本文摘要：摘要:我國鐵路盾構隧道智能化理論方法還不成熟，智能技術較落后，大部分理論研究成果缺乏實用性;盾構隧道各環(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隧道中的發(fā)展應用，通過對鐵路盾構隧
摘要:我國鐵路盾構隧道智能化理論方法還不成熟，智能技術較落后，大部分理論研究成果缺乏實用性;盾構隧道各環(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隧道中的發(fā)展應用，通過對鐵路盾構隧道智能化建造在地質勘察、設計、施工、運維全生命周期過程中的研究現(xiàn)狀、存在問題進行總結分析，提出建立完善的盾構隧道智能建造技術體系，完善鐵路盾構隧道智能建造理論創(chuàng)新，啟動鐵路盾構隧道智能建造相關規(guī)程的編制，完備標準體系，是鐵路盾構隧道智能化建造技術發(fā)展的方向。
關鍵詞:鐵路盾構隧道;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，倡導綠色環(huán)保理念，需要修建越來越多的地下隧道，而盾構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)展向著高質量發(fā)展行進。
為了提高鐵路盾構隧道在勘察、設計、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、可視化技術、數(shù)字孿生、人工智能技術、5G通信技術等先進技術與盾構相結合，可減少各階段對人員的依賴，減少人身財產損失，降低盾構隧道自身施工風險以及對周邊環(huán)境影響的風險，使盾構隧道符合安全可靠、技術先進、綠色環(huán)保、經濟合理等要求。
由于我國盾構工程起步較晚，相較于日本、歐美等發(fā)達國家，我國在鐵路盾構隧道智能化建設方面剛剛開始，國內大量學者對盾構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用，并結合鉆探驗證及原位試驗測試等手段相互驗證。結果表明，綜合物探及勘察技術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，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用，驗證程序編寫的正確性與可行性，同時論證了BIM技術在工程中的延續(xù)性及其在工程中服務全生命周期的特點。何然[5]選取盾構施工多種參數(shù)的歷史數(shù)據(jù)樣本，通過研究得出泥水盾構施工過程中多種關鍵掘進參數(shù)的關聯(lián)性，并建立了包含預測與控制功能的泥水盾構參數(shù)智能系統(tǒng)。
張勇[6]通過工程實例，結合盾構掘進歷史數(shù)據(jù)并結合大數(shù)據(jù)分析流程，對盾構掘進參數(shù)進行研究，設計盾構掘進參數(shù)輔助分析系統(tǒng)，確定了各個參數(shù)之間的關系、量化盾構掘進參數(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，在盾構管片原有加熱方式基礎上，實現(xiàn)了盾構管片生產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)技術的應用，對盾構施工引起的地面沉降進行分析預測，并探索地層參數(shù)、掘進參數(shù)與地面沉降量的關系。
林盼達等[9]以模糊綜合評級法為基礎，同時考慮復雜環(huán)境下各因素之間的關聯(lián)性，以及結構病害對結構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)盾構隧道結構狀態(tài)的合理評價。目前，我國鐵路盾構隧道智能化建造尚在起步階段，理論方法不成熟，智能技術較落后，智能化程度低、不成系統(tǒng)。本文通過對鐵路盾構隧道智能化建設在勘察、設計、施工、運維全生命周期過程的研究現(xiàn)狀進行總結分析，提出鐵路盾構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隧道中的應用。
1鐵路盾構隧道智能建造技術特點
1.1鐵路盾構隧道特點
隨著我國鐵路工程的大規(guī)模建設，在城市密集區(qū)修建盾構隧道的工程越來越多。相較于一般的城市軌道交通盾構隧道，鐵路車輛運行時速快，站間距大。在綜合考慮隧道內救援通道設置、接觸網(wǎng)懸掛、空氣動力學、軌下構筑物布置等情況下，鐵路盾構隧道斷面大、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，通過對“地-隧-機-信-人”及內外部環(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、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[10]。
1.3鐵路盾構隧道智能建造技術特點
