設(shè)計、施工、運維全生命周期過程中的智能化水平，在建造過程中充分利用BIM技術(shù)、可視化技術(shù)、數(shù)字孿生、人工智能技術(shù)、5G通信技術(shù)等先進技術(shù)與盾構(gòu)相結(jié)合，可減少各階段對人員的依賴，減少人身財產(chǎn)損失，降低盾構(gòu)隧道自身施工風險以及對周邊環(huán)境影響的風險，使盾構(gòu)隧道符合安全可靠、技術(shù)先進、綠色環(huán)保、經(jīng)濟合理等要求。
由于我國盾構(gòu)工程起步較晚，相較于日本、歐美等發(fā)達國家，我國在鐵路盾構(gòu)隧道智能化建設(shè)方面剛剛開始，國內(nèi)大量學者對盾構(gòu)隧道智能建造各個環(huán)節(jié)開展了大量的研究。閆強剛等[1]、黃勇[2]、劉勇飛[3]以實際隧道工程為例，研究了多種物探手段在勘察工作中的應(yīng)用，并結(jié)合鉆探驗證及原位試驗測試等手段相互驗證。結(jié)果表明，綜合物探及勘察技術(shù)不僅可以提高勘探的工作效率，也能保證勘探成果的準確性。陳奇良[4]基于BIM技術(shù)，編寫了通用管片創(chuàng)建程序及基于管片模型的隧道模型創(chuàng)建程序，通過在工程案例中的應(yīng)用，驗證程序編寫的正確性與可行性，同時論證了BIM技術(shù)在工程中的延續(xù)性及其在工程中服務(wù)全生命周期的特點。何然[5]選取盾構(gòu)施工多種參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)樣本，通過研究得出泥水盾構(gòu)施工過程中多種關(guān)鍵掘進參數(shù)的關(guān)聯(lián)性，并建立了包含預(yù)測與控制功能的泥水盾構(gòu)參數(shù)智能系統(tǒng)。
張勇[6]通過工程實例，結(jié)合盾構(gòu)掘進歷史數(shù)據(jù)并結(jié)合大數(shù)據(jù)分析流程，對盾構(gòu)掘進參數(shù)進行研究，設(shè)計盾構(gòu)掘進參數(shù)輔助分析系統(tǒng)，確定了各個參數(shù)之間的關(guān)系、量化盾構(gòu)掘進參數(shù)的控制。楊斌[7]借助智能測控與計算機數(shù)據(jù)處理等信息化手段，在盾構(gòu)管片原有加熱方式基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了盾構(gòu)管片生產(chǎn)過程中電加熱蒸汽養(yǎng)護的智能化與程序化，對于提高盾構(gòu)管片養(yǎng)護的精確性與科學性有很大的作用。田管鳳等[8]提出了通過大數(shù)據(jù)技術(shù)的應(yīng)用，對盾構(gòu)施工引起的地面沉降進行分析預(yù)測，并探索地層參數(shù)、掘進參數(shù)與地面沉降量的關(guān)系。
林盼達等[9]以模糊綜合評級法為基礎(chǔ)，同時考慮復(fù)雜環(huán)境下各因素之間的關(guān)聯(lián)性，以及結(jié)構(gòu)病害對結(jié)構(gòu)造成的不可逆的影響，建立修正的模糊綜合評價方法，實現(xiàn)盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)狀態(tài)的合理評價。目前，我國鐵路盾構(gòu)隧道智能化建造尚在起步階段，理論方法不成熟，智能技術(shù)較落后，智能化程度低、不成系統(tǒng)。本文通過對鐵路盾構(gòu)隧道智能化建設(shè)在勘察、設(shè)計、施工、運維全生命周期過程的研究現(xiàn)狀進行總結(jié)分析，提出鐵路盾構(gòu)隧道智能化建造的發(fā)展方向，旨在推動智能化建造在鐵路盾構(gòu)隧道中的應(yīng)用。
1鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)特點
1.1鐵路盾構(gòu)隧道特點
