隧道智能建造技术的发展与应用

殷付通 王明军 张世超 靳浩然 吕庆霞 刘静菲

摘要：我国隧道与地下工程建设由高速度发展转向了高质量发展，大量新技术和新装备的使用提高了隧道建设施工的质量和效率。以隧道建筑信息模型和地理信息系统为核心，结合多种信息技术的隧道智能建造体系（Intelligent tunnel construction system），可以有效的降低隧道施工的人员成本，提高隧道施工机械化水平，实现隧道建设全过程的智能化、标准化、信息化管理。

Abstract： The construction of tunnels and underground engineering in China has shifted from high-speed development to high-quality development. The use of a large number of new technologies and equipment has improved the quality and efficiency of tunnel construction. The intelligent tunnel construction system takes tunnel building information model and geographic information system as the core， and combines with a variety of information technologies， so it can effectively reduce the cost of tunnel construction personnel， improve the level of tunnel construction mechanization， and realize the intelligent， standardized， and informatized management of the whole process of tunnel construction.

关键词：隧道建设;智能建造;BIM;机械化;信息化

Key words： tunnel construction;intelligent construction;BIM;mechanization;informatization

中图分类号：TU741                                      文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2020）23-0112-02

0  引言

我国隧道工程技术的快速发展始于上世纪80年代，当时正值改革开放的浪潮席卷我国东部沿海地区[3]。作为一个隧道建设大国，近40年隧道和地下工程建设技术积累，我國在隧道勘察、设计、建造和运营领域取得了长足的发展和经验。在隧道的建设全生命周期内不断应用各种高新科技，提出并实践了一系列隧道工程技术，也为国际隧道工程技术的进步与发展做出了不可或缺的贡献。

传统土木建筑领域是劳动密集型产业，一个工程项目往往需要大量人员参与，由于人员素质和水平参差不齐，管理尤为困难。在很长一段时间内，国内劳动力的成本低廉直接促进了隧道工程的快速发展。但是低廉的人工成本和昂贵的施工机械一次性投入也阻碍着国内先进隧道施工机械的大规模普及，传统的劳动密集型的施工方法与新的隧道施工方法、理念显得格格不入。随着农村老一代劳动人口老龄化，大量的建筑从业者退出建筑行业，农村新一代年轻群体大多不愿意从事繁重的建筑劳动，造成了建筑业劳动力在一段时间内相对短缺的情况[2]。劳动力短缺引发的劳动力成本逐年上升，迫使企业越来越多的使用机械替代人工。机械化水平的提高带来的不仅是生产效率的提高、施工质量、安全的保证，还有人员管理成本的大幅度缩减。高度机械化、信息化、智能化是隧道工程未来必然的发展方向。

1  我国隧道工程建设的发展

中国古代有着“火烧水浇”原始隧道开挖方法，今陕西省汉中县褒谷口内的“石门”隧道就是用这种方法修建的，而中国最早的地下隧道可以追溯到春秋战国期间，是秦国为了巩固统治修建的“褒斜道”。随着火药的发明，隧道建设也进入了“矿山法”时代，“矿山法”是中国隧道建设历史上使用时间最长、应用最广泛的隧道施工方法。后来国内引入的“新奥法”和“新意法”等先进施工理念与中国实际工程相结合发展出了“浅埋暗挖法”[4]并成功运用在北京复兴门地铁折返线工程中，“浅埋暗挖法”的出现使得我国的浅埋暗挖技术一直处于世界领先地位[5]。盾构和TBM技术作为隧道施工最为先进的施工装备使得隧道施工的机械化水平得到了大幅度提升，掘进机施工有着机械化程度高、施工速度快、地面沉降小等优点，为隧道智能建造的发展提供了良好平台。

我国盾构与TBM起步较晚，但经过十多年的潜心学习和自主创新我国的盾构技术已经达到了世界先进水平，国产盾构机和TBM不仅占有国内近90%的市场，还远销世界多个国家[6]。我国隧道建设施工经历了“手工化”到“机械化”再到“信息化”的发展路程，未来的智能“信息化”隧道建造会更加的高效、智能，智能化的机械装备将会取代人工和落后的机械设备。

