我國鐵路隧道智能化建造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及展望

王同軍

（中國國家鐵路集團有限公司，北京100844）

“當今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革深入發(fā)展”，在新一輪科技革命和產(chǎn)業(yè)變革自孕育興起已至深入發(fā)展之際，人類社會已經(jīng)邁入智能時代［1］。智能時代的到來對鐵路隧道建設(shè)技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展提出了新的機遇與挑戰(zhàn)，已經(jīng)引起世界范圍內(nèi)隧道建設(shè)強國的關(guān)注和重視。未來世界范圍內(nèi)鐵路隧道建設(shè)技術(shù)水平競爭直接取決于隧道建設(shè)過程中智能化技術(shù)運用的廣度和深度。

改革開放40多年來，我國隧道建設(shè)技術(shù)取得了長足的進步和發(fā)展［2］，我國已經(jīng)是世界第一隧道建設(shè)大國。日均4 km的隧道建設(shè)速度，對基礎(chǔ)理論、勘察設(shè)計、機械化、信息化、物料人員資源配置及管理提出了新的挑戰(zhàn)，鐵路隧道建造方式的進步或者變革已經(jīng)是時代擺在鐵路建設(shè)工作者面前亟待解決的難題。

隧道智能化建造是工程建造領(lǐng)域的發(fā)展方向，是新形勢下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢［2］，智能化建造技術(shù)的推廣運用，迫切需要明確基本概念與架構(gòu)組成，確定研究與實踐技術(shù)范疇，提煉關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，客觀梳理當前技術(shù)發(fā)展水平，并針對性地指出進一步提升方向，在此基礎(chǔ)上提出切實可行的發(fā)展展望，為我國鐵路隧道智能化建造有序推進提供指導(dǎo)。

1 鐵路隧道智能化建造技術(shù)

1.1 概念與架構(gòu)組成

鐵路隧道的建設(shè)管理、設(shè)計、施工、監(jiān)理由不同單位承擔，按照工作內(nèi)容可分為施工管理、施工組織管理、設(shè)計管理和建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督與管理，是一個復(fù)雜的體系。施工管理涉及基本信息管理、項目管理、合同管理以及安全質(zhì)量、物資材料、成本控制等管理，施工組織管理涵蓋進度計劃、機械工裝配置、大臨工程施工、人員配置、施工方法與施工方案，設(shè)計管理涵蓋圖紙繪制、圖紙方案變更、技術(shù)交底、圖紙存檔，建設(shè)質(zhì)量監(jiān)督與管理涵蓋安全生產(chǎn)管理、風(fēng)險評估、安全專項方案、施工檢查、監(jiān)控量測、第三方檢測等。為促進隧道建設(shè)更高效、更安全，上述各個方面需統(tǒng)籌推進并結(jié)合移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)開展創(chuàng)新應(yīng)用。

基于此，鐵路隧道智能化建造可定義為將信息化、機械化、自動化、智能化技術(shù)與先進的隧道建造技術(shù)相融合，通過對地質(zhì)、結(jié)構(gòu)、機械、人員、材料等信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，面向隧道勘察、設(shè)計、施工、質(zhì)量管控及建設(shè)管理，實現(xiàn)綠色高效、安全可靠的建造技術(shù)體系。

隧道智能化建造體系架構(gòu)由智能化裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策、智能管控5個方面組成［2］（見圖1）。智能裝備直接服務(wù)于隧道施工，通過信息化技術(shù)實現(xiàn)遠程監(jiān)視、遙控遙感、精準定位和安全施工。智能感知層集中匯集各類智能裝備、硬件傳感器、觸發(fā)裝置、定位裝置、采集分析芯片和掃描設(shè)備所感知或采集的裝備自身、施工環(huán)境、工程地質(zhì)條件、圍巖條件、結(jié)構(gòu)狀態(tài)等信息資源，并傳輸至數(shù)據(jù)服務(wù)平臺。數(shù)據(jù)服務(wù)平臺作為數(shù)據(jù)資源的基礎(chǔ)平臺，匯集全國鐵路隧道建設(shè)、運維期的各類數(shù)據(jù)信息，并將勘察設(shè)計數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、監(jiān)理數(shù)據(jù)、物資數(shù)據(jù)、質(zhì)量評價和管理檔案分類存儲，供智能決策分析。智能決策是隧道智能化建造的核心與難點，涵蓋統(tǒng)計學(xué)、工程統(tǒng)籌、人工智能等學(xué)科交叉耦合，靈活采用機器學(xué)習(xí)、深度學(xué)習(xí)、交互分析，在大數(shù)據(jù)匯集的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)智能進階，為智能管控服務(wù)。智能管控是隧道智能化建造的最終目標與體現(xiàn)，涵蓋動態(tài)化三維設(shè)計（BIM+GIS）、智能化施工和管理3個方面，實現(xiàn)三維圖紙管理、動態(tài)施工管理、集成信息管理、監(jiān)控量測管理、風(fēng)險評估、可視化交底與虛擬建造，將一般意義上的隧道建設(shè)提升為智能化的建造。

