我国铁路隧道建造方法沿革及智能建造技术体系与展望

王同军

（中国国家铁路集团有限公司，北京100844）

1 概述

1888年我国第1座铁路隧道狮球岭隧道（全长261 m）开工建设，之后的130余年，我国发展成为世界上铁路隧道运营里程最长、在建规模最大的国家。改革开放40年来，我国不仅建成了大量的隧道工程，而且在修建技术上取得了长足进步，在勘察、设计、施工、装备、信息化应用等方面取得了一大批创新成果，建成了一批特长、超深埋、超大断面、高海拔等重大隧道工程［1］。

进入21世纪，信息技术发展突飞猛进，机械装备制造能力与日俱增，信息化与机械化深度融合，人工智能技术大范围多领域应用，涵盖智能建造、智能装备和智能运营的智能铁路应运而生［2］。智能铁路是现代新技术在铁路领域的综合应用，是铁路运输发展的必然方向［3］。成兰铁路、西成铁路、浩吉铁路、郑万铁路、京张铁路等线路隧道工程，一定程度上实现了智能建造理念在铁路隧道工程领域的应用。隧道智能建造作为智能铁路有机组成部分，代表了未来隧道修建技术的发展方向。隧道智能建造是在智能系统顶层设计［4］基础上的单一专业延伸实践，也是工程建造领域的发展方向，是新形势下铁路工程建设发展的必然趋势［5］。基于我国隧道建造技术的发展沿革，对我国铁路隧道智能建造的概念、核心、体系架构、关键技术和发展趋势进行阐述。

2 建造方法沿革

我国铁路隧道建造技术共经历技术起步、初步发展、快速发展和引领世界4个阶段（见图1）。设计、建造工艺工法、新技术应用不断迭代发展。

图1 我国铁路隧道发展阶段

2.1 早期建造方法

1900年之前，我国铁路隧道都是由外国人主持修建的，标准较低。1908年，京张铁路总工程师詹天佑亲自规划和督造建成京张铁路八达岭隧道开通（全长1 091 m），是我国自行修建的第1座越岭铁路隧道（见图2）。1911—1949年，我国在7 000 km的铁路线上建成总长100 km的370余座铁路隧道。

新中国成立前，设计方法多采用图解法计算衬砌内力（见图3），未考虑地层弹性约束，衬砌计算按容许应力校核衬砌截面的抗拉与抗压强度。施工方法采用人工开挖、木支撑，永久衬砌则用砖、石或混凝土，作业断面小、施工危险性高，效率低。

图2 京张铁路八达岭隧道

图3 图解法计算衬砌内力

新中国成立初期至20世纪60年代，隧道设计依据苏联的普氏地层压力理论（见图4）进行内力计算［6］。

20世纪50年代中期，隧道施工工序及衬砌支护方式采用上下导坑先拱后墙法［7］（见图5），对一些围岩较完整的隧道采用漏斗棚架先墙后拱法［8］（见图6）。1956年我国自行设计和建造的宝成铁路建成通车，全线隧道304座，总延长84 428 m，施工中克服了线路地形复杂、运输不便和施工干扰等困难，显示出我国该时期的施工技术水平。

图4 普氏地层压力理论计算模型

图5 上下导坑先拱后墙法

图6 漏斗棚架先墙后拱法

新技术应用方面，50年代后期开始试用正、反台阶开挖法和遥感技术。1959年，铁路勘测设计部门在西康线越岭方案草测中采用航测遥感技术进行地质调绘，提高了信息化技术在隧道建设中的应用。

2.2 钻爆法

20世纪60—70年代初，铁路隧道多沿用早期设计理论及方法，随着隧道工程增多，不同水文地质条件隧道设计可供类比工程越来越多。1972年，原铁道部提出以围岩稳定性为主要依据的铁路隧道围岩分类法，得出以六级围岩分类为基础的铁路隧道围岩压力计算公式，1975年纳入《铁路工程技术规范：第三篇：隧道》，至此结束我国铁路部门袭用普氏地层压力理论及以地层坚固性系数的围岩分类法历史。