2  隧道智能建造的内容

2.1 隧道智能建造的提出

随着城市地下综合体、地下铁路，综合管廊以及各类浅层地下设施的开发与建设，未来的地下工程会向着更深的地层发展，隧道建设也会迎来各种复杂地质条件下的隧道工程，埋深大、隧道长、大断面、修建难度大将会是隧道建设中不可回避的挑战，传统的隧道建设施工方法难以在复杂的地质条件下正常的开展隧道工程作业。隧道智能建造的提出不仅是为了解决复杂地质下隧道修建的有关问题，而且隧道工程也要紧跟信息技术的急速发展，更好更快的完成工程建设。

隧道智能建造以隧道建筑信息模型和地理信息系统为核心，利用大数据、人工智能、信息化监控等一系列高新技术与先进隧道施工机械装备实现隧道建设全过程的智能化、信息化管理[7]。隧道的智能化建造已经不是一项单纯的隧道设计、开挖、掘进、支护的技术，它是一种多种智能信息技术与先进机械装备互相配合开展的多专业、多工种、多工序的系统性工程。智能勘测与超前预报、智能化协同设计、开挖施工贯穿了隧道建设项目全生命周期，是隧道智能建造全生命周期的核心问题。

2.2 智能勘测与超前地质预报

地质勘测与超前地质预报是隧道建设的先行军，是隧道及地下工程建设中极其重要的一项任务。隧道智能建造依靠地理信息系统、三维空间定位系统以及精密的量测设备完成工程拟建区域内地形、地层全要素的信息获取。在隧道拟建区域进行勘测后建立道勘测数据库，依据围岩与支护理论自动进行围岩分级并给出设计开挖、支护措施建议。

隧道超前地质预报技术是指在隧道开挖过程中，对掌子面前方及其周边的围岩与地层情况做出超前预报[8]。为可能出现的各种不良地质情况作出应对措施。超前地质预报可以极大地降低施工风险，保障隧道施工的安全进行。智能化的隧道建设体系中在开挖、钻孔、爆破、支护的各个阶段实时采集、监测围岩参数，利用钻孔分析法和计算机图像分析法结合大数据分析比对自主判断前方围岩稳定性状况并实现支护和衬砌的动态优化设计。

2.3 隧道智能化协同设计

基于BIM技术的隧道项目设计是实现隧道智能协同化设计的可行方案，隧道建设生命周期的BIM技术可以实现对隧道勘测、设计、施工到运维的智能信息化管理[9]。建筑工程领域BIM技术在建筑、结构、给排水等专业的协同设计已应用于实际工程。利用地质勘察的数据结合地理坐标系统可建立隧道拟建区域的可视化模型，根据智能化的围岩分级结果进行隧道结构优化设计。

BIM协同设计的另一项优点是可以实现三维图纸的存档和数字化设计交付，甚至可以完全省去纸质图纸。基于BIM技术得三维设计模型能够输出任意位置的隧道横、纵截面图，节省了大量重复性绘图工作。在对BIM模型进行轻量化处理后可以实现隧道建设过程AI模拟参观展示。

2.4 隧道智能化开挖施工

隧道的智能化建设也必须遵循传统隧道开挖方法的经验理论，坚持围岩的主体地位，衬砌与围岩共同作用，发挥围岩的自稳能力，安全合理高效地进行隧道智能化设计、建造。以TBM和盾构机为主要掘进手段的隧道智能化施工的核心是在信息化系统的指导下利用机械设备进行隧道施工[10][11]。根据前期地质勘测和超前地质预报的数据参数，系统智能选择最佳的掘进参数，利用已开挖洞体周边围岩的监测信息动态化进行支护衬砌，及时用预制管片封闭成环。基于BIM技术的隧道智能化施工可以做到管片级定位，每一片预制管片都可以做到实时定位、应力监测和状态查看。基于BIM建立的隧道信息化施工管理体系统筹管理各项工作信息，监测围岩数据并及时智能分析反馈，实时掌握施工现场作业情况。