隧道智能化建造的特征是實現(xiàn)機械化、信息化深度融合，實施基礎(chǔ)是實現(xiàn)機械水平、數(shù)據(jù)資源、人員素質(zhì)和管理模式的有效提升，研發(fā)路徑遵循循序漸進、突破重點、技術(shù)集成到人機結(jié)合的發(fā)展規(guī)律，目標定位為無人化、可視化、智慧化。

圖1 隧道智能化建造體系架構(gòu)［2］

1.2 實踐范疇

鐵路隧道智能化建造研究與實踐范疇涵蓋基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法、工藝工法、標準規(guī)程、協(xié)同管理（見圖2）。其中，基礎(chǔ)理論是基石，智能化設(shè)計方法與配套的工藝工法是手段，相對應(yīng)的標準規(guī)范規(guī)程是保障，設(shè)計施工多系統(tǒng)協(xié)同管理是目的。

基礎(chǔ)理論方面，隧道的圍巖力學(xué)特性及其荷載效應(yīng)是隧道力學(xué)的基礎(chǔ)科學(xué)問題，圍巖與支護體系的動態(tài)作用關(guān)系在掌子面開挖后應(yīng)力重分布過程中占主要作用，結(jié)構(gòu)體系的動力響應(yīng)串聯(lián)建設(shè)期與運營期結(jié)構(gòu)受力，引出隧道全生命周期力學(xué)響應(yīng)，上述3個方面又涉及監(jiān)測檢測、設(shè)計參數(shù)與多場耦合。

設(shè)計方法方面，當前設(shè)計參數(shù)的智能化已有應(yīng)用，代表當前技術(shù)水平，可通過GIS、BIM、大數(shù)據(jù)融合和智能化傳感、感知、定位跟蹤，最終實現(xiàn)綠色數(shù)字隧道與智慧隧道。而隧道智能輔助設(shè)計軟件的開發(fā)是設(shè)計方法中的先行要素，主要集中在關(guān)鍵技術(shù)與軟件開發(fā)兩方面，其中關(guān)鍵技術(shù)主要包括變量設(shè)計技術(shù)、參數(shù)特征模型以及基于專業(yè)知識的智能化設(shè)計；軟件開發(fā)體現(xiàn)在系統(tǒng)組成、隧道參數(shù)特征模型建立洞身襯砌標準庫的搭設(shè)［3］。

工藝工法方面，面向全斷面或大斷面開挖的鉆爆法隧道、TBM隧道及預(yù)制裝配式隧道首先實現(xiàn)各類臺車工裝的信息化高度融合施工，在施工過程中建立安全性控制系統(tǒng)，主要針對隧道掌子面安全性控制、洞身結(jié)構(gòu)安全性控制以及二襯支護實際及步距的控制［4］，以確保施工過程安全快速，建立面向施工期的監(jiān)測檢測機制與驗收標準，并銜接運營期的周期、日常和重點檢測監(jiān)測。

標準規(guī)程方面，吸收新技術(shù)，優(yōu)化圍巖分級與設(shè)計參數(shù)匹配性，明確成套裝備功能組成，各類臺車裝備的取費、定額、攤銷等規(guī)定，制定面向智能化施工的各項驗收標準和可推廣的通用參考圖。

協(xié)同管控方面，簡統(tǒng)化、集約化建立經(jīng)濟高效的管理體系，施工單位的管理平臺數(shù)據(jù)應(yīng)能與中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）的工程管理平臺共享一定關(guān)鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)施工裝備機群之間，施工裝備機群、特殊裝備與協(xié)同管理平臺之間信息數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)處理的無縫集成［5］。隧道全生命周期數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)中心集中存儲與分析，管理方面同時兼顧經(jīng)濟合理與技術(shù)可行。

1.3 關(guān)鍵科學(xué)或技術(shù)問題

隧道智能化建造的研究與實踐范疇涉及多項難點與挑戰(zhàn)，可歸納為以下2個關(guān)鍵科學(xué)或技術(shù)問題：

（1）隧道建設(shè)空間關(guān)鍵要素多粒度實體化表達。隧址范圍內(nèi)及建設(shè)所涉及的局部區(qū)域組成隧道建設(shè)空間，其全要素地理信息采集、處理與時空數(shù)據(jù)模型構(gòu)建，多模態(tài)、多粒度時空數(shù)據(jù)高效組織與分布式協(xié)同存儲管理；多專業(yè)數(shù)據(jù)實時接入與探索性時空關(guān)聯(lián)分析；復(fù)雜艱險山區(qū)鐵路高精度空間位置服務(wù)與精密高程基準面構(gòu)建；空天地一體化測繪多技術(shù)多源異構(gòu)信息融合；綜合構(gòu)成關(guān)鍵要素多粒度實體化表達。

