隧道工程數字信息化施工關鍵技術及應用

智 鵬,解亞龍,史天運

(中國鐵道科學研究院集團有限公司,北京 100081)

引言

隧道工程普遍具有施工協調任務重，質量控制要求高、安全保證任務重，對施工組織、調度指揮和現場控制的有效性要求高；不良地質分布范圍較大，存在塌方、大變形、巖爆、突水、突泥等多種風險，施工安全風險大；隧道工程地質及環境條件復雜，不可預見安全風險因素多，工期風險較大。如何采用新理念、新技術、新方法和新工藝，全方面實現隧道工程高效、優質、安全、按期建設尤為重要。

以數字信息化技術促進隧道工程施工信息化、精細化管理的發展理念為全隧道行業普遍接受，隧道工程施工數字信息化管理水平在近幾年有很大的提升。文獻[1-3]進行鐵路工程建設信息化管理平臺架構研究，提出基于BIM的鉆爆隧道建設安全質量動態控制技術研究和基于BIM+物聯網的盾構隧道實時感知與預警管控平臺研究，并進行試點應用；文獻[4-5]開展了隧道工程建設地質預報及信息化技術的主要進展及發展方向和信息管理探索研究；文獻[6-9]開展了軌道交通監控量測和隧道工程變形監測預警系統技術探索研究；文獻[10-15]開展基于激光點云的隧道超欠挖檢測方法研究，進行隧道超欠挖檢測信息系統設計與實現應用；文獻[16-17]基于信息化技術搭建隧道建設信息系統，實現隧道信息化施工管理應用等。

本文將從系統工程管理方法論和數字信息化應用角度出發，首先，圍繞隧道工程施工過程施組進度、安全風險、質量驗收、人員設備管理等客觀存在的一系列技術和管理難題進行問題分析，提出數字信息化技術解決思路；然后，重點研究隧道工程施工過程施組進度、安全質量、人員設備管理等數據采集方式、數據傳輸模式、數據安全機制、數據存儲形式、信息融合共享、專業分析預判等關鍵技術和創新應用內容；最后，結合工程實際應用進行驗證，進一步總結探索隧道工程數字信息化施工實踐經驗。

1 施工施組進度關鍵技術及應用

1.1 問題分析及解決思路

隧道工程具有復雜長大線性工程、專業交叉密切、工序銜接復雜等施工組織設計難點，存在工項劃分不統一、不明確、重復交叉等施組組合拆分困難，工程進度不好量化、施工進度精確統計分析困難，動態調整施組進度和合理優化施工資源困難等一系列難題。通過研究提出隧道工程施工組織進度跨任務推演預測計算方法和基于施組進度綜合預警可視化呈現技術，實現多工序、多任務、多工點融合的隧道工程施工組織數字化編制、關鍵路徑分析與優化、三維可視化形象進度展示和進度預報警閉環管理等，解決隧道工程施組管理數字化輔助決策管理技術難題。

1.2 關鍵技術及創新應用

研究提出基于數據的施工組織進度跨任務智能推演與預警技術，按照悲觀進度、樂觀進度、計劃進度和標段經驗值等推演指標類型，設計多作業面并行工程定點貫通和動態會聚等隧道工程進度推演算法，解決隧道工程施工進度滯后的閉環管理，實現作業面沖突、資源延誤、關鍵路徑變更等預警提醒，提高施工組織進度風險預測與管控能力。

通過在系統內編制或者外部導入施工計劃，并關聯隧道BIM模型構件，形成三維施工組織計劃，進行施工進度動態模擬和對比分析，優化調整施組計劃，合理編排施組計劃，為后續施工人員安排、設備機具調配、大宗材料采購以及相鄰工序的施工計劃安排等[1-2]，提供切實可靠依據。

通過電子施工日志系統，定時采集每日進度數據，根據上傳分析結果自動形成進度日報、周報、月報、年報等，基于餅圖、柱狀圖、大屏看板等多維視圖展示可視化實際進度；同時關聯驅動BIM模型，實現隧道工程施工工點狀態、開挖進度、進度分析等三維可視化形象進度管理。