60年代起钻爆法应用并推广，从早期的人工手把钎、锤击凿孔，用火雷管逐个引爆单个药包，发展到用凿岩台车或多臂钻车钻孔，应用毫秒爆破、预裂爆破及光面爆破等技术，现在仍然是世界上应用最广的施工工法。同期，隧道钻爆机械化施工和隧道衬砌作业机械化在国内初步应用。1964年，在川黔、贵昆及成昆铁路西南大三线建设中开始使用凿岩机钻孔台车、衬砌模板台车等施工机械。1965年初，成昆铁路关村坝隧道（见图7）采用喷水冲洗、加设锚杆及挂网等措施，防止岩爆灾害。丰沙线落坡岭隧道围岩较好地段，试验采用全断面开挖法，并在围岩稳定性好的隧道工程中推广应用。整个60年代，原铁道部组织西南铁路建设大会战，建成贵昆、成昆、京原以及东川、镜铁山、嫩林、盘西、水大等铁路，共修建隧道1 113座，总延长660 km。

图7 关村坝隧道

在隧道施工工序及衬砌支护方式创新方面，60年代在成昆线、70年代在枝柳线部分隧道采用反台阶先墙后拱法［7］。70—80年代后期，正台阶开挖先墙后拱法基本取代了先拱后墙法。

在新技术应用方法方面，70年代末期，铁路系统锚喷支护和“新奥法”研究课题重点转向软弱破碎围岩，并研究在软弱破碎围岩条件下，实现大断面开挖的一系列新技术、新工艺。1981年，衡广铁路复线大瑶山双线隧道开工建设；1987年，大瑶山隧道贯通［9］，全长14 295 m，是我国20世纪最长的双线铁路隧道，当时名列世界第10位。该隧道是我国铁路隧道技术进步的里程碑，在隧道施工中，首次引进并试验了国外最先进的“新奥法”施工技术，组织研发、自主创新的深孔光面爆破、喷锚支护、监控量测等10余项配套技术，解决40余项技术难题，达到国际先进水平，实现大断面快速安全施工，结束了中国人不能自主修建10 km以上特长隧道的历史。

在机械应用上，采用当时国内外最先进的大型机械（见图8），建起了钻爆、支护、装运3条主要工序机械化作业线，使我国隧道建设由手抬肩扛、手持风钻的原始落后状态，跨越到大型机械化作业行列。20世纪90年代以来，原铁道部制定了铁路隧道喷锚构筑法技术规则，形成有中国特色的隧道修建新方法，湿喷混凝土技术、工艺及湿喷机开始应用，自进式锚杆支护技术开始发展，浅埋暗挖法进一步发展，由台阶法演变为单侧壁导坑法［10］、双侧壁导坑法［11］、中隔壁法（CD法）［12］、交叉中隔壁法（CRD法）［13］。自21世纪起，我国隧道建设者相继攻克了特长隧道断裂带挤压变形、高压富水充填溶腔、断裂带、特殊围岩地层大变形、湿陷性黄土地区、膏溶角砾岩地段、水下隧道建设以及第三系砂泥岩地层围岩特性和安全控制技术难题。相继建成了兰新二线乌鞘岭特长隧道、宜万铁路多座岩溶隧道、郑西客运专线湿陷性黄土地区隧道、石太高铁太行山隧道、青藏铁路西格二线新关角隧道、兰渝铁路胡麻岭隧道。大量机械装备得以自主生产和应用，跻身世界大型隧道施工机械制造强国。