（2）智能化建造功能架構(gòu)與自適應(yīng)控制理論。智能化建造所涉及的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、BIM、GIM等新興技術(shù)，以及基于運籌學(xué)、管理學(xué)、工程經(jīng)濟學(xué)與系統(tǒng)工程理論，都是智能化建造的有機組成部分，自適應(yīng)系統(tǒng)利用可調(diào)系統(tǒng)的輸入量、狀態(tài)變量及輸出量來測試某種性能指標，根據(jù)測得的性能指標與給定的性能指標進行比較，自適應(yīng)機構(gòu)修改可調(diào)系統(tǒng)的參數(shù)，以保持測得的性能指標接近于給定的性能指標，或者說使測得的性能指標處于可接受性能指標的集合內(nèi)［6］。如何引入工程控制論的基本思想，提出適用于鐵路隧道建造全生命周期的成套機械行為方式、電子遠程傳輸、信息整合融合、材料適配優(yōu)選等方面的自適應(yīng)控制理論是需要解決的一個關(guān)鍵科學(xué)問題。

2 我國鐵路隧道智能化建造技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2.1 總體概述

我國鐵路隧道修建發(fā)軔于1888年，目前我國已經(jīng)是世界上鐵路隧道運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。130多年的發(fā)展歷程中，隧道建造工藝工法先后經(jīng)歷了圖解法、上下導(dǎo)坑先拱后墻法、漏斗棚架先墻后拱法，以及新奧法理念下的多種臺階法、眼鏡工法和配合各類機械裝備的具有中國特色的大斷面鉆爆法和TBM工法。這一過程體現(xiàn)了隧道建設(shè)從原始創(chuàng)新，集成創(chuàng)新，引進、消化、吸收、再創(chuàng)新，到形成我國技術(shù)標準體系，實現(xiàn)了“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略的偉大轉(zhuǎn)變。智能化建造發(fā)展包含3個階段：即數(shù)字化建造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化建造、數(shù)字化網(wǎng)絡(luò)化智能化建造。鐵路隧道智能化建造作為其中的一部分，是未來隧道建造發(fā)展的必然趨勢。從信息化和智能技術(shù)在我國鐵路工程領(lǐng)域的應(yīng)用現(xiàn)狀看，雖然已在鐵路規(guī)劃、設(shè)計、施工、運營和維護等階段發(fā)揮重要作用，但是仍處于第一代和第二代智能建造階段。例如近年來京張鐵路、鄭萬鐵路等線路隧道工程在設(shè)計、施工和運營方面建設(shè)實現(xiàn)了一定程度的智能化建造理念的應(yīng)用。在科學(xué)技術(shù)迅猛發(fā)展的今天，我國鐵路隧道建造智能技術(shù)發(fā)展不能簡單重復(fù)從第一代、第二代到新一代智能技術(shù)依次發(fā)展，必須借助全球人工智能的快速發(fā)展。在新一代智能技術(shù)研發(fā)和應(yīng)用方面，突破關(guān)鍵技術(shù)，實現(xiàn)彎道超車，實現(xiàn)真正意義上的智能化建造，為智慧鐵路奠定基礎(chǔ)，實現(xiàn)鐵路隧道建設(shè)管理深層次發(fā)展。

2.2 智能化建造基礎(chǔ)理論

智能化建造理論與多學(xué)科息息相關(guān)，涉及通信、信息、計算機軟件、人工智能、管理科學(xué)、行為科學(xué)、控制管理以及系統(tǒng)科學(xué)等，這是科學(xué)構(gòu)成其發(fā)展的理論基礎(chǔ)。近年來，我國鐵路建設(shè)管理單位開始將運籌學(xué)、管理學(xué)、工程經(jīng)濟學(xué)與系統(tǒng)工程理論相結(jié)合，吸納新技術(shù)，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、BIM、GIM等技術(shù)融合，在信息論與信息技術(shù)、通信技術(shù)、GPS和GIS技術(shù)、控制理論與技術(shù)等領(lǐng)域，理論研究都在不斷深化和改進。在京張鐵路、鄭萬鐵路隧道工程中進行了機械化與信息化深度融合實踐，包含全生命周期、系統(tǒng)層級、智能化功能3個維度的鐵路隧道智能化建造功能框架已具雛形。