傳統(tǒng)的鐵路隧道建造在勘察、設計、施工、運維等環(huán)節(jié)之間關聯(lián)甚少，甚至是相互獨立的，而盾構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)鐵路隧道盾構法特點和智能建造的要求，地質勘察階段要提供設計和施工階段的詳細地質資料，并為預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，可實現(xiàn)高精度、全信息的整體模型的設計，因此可為施工過程中智能放樣、智能制造、智能拼裝提供技術支持。盾構隧道智能建造設計宜采用BIM正向設計，BIM正向設計是項目從方案構思、初步設計、施工圖全部過程均采用三維信息化模型模擬構建工程實體的設計過程，盡可能提高鐵路盾構隧道的設計質量。
3)盾構隧道智能建造施工應配置滿足智能建造要求的盾構設備，并配備智能化建造軟件和相關人員，根據(jù)智能建造實施方案和實施細則，從盾構管片的運輸與吊裝、掘進施工、智能拼裝等方面完成隧道施工的智能建造。4)因為鐵路盾構隧道里程長，運營維護工作量大，運維階段應根據(jù)鐵路盾構隧道的特點，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逐漸發(fā)展成熟，信息化和智能化已成為盾構隧道建造發(fā)展的必然方向。盾構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智能建造關鍵技術
2.1地質勘察
隧道建設，地勘先行。勘察階段對于隧道工程有著至關重要的作用，當前地質勘察多依賴人工，可靠性差、效率低、周期長。盾構隧道智能建造的工程地質勘察是結合場地、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和巖土工程相關信息的勘察模型。盾構隧道智能建造的勘察成果為智能建造提供基礎數(shù)據(jù)，并形成三維可視化的信息模型，滿足各階段設計、施工及建管的要求。勘察設備一般可采用無人機航拍設備、智能鉆探設備、智能原位測試設備、智能視頻監(jiān)控設備等，形成空天地一體化的測繪多技術融合勘測方案。勘察手段可采用綜合地質勘察方法，查明工程地質與水文地質條件，進行綜合工程地質分析，提供設計施工所需的地質參數(shù)和工程措施建議。
綜上所述，在既有地質資料的基礎上，采用遙感技術指導大面積地質調繪，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，而且各環(huán)節(jié)之間還可相互對各自的結果數(shù)據(jù)進行驗證。以上方法結合智能設備即可提供完整合理的地質勘察信息，又可減少人員介入，同時智能設備高強的存儲、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資料不足以保障盾構正常順利掘進。盾構施工過程中的超前地質預報工作也同樣重要，尤其是鐵路盾構隧道斷面大，為特殊地層預報和工程施工提出預防措施，能使工程施工過程中的安全性大大提高。超前地質預報工作方法應用較多的有地質調查法、TSP法、超前水平鉆探法、地質雷達、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預報，將多種預報手段相結合、定性與定量相結合、多頻次相互印證，以提高勘察預報的可靠度。
2.2建造設計
鐵路盾構隧道作為重要的交通通道，由于復雜的地質地形條件以及工程規(guī)模巨大，導致其設計相對復雜，利用BIM技術以及其他智能技術或軟件，可極大地降低設計難度、減少工作時間、提高工作效率。目前，盾構隧道的主體及附屬結構設計均可采用基于BIM技術的隧道智能仿真設計技術，建立包含地質地形信息、結構信息、施工方案、施工機械、風險預警方案的3D可視化模型。BIM技術的快速發(fā)展與廣泛應用大大提升了隧道工程的設計效率和質量水平，基于BIM技術的隧道智能仿真設計正在逐步取代傳統(tǒng)的設計方式。
2.3隧道施工
盾構隧道施工過程中會產生大量的數(shù)據(jù)資料，比如水文地質數(shù)據(jù)、結構信息數(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)，無法對盾構隧道施工過程起到指導作用。為解決盾構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技術建立隧道地質、土建結構、機電設備全BIM模型解決這一問題[16]。可以以BIM模型為載體，將盾構隧道建設全過程的各類信息數(shù)據(jù)進行存儲、關聯(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、預測預警管理、風險管理等功能。平臺可實現(xiàn)將水文地質信息、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，人工智能技術與大數(shù)據(jù)分析技術在管片預制與運輸、盾構掘進、管片安裝、監(jiān)控量測、風險管理等領域發(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，提高了工程建設質量。
