智慧公路隧道综述

吴 震， 王国举， 何娅兰

(四川省铁路建设有限公司，四川成都 610072)

隧道作为交通领域必不可少的组成部分，每年都有几百上千公里的隧道需要修建。调查显示，错综复杂的地质条件是严重阻碍隧道安全快速发展的主要因素，复杂地质条件下长大隧道的建设更是需要投入不少时间[1-3]。从机械化施工到智能化、无人化的隧道建设是目前隧道发展的主流方向。

对此，不少国内外学者对智慧隧道的建设展开了调研。钱七虎[1]指出提高隧道建设信息化程度，可以更安全快速修建长大隧道，同时隧道的发展应从数字隧道向智能化隧道转型；高晓波等[4-7]对公路智慧隧道的智能照明系统展开了讨论，提升了智慧隧道的建设品质；林志等[8]介绍了智能隧道病害智能诊断、智能防灾面临的新挑战；Liu等[9]提出了一种适用于隧道工程信息化施工的遗传算法，可预测隧道开挖后围岩位移；韩直等[10]从智慧隧道具有的特征出发，解决了公路智慧隧道协同管理的系列问题；贡松多吉等[11]采用理论与实际相结合的手段，在基于国内公路隧道的管理体系下，构建了综合性的能耗监测体系，促进了绿色智慧公路隧道的发展；Jing等[12]设计了一种基于中间件的异构数据集成方法和基于多模型的动态分析机制的盾构隧道施工动态智能分析系统，实现了隧道施工及周边环境安全的智能动态分析。曾磊等[13-14]基于国内公路隧道管理现状，建立了智慧公路隧道体系架构，整个体系分为通信、应用等5部分，具备高效管理、精准计算、信息服务等优点；韩自力[15]调研了近几年智慧隧道的发展现状，在目前的研究成果上研发了信息自动采集、传输、存储的智能检测系统，同时也指出智慧高速铁路隧道是未来数字铁路隧道的发展趋势；沈卫平等[16]开发了智慧盾构隧道信息管理系统，基于互联网实现了不同类型实时数据的分析域管理，解决了砂卵石地层盾构掘进产生的滞后沉降所造成的安全问题。

本文通过对智慧隧道进行大量调研，从智慧隧道的基本特点、智慧公路隧道的运营模式、智慧公路隧道的研究现状以及研究趋势展开叙述，并探究了智慧公路隧道发展道路上需要解决的难题。

1 智慧隧道基本概念及其特征

钱七虎院士在第一届全国岩土工程信息技术与应用学术交流会上表明，“提高数字隧道信息化水平才是降低隧道建设工程事故的出路”。数字隧道提高了物理隧道的自动化水平、灾害预警的准确性，加快了隧道的建设，但数字隧道仍存在无法实时获取掌子面围岩位移、围岩应力等施工现场数据，获取的数据量大而无法精准使用等诸多不足，致使数字隧道与物理隧道联系不够紧密，往往造成现场事故的发生[17]。

现如今，将成熟的物联网和云计算等信息技术应用到隧道的建设中弥补数字隧道的缺点，提高了数字隧道的信息化程度，在云技术、物联网的支撑下，及时对现场数据进行采集、储备并进行智能分析、筛选、反馈现场，智能化的数字隧道就是智慧隧道，是隧道高水平信息化的阶段。如图1所示，智慧隧道具备数据实时共享、智能感知、风险判识、监控预警等功能。