當前初步實現(xiàn)了工程控制論與計算機信息技術(shù)的理論結(jié)合，并結(jié)合京張鐵路八達嶺等典型隧道智能化建造全過程，實現(xiàn)了機械行為方式、電子遠程傳輸、信息整合融合、材料適配優(yōu)選4個方面的自適應(yīng)控制管理。基于現(xiàn)代隧道建造理念，依托鄭萬鐵路湖北段典型隧道工程建設(shè)，掌握了隧道開挖、錨噴支護、二次襯砌支護時機對于圍巖松動圈或塌落拱的影響規(guī)律，揭示了無臺階或微臺階工況下，二次襯砌合理封閉距離，掌握深淺層圍巖的破壞特性及深部圍巖的結(jié)構(gòu)層效應(yīng)特點及圍巖失穩(wěn)典型模式。

人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)、遺傳算法、模擬退火算法和群集智能技術(shù)等技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用于圍巖分級與智能化設(shè)計參數(shù)優(yōu)先［7-10］，并開始針對于隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)中面臨的大量數(shù)據(jù)處理和分析難題開展應(yīng)用，為信息化介入設(shè)計、施工奠定了基礎(chǔ)。

總體來說，國內(nèi)智能化建造基礎(chǔ)理論發(fā)展仍處在起步階段，智能化是建造技術(shù)的發(fā)展趨勢，如何將先進的信息技術(shù)及資源，與巖土工程、隧道工程、巖石力學(xué)等學(xué)科相結(jié)合，進行工程智能決策并構(gòu)建完善的設(shè)計、施工決策體系已經(jīng)成為鐵路隧道智能化建造基礎(chǔ)理論發(fā)展的核心問題。

2.3 智能化勘察設(shè)計

隧道智能化建造在勘察設(shè)計方面，綜合應(yīng)用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術(shù)，依托智能化裝備，實現(xiàn)基礎(chǔ)三維實體模型全生命周期信息再現(xiàn)的自動化動態(tài)設(shè)計。依據(jù)空天地一體化的測繪多技術(shù)融合勘測方案，有利于及時提供施工各階段數(shù)字化地質(zhì)資料，在質(zhì)量、工期和安全保證等方面為隧道建造提供有力的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)保障［2］。鉆探與超前地質(zhì)預(yù)報方面，國鐵集團在面向川藏鐵路隧道工程開展的系統(tǒng)性科研攻關(guān)課題中，提出了千米級鉆機整套裝備相應(yīng)的設(shè)計方法，建立了基于物探、鉆探、點云和數(shù)字鑿巖信息的綜合超前預(yù)報體系。近年來，拉林、鄭萬鐵路等在建項目及即將開工的川藏鐵路雅安—林芝段都面臨多類型嚴峻的不良地質(zhì)考驗，綜合采用POS（Position and Orientation System）數(shù)碼航空影像［11］、高分辨率衛(wèi)星影像、雷達影像、機載LIDAR（激光雷達）、無人機攝影及傾斜攝影、三維激光掃描及超前千米級水平鉆機等綜合測量技術(shù)，形成空天地一體化的測繪多技術(shù)融合勘測方案。

鄭萬鐵路湖北段在智能設(shè)計方面，主要收集現(xiàn)有設(shè)計參數(shù)，構(gòu)建設(shè)計參數(shù)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)隧道圍巖智能分級結(jié)果，利用數(shù)據(jù)庫搜索算法，自動匹配選擇出設(shè)計參數(shù)初選值。并利用現(xiàn)有設(shè)計理論編譯相關(guān)軟件，實現(xiàn)對參數(shù)初選值進行自動校核，當滿足要求時得到推薦值，不滿足要求時進行優(yōu)化，給出最終推薦值。初步實現(xiàn)了設(shè)計參數(shù)智能匹配、推薦及校核、優(yōu)化，但其匹配推薦方式為固定式匹配，嚴格依賴所建參數(shù)數(shù)據(jù)庫，無法進行模糊綜合匹配，此外其校核公式僅涵蓋部分設(shè)計參數(shù)，重要設(shè)計優(yōu)化參數(shù)如錨桿并不能實現(xiàn)智能檢核優(yōu)化。以上方法智能化程度不高，需要人工介入，可靠性、泛化性也尚需大量工程驗證。

智能化勘察設(shè)計是隧道智能化建造的核心和精髓，長久以來，新奧法支護理論依然在山嶺隧道占據(jù)主導(dǎo)作用，其強調(diào)圍巖支護不能單純依靠支護結(jié)構(gòu)，需要通過支護作用去充分調(diào)動圍巖的自承載能力，由圍巖作為主體結(jié)構(gòu)去承擔圍巖壓力。但目前的隧道施工普遍重視、強調(diào)支護結(jié)構(gòu)中被動支護的作用，而對加固圍巖與充分發(fā)揮圍巖自身承載能力方面重視不夠或襯砌施作不到位，我國鐵路隧道支護總體上屬于被動支護體系，主動支護理念尚不統(tǒng)一。我國在多年隧道建設(shè)中，對變形主動控制已經(jīng)達成基本共識，即在隧道施工中，主動控制圍巖變形及充分發(fā)揮調(diào)動圍巖的自承載作用，是隧道現(xiàn)代修建技術(shù)的核心理念，錨桿、錨索以及注漿加固地層等是主動控制圍巖變形的關(guān)鍵技術(shù)措施。但變形主動控制理念的內(nèi)涵、應(yīng)用條件和適用范圍等尚未在理論研究和實際應(yīng)用形成統(tǒng)一的認識。智能化建造應(yīng)由表及里，重視主動支護體系的作用。