隨著我國鐵路工程的大規(guī)模建設(shè)，在城市密集區(qū)修建盾構(gòu)隧道的工程越來越多。相較于一般的城市軌道交通盾構(gòu)隧道，鐵路車輛運行時速快，站間距大。在綜合考慮隧道內(nèi)救援通道設(shè)置、接觸網(wǎng)懸掛、空氣動力學、軌下構(gòu)筑物布置等情況下，鐵路盾構(gòu)隧道斷面大、隧道長、耐久性要求高、運維工作量大。由于隧道斷面大，對于活動斷裂、軟弱地層、巖溶等地層情況，隧道自身變形更難控制，下穿(或上跨)控制點的情況下，對周邊環(huán)境的沉降控制更為不利。
1.2隧道智能建造的概念
隧道智能建造是基于信息化技術(shù)，通過對“地-隧-機-信-人”及內(nèi)外部環(huán)境的全面感知、泛在互聯(lián)、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(xiàn)隧道建設(shè)、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(jīng)濟高效的新一代隧道建造技術(shù)體系[10]。
1.3鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)特點
傳統(tǒng)的鐵路隧道建造在勘察、設(shè)計、施工、運維等環(huán)節(jié)之間關(guān)聯(lián)甚少，甚至是相互獨立的，而盾構(gòu)隧道智能建造的各個環(huán)節(jié)其實是相互作用、相互影響的。
1)根據(jù)鐵路隧道盾構(gòu)法特點和智能建造的要求，地質(zhì)勘察階段要提供設(shè)計和施工階段的詳細地質(zhì)資料，并為預(yù)測工程活動對周邊環(huán)境的影響提供信息支撐。因鐵路盾構(gòu)隧道斷面大，對地層變形控制更加困難，所以針對強透水松散砂層、軟硬不均地層、含漂石(塊石)或卵石(碎石)的地層、斷層破碎帶、巖溶地層等要尤其重視。2)基于BIM技術(shù)，可實現(xiàn)高精度、全信息的整體模型的設(shè)計，因此可為施工過程中智能放樣、智能制造、智能拼裝提供技術(shù)支持。盾構(gòu)隧道智能建造設(shè)計宜采用BIM正向設(shè)計，BIM正向設(shè)計是項目從方案構(gòu)思、初步設(shè)計、施工圖全部過程均采用三維信息化模型模擬構(gòu)建工程實體的設(shè)計過程，盡可能提高鐵路盾構(gòu)隧道的設(shè)計質(zhì)量。
3)盾構(gòu)隧道智能建造施工應(yīng)配置滿足智能建造要求的盾構(gòu)設(shè)備，并配備智能化建造軟件和相關(guān)人員，根據(jù)智能建造實施方案和實施細則，從盾構(gòu)管片的運輸與吊裝、掘進施工、智能拼裝等方面完成隧道施工的智能建造。4)因為鐵路盾構(gòu)隧道里程長，運營維護工作量大，運維階段應(yīng)根據(jù)鐵路盾構(gòu)隧道的特點，充分利用智能建造形成的三維可視化信息模型，根據(jù)施工過程留存的圍巖地質(zhì)信息、周邊環(huán)境信息、監(jiān)測和檢測信息，針對隧道缺陷段落，制定差異化的養(yǎng)護維護方案。
1.4智能管理平臺
隨著大數(shù)據(jù)分析和人工智能技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，信息化和智能化已成為盾構(gòu)隧道建造發(fā)展的必然方向。盾構(gòu)隧道智能建造涵蓋各專業(yè)、全壽命周期的可視化智能管理平臺可實現(xiàn)將地層信息、周邊環(huán)境信息、加固措施信息、監(jiān)控量測信息等進行數(shù)字化，同時錄入管理平臺。智能管理平臺的建立，實現(xiàn)了隧道勘察、設(shè)計、施工、運維環(huán)節(jié)遠程統(tǒng)一在線實時監(jiān)控和管理。通過各種功能的組合形成一套智能、高效的鐵路盾構(gòu)隧道工程智能管控系統(tǒng)，通過這一系列舉措能夠降低鐵路盾構(gòu)隧道自身施工風險以及對周邊環(huán)境影響的風險。
2智能建造關(guān)鍵技術(shù)
2.1地質(zhì)勘察