基于時間-里程維度的施工組織進度報警機制，結合電子施工日志實際進度數據和施工組織計劃工期數據對比分析，提前發現進度滯后點進行不同等級的預警，及時協助建設、施工單位采取施組進度優化相應措施，最大限度保證施工進度順利進行。

如圖1所示，實現基于BIM的隧道工程形象進度精細管理。

圖1 基于BIM的隧道工程施工組織進度管理

2 施工安全風險管控關鍵技術及應用

2.1 問題分析及解決思路

隧道工程是一項高風險工程，存在不可預見風險因素多、安全風險識別難度大、風險有效監測監控難等施工安全風險難題。通過研究應用數字視頻分析、人臉自動識別和短距離定位等多種人機定位技術，實現隧道工程施工過程洞內各工點作業機械、人員等實名制精確統計和工作軌跡精確分析，解決狹長隧道內機械、人員監控困難等技術問題。研究基于BIM、物聯網、超前地質預報、自動監控量測等多種技術與隧道工程施工安全風險監控業務相融合，實現隧道施工風險源識別、安全隱患排查、地質超期探測預報、圍巖變形監控量測、安全步距監控等安全風險數字化、可視化動態監控[1-2]，解決隧道施工安全風險有效監控預防一系列技術難題。

2.2 關鍵技術及創新應用

通過人機定位技術對洞內外人員進行精確定位，實時掌握現場人員分布及運行狀態，準確完成各區域人員數量、工作狀態統計分析和考勤管理，并對區域外作業的人員安全提醒或警示警告；利用數字視頻監控技術，實現對隧道施工現場工點值班室、隧道洞口、隧道掌子面、棄砟場及其他重點生產區域全天候全方位遠程在線視頻監控，對現場存在的物的不穩定狀態、人的不安全行為、環境的不安全因素等進行提示、警示或警告。

基于物探法、鉆探法、掌子面素描、洞身素描、地表補充調查技術，完成對隧道開挖過程前方地質信息數據動態采集、定時遠程傳輸、專業可視分析、綜合預警提醒等全流程超前地質預報成果數字化統一管理，實現隧道超前地質監測現場預報、成果發布顯示、工作量統計和進度即時匯總[1-2]；同時結合隧道地質BIM模型，以隧道圍巖等級等地質條件為判斷依據自動進行隧道風險等級和風險程度識別，從而實現安全風險評估可視化，對前方隧道開挖進行作業指導，保證隧道開挖的安全。基于多種監測技術手段實現隧道工程超前地質預報分析頁面如圖2所示。

圖2 隧道工程施工超前地質預報分析

基于隧道圍巖自動監控量測和移動物聯技術，完成對地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂的實時監控監測，自動繪制隧道測點的變形趨勢曲線和自動匯總各項統計數據，實現對隧道開挖斷面變形速率超標和累計變形量超標雙控報警，并按多層級預報警機制進行預報報警閉環處置管理；達到根據隧道實際開挖進度動態展示隧道圍巖安全狀態，更加形象和準確的去指導隧道現場施工，降低隧道施工安全風險，提升風險管控能力，確保隧道施工安全性。

根據每天電子施工日志采集的實際進度，自動計算隧道施工仰拱和二襯步距，以工區為單位，顯示掌子面、仰拱、二襯三維立體關系圖，形成二三維圖多視角的安全步距形象化分析展示，對于超過安全步距自動進行三維可視化預警提醒，并提醒相關人員進行閉環處置。隧道工程施工安全步距動態監控如圖3所示。