2.3 隧道掘进机工法

隧道掘进机在我国习惯按照适用的软硬地层区分为盾构与TBM 2种。

图8 Atlas TH286型四臂全液压凿岩台车

我国盾构始于1953年阜新煤矿，当前盾构开挖隧道已是城市地铁隧道的主要施工方法。在铁路隧道领域，2007年广深港铁路狮子洋隧道采用4台直径11.18 m泥水盾构施工，克服了高水压、地质环境复杂等技术难题［14］；2015年浩吉铁路白城隧道为克服工程地质难题创新性提出“大断面马蹄形的土压平衡盾构方法”（见图9），我国铁路山岭隧道首次采用盾构法施工，解决了隧道圆形断面轨下空间过大、空间利用率低的问题，为非圆形断面由钻爆法施工调整为盾构法施工提供参考［15］；2017年京张高铁清华园隧道采用2台直径12.2 m的盾构机掘进（见图10），创新采用轨下预制箱涵结构（见图11），有效保障了线路开通。

图9 白城隧道大断面马蹄形的土压平衡盾构机

我国自1964年开始TBM设备的研发和施工［13］，半个多世纪以来，TBM发展分自力更生、国外承包、国外引进、自主施工联合生产与研发创新4个阶段。由于TBM开挖隧道多为圆形，因此多应用于矿业和水利水电系统。

90年代，针对不良地质隧道，在设计、施工、防灾减灾、信息化、机械化方面技术进步显著。西康铁路西秦岭Ⅰ线隧道［16］（全长18 460 m）首次采用TBM和整块预制仰拱技术（见图12），是我国铁路隧道修建技术一个新的里程碑。20世纪以来，宁西铁路桃花铺1号隧道与磨沟岭隧道、南疆铁路中天山隧道、兰渝铁路西秦岭隧道在刀盘刀具高效设计、扩挖设计、隐藏式超前钻机设计（见图13）、集成式支护系统设计（见图14）、超前地质预报技术等方面取得了长足发展。

图10 京张高铁清华园隧道

图11 京张高铁清华园隧道标准段轨下预制箱涵

图13 隐藏式超前钻机结构示意图

图14 集成式支护系统设计示意图

3 隧道智能建造概念与核心

3.1 隧道智能建造概念

智能建造 （Intelligent Building System，IBS）是以BIM+GIS技术为核心，将云计算、大数据、物联网、移动互联网、人工智能等新一代信息技术与先进的工程建造技术相融合，实现建设全过程的精细化和智能化管理。隧道智能建造（Tunnel Intelligent Building System，TIBS）为IBS在隧道范畴内的具体延伸与实践，是基于信息化技术，通过对“地-隧-机-信-人”及内外部环境的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，高效综合利用铁路隧道的移动、固定、空间、时间和人力资源，实现隧道建设、运维全生命周期的高度信息化、自动化、智能化，打造更安全可靠、经济高效的新一代隧道建造技术体系。

3.2 隧道智能建造核心

隧道智能建造的核心是以数字化资源为核心和基础，以智能化施工装备为工具，以网络化信息传输、信息化经营管理为抓手，以现代化监控量测为辅助，实现建造运维全过程的信息化、自动化、无人化或少人化智能理念。

在勘察设计方面，以BIM+GIS技术为核心，综合应用物联网、大数据、人工智能等信息技术，依托智能化装备，实现基础三维实体模型全生命周期信息再现的自动化动态设计。

在工程施工方面，依托协同管理平台，指挥智能化施工装备进行隧道修建及四电工程施工，基于物联网的智能管理平台自动传输检测信息、自动评价施工质量、自动评估安全性、自动反馈工程对策、自动记录物料信息，实施动态反馈施工过程。

在建设管理方面，基于BIM技术，融合设计、施工、物资、质量评价等平台于一体，以智能化建造为驱动，建立涵盖管理单位、建设单位、设计单位、施工单位、监理单位等的标准化铁路隧道管理模式，全过程数字化管理，多专业协同管控，形成安全、经济、高效与可普适推广的创新性管理体制。

4 隧道智能建造总体架构、技术体系框架与关键技术

4.1 总体架构

近年来铁路隧道采用掘进机开挖的隧道中，多类型智能大断面盾构应用也较为广泛［14］，但掘进机工法存在地质适应性较差、不适宜中短距离隧道施工、断面适应性差、设备购置及使用成本高等特点，一定时期内铁路隧道仍将多数采用钻爆法施工建造。因此，着重围绕钻爆法建造工艺开展铁路隧道智能建造研究。

