智慧公路隧道綜述

吳 震， 王國舉， 何婭蘭

(四川省鐵路建設有限公司，四川成都 610072)

隧道作為交通領域必不可少的組成部分，每年都有幾百上千公里的隧道需要修建。調查顯示，錯綜復雜的地質條件是嚴重阻礙隧道安全快速發展的主要因素，復雜地質條件下長大隧道的建設更是需要投入不少時間[1-3]。從機械化施工到智能化、無人化的隧道建設是目前隧道發展的主流方向。

對此，不少國內外學者對智慧隧道的建設展開了調研。錢七虎[1]指出提高隧道建設信息化程度，可以更安全快速修建長大隧道，同時隧道的發展應從數字隧道向智能化隧道轉型；高曉波等[4-7]對公路智慧隧道的智能照明系統展開了討論，提升了智慧隧道的建設品質；林志等[8]介紹了智能隧道病害智能診斷、智能防災面臨的新挑戰；Liu等[9]提出了一種適用于隧道工程信息化施工的遺傳算法，可預測隧道開挖后圍巖位移；韓直等[10]從智慧隧道具有的特征出發，解決了公路智慧隧道協同管理的系列問題；貢松多吉等[11]采用理論與實際相結合的手段，在基于國內公路隧道的管理體系下，構建了綜合性的能耗監測體系，促進了綠色智慧公路隧道的發展；Jing等[12]設計了一種基于中間件的異構數據集成方法和基于多模型的動態分析機制的盾構隧道施工動態智能分析系統，實現了隧道施工及周邊環境安全的智能動態分析。曾磊等[13-14]基于國內公路隧道管理現狀，建立了智慧公路隧道體系架構，整個體系分為通信、應用等5部分，具備高效管理、精準計算、信息服務等優點；韓自力[15]調研了近幾年智慧隧道的發展現狀，在目前的研究成果上研發了信息自動采集、傳輸、存儲的智能檢測系統，同時也指出智慧高速鐵路隧道是未來數字鐵路隧道的發展趨勢；沈衛平等[16]開發了智慧盾構隧道信息管理系統，基于互聯網實現了不同類型實時數據的分析域管理，解決了砂卵石地層盾構掘進產生的滯后沉降所造成的安全問題。

本文通過對智慧隧道進行大量調研，從智慧隧道的基本特點、智慧公路隧道的運營模式、智慧公路隧道的研究現狀以及研究趨勢展開敘述，并探究了智慧公路隧道發展道路上需要解決的難題。

1 智慧隧道基本概念及其特征

錢七虎院士在第一屆全國巖土工程信息技術與應用學術交流會上表明，“提高數字隧道信息化水平才是降低隧道建設工程事故的出路”。數字隧道提高了物理隧道的自動化水平、災害預警的準確性，加快了隧道的建設，但數字隧道仍存在無法實時獲取掌子面圍巖位移、圍巖應力等施工現場數據，獲取的數據量大而無法精準使用等諸多不足，致使數字隧道與物理隧道聯系不夠緊密，往往造成現場事故的發生[17]。

現如今，將成熟的物聯網和云計算等信息技術應用到隧道的建設中彌補數字隧道的缺點，提高了數字隧道的信息化程度，在云技術、物聯網的支撐下，及時對現場數據進行采集、儲備并進行智能分析、篩選、反饋現場，智能化的數字隧道就是智慧隧道，是隧道高水平信息化的階段。如圖1所示，智慧隧道具備數據實時共享、智能感知、風險判識、監控預警等功能。