圖3 隧道工程施工安全步距動態監控

3 施工質量在線管理關鍵技術及應用

3.1 問題分析及解決思路

受施工技術手段、經費、現場條件等限制，導致遺漏誤判隧道地質情況發生，致使隧道施工開挖過程中出現塌方及冒頂等隧道施工事故；隧道施工中對圍巖的穩定性進行準確預報是極其重要的環節，當隧道變形較大時，如不能及時發現并采取相應措施，會造成拱頂塌陷，拱底隆起等問題。通過綜合應用BIM、三維掃描、自動監測、物聯感知、可視分析等新技術，進行隧道施工超欠挖、中線偏差、混凝土方量等精細化專業分析，對隧道工程襯砌防脫空自動分析報警、工程實體質量專業分析判斷、原材料質量數據閉環追溯，解決隧道施工初期支護是否侵限、襯砌是否澆筑密實、襯砌背后是否空洞等技術難題。

3.2 關鍵技術及創新應用

通過三維激光掃描技術對隧道開挖斷面進行掃描，形成隧道開挖斷面三維可視化測量點云圖(圖4)，依據鐵路隧道工程超欠挖和平整度相關規范和計算原理，基于隧道實際實測的點云圖模型與隧道理論參考BIM模型對比分析，綜合分析判斷隧道超欠挖、平整度以及初期支護是否侵限，實現對隧道工程超欠挖和平整度三維可視化合格性判定與優化[1，2，18]。隧道工程施工超欠挖計算流程見圖4，三維點云超欠挖和平整度分析見圖5。

圖4 隧道工程施工超欠挖計算流程

圖5 隧道工程三維點云超欠挖和平整度分析

利用液位繼電器工作原理，研發混凝土澆筑自動監測預警裝置，當襯砌混凝土澆筑至拱頂最高點時，通過觸發混凝土液位繼電器的聲光報警器開啟提醒功能，綜合判定混凝土澆筑結束時機；通過計算混凝土應澆筑數量與實際澆筑數量進行對比，分析襯砌是否澆筑密實，確保襯砌混凝土澆筑密實。

統計分析各里程段檢測測區數量、設計強度以及不同齡期的混凝土回彈檢測值，以及各里程段鉆芯檢測部位、混凝土設計強度等級、鉆芯設計與實測厚度、混凝土設計與實測強度，并以圖表形式查詢第三方檢測相關信息和檢測報告，判斷襯砌背后是否空洞，實現對隧道工程實體質量數字化在線分析。

基于試驗室信息化系統，動態監控試驗室預警處置數據，顯示當前試驗室監控數據中未處置的監控數據，同時關聯應用位置信息，從原材料方面進行質量的監控和閉環處置管理。基于拌和站信息化系統，動態監控當前拌和站監控數據中未處置的監控數據，同時關聯拌和站的相應工單和盤信息，從原材料方面進行質量的監控和閉環處置管理。混凝土拌和站信息化實時監控如圖6所示。

圖6 隧道工程混凝土拌和站實時監控

4 施工設備數字化管理關鍵技術及應用

4.1 問題分析及解決思路

針對狹長隧道長距離運輸干擾因素多、交通組織困難、交通運輸管理效率低、工程機械設備和運輸車輛監管困難等管理和技術難題，綜合研究基于視頻分析、短距離定位、GPS和GIS等多種技術與隧道內外機械設備、運輸車輛施工監控業務深度融合，解決隧道內外設備定位難、數據采集傳輸困難、統計分析不準確、組織管理效率低等技術管理難題。

4.2 關鍵技術及創新應用

通過在洞內安裝定位基站、數字視頻監控終端及進洞車輛內安裝終端設備的方式，實時捕捉、上傳車輛位置信息到云服務平臺，動態建立車輛信息數據庫，動態分析車輛、錯車道等相對位置信息關系，發送指令至車輛終端，提醒洞內行駛車輛及時就近避讓；通過人機定位系統，統計分析各類機械洞內外位置信息、設備開啟或關閉狀態及實時工作軌跡等相關信息；同時基于GIS+GPS實現對隧道工程車輛運輸行駛路徑的在線精確跟蹤和動態可視化監控，實現隧道工程建設過程洞內各工點機械、設備等精確定位、實時統計和在線工作軌跡分析。