铁路隧道智能建造是一个系统工程，其体系架构由智能装备、智能感知、数据资源、智能决策和智能管控5个层级构成（见图15）。智能感知连接智能装备与后台各类服务器，通过多样化、泛在化的采集方式，实现数据的自动读取与快速传输。从2013年开始，在中国国家铁路集团有限公司（原中国铁路总公司）领导下，依托铁路BIM联盟，中国铁道科学研究院集团有限公司开始铁路工程管理平台建设与应用［17］，数据资源是建造实现智能化的基础，归类归一化的海量数据可为智能决策提供基础支撑。智能决策是智能建造的大脑，多种人工智能学习方法的综合应用，保障决策结果的准确性和有效性。智能管控集中体现智能建造的精髓与能动性、互动性，是全生命周期智能建造过程的集中展示与运用。

图15 铁路隧道智能建造总体架构

4.2 技术体系框架

作为智能高铁智能建造技术体系框架的专业细分，隧道智能建造技术体系框架从上至下含3个领域、5个方向、26项创新，详细组成见图16。

隧道勘察设计领域包含基于GIS的工程勘察、基于BIM的工程设计2个方向。基于GIS的工程勘察方向涵盖空天地一体化隧道地质勘察预报、基于GIS的智能化量测、隧址范围内地形地貌全要素信息获取与快速处理、隧道工程地质和环境综合勘察与基于隧址范围内地质信息的综合勘察判释6项创新内容。基于BIM的工程设计涵盖BIM建模、围岩自动分级与爆破参数自动优化、设计参数智能化选择与修正、协同设计、三维图纸存档、数字化设计交付、基于AI虚拟现实与BIM技术的建造过程展示7项创新内容。

隧道工程施工领域包含基于BIM的土建工程施工1个方向。土建工程施工方向涵盖围岩监控量测与超前地质预报、洞内循环作业优化与有害气体检测、火工品管理与人员定位、钻爆法与掘进机法施工监控的自适应控制、智能工装施工状态实时感知与动态调控、预制装配式衬砌结构施工监控与自适应控制6项创新内容。

隧道建设管理领域主要是基于BIM的虚拟建造1个方向。涵盖全过程数字化管理、“地-隧-机-信-人”智能建造协同管控与可视化远程控制系统、考虑全生命周期的成本控制3项创新内容。

图16 铁路隧道智能建造技术体系架构

4.3 关键技术难题及实现方法

根据铁路隧道智能建造技术体系，隧道智能建造涉及以下关键技术难题。

4.3.1 铁路隧道工程地质环境信息综合勘察判释

工程地质环境信息勘察判释是隧道设计施工的基础和前提。隧道智能建造要求针对不同结构化信息存在异步性、矛盾性特点，提出结构化、半结构化与非结构化信息的特征识别方法，规避庞杂数据融合分析过程中伴随的冲突矛盾问题，建立表征隧道地质信息的多源异构信息数据库。建立“信息格式化—深度挖掘—融合分析”隧道多源异构信息融合分析理论与方法，为隧道智能勘察设计、施工和管理提供理论基础和精细化的地质支撑。

4.3.2 自动化围岩分级、爆破参数优化及设计参数选择

隧道智能建造的理论技术及隧道长期安全稳定要求对施工期工装、围岩及支护结构协同作用机理进行深度剖析。研究“机械-围岩-支护”动力耦合模型，给出满足工程安全的极限变形值，建立基于深、浅层隧道围岩结构稳定性的荷载效应分析模型，推导围岩压力计算公式，并确定预测荷载、基本荷载及结构支护荷载计算方法。基于人工智能匹配技术，建立设计参数智能化动态优化选择系统，根据隧道围岩评价结果，进行隧道钻爆设计、支护结构设计自适应调节，确定爆破设计参数、支护结构类型及参数。提高智能施工装备条件下支护设计对围岩的自主适应性，为高效施工提供科学依据。