隧道建設(shè)，地勘先行�？辈祀A段對于隧道工程有著至關(guān)重要的作用，當前地質(zhì)勘察多依賴人工，可靠性差、效率低、周期長。盾構(gòu)隧道智能建造的工程地質(zhì)勘察是結(jié)合場地、周邊環(huán)境、工程特點及智能建造方案制定勘察方案和實施細則，建立全面反映場地工程地質(zhì)和巖土工程相關(guān)信息的勘察模型。盾構(gòu)隧道智能建造的勘察成果為智能建造提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，并形成三維可視化的信息模型，滿足各階段設(shè)計、施工及建管的要求�？辈煸O(shè)備一般可采用無人機航拍設(shè)備、智能鉆探設(shè)備、智能原位測試設(shè)備、智能視頻監(jiān)控設(shè)備等，形成空天地一體化的測繪多技術(shù)融合勘測方案�？辈焓侄慰刹捎镁C合地質(zhì)勘察方法，查明工程地質(zhì)與水文地質(zhì)條件，進行綜合工程地質(zhì)分析，提供設(shè)計施工所需的地質(zhì)參數(shù)和工程措施建議。
綜上所述，在既有地質(zhì)資料的基礎(chǔ)上，采用遙感技術(shù)指導(dǎo)大面積地質(zhì)調(diào)繪，進而開展物探工作，最后進行鉆探及綜合測試、試驗工作，每一環(huán)節(jié)勘察成果為下一環(huán)節(jié)提供了基礎(chǔ)，而且各環(huán)節(jié)之間還可相互對各自的結(jié)果數(shù)據(jù)進行驗證。以上方法結(jié)合智能設(shè)備即可提供完整合理的地質(zhì)勘察信息，又可減少人員介入，同時智能設(shè)備高強的存儲、計算、數(shù)據(jù)傳輸能力大大提高了工作效率。
在實際工程中，僅靠勘察階段所得的地質(zhì)資料不足以保障盾構(gòu)正常順利掘進。盾構(gòu)施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報工作也同樣重要，尤其是鐵路盾構(gòu)隧道斷面大，為特殊地層預(yù)報和工程施工提出預(yù)防措施，能使工程施工過程中的安全性大大提高。超前地質(zhì)預(yù)報工作方法應(yīng)用較多的有地質(zhì)調(diào)查法、TSP法、超前水平鉆探法、地質(zhì)雷達、物探法(彈性波反射法、電磁波反射法、紅外探測)。隧道施工可采用綜合超前地質(zhì)預(yù)報，將多種預(yù)報手段相結(jié)合、定性與定量相結(jié)合、多頻次相互印證，以提高勘察預(yù)報的可靠度。
2.2建造設(shè)計
鐵路盾構(gòu)隧道作為重要的交通通道，由于復(fù)雜的地質(zhì)地形條件以及工程規(guī)模巨大，導(dǎo)致其設(shè)計相對復(fù)雜，利用BIM技術(shù)以及其他智能技術(shù)或軟件，可極大地降低設(shè)計難度、減少工作時間、提高工作效率。目前，盾構(gòu)隧道的主體及附屬結(jié)構(gòu)設(shè)計均可采用基于BIM技術(shù)的隧道智能仿真設(shè)計技術(shù)，建立包含地質(zhì)地形信息、結(jié)構(gòu)信息、施工方案、施工機械、風險預(yù)警方案的3D可視化模型。BIM技術(shù)的快速發(fā)展與廣泛應(yīng)用大大提升了隧道工程的設(shè)計效率和質(zhì)量水平，基于BIM技術(shù)的隧道智能仿真設(shè)計正在逐步取代傳統(tǒng)的設(shè)計方式。
2.3隧道施工
盾構(gòu)隧道施工過程中會產(chǎn)生大量的數(shù)據(jù)資料，比如水文地質(zhì)數(shù)據(jù)、結(jié)構(gòu)信息數(shù)據(jù)、監(jiān)測數(shù)據(jù)、施工進度數(shù)據(jù)等，這些數(shù)據(jù)如果沒有得到科學、合理的使用，就會成為無用數(shù)據(jù)，無法對盾構(gòu)隧道施工過程起到指導(dǎo)作用。為解決盾構(gòu)隧道施工中信息雜亂、集成化不足、信息傳遞差等問題，可基于BIM技術(shù)建立隧道地質(zhì)、土建結(jié)構(gòu)、機電設(shè)備全BIM模型解決這一問題[16]�？梢砸訠IM模型為載體，將盾構(gòu)隧道建設(shè)全過程的各類信息數(shù)據(jù)進行存儲、關(guān)聯(lián)，形成數(shù)據(jù)庫，進而形成智能管理信息平臺。
