隧道工程數字信息化施工關鍵技術研究

陳平超,豐權章

（北京中交華聯科技發展有限公司,北京 100101）

0 引言

隧道工程施工過程復雜，因安全保證任務多、施工質量控制要求高、施工協調工作重，故對施工現場控制、調度指揮、施工組織等提出較高的要求。隧道工程施工環境條件與地質情況復雜，存在較多不可預見的安全風險因素，易出現工期延長風險問題。隧道工程施工現場分布有較多的不良地質，易出現突泥、突水、巖爆、變形、塌方等，故存在較大的施工安全風險[1]。由此可見，怎樣采用新工藝、新技術與新方法，實現隧道工程的安全、高效、按期施工是亟待解決的問題。在現階段隧道工程施工中，越來越普遍接受與引用數字信息化施工技術，并已獲取較好的施工效果。基于此，該文就隧道工程數字信息化施工關鍵技術展開了探討，以供大家參考。

1 施工安全風險管控數字信息化施工關鍵技術分析

1.1 存在的問題與解決思路

1.1.1 存在的問題

隧道工程屬于高風險工程，隧道工程在施工中存在多種不可預見風險因素，并且存在施工風險監測難度大、施工安全風險識別難度高等問題[2]。

1.1.2 解決思路

為解決隧道工程施工安全風險監控預防技術問題，可在隧道工程施工安全風險監控業務中，引用自動監測技術、超前地質預報技術、物聯網技術等，及時排查隧道施工安全隱患，快速識別施工風險源，監測圍巖變形，并進行可視化動態監控[3]。為解決狹長隧道工程中人員、設備監控難度大等問題，精準分析隧道工程施工過程洞內的工作軌跡，準確統計隧道洞內所有工點作業人員與設備，應深入研究各種人機定位技術，包括短距離定位技術、人臉自動識別技術、數字視頻技術等。

1.2 關鍵技術

采用數字視頻監控技術，全方位、24 h遠程在線視頻監控隧道重點生產區域，包括棄渣場、隧道掌子面、隧道洞口、隧道施工現場工點值班室等。警告、提示施工現場中存在的各種不安全因素，包括環境因素、人的不安全行為因素、物的不穩定狀態因素等。

采用人機定位技術精準定位隧道洞內外施工人員，動態掌握施工現場運行與人員分布狀態，警告、提醒施工區域外作業人員注意安全，精準考勤管理與統計不同施工區域中人員的工作狀態與數量[4]；采用地表補充調查、洞身素描、掌子面素描、鉆探等技術，動態采集、定時遠程傳輸隧道開挖施工中前方地質的信息數據，對地質預報成果進行數字化管理，可即時匯總施工進度、統計施工工程量，發布與顯示施工成果，超前預報隧道地質現場施工工況等[5]；根據隧道工程地質條件，利用隧道工程地質BIM模型，自動識別隧道工程的風險程度與風險等級，以可視化評估隧道工程施工安全風險，科學指導前方隧道的施工開挖作業，確保隧道開挖的施工安全。

采用移動物聯技術、隧道圍巖自動監控測量技術，實時監測隧道的拱頂下沉、地表沉降等，對隧道變形趨勢曲線進行自動繪制，對各統計數據進行自動匯總，根據多層級預報警機制，對報警閉環處置管理進行預報，雙控報警隧道開挖斷面累計變形量超標與變形速率超標[6]；將每日電子施工日志采集到的實際進度作為依據，對隧道二襯步距與仰拱進行自動計算，選擇工區作為單位，繪制二襯、仰拱、掌子面三維立體關系圖，自動三維可視化預警提醒超過安全步距，提醒施工人員進行閉環處置。

2 施工質量在線管理數字信息化施工關鍵技術分析

2.1 存在的問題與解決思路

2.1.1 存在的問題

在隧道工程施工中，若隧道發生較大變形，易出現拱底隆起、拱頂塌陷等問題，故精準預報圍巖的穩定性是非常重要的。因受多種約束條件的影響[7]，如施工現場條件、施工經費、施工技術手段等，易遺漏誤判隧道地質情況，導致隧道在開挖施工中易出現安全事故，如冒頂、塌方等。

2.1.2 解決思路

為避免隧道襯砌背后出現空洞、初期支護侵限，并且澆筑密實襯砌，可采用多種新技術，如物聯感知技術、自動監測技術、BIM技術等。精細化專業分析隧道混凝土方量、中線偏差、施工超欠挖等，并閉環追溯原材料質量數據、專業分析判斷隧道工程實體質量、對隧道工程襯砌防脫空自動分析報警等。

2.2 關鍵技術

利用三維激光掃描技術，掃描隧道工程開挖斷面，構成三維可視化測量點云圖；根據隧道工程平整度、超欠挖基本計算原理與有關規范，比較分析隧道理論參考BIM模型與實測點云圖模型，判斷隧道初期支護是否出現侵限現象，分析隧道的平整度與超欠挖情況。其中，隧道工程施工超欠挖計算流程如圖1所示。

圖1 隧道工程施工超欠挖計算流程

利用試驗室信息化系統，對試驗室預警處置數據進行動態監控，展現尚未處置的監控數據，并與應用位置信息進行關聯，嚴格監控與閉環處置施工原材料的質量[8]；利用拌和站信息化系統，對尚未處置的監控數據進行動態監控，并與拌和站工單和盤信息進行關聯，嚴格監控與閉環處置施工原材料的質量。

根據液位繼電器的基本工作原理，對混凝土澆筑自動監測預警裝置進行深度研發；對混凝土需澆筑工程量進行計算，并比較分析澆筑實際量與計算理論量，分析襯砌澆筑的密實度[9]；在澆筑襯砌混凝土到拱頂最高點時，可利用觸發混凝土液位繼電器的聲光報警器開啟提醒功能，對混凝土澆筑結束時機進行精準判定。