4.3.3 铁路隧道型谱化智能装备施工状态实时感知与动态调控技术

机械装备施工期间会采集、收集多类型大量数据。基于大数据挖掘技术，研究隧道施工参数与装备故障的关联规律，提出智能施工装备故障远程在线监测与诊断方法。实现施工故障状态的感知识别与自动调控，建立“地质智能评价—自适应设计—智能装备作业—过程动态调节—故障实时反馈”的施工状态实时感知与动态调控体系。

4.3.4 铁路隧道智能建造自适应控制理论

隧道智能建造全生命周期是一个动态过程，提出与铁路隧道智能化建造匹配的自适应控制系统设计方法，比较各种自适应控制算法的性能，并应用于机械装备自动控制、监控量测数据传输处理、多源异构信息融合分析、各类建筑材料性能比选及适配。

4.3.5 “地-隧-机-信-人”智能建造协同管控与可视化远程控制系统

采用计算机AI、VR与BIM信息化技术，构建三维隧道及围岩环境信息化模型，研发可实现信息存储查询、三维可视化、工程水文地质信息再现、设计施工监测数据实时反馈、安全风险实时感知的智慧隧道建造基础平台。针对机械化、信息化、人机结合等方面在铁路隧道建造过程中的应用，在保质量、保安全、重效率、节能耗、重环保的前提下，研发铁路隧道智能建造协同管控与可视化远程控制系统。

5 发展趋势

2017年国务院印发《中国制造2025》指导文件，全面部署实施制造强国战略，以推进智能制造为主攻方向，为隧道智能建造所需关键大型智能机械装备研发，提供了方向与支撑。工业制造技术日新月异，已迈入以数字化、网络化和智能化为特点的工业4.0时代，如何占领“智”高点是每1个隧道技术人员应该思考的问题。

截至2019年底，我国铁路运营里程达13.9万km，运营隧道16 084 km，近5年来平均每年新增隧道超过1 400 km，相当于4 km/d多的建设进度。我国为隧道规模最大的国家，隧道智能建造市场前景广阔，结合我国铁路隧道发展现状及国情、路情，隧道智能建造发展趋势可概括为以下几点。

5.1 空天地一体化隧道地质勘察预报

隧道建设，地勘先行。当前地质勘察多依赖人工，可靠性差、效率低、周期长、时效性差。近年来拉林、郑万铁路等在建项目及即将开工的川藏铁路雅安—林芝段都面临多类型严峻的不良地质考验，综合采用POS（Position and Orientation System）数码航空影像、高分辨率卫星影像、雷达影像、机载LIDAR（激光雷达）、无人机摄影及倾斜摄影、三维激光扫描及超前千米级水平钻机等综合测量技术，形成空天地一体化的测绘多技术融合勘测方案（见图17），有利于及时提供施工各阶段数字化地质资料，在质量、工期和安全保证等方面为隧道建造提供有力的基础数据保障。

5.2 多功能集成化隧道施工大机装备

当前，隧道施工一般采用钻孔、装药、爆破、出渣、钢拱架支护、混凝土注浆、锚杆加固等一系列专用机械装备组合施工（见图18），面临工序多、装备多等问题。自掌子面沿开挖区间线性布置开始，多工序作业冲突以及设备的更换移动等造成时间浪费，极大影响作业效率。将凿岩台车、混凝土湿喷机、钢拱架台车、吊车、注浆泵、集（除）尘器、破碎锤（剪）、排风管组合为一体的多功能工程台车并统一集中管控是新的发展方向，可改善作业环境、提高安全性和作业效率，降低成本和易于维护。