3  隧道智能建造的工程应用

贵南高铁广西段隧道在建设过程中围绕隧道拱顶空洞、矮墙渗水等问题自主研发了的隧道智能浇筑系统PMS信息管理系统结合多种隧道施工装备共同构成了智能化隧道建设管理信息系统，解决高铁隧道施工过程中的诸多难题，为贵南高铁广西段施工顺利完工提供了可靠保障[12]。京张高铁清华园隧道段是京张高铁重要的控制节点工程，线路穿越北京主城区，横跨多条城区主道路，与多条地铁线路较差重叠。为解决工程地质复杂、环境特殊、施工难度大的难题，研发基于BIM的隧道施工管理信息系统，并成功应用在该项目中[13]。郑万高铁湖北段在建設过程中为实现预定施工目标，基于围岩稳定承载和新奥法的理念，建立了一套贯穿隧道结构设计、机械化施工、智能动态支护、防水作业和信息管理的智能化隧道修建技术体系[14]。

4  结语

隧道智能化建造技术的基础是隧道施工的高度机械化和信息化技术的进步。机械化水平的提高解放了大量的劳动力，也改善了施工质量良莠不齐的局面;信息化技术的进步将隧道建设数据化，实现了实时数据保存与分析，给出最优的施工方案;智能管理系统的应用确保了隧道施工的安全有序可视化管理，极大地改善隧道施工管理水平。三者相互促进发展并利用人工智能结合大数据信息处理隧道建设中可能出现的突发问题，自主调整施工参数，真正实现隧道施工智能化、标准化、无人化施工。

参考文献：

[1]林毅，王立军，姜军.郑万高铁隧道施工大型机械化配套及信息化应用探索[J].隧道建设（中英文），2018，38（08）：1361-1370.

[2]李勇.中国建筑行业的劳动力转移和灵活就业[J].中国国际财经（中英文），2017（11）：255.

[3]严金秀.中国隧道工程技术发展40年[J].隧道建设（中英文），2019，39（04）：537-544.

[4]王梦恕.隧道工程浅埋暗挖法施工要点[J].隧道建设，2006（05）：1-4.

[5]洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展与展望[J].隧道建设，2017，37（02）：123-134.

[6]路耀邦，刘洪震，游永锋，徐朝辉.海底盾构隧道孤石爆破预处理关键技术[J].现代隧道技术，2012，49（05）：117-122.

[7]王同军.我国铁路隧道建造方法沿革及智能建造技术体系与展望[J].中国铁路，2020（03）：1-11.

[8]范小龙.秀宁隧道施工地质灾害超前预报技术及方法研究[D].北京交通大学，2013.

[9]杨威，鲍榴，王万齐，王辉麟，解亚龙.基于BIM的清华园隧道施工管理关键技术研究及应用实践[J/OL].铁道标准设计：1-7;2020-04-28.

[10]刘喆.铁路隧道智能建造技术的发展与应用[J].现代隧道技术，2019，56（S2）：550-556.

[11]刘飞香.铁路隧道智能化建造装备技术创新与施工协同管理展望[J].隧道建设（中英文），2019，39（04）：545-555.

[12]郑传海.真正的“硬核”——中铁十一局贵南广铁广西段6标机械化智能化施工纪实[J].建筑，2019（17）：59-61.

[13]杨威，鲍榴，王万齐，王辉麟，解亚龙.基于BIM的清华园隧道施工管理关键技术研究及应用实践[J/OL].铁道标准设计：1-7[2020-04-28].

[14]王志坚.高速铁路隧道机械化修建技术创新与智能化建造展望——以郑万高速铁路湖北段为例[J].隧道建设（中英文），2018，38（03）：339-348.