對不同齡期的混凝土回彈檢測值、各里程段檢測區設計強度、鉆芯設計與實測厚度等進行統計與分析，通過采用圖表形式，對第三方檢測報告進行查詢，分析襯砌背后是否出現空洞現象等。

3 施工設備數字化管理數字信息化施工關鍵技術分析

3.1 存在的問題與解決思路

3.1.1 存在的問題

在狹長隧道中，因公路里程較長，故存在運輸干擾、運輸車輛與工程機械設備監管難度高、交通運輸管理效率低、交通組織難度大、數據采集傳輸難度大等多種問題。

3.1.2 解決思路

在隧道運輸車輛施工監控、機械設備中運用GIS、GPS、短距離定位、視頻分析等技術。

3.2 關鍵技術

利用人機定位系統，對各種施工機械設備的實時工作軌跡、關閉或開啟狀態、位置信息等信息進行統計分析；在隧道進洞車輛中安裝終端設備，在隧道洞中安裝數字視頻監控終端與定位基站，對車輛位置信息進行實時捕捉，并將其上傳到云服務平臺中[10]；為提醒隧道洞中行駛車輛及時就近避讓，構建車輛信息數據庫，對錯車道、車輛等相對位置信息關系進行動態分析，將指令發送到車輛終端；在隧道工程施工中，為實時分析與統計各施工機械設備的在線工作軌跡，利用GPS、GIS技術動態可視化監控與在線精準跟蹤隧道工程車輛運輸行駛路徑。

對施工機械設備進行加油管控，統計施工機械的油量，分析其油耗情況；利用信息化技術，動態監控施工機械設備的工作環境、工作內容與工作場所，形成運行軌跡，集中管理施工機械的工作參數、外觀質量、新舊程度等；統計施工機械設備的故障、工時、工況等，對施工機械設備的故障率、使用率進行分析，及時清退經常閑置、車況較差的施工機械設備。

4 施工施組進度關鍵技術分析

4.1 存在的問題與解決思路

4.1.1 存在的問題

在隧道工程施工組織設計中，存在較多難點，包括施工工序銜接復雜、專業交叉多、長大線工程復雜等，難以拆分重復交叉施工組織組合，無法統一劃分工項與量化工程進度，難以精準統計分析施工進度，并且無法對施工組織進度進行科學動態調整。

4.1.2 解決思路

為進一步優化隧道工程施工組織關鍵路徑，編制數字化施工組織設計方案，閉環管理施工組織進度預報警，展示三維可視化形象進度，解決施工組織管理數字化決策技術問題，應研究施工組織進度預警可視化表現技術，制定隧道工程施工組織進度跨任務推演預測計算方法。

4.2 關鍵技術

根據不同推演指標類型，包括標段經驗值、計劃進度、樂觀進度、悲觀進度等。利用數字化施工組織進度智能預警、推演技術，科學設計隧道工程進度推演算法，及時解決隧道施工進度滯后的閉環管理問題，及時預警提醒關鍵路徑變更、資源延誤、作業面沖突等問題，進一步提升隧道工程施工單位進度風險預測能力與風險管控水平。

5 工程案例

5.1 隧道工程中存在的問題

某一隧道工程，施工現場地層巖性較復雜，分布大量的不良地質，如變質巖、沉積巖、軟弱圍巖等，存在較大的施工安全風險；該隧道工程附近為飲用水水源二級保護區，提出較高的環水保要求；隧道工程施工現場環境條件與地質條件較復雜，存在較大的施工工期風險；在隧道小斷面斜井長距離運輸中，存在較多的干擾因素，交通運輸管理效率較低、施工交通組織難度大。

5.2 數字信息化施工技術的運用

為解決某隧道工程的問題，在隧道工程施工中采用數字信息化施工技術，建立隧道工程施工安全網絡環境、BIM管理平臺、施工指揮監控中心、施工統一數據中心。施工生產指揮中心可利用各種業務系統，掌握隧道工程動態施工數據信息，包括施工安全數據、施工質量數據、施工進度數據等，同時可在監控屏中，對預警進行集成展示與分析，遠程集中指揮隧道工程施工作業，綜合管理隧道工程宏觀信息，集中展示與分析日常業務數據；為徹底排查隧道工程安全隱患，檢測隧道圍巖變形情況，實名管理人機安全定位，可搭建施工BIM管理平臺，設置隧道施工機械設備管理模塊、施工質量模塊、施工安全模塊、施工進度模塊，并配置20個業務運用功能，以精細化管理隧道工程施工電子施工日志、施工組織計劃、施工進度推演預警等；采用數字信息化施工技術，統計與分析拌和站報警處置與產能信息、試驗機試驗數量不合格數處置率，并利用監控大屏從多個層面實時統計與分析隧道工程的施工安全、施工質量、施工進度等情況。

6 結論

綜上所述，該文深入分析了多種隧道工程技術與管理問題，包括施工機械設備管理問題、施工質量問題、施工安全風險問題、施工進度問題等，提出了隧道工程施工進度與視頻識別、人機定位、變形監測、BIM、地質探測、三維掃描、物聯網等數字信息化技術的深度融合，重點探討了多種數字化信息施工關鍵技術，包括施工安全風險管控、施工質量在線管理、施工設備數字化管理數字信息化施工關鍵技術，并以某一隧道工程為例，首先提出了該隧道工程中存在的問題，然后提出相應的數字信息化施工技術解決方案。該文研究內容，對相關工作人員起到一定的借鑒作用。