基于信息化手段實現對進場設備銘牌、新舊程度、外觀質量、機械參數等基礎信息集中管理，對工作狀態下的機械設備的工作場所、工作內容和工作環境進行監控，并形成運行軌跡；通過對機械設備的加油管控，對機械運行及油量進行統計，形成油耗分析；通過對機械設備的工況、工時、故障統計，分析設備使用率、故障率，對于車況不好或經常閑置的設備予以清退。

基于人機定位技術的隧道內設備精準定位和人員、機械、設備綜合信息管理如圖7所示。

圖7 隧道工程施工人員、機械、設備信息管理

5 工程應用案例

5.1 新烏鞘嶺隧道工程概況及重難點

蘭張三四線鐵路新烏鞘嶺隧道地層巖性復雜，沉積巖、變質巖分布廣泛，軟弱圍巖等不良地質分布范圍較大，施工安全風險大；位于甘肅祁連山保護區及黑松驛鎮稱溝臺飲用水水源二級保護區附近，環水保要求高；施工協調任務重、質量控制要求高、安全保證任務重，對施工組織、調度指揮和現場控制的有效性要求高；隧道工程地質及環境條件復雜，工期風險較大；隧道小斷面斜井長距離運輸干擾因素多，交通組織困難、交通運輸管理效率低。

5.2 新烏鞘嶺隧道工程數字信息化應用

按照“互聯網+鐵路工程建設”的思路推進數字信息化建設，構建新烏鞘嶺隧道工程施工統一數據中心、安全網絡環境、指揮監控中心、BIM管理平臺，生產指揮中心從各個業務系統獲取相關工程進度、質量、安全等實時數據，并能夠在監控大屏進行集成展示分析預警，實現日常業務數據集中分析展示、工程宏觀信息綜合管理、建設管理遠程集中指揮和輔助決策[19-21]。

施工BIM管理平臺實現隧道工程施工進度、安全、質量和設備管理四大模塊18個業務應用功能，達到利用BIM技術實現新烏鞘嶺隧道工程指揮中心標段級和工區級多層級施組進度計劃、電子施工日志、實際形象進度、進度推演預警等精細化管理，隧道工程安全隱患排查、人機安全定位實名管理、遠程數字視頻監控、圍巖變形監控量測、安全步距分析預警等全方位可視化安全風險監控，拌和站和試驗室統計分析、當日拌和站產能及報警處置信息、試驗室不同試驗機試驗數量統計及不合格數處置率等，并能夠在監控大屏進行多角度多層級進度、質量和安全的實時統計分析、綜合預警提醒。新烏鞘嶺隧道數字信息化生產指揮中心如圖8所示。

圖8 新烏鞘嶺隧道數字信息化生產指揮中心

6 結論

通過分析隧道工程施工施組進度、安全風險、質量驗收和人員設備管理一系列技術和管理難題，系統研究BIM、物聯網、云計算、三維掃描、地質探測、變形監測、人機定位、視頻識別等新技術與隧道工程施工技術深度融合，開展了隧道工程狀態數字化宏觀管理，施組進度數字化推演預測和形象進度精細化管理，施工現場人員、機械、地質、圍巖、環境等重大風險源動態可視化監控和安全風險實時監測預警，襯砌防脫空自動分析報警、工程實體質量分析判斷、原材料質量數據追溯等質量在線數字化管理等一系列關鍵技術研究和創新應用；最后，結合蘭張鐵路三四線新烏鞘嶺隧道實際工程應用，實現了隧道工程施工施組進度精確形象化動態管理、安全風險可視化監控監測預警、質量檢驗在線數字化管理、人員機械設備信息化管理和生產指揮一張圖輔助決策管理，為實現隧道工程施工信息化、數字化、精細化管理提供實踐借鑒。

后續將進一步基于全生命周期建造理念，加深人工智能、數字孿生等技術在隧道建造方面應用研究，實現建造信息由設計階段向施工階段、竣工交付階段的無損傳遞，進一步提升隧道精益化建造管理水平，并為智能化運維提供建造數據和模型服務。