平臺包括施工進度管理、掘進參數(shù)管理、監(jiān)測信息管理、預(yù)測預(yù)警管理、風險管理等功能。平臺可實現(xiàn)將水文地質(zhì)信息、周邊環(huán)境信息、防護加固措施信息、監(jiān)控量測信息等進行數(shù)字化處理，并納入可視化智能管理平臺，同時可實現(xiàn)遠程數(shù)據(jù)上傳、遠程瀏覽查看、遠程控制，這樣各參建單位在可視化平臺上可實現(xiàn)遠程虛擬辦公，大大提升了盾構(gòu)隧道掘進的施工效率，同時也提高了智能化管理水平[17]。盾構(gòu)隧道施工涉及多個環(huán)節(jié)的相互作用，目前隨著科技的發(fā)展，人工智能技術(shù)與大數(shù)據(jù)分析技術(shù)在管片預(yù)制與運輸、盾構(gòu)掘進、管片安裝、監(jiān)控量測、風險管理等領(lǐng)域發(fā)揮了巨大的作用，極大減少了人工操作的工作量，減小了施工誤差，提高了工程建設(shè)質(zhì)量。
2.4運營維護
鐵路盾構(gòu)隧道運營期一般長達50～100年，鐵路盾構(gòu)隧道的運營維護包括對隧道的翻新改造、加固維修、設(shè)備監(jiān)控、備件管理等。盾構(gòu)隧道智能建造過程中的大量數(shù)據(jù)、模型、信息化管理軟件等智能化成果應(yīng)交付給運營維護單位，運營維護單位充分利用智能建造形成三維可視化信息模型，根據(jù)施工過程留存的圍巖地質(zhì)信息、周邊環(huán)境信息、監(jiān)測和檢測信息等，針對隧道缺陷段落，制定差異化的養(yǎng)護和維護方案。運維技術(shù)的提升需要大量盾構(gòu)隧道病害、破壞等數(shù)據(jù)的積累，因此，運營維護方案及實施情況的相關(guān)資料應(yīng)同步至可視化智能管理平臺，實現(xiàn)信息共享。
3存在問題及發(fā)展方向
3.1存在問題
隨著我國鐵路盾構(gòu)隧道的建設(shè)，盾構(gòu)隧道建設(shè)理念、勘察設(shè)計技術(shù)、施工設(shè)備及施工管理水平有了長足的進步，盾構(gòu)隧道智能建造代表了未來隧道修建技術(shù)的發(fā)展方向，但是目前我國鐵路盾構(gòu)隧道智能化建造尚處于初步發(fā)展階段，主要存在問題如下。
1)人員依賴度高、理論方法不成熟、智能技術(shù)較為落后、智能化普及度低、智能化建造不成系統(tǒng)等，國內(nèi)學者開展了大量盾構(gòu)隧道智能化的研究，但大部分研究成果缺乏實用性。2)盾構(gòu)隧道的勘察、設(shè)計、施工、運營維護等環(huán)節(jié)之間沒有建立起一種便利的、有效的信息交換渠道，隧道全壽命周期系統(tǒng)沒有形成完整的體系，導(dǎo)致大量工程數(shù)據(jù)無法得到正確合理的應(yīng)用。
3)勘察專業(yè)存在外業(yè)勘察數(shù)據(jù)庫設(shè)計沒有從整個勘察項目管理高度來設(shè)計的問題，造成各個勘察環(huán)節(jié)的系統(tǒng)數(shù)據(jù)不能完全共享，降低了各系統(tǒng)的使用效率，造成數(shù)據(jù)資源浪費，未實現(xiàn)內(nèi)外業(yè)一體化。4)BIM技術(shù)在盾構(gòu)隧道建設(shè)領(lǐng)域得到了充分的發(fā)展與應(yīng)用，當前BIM技術(shù)發(fā)展遇到新瓶頸，主要表現(xiàn)為:雖然BIM具有完善的內(nèi)部信息、精密的構(gòu)件關(guān)系、注重細節(jié)技術(shù)，但缺乏大場景展示及地理空間分析等宏觀功能，基于隧道模型的大數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用不夠。
5)在管片運輸、吊裝、拼裝、施工環(huán)節(jié)中換刀以及工程管理等過程需要大量工作人員參與，缺乏科學的施工管理以及可靠的監(jiān)測手段，導(dǎo)致施工監(jiān)測資料大量缺失，無法真正做到信息化施工，大數(shù)據(jù)理論沒有可靠的數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。6)對于運營維護階段盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)的安全性評價，目前大多數(shù)的研究只針對管片脫落、裂縫、滲漏水、管片錯臺等進行單因素分析，未進行多因素分析。運維技術(shù)的提升需要大量隧道病害等資料的數(shù)據(jù)積累，但鐵路盾構(gòu)隧道資料繁雜，信息化、集成化不足，信息傳遞差，無法實現(xiàn)資源共享，影響運維管理。