2.4 智能化施工

智能化施工是智能化建造技術(shù)水平的重要體現(xiàn)，智能化施工涉及機械工程、機械電子、計算機技術(shù)、定位技術(shù)、遙控技術(shù)等學(xué)科融合，施工過程中機械工裝用量多少、參與深度綜合代表了我國鐵路隧道建設(shè)的技術(shù)水平。20世紀80年代以來，帶有液壓機械臂的鑿巖鉆機在隧道內(nèi)開始應(yīng)用，標志著我國隧道機械化施工的開端［12］。當前，隧道在超前鉆探、開挖、初支、仰拱、防（排）水板、二次襯砌及水溝電纜槽等作業(yè)生產(chǎn)線采用譜系化工裝已經(jīng)相當普遍。當前機械化應(yīng)用規(guī)模由小到大、試用范圍由窄到寬、信息化水平由低到高、支護結(jié)構(gòu)適應(yīng)性由差變強［12］。

目前，鐵路隧道型譜化智能裝備施工狀態(tài)實時感知國外以電腦鑿巖臺車為主，雖然具備自動定位、自動標記鉆孔位置、自動傳輸數(shù)據(jù)并快速生成施工報告等智能化功能，但未形成全工序成套智能施工裝備［13］；國內(nèi)在此方面的研究起步較晚，多采用引進、消化、吸收、創(chuàng)新的策略進行國產(chǎn)化研發(fā)，且多集中于鑿巖臺車、濕噴機械手等單臺裝備，但型譜化智能裝備施工狀態(tài)實時感知水平整體不高［14-15］。鄭萬鐵路初步研制了智能型鑿巖臺車、智能型注漿臺車、智能型拱架臺車、智能型錨桿臺車、智能型濕噴臺車、數(shù)字化襯砌臺車，部分裝備實現(xiàn)了施工狀態(tài)實時感知，其中智能型鑿巖臺車具備了對炮孔數(shù)量、位置等信息實時感知功能；智能型注漿臺車具備了注漿量信息實時感知功能。我國動態(tài)調(diào)控技術(shù)主要根據(jù)工程經(jīng)驗、人工輸入基礎(chǔ)參數(shù)再匹配的方式來實現(xiàn)對當前施工狀態(tài)的動態(tài)調(diào)控，但是目前參與智能施工的專業(yè)化人才較為缺乏，人員的專業(yè)技術(shù)都是針對智能建造中各分領(lǐng)域的技術(shù)，受工程經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫本身的局限，不能對整體智能建造施工有充分的掌握。而距離基于機器本身參數(shù)的動態(tài)、實時、自動調(diào)控的完全智能化調(diào)控仍相差甚遠。

實踐表明，既有裝備尚不能滿足復(fù)雜艱險山區(qū)高能地質(zhì)環(huán)境條件下隧道工程安全高效施工的需求，故采用主動支護體系替代傳統(tǒng)支護體系，研發(fā)適配于主動支護體系的隧道智能施工裝備，形成基于隧道智能施工裝備的質(zhì)量控制技術(shù)，建立隧道智能監(jiān)測技術(shù)及體系，從而指導(dǎo)主動支護體系智能化施工，實現(xiàn)隧道安全、高效、優(yōu)質(zhì)及少人化施工目標，意義重大且十分急迫。

2.5 智能化協(xié)同管控

智能管控集中體現(xiàn)智能建造的精髓與能動性、互動性，是全生命周期智能建造過程的集中展示與運用。目前，國內(nèi)智能建造協(xié)同管控尚處于起步階段，鄭萬鐵路湖北段隧道工程建設(shè)在“地-隧-機-信-人”智能建造協(xié)同管控方面做了初步嘗試，構(gòu)建隧道智能化建造協(xié)同管理平臺，具備了圍巖智能分級、設(shè)計參數(shù)智能優(yōu)選、開挖及支護智能施工和施工質(zhì)量管控等4項功能。京雄高鐵明挖隧道襯砌施工建立了由移動廠房、智能鋼筋臺車、智能模板臺車、中央集料斗布料系統(tǒng)、智能養(yǎng)護系統(tǒng)組成的集中控制管理平臺。