图1 智慧隧道的功能

智慧隧道的具体功能和特点有几点：

(1)透彻感知：在隧道里面布设传感器，全方位实时监测隧道人员状态、设备、温度、空气清晰度等。

(2)全面互联：采用物联网技术将传感器全面连接，进行数据的实时采集、智能筛选与储存。

(3)数据整合：将智能筛选出来的数据按统一标准整合为一致性数据。

(4)智能服务：通过对数据的智能处理，利用云技术构建系统管理体系，为隧道设计、建设、运营各阶段提供智能化服务。

2 智慧公路隧道运营管理模式

智慧公路的运营管理模式即是在以物联网、云计算等多种信息技术的支撑下，同时结合人工智能、三维数值模拟手段、图像采集技术、多源数据融合、数值仿真等技术模拟公路隧道在运营阶段的全过程，通过对隧道周边环境、隧道内汽车、来往行人、通风、灯光等的协调管理控制以提高隧道运营阶段安全防控水平、提高隧道通行能力、减少隧道运营阶段能源损耗、降低运营阶段投资成本、提高公路隧道使用寿命为目的管理模式。

如图2所示，基于物联网、云计算技术等综合信息技术服务的智慧型公路隧道的运营管理模式由5个协同管理平台组成，是传统公路隧道管理模式在信息化程度上的本质升级。采用基于图像采集、图像分析、射频识别等智能设备在运营阶段的应用，全方位获取隧道内车流量、车速、人员、隧道环境等信息，扩大了智慧公路隧道信息感知范围。同时基于物联网、云技术可实现数据的实时共享、智能分析筛选可用数据并储存、对动态数据进行高效挖掘等。

图2 智慧公路隧道运行管理模式

智慧公路隧道的运营管理模式改变了传统公路隧道运营管理方式，以经验为主的管理方式逐渐向智能化、信息化、精准化转变，从被动式管理逐渐向主动式管理发展。智慧公路隧道的运营管理模式解决了传统公路隧道信息传输不及时、信息量少且不实用等问题，也为社会、生态环境带来更高的经济效益。

3 智慧公路隧道发展现状

3.1 GIS在公路隧道中的应用

地理信息系统(GIS)是一个在基于计算机构建的信息管理系统，其主要功能如图3所示。近几年来，GIS技术广泛应用于公路隧道的建设中，田琼等[18]依托槐树坪隧道工程，利用GIS技术带来的空间信息采集、分析等功能设计了槐树坪隧道信息化施工GIS管理系统，对隧道安全快速的建设起到至关重要的作用；文海家等[19]基于数值模拟和GIS技术提出了一种预测围岩稳定性的新方法，对中梁山白市驿隧道全线围岩稳定性进行了分级，结合实际验证了预测的准确性。GIS技术在公路隧道中的应用推动了隧道的信息化施工，提升了智慧公路隧道的建设质量。

图3 GIS的主要功能

在公路隧道三维建模中，采用数字高程模型(DEM)作为地形模型，DEM模型包括了高程数据信息，即可用GSI等高线生成数字高程模型(DEM)，构建流程如图4所示。

图4 GSI高程信息生成DEM

3.2 BIM技术在公路隧道中的应用

BIM的核心是通过建立虚拟的工程三维模型，利用数字化技术，为这个模型提供完整的、与实际情况一致的工程信息库。BIM技术日益完善，应用领域也不断拓宽，现如今也开始应用于公路隧道的智能建设中。李德军等[20]以某城山岭隧道为例，采用BIM技术设计了隧道的线路走向以及隧道的主体结构，并提出了山岭隧道BIM的构建标准以及模型的校验方法；李晓军等[21]基于BIM技术提出了一种新的隧道模型建立方法，实现了模型单元的自适应拼接，解决了BIM技术在隧道模型建立上拼接方法不通用且效率低等问题。

如图5所示，BIM技术可为公路隧道从设计到建设乃至运维全过程服务。BIM技术在公路隧道中的应用不仅提高了建设效率、缩短了工期，也节约了生产成本，进而在智能公路隧道的建设中逐渐推广。