圖1 智慧隧道的功能

智慧隧道的具體功能和特點有幾點：

(1)透徹感知：在隧道里面布設傳感器，全方位實時監測隧道人員狀態、設備、溫度、空氣清晰度等。

(2)全面互聯：采用物聯網技術將傳感器全面連接，進行數據的實時采集、智能篩選與儲存。

(3)數據整合：將智能篩選出來的數據按統一標準整合為一致性數據。

(4)智能服務：通過對數據的智能處理，利用云技術構建系統管理體系，為隧道設計、建設、運營各階段提供智能化服務。

2 智慧公路隧道運營管理模式

智慧公路的運營管理模式即是在以物聯網、云計算等多種信息技術的支撐下，同時結合人工智能、三維數值模擬手段、圖像采集技術、多源數據融合、數值仿真等技術模擬公路隧道在運營階段的全過程，通過對隧道周邊環境、隧道內汽車、來往行人、通風、燈光等的協調管理控制以提高隧道運營階段安全防控水平、提高隧道通行能力、減少隧道運營階段能源損耗、降低運營階段投資成本、提高公路隧道使用壽命為目的管理模式。

如圖2所示，基于物聯網、云計算技術等綜合信息技術服務的智慧型公路隧道的運營管理模式由5個協同管理平臺組成，是傳統公路隧道管理模式在信息化程度上的本質升級。采用基于圖像采集、圖像分析、射頻識別等智能設備在運營階段的應用，全方位獲取隧道內車流量、車速、人員、隧道環境等信息，擴大了智慧公路隧道信息感知范圍。同時基于物聯網、云技術可實現數據的實時共享、智能分析篩選可用數據并儲存、對動態數據進行高效挖掘等。

圖2 智慧公路隧道運行管理模式

智慧公路隧道的運營管理模式改變了傳統公路隧道運營管理方式，以經驗為主的管理方式逐漸向智能化、信息化、精準化轉變，從被動式管理逐漸向主動式管理發展。智慧公路隧道的運營管理模式解決了傳統公路隧道信息傳輸不及時、信息量少且不實用等問題，也為社會、生態環境帶來更高的經濟效益。

3 智慧公路隧道發展現狀

3.1 GIS在公路隧道中的應用

地理信息系統(GIS)是一個在基于計算機構建的信息管理系統，其主要功能如圖3所示。近幾年來，GIS技術廣泛應用于公路隧道的建設中，田瓊等[18]依托槐樹坪隧道工程，利用GIS技術帶來的空間信息采集、分析等功能設計了槐樹坪隧道信息化施工GIS管理系統，對隧道安全快速的建設起到至關重要的作用；文海家等[19]基于數值模擬和GIS技術提出了一種預測圍巖穩定性的新方法，對中梁山白市驛隧道全線圍巖穩定性進行了分級，結合實際驗證了預測的準確性。GIS技術在公路隧道中的應用推動了隧道的信息化施工，提升了智慧公路隧道的建設質量。

圖3 GIS的主要功能

在公路隧道三維建模中，采用數字高程模型(DEM)作為地形模型，DEM模型包括了高程數據信息，即可用GSI等高線生成數字高程模型(DEM)，構建流程如圖4所示。

圖4 GSI高程信息生成DEM

3.2 BIM技術在公路隧道中的應用

BIM的核心是通過建立虛擬的工程三維模型，利用數字化技術，為這個模型提供完整的、與實際情況一致的工程信息庫。BIM技術日益完善，應用領域也不斷拓寬，現如今也開始應用于公路隧道的智能建設中。李德軍等[20]以某城山嶺隧道為例，采用BIM技術設計了隧道的線路走向以及隧道的主體結構，并提出了山嶺隧道BIM的構建標準以及模型的校驗方法；李曉軍等[21]基于BIM技術提出了一種新的隧道模型建立方法，實現了模型單元的自適應拼接，解決了BIM技術在隧道模型建立上拼接方法不通用且效率低等問題。

如圖5所示，BIM技術可為公路隧道從設計到建設乃至運維全過程服務。BIM技術在公路隧道中的應用不僅提高了建設效率、縮短了工期，也節約了生產成本，進而在智能公路隧道的建設中逐漸推廣。