上述平臺采用了輕量化BIM技術(shù)，構(gòu)建的可視化遠程控制平臺實現(xiàn)了隧道施工信息的數(shù)字化儲存與可視化展示，保證了項目參與各方良好的信息交流和溝通協(xié)調(diào)［16］；此外還有監(jiān)測及檢測結(jié)果的可視化，主要采用應(yīng)力或變形遠程自動監(jiān)測方法。其中，應(yīng)力監(jiān)測需埋入大量自動傳感器，建立龐大的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；變形監(jiān)測應(yīng)用了三維激光掃描、測量機器人等先進技術(shù)［17］，但不能將隧道支護結(jié)構(gòu)變形數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為應(yīng)力數(shù)據(jù)，控制方式單一。隧道施工質(zhì)量智能管控主要利用三維點云掃描、熱成像技術(shù)、地質(zhì)雷達等無損檢測手段實現(xiàn)［18-22］，如通過三維點云掃描實現(xiàn)超欠挖輪廓矯正，利用熱成像攝像機測量混凝土溫度進而實時確定噴射混凝土強度，基于地質(zhì)雷達的襯砌檢測等。

鐵路隧道智能化建造的抓手是網(wǎng)絡(luò)化數(shù)據(jù)傳輸與信息化經(jīng)營管理。協(xié)同管控體現(xiàn)在包含國鐵集團、建設(shè)單位、設(shè)計單位、咨詢單位、施工單位、監(jiān)理單位等在內(nèi)的隧道參建各方可簡統(tǒng)化、集約、方便地開展工作，并可在軟件平臺實現(xiàn)設(shè)計、施工、物料信息的傳輸與管理。協(xié)同管理平臺軟件是實現(xiàn)協(xié)同管控的直接工具，施工單位的信息化管理平臺需與鐵路工程建設(shè)管理平臺接駁，隧道建設(shè)過程中各項資料應(yīng)能匯集于大數(shù)據(jù)中心，一方面便于數(shù)據(jù)存檔、可追溯，一方面便于隨時備查可查，為運營養(yǎng)護提供輔助。針對平臺開發(fā)，當前中國鐵道科學(xué)研究院集團有限公司已經(jīng)依托國鐵集團立項的課題開展工作。

3 鐵路隧道智能化建造技術(shù)提升方向

3.1 智能化建造體系架構(gòu)

隧道建造過程中的少量大型裝備運用以及機械化、信息化與輔助決策相融合并不能簡單稱為“智能建造”，鐵路隧道智能化建造是一個系統(tǒng)工程，其體系架構(gòu)由智能裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策和智能管控等5個層級構(gòu)成，缺一不可。體系架構(gòu)完善，需研發(fā)型譜化、標準化的智能裝備，解決全過程數(shù)據(jù)流的暢通，建設(shè)完備的工程地質(zhì)環(huán)境信息綜合勘察判釋數(shù)據(jù)庫，建立自動化圍巖分級與爆破參數(shù)優(yōu)化算法，繼而實現(xiàn)智能感知與智能裝備、后臺服務(wù)器的智能化連接。通過多樣化的采集方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動讀取與傳輸，開發(fā)基于變形主動控制及設(shè)計參數(shù)智能化設(shè)計理論以及智能建造協(xié)同管控與可視化遠程控制系統(tǒng)的綜合平臺。

3.2 智能化設(shè)計理論

鐵路隧道智能化建造與我國鐵路隧道設(shè)計方法并不等同，智能化建造的技術(shù)運用首先應(yīng)在設(shè)計層面解決適用性的問題，并非所有的線路類型、工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、環(huán)境條件、社會條件下的隧道均適用于智能化建造。設(shè)計理論應(yīng)積極吸納“新奧法”“新意法”“挪威法”等設(shè)計理論中的適用于我國隧道建造的部分，結(jié)合隧道設(shè)計模型中荷載反力模型、收斂約束模型、連續(xù)體模型，重視圍巖、錨桿承重作用，發(fā)揮主動支護作用，建立健全變形主動控制支護體系框架、優(yōu)化設(shè)計理念、明確承載主體、提高安全儲備、重視監(jiān)控量測、加強數(shù)據(jù)采集、提高風(fēng)險管理。建立設(shè)計參數(shù)匹配方法，融合專家知識庫和機器學(xué)習(xí)開源框架，構(gòu)建可實現(xiàn)動態(tài)協(xié)調(diào)、安全使用、耐久高韌、長效主動的主動支護體系設(shè)計理論。