2.4運營維護
鐵路盾構隧道運營期一般長達50～100年，鐵路盾構隧道的運營維護包括對隧道的翻新改造、加固維修、設備監(jiān)控、備件管理等。盾構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。運維技術的提升需要大量盾構隧道病害、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資料應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
隨著我國鐵路盾構隧道的建設，盾構隧道建設理念、勘察設計技術、施工設備及施工管理水平有了長足的進步，盾構隧道智能建造代表了未來隧道修建技術的發(fā)展方向，但是目前我國鐵路盾構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、智能技術較為落后、智能化普及度低、智能化建造不成系統(tǒng)等，國內學者開展了大量盾構隧道智能化的研究，但大部分研究成果缺乏實用性。2)盾構隧道的勘察、設計、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，導致大量工程數(shù)據(jù)無法得到正確合理的應用。
3)勘察專業(yè)存在外業(yè)勘察數(shù)據(jù)庫設計沒有從整個勘察項目管理高度來設計的問題，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)內外業(yè)一體化。4)BIM技術在盾構隧道建設領域得到了充分的發(fā)展與應用，當前BIM技術發(fā)展遇到新瓶頸，主要表現(xiàn)為:雖然BIM具有完善的內部信息、精密的構件關系、注重細節(jié)技術，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。6)對于運營維護階段盾構隧道結構的安全性評價，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
基于既有鐵路盾構隧道修建技術的基礎上，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、大數(shù)據(jù)及人工智能技術等的發(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，適應復雜環(huán)境及多功能方向發(fā)展。
1)地質勘察方面，針對實際問題具體分析，綜合研究各種技術手段的優(yōu)劣，力求以最少的工作量布置及最優(yōu)的技術組合，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、云GIS技術、大數(shù)據(jù)智能感知挖掘技術、人工智能+視覺識別技術、互聯(lián)網(wǎng)+虛擬現(xiàn)實技術等新技術的發(fā)展，工程勘察設備及作業(yè)管理信息化系統(tǒng)逐漸向一體化、智能化升級，內外業(yè)一體化智能化設備、內外業(yè)一體化智能作業(yè)系統(tǒng)是未來發(fā)展方向。
2)盾構隧道設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)成果的可復制性;CLOUD-BIM架構對于施工工點分散、技術環(huán)節(jié)復雜、涉及更多訪問用戶的大規(guī)模的鐵路盾構隧道BIM模型，具有更好的適應性。BIM技術實施的最大收益在運維階段，設計和建設階段產生的大量數(shù)據(jù)信息在后期漫長的鐵路盾構隧道運維階段凸顯價值，因此，基于盾構隧道模型的BIM大數(shù)據(jù)開發(fā)應用，是未來鐵路盾構隧道設計的發(fā)展方向。
地質工程師評職知識：地質勘測專利技術轉讓信息
4結論與建議
科技的不斷發(fā)展促進了鐵路盾構建造智能化施工水平的提高，越來越多的智能技術與方法被應用到鐵路盾構隧道的勘察、設計、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量，并且建造技術的創(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，利用智能建造技術促進鐵路盾構隧道工程項目的一體化管理，提升鐵路隧道工程品質是一項重要的工作。但是，目前我國鐵路盾構隧道智能建造技術發(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，構建適合我國國情的鐵路盾構隧道智能建造技術體系及功能架構，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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