圖5 BIM技術在智慧公路隧道中的應用

3.3 一體化機械設備的應用

機械化配套施工一直是公路隧道的發展方向，高效率機械化配套施工是智慧公路隧道初級階段的前進方向。近幾年，機械化施工在隧道開挖、襯砌施工方面取得了一定的成就。懸臂式隧道掘進機以其高效、少塵、低磨損、低功耗、低擾動等優點廣泛應用于隧道的掘進工作[22-24]。在全長350 m、洞寬17 m、高13 m的黎家山隧道施工中采用了最新研發的CTR300R型懸臂掘進機，創下了進尺168 m/月的國內最高紀錄。多功能作業臺車是一種新型隧道支護安裝設備，廣泛應用于多用于隧道鋼拱架施工作業、錨桿安裝、錨網安裝等襯砌施工中[25-26]。一體化機械設備在公路隧道中的應用，提高了作業效率，加快了智慧公路隧道的建設，圖6為廣泛應用于隧道建設的一體化機械設備。

圖6 隧道施工一體化機械設備

3.4 自動化監測系統的應用

傳統的公路隧道施工中主要對隧道拱頂沉降、洞周水平收斂、支護結構受力、圍壓壓力等進行監測，每1個斷面都需要重新布設探測元件，同時對于數據的記錄基本都是監測人員采用筆和紙記錄，不僅費時費力，還會阻礙現場施工，影響掘進速度，最主要的是監測人員在整個監測過程中存在安全隱患。

為實時掌控施工現場數據，對施工出現的緊急情況及時做出應對，確保施工安全，近幾年，自動化監測系統也廣泛應用于公路隧道的智能建設中[27-28]。西山特長隧道監測系統由激光測距模塊、數據采集模塊、數據發送模塊和遠程數據接收處理模塊4個模塊組成，實現了隧道掘進、支護的全面自動化監控。

4 智慧公路隧道發展主要方向

4.1 隧道建設透視化

在傳統公路隧道防災減災上，地質雷達、紅外探水儀等超前探測技術發揮了很大的作用，但是由于探測距離有限、設備精度不夠，往往不能精準預測整個隧道的地質情況，同時由于地質情況的復雜、作業人員檢測的不規范，很可能存在潛在風險未被探明，而這些往往導致嚴重的安全事故發生。

智慧公路隧道應向著三維可視化建設發展，在GIS技術、物聯網、VR技術合信息化前沿技術的基礎上，打造具有透視功能的三維可視化隧道，對整個隧道地層進行數值仿真，實現公路隧道巖溶、斷層等不良地質位置的精準定位，可提前做好防治措施，避免安全事故的發生。

4.2 多網融合傳輸技術與設備

長距離、大斷面智能公路隧道的建設對數據采集的要求很高，現如今的數據采集設備、傳輸技術還遠遠不夠，需要研發具有高靈敏度、高精度采集范圍更廣的傳感技術裝備。在基于現如今如此前沿的信息技術水平上可大膽創新空中、陸地、水下一體化全方位探測技術，研制磁、核、聲、光、電等物理參數綜合成像探測新儀器，構建探測數據三維可視化重構等數據融合處理方法，實現數據全網傳輸、全面采集。

4.3 遠程可控的公路隧道自動化建設技術

以掘進、初支、二襯模車等現場施工機械自動化及可視化遠程監控等為基礎，以建設系統智能化控制軟件為核心，研發遠程可控的無人隧道建設技術及裝備。結合隧道建設、安全、機電、信息、計算機、互聯網等學科，把隧道開發變成智能工程或車間，實現公路隧道從機械化配套施工到全面智能化、無人化的安全高效建設。公路隧道自動化建設系統如圖7所示。

圖7 公路隧道自動化建設系統

5 結束語

基于物聯網、云計算技術的智能公路隧道擁有高度信息化水平，智慧公路隧道在隧道的選址、設計、施工、運營全生命周期里為提供不同層次的技術和信息服務，提高了隧道的建設效率、縮短了工期、節約成本。

智能公路隧道的發展也面臨著諸多挑戰，在技術上，如何使用物聯網才可以徹底實現數字隧道和物理隧道之間無時差的數據共享，如何提升采用云計算技術智能篩選數據的能力，這些都將是智慧公路隧道發展路上需要去面對的，當然這些問題涉及多方面專業知識，只有各領域專業人才的通力合作，才能加快智能公路隧道的建設。