3.3 智能化施工

機械工裝的標準化應(yīng)與智能化同樣重視，當前我國面向鐵路隧道僅鋪掛臺車、襯砌臺車、養(yǎng)護臺車發(fā)布了國鐵集團技術(shù)標準，尚未對裝備進行認證。高度智能化大機裝備國產(chǎn)化不足，在技術(shù)可行、安全可靠、經(jīng)濟合理的前提下，重點圍繞開挖支護作業(yè)生產(chǎn)線，綜合考慮機械工裝的工作量、工作效率、能源消耗、勞力資源、設(shè)備易操作性、通用性、耐久性、靈活性以及維修的難易性、購置費、使用年限、單位時間利息率、設(shè)備在場的工作效率和易損件的儲備量，立足國產(chǎn)化，研發(fā)適配于主動支護體系的標準化智能化裝備，對應(yīng)編制國鐵集團標準及進行CRCC認證，并且建立施工安裝管理系統(tǒng)，依靠施工信息采集系統(tǒng)中快速采集的超前地質(zhì)數(shù)據(jù)、圍巖收斂量測數(shù)據(jù)和隧道位移應(yīng)力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息共享和預(yù)警，有利于施工方、監(jiān)理方、設(shè)計方和業(yè)主方及時了解隧道施工動態(tài)，并采取應(yīng)對措施，建立動態(tài)感知、實施分析、精準決策、自主執(zhí)行的隧道智能化建造體系，最終形成適用面廣、可推廣的安全快速智能化施工工法。

3.4 標準規(guī)程技術(shù)立法

當前，與智能化建造相適應(yīng)的標準規(guī)程技術(shù)體系尚不完備，專門性的設(shè)計、施工、監(jiān)控量測、機械裝備、檢驗驗收、定額造價技術(shù)體系亟須建立，可結(jié)合代表性典型工點與施工步驟，結(jié)合目前學(xué)術(shù)研究成果與最新探究方向，一方面修正、修編既有規(guī)范、規(guī)程、技術(shù)條件、各類工法與指南不足或不匹配問題；另一方面統(tǒng)一編制與機械化施工、智能化設(shè)計、信息化管控、科學(xué)化管理相匹配的各項規(guī)范、規(guī)程、技術(shù)條件、各類工法與指南，從行業(yè)政策上明確智能化應(yīng)用率目標，以保障隧道建設(shè)過程有據(jù)可依，有據(jù)可判。

3.5 信息化協(xié)同管控

針對機械化、信息化、人機結(jié)合等方面在鐵路隧道建造過程中的應(yīng)用，充分調(diào)動參建各方的積極能動性，在保質(zhì)量、保安全、重效率、節(jié)能耗、重環(huán)保的前提下，將變量化設(shè)計技術(shù)和專家系統(tǒng)方法應(yīng)用到鐵路隧道輔助設(shè)計中，建立參數(shù)化特征模型和洞身襯砌標準庫，以智能化建造為驅(qū)動和根本目的，建立涵蓋管理單位、建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位、監(jiān)理單位等的標準化鐵路隧道管理模式，形成安全、經(jīng)濟、高效與可普適推廣的創(chuàng)新性管理體系。明確信息化平臺管理體系中，國鐵集團、建設(shè)單位及設(shè)計、施工、質(zhì)量監(jiān)督單位自上而下的管理權(quán)責，加強大數(shù)據(jù)中心對于全路隧道建設(shè)數(shù)據(jù)的接收、匯集與安全保護，立足我國當前既有鐵路隧道建設(shè)項目管理特點，依托科研課題及工程實踐制定信息化管理平臺技術(shù)標準，以技術(shù)標準、作業(yè)標準、管理標準為重點，建立適用于智能建造體系的標準化協(xié)同管理體系，結(jié)合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術(shù)，全面助力鐵路智能建造全面升級。

4 展望

綜合當前高速鐵路隧道建設(shè)需求、現(xiàn)階段技術(shù)水平及發(fā)展現(xiàn)狀［23-25］，我國隧道智能化建造技術(shù)的發(fā)展趨勢為：隨著智能化建造體系的試驗與推行，不斷積累完善各類地質(zhì)條件下的隧道設(shè)計與施工方法，最終突破基于深度學(xué)習(xí)的隧道智能化建造技術(shù)理論，實現(xiàn)自學(xué)習(xí)、自適應(yīng)的隧道智能化建造體系，隨后建立動態(tài)感知、實施分析、精準決策、自主執(zhí)行的隧道智能化建造體系，全面推廣、實現(xiàn)隧道智能化建造。

（1）2020—2023年，建立鐵路隧道智能化勘察設(shè)計技術(shù)體系。提出基于GIS的工程勘察涵蓋空天地一體化隧道地質(zhì)勘察預(yù)報以及智能化量測、隧址范圍內(nèi)地形地貌全要素信息獲取與快速處理、隧道工程地質(zhì)和環(huán)境綜合勘察與基于隧址范圍內(nèi)地質(zhì)信息的綜合勘察判釋，實現(xiàn)隧道超前地質(zhì)預(yù)報多源信息融合與智能快速解譯，突破不良地質(zhì)體的亞米級成像技術(shù)，由傳統(tǒng)的人工解譯向半自動轉(zhuǎn)變，大幅提高解譯效率。實現(xiàn)圍巖信息的“快速采集—實時傳輸—遠程評價”的智能化分級，實現(xiàn)隧道施工中圍巖質(zhì)量漸進性評價。提出主動變形支護體系的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)及變形控制值，優(yōu)化我國隧道支護結(jié)構(gòu)設(shè)計模式，提出變形主動支護體系中各支護構(gòu)件的安全性與可靠性評價方法，實現(xiàn)隧道主動支護體系定量化設(shè)計，并給出隧道主動支護體系機械化施工適配工法工藝。