3.2發(fā)展方向
基于既有鐵路盾構(gòu)隧道修建技術(shù)的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)隧道全生命周期信息化、自動化、智能管理是未來的發(fā)展趨勢。隨著通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)及人工智能技術(shù)等的發(fā)展和完善，完全可以實現(xiàn)上述目標，而且還會向著高可靠性，適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境及多功能方向發(fā)展。
1)地質(zhì)勘察方面，針對實際問題具體分析，綜合研究各種技術(shù)手段的優(yōu)劣，力求以最少的工作量布置及最優(yōu)的技術(shù)組合，取得最好的勘察效果。隨著智能信息化發(fā)展，勘察四維時空信息可視化技術(shù)、云GIS技術(shù)、大數(shù)據(jù)智能感知挖掘技術(shù)、人工智能+視覺識別技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實技術(shù)等新技術(shù)的發(fā)展，工程勘察設(shè)備及作業(yè)管理信息化系統(tǒng)逐漸向一體化、智能化升級，內(nèi)外業(yè)一體化智能化設(shè)備、內(nèi)外業(yè)一體化智能作業(yè)系統(tǒng)是未來發(fā)展方向。
2)盾構(gòu)隧道設(shè)計建模流程可通過可視化編程軟件提高建模效率和精度，實現(xiàn)成果的可復(fù)制性;CLOUD-BIM架構(gòu)對于施工工點分散、技術(shù)環(huán)節(jié)復(fù)雜、涉及更多訪問用戶的大規(guī)模的鐵路盾構(gòu)隧道BIM模型，具有更好的適應(yīng)性。BIM技術(shù)實施的最大收益在運維階段，設(shè)計和建設(shè)階段產(chǎn)生的大量數(shù)據(jù)信息在后期漫長的鐵路盾構(gòu)隧道運維階段凸顯價值，因此，基于盾構(gòu)隧道模型的BIM大數(shù)據(jù)開發(fā)應(yīng)用，是未來鐵路盾構(gòu)隧道設(shè)計的發(fā)展方向。
地質(zhì)工程師評職知識：地質(zhì)勘測專利技術(shù)轉(zhuǎn)讓信息
4結(jié)論與建議
科技的不斷發(fā)展促進了鐵路盾構(gòu)建造智能化施工水平的提高，越來越多的智能技術(shù)與方法被應(yīng)用到鐵路盾構(gòu)隧道的勘察、設(shè)計、施工、運維等階段，智能建造極大地縮減了人工使用，大大提高了施工效率與工程建造質(zhì)量，并且建造技術(shù)的創(chuàng)新又能助力于行業(yè)的發(fā)展。我國是世界上隧道數(shù)量最多、建設(shè)規(guī)模最大、發(fā)展速度最快的隧道大國，利用智能建造技術(shù)促進鐵路盾構(gòu)隧道工程項目的一體化管理，提升鐵路隧道工程品質(zhì)是一項重要的工作。但是，目前我國鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)發(fā)展還不成熟，在很多方面不具有系統(tǒng)性與實用性，立足國情，構(gòu)建適合我國國情的鐵路盾構(gòu)隧道智能建造技術(shù)體系及功能架構(gòu)，在智能化建造方面還需要不斷積累和提高。
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作者：陳丹1，劉喆2，劉建友1，房倩3，海路3
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