图5 BIM技术在智慧公路隧道中的应用

3.3 一体化机械设备的应用

机械化配套施工一直是公路隧道的发展方向，高效率机械化配套施工是智慧公路隧道初级阶段的前进方向。近几年，机械化施工在隧道开挖、衬砌施工方面取得了一定的成就。悬臂式隧道掘进机以其高效、少尘、低磨损、低功耗、低扰动等优点广泛应用于隧道的掘进工作[22-24]。在全长350 m、洞宽17 m、高13 m的黎家山隧道施工中采用了最新研发的CTR300R型悬臂掘进机，创下了进尺168 m/月的国内最高纪录。多功能作业台车是一种新型隧道支护安装设备，广泛应用于多用于隧道钢拱架施工作业、锚杆安装、锚网安装等衬砌施工中[25-26]。一体化机械设备在公路隧道中的应用，提高了作业效率，加快了智慧公路隧道的建设，图6为广泛应用于隧道建设的一体化机械设备。

图6 隧道施工一体化机械设备

3.4 自动化监测系统的应用

传统的公路隧道施工中主要对隧道拱顶沉降、洞周水平收敛、支护结构受力、围压压力等进行监测，每1个断面都需要重新布设探测元件，同时对于数据的记录基本都是监测人员采用笔和纸记录，不仅费时费力，还会阻碍现场施工，影响掘进速度，最主要的是监测人员在整个监测过程中存在安全隐患。

为实时掌控施工现场数据，对施工出现的紧急情况及时做出应对，确保施工安全，近几年，自动化监测系统也广泛应用于公路隧道的智能建设中[27-28]。西山特长隧道监测系统由激光测距模块、数据采集模块、数据发送模块和远程数据接收处理模块4个模块组成，实现了隧道掘进、支护的全面自动化监控。

4 智慧公路隧道发展主要方向

4.1 隧道建设透视化

在传统公路隧道防灾减灾上，地质雷达、红外探水仪等超前探测技术发挥了很大的作用，但是由于探测距离有限、设备精度不够，往往不能精准预测整个隧道的地质情况，同时由于地质情况的复杂、作业人员检测的不规范，很可能存在潜在风险未被探明，而这些往往导致严重的安全事故发生。

智慧公路隧道应向着三维可视化建设发展，在GIS技术、物联网、VR技术合信息化前沿技术的基础上，打造具有透视功能的三维可视化隧道，对整个隧道地层进行数值仿真，实现公路隧道岩溶、断层等不良地质位置的精准定位，可提前做好防治措施，避免安全事故的发生。

4.2 多网融合传输技术与设备

长距离、大断面智能公路隧道的建设对数据采集的要求很高，现如今的数据采集设备、传输技术还远远不够，需要研发具有高灵敏度、高精度采集范围更广的传感技术装备。在基于现如今如此前沿的信息技术水平上可大胆创新空中、陆地、水下一体化全方位探测技术，研制磁、核、声、光、电等物理参数综合成像探测新仪器，构建探测数据三维可视化重构等数据融合处理方法，实现数据全网传输、全面采集。

4.3 远程可控的公路隧道自动化建设技术

以掘进、初支、二衬模车等现场施工机械自动化及可视化远程监控等为基础，以建设系统智能化控制软件为核心，研发远程可控的无人隧道建设技术及装备。结合隧道建设、安全、机电、信息、计算机、互联网等学科，把隧道开发变成智能工程或车间，实现公路隧道从机械化配套施工到全面智能化、无人化的安全高效建设。公路隧道自动化建设系统如图7所示。

图7 公路隧道自动化建设系统

5 结束语

基于物联网、云计算技术的智能公路隧道拥有高度信息化水平，智慧公路隧道在隧道的选址、设计、施工、运营全生命周期里为提供不同层次的技术和信息服务，提高了隧道的建设效率、缩短了工期、节约成本。

智能公路隧道的发展也面临着诸多挑战，在技术上，如何使用物联网才可以彻底实现数字隧道和物理隧道之间无时差的数据共享，如何提升采用云计算技术智能筛选数据的能力，这些都将是智慧公路隧道发展路上需要去面对的，当然这些问题涉及多方面专业知识，只有各领域专业人才的通力合作，才能加快智能公路隧道的建设。