图17 空天地一体化隧道地质勘察预报示意图

图18 集成化多功能隧道工程台车示意图

5.3 基于BIM的智能隧道设计施工解决方案

当前基于BIM技术的铁路工程建设管理创新与实践已有相当的积累［18-19］。针对当前铁路隧道工程建设中进度管理、安全管理、合同管理、物资管理及成本管理系统相互独立，各系统之间信息交流非电子化等问题，借助BIM可视化、协调性和模拟性的优势，将上述5个方面系统融合为基于BIM的统一管理平台，进一步完善BIM在施工和运维不同阶段下可视化交底、“三维-二维-三维”图纸管理、虚拟超前建造、施组、过程进度管理以及监控量测可视化等典型功能模块解决方案（见图19），为施工分析、工艺工序、资源配置、施组计划、施工模拟、图纸校验、监控量测等提供技术支持。

图19 基于BIM的智能隧道设计施工功能示意

5.4 全断面预制装配式新型隧道支护结构体系智能建造技术

相对于隧道传统建造方法，预制装配式技术以其标准化设计、工厂化生产、装配化施工、智能化管理等特点得到工程界的认可与推广，其绿色、智能、标准化管理、智能化施工等优势对于促进铁路隧道智能建造技术发展大有裨益。新建京张铁路清华园隧道（长6.02 km）是我国第1座采用轨下预制装配式工艺的高速铁路盾构隧道，新建郑万铁路罗家山隧道横洞都采用了预制装配式轨下拼装结构（见图20），在结构构件材质、规格型式、连接方式与接口设计参数等方面进行了探索与实践，同时建立了铁路隧道底部预制装配式结构理论分析框架，一定程度上促进了装配式技术在铁路隧道领域的发展。值得说明的是，既有研究成果对于预制装配式隧道智能建造全过程所涉及的全面感知、泛在互联、融合处理、头脑智慧等特征体现尚不充分，对于预制装配式隧道智能建造、追踪感知、运输、拼装、监测检测等技术尚未深入系统研究，尚未搭建完备的智能建造关键技术体系。因此，在充分考虑项目研究系统性、适用性和前瞻性的基础上，研究并推广应用隧道预制装配式结构构件智能建造及全生命周期在线监测检测关键技术，可加快既有科研成果付诸实践，串联并贯通科研设计、生产制造、运输拼装、监测检测全链条，促进研究成果验证并转化、落地、推广。

5.5 专业化隧道建造运维全生命周期信息技术难题解决服务

针对隧道建设分布范围广、参建单位多、工程类型多样、技术发展不均衡等特点，以及工业机器人、3D打印、工业物联网、云计算、工业大数据、知识工作自动化、工业网络安全、虚拟现实和人工智能等技术的综合应用，可组建多专业协同的科研队伍开展多层级专业化专门性技术服务（见图21），统一深入分析隧道智能建造全生命周期各专业系统管理的差异性、数据采集传输的实时性、多源异构数据融合关联的复杂性、智能决策分析场景的多样性等特殊需求，攻克核心关键技术，解决数据实时采集传输、网络能力保持与安全防御、多源异构数据的解析同化融合关联、面向工程及应用的建模决策分析等系列难题，基于中国铁路主数据中心的数据服务平台，开展数据汇集整理与融合分析。通过信息化和智能服务关键技术研究，解决隧道工程建设、运营等不同时期面临的信息化突出的共性难题，为铁路隧道工程建造运维提供有力的、满足特殊需求的专门性智能服务。

图20 预制装配式隧道新型支护体系示意图

图21 多层级专业化专门性技术服务

6 结束语

智能铁路是我国铁路的发展方向［3］，隧道智能建造是隧道工程建设的必然趋势。在梳理我国铁路隧道建造方法沿革演变的基础上，明确了铁路隧道智能建造的概念、核心与铁路隧道智能建造总体架构，阐明架构实现所依托的技术体系框架，分析了关键技术及实现方法，阐述了隧道智能建造在勘察、施工、设计、新结构、信息技术等方面的发展趋势及前景，为我国铁路隧道智能建造的实践实施、战略研究及城市轨道交通地下工程等其他领域的智能化研究提供参考。