（2）2020—2025年，形成成套成系列的鐵路隧道快速施工工法。提出圍巖監(jiān)控量測與超前地質(zhì)預(yù)報、洞內(nèi)循環(huán)作業(yè)優(yōu)化與有害氣體檢測、火工品管理與人員定位、鉆爆法與掘進機法施工監(jiān)控的自適應(yīng)控制、智能工裝施工狀態(tài)實時感知與動態(tài)調(diào)控以及預(yù)制裝配式襯砌結(jié)構(gòu)施工監(jiān)控與自適應(yīng)控制技術(shù)，形成隧道鉆孔、開挖、支護、襯砌等主要工序施工裝備智能化技術(shù)，形成基于隧道智能施工裝備的施工質(zhì)量控制技術(shù)，形成隧道施工質(zhì)量智能監(jiān)測技術(shù)及其體系。實現(xiàn)隧道全斷面、大斷面高能地質(zhì)條件下隧道智能化施工，實現(xiàn)隧道施工質(zhì)量評價方法信息化，實現(xiàn)隧道監(jiān)測自動化，形成完備的工藝工法。

（3）2021—2026年，形成鐵路隧道智能化建造標準化協(xié)同管理體系。建立“地-隧-機-信-人”智能建造協(xié)同管控與可視化遠程控制系統(tǒng)，形成施工期風(fēng)險源識別、風(fēng)險處置與管控的施工風(fēng)險評價及管控系統(tǒng)，形成三維隧道及圍巖環(huán)境信息化模型展示及設(shè)計參數(shù)動態(tài)優(yōu)化的智能化動態(tài)設(shè)計輔助系統(tǒng)，形成超前支護、鉆爆開挖、初期支護、二次襯砌、防排水體系、溝槽施作等工序的信息存儲查詢、三維可視化、設(shè)計施工監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋的智能化動態(tài)施工管控系統(tǒng)，形成參建各方信息匯集分析與處置的智能建造信息化協(xié)同管控及遠程控制系統(tǒng)，形成全過程數(shù)字化管理，建立完備的鐵路隧道智能化建造標準化協(xié)同管理體系。

5 結(jié)束語

鐵路隧道智能化建造已經(jīng)成為全球鐵路隧道建設(shè)的前沿發(fā)展方向，研究與踐行鐵路隧道智能化建造是時代賦予新時期鐵路建設(shè)者的神圣使命。未來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)將進一步融合，結(jié)合圍巖智能判識、智能設(shè)計、智能裝備、智能施工、智能監(jiān)測及質(zhì)量管控、智能協(xié)同管理平臺等隧道智能化建造技術(shù)的深入研究和工程應(yīng)用，隧道智能化建造愿景定將全面實現(xiàn)。因此，智能化建造技術(shù)的理論、技術(shù)應(yīng)用必將推動我國隧道建造技術(shù)在提升機械化、信息化水平的基礎(chǔ)上向智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)關(guān)鍵高新技術(shù)的研發(fā)與擴散，可使鐵路隧道工程建造產(chǎn)業(yè)鏈得到極大的拓展與延伸，帶動一系列相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)升級。在當前世界制造業(yè)加速向我國轉(zhuǎn)移的過程中，通過發(fā)展隧道智能相關(guān)技術(shù)的研究來提升我國鐵道行業(yè)整體競爭能力，對實現(xiàn)“中國制造2025”和我國鐵路“走出去”戰(zhàn)略布局具有極其重要的意義。

通過闡述鐵路隧道智能化建造組成架構(gòu)中智能裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策、智能管控層級間關(guān)系及各自作用，提出智能化建造研究與實踐范疇所涵蓋的基礎(chǔ)理論、設(shè)計方法、工藝工法、標準規(guī)程、協(xié)同管理的內(nèi)涵，提煉所涉及的關(guān)鍵科學(xué)與技術(shù)問題，論述在基礎(chǔ)理論、勘察設(shè)計、施工、協(xié)同管控4個方面的技術(shù)水平，點明在體系架構(gòu)、設(shè)計理論、施工、規(guī)范規(guī)程制修訂與信息化協(xié)同管控5個方面的提升方向，提出當前至2026年短期內(nèi)的發(fā)展展望，為我國鐵路隧道智能化建造的研究實踐提供參考。