基于信息化系統的數字隧道施工智能化管理

黃麗

（四川公路橋梁建設集團有限公司公路隧道分公司，四川 成都 610200）

0 引言

隨著國內外公路、鐵路隧道建設腳步的加快及互聯網技術的迅猛發展，信息化施工已經成為高風險、多事故隧道建設中不可缺少的一部分。當前，我國公路、鐵路隧道建設里程多年穩居世界第一，隧道建設也正向特長大深隧道方向發展，隧道建設比以往任何時刻更需要實現信息化施工；此外，國家大力提倡各行業進行數字化轉型，培育相應的數字產業，隧道施工信息化、數字化建設比以往任何時刻更加迫切。因此，在互聯網信息技術已融入各行各業發展的大背景下，逐步提高隧道施工信息化水平，建設數字隧道與智慧隧道，以實現隧道施工建設各環節信息化全覆蓋將是隧道建設的必然發展趨勢[1]。

然而，就目前隧道建設而言，隧道整個過程管控全靠有經驗的項目經理和項目總工，很多寶貴經驗沒有得到保留，更不用說智能化集中建造。為此，公司適當超前，基于公司20 年隧道施工數據的收集與經驗的積累，提出發展理念與實施方案。

1 系統介紹

基于公司豐富的隧道施工經驗，以數字隧道智能建造示范基地建設為工程依托，研發智慧隧道AI 建造系統，該系統將接入多個已有和正在研發的系統，包括物資設備、技術質量、安全、綠創等多個與隧道生產管控相關的子系統，實現隧道施工、管理、質量數據的整合、分析與應用，并最終形成一套科學合理可推廣的數字隧道智能建造管理系統。本文主要圍繞超前地質預報管理、監控量測管理、地質管理、隱蔽工程管理進行介紹[2]。

2 超前地質預報管理

各項目部針對地勘資料顯示存在不良地質的隧道，應對不良地質和特殊性巖土地段編制專項施工方案，當遇到不良地質時，應加強監控量測，及時反饋量測結果，并結合應急預案，提前做好技術、物資、機械的儲備和應急演練[3]。

為保證超前地質預報數據的及時與準確性，由第三方檢測單位進行數據錄入地質超前預報內容（地震法、地質雷達法、鉆孔法等數據），在隧道施工中，超前地質預報結果顯示掌子面前方存在不良地質時，第三方檢測單位人員輸入預報內容，智慧隧道AI 建造系統識別不良地質樁號，同時公司不定期在系統抽查各項目錄入系統的內容進行監督檢查，當系統發現有預警時，及時將該信息推送至公司管理層，使得項目及公司層級均提前掌握即將面臨的不良地質施工風險，從而采取措施，降低施工風險，確保安全施工。超前地質預報查看界面如表1 所示。

表1 超前地質預報

3 監控量測管理

在隧道道施工中，為掌握圍巖和支護的工作狀態，判斷圍巖穩定性、支護結構的合理性和隧道整體安全性，確定二襯的合理施作時間，需進行監控量測。隧道現場監控量測的必測項目有：洞內外觀察、周邊位移、拱頂下沉、地表下沉、拱腳下沉[4]。

監控量測由第三方檢測單位進行數據錄入，根據每日輸入的監控量測數據，系統自動生成位移時間曲線，自動計算變形速率并與0 進行比較，當測量數據顯示圍巖變形快、結構變形快，或者累計變形量達到一定值時，智慧隧道AI 建造系統將實測值與設定值進行比較，若實測值超過設定值，則自動將預警信息以短信的方式發送至項目及公司相關人員手機上。實現公司層級實時掌握各項目隧道施工監控量測異常信息，便于公司與項目共同按照位移管理等級進行隧道施工管理。

實測位移值不應大于隧道的極限位移、并按表2位移管理等級管理。一般情況下，將隧道設計的預留變形量作為極限位移，設計變形量應根據檢測結果不斷修正。管理位移在Ⅲ、Ⅱ級時，通知到項目相關管理人員，當位移管理在Ⅰ級或位移速率逐漸增大時，系統將相關信息以短信的方式發送至項目及公司相關人員手機上。（預警值U＞（2U0/3））

表2 位移管理等級

監控量測位移正常曲線和異常曲線如圖1、圖2所示。

圖1 監控量測位移正常曲線

圖2 監控量測位移異常曲線

根據位移速率變化趨勢判斷：當圍巖位移速率不斷下降時，圍巖處于穩定狀態；當圍巖位移速率保持不變時，圍巖尚不穩定，應加強支護；當圍巖位移速率上升時，圍巖處于危險狀態，必須立即停止掘進，采取應急措施。

根據位移速率變化趨勢來判斷：由于巖體的流變特性，巖體破壞前變形時程曲線可分為3 個階段：①基本穩定區：主要標志為位移速率逐漸下降，表明圍巖處于穩定狀態；②過渡區：位移速率保持不變，表明圍巖向不穩定狀態發展，需發出警告，加強支護系統（以等于0 的參數為預警值）；③破壞區：位移速率逐漸增大，表明圍巖進入危險狀態，要立即停止施工，采取有效手段，控制其變形。監控量測位移實際填報曲線如圖3所示。

圖3 監控量測位移曲線

4 地質管理

項目部由技術員負責上報地質照片，項目總工對照片進行審核。在每一循環施工結束后，技術員登錄賬號進入所屬項目地質工程版塊，上傳地質工程照片，包括拱頂照片、左邊墻照片、右邊墻照片、掌子面照片，且要求照片清晰可判識。項目總工對照片上傳的質量、及時性、準確性進行把關，實施監督，項目領導根據掌子面地質圖及AI 系統自動判識結果判別施工風險，保證現場施工安全。地質工程情況填報如圖4所示。

圖4 地質情況

公司分管責任人以管理員身份登錄系統地質工程管理模塊，查看各項目不同工作部位不同循環所上報的地質情況照片，通過查看掌子面地質圖及AI 系統自動判識結果，實現遠程管控；對于復雜/不良地質情況，邀請地質專家進行現場指導。

通過AI 建造系統，形成整個掌子面地質圖，自動判識當前掌子面圍巖巖性、發育程度、裂隙等。

5 隱蔽工程管理

為牢固樹立公司“百年大計、質量第一”的思想，全面貫徹落實“以人為本、健康安全、保護環境、持續發展、誠信守法、質量至上”的管理方針，進一步加強公司對工程項目重點工序隱蔽工程管理，避免重點工序隱蔽工程可能造成的質量隱患，確保各項目各分項工程中重點工序隱蔽工程嚴格按照設計圖紙、施工技術規范和檢評標準進行施工，檢驗和中間交工驗收，實現工程項目交工驗收質量合格、竣工驗收質量優良的目標，公司開發了隱蔽工程管理模塊，不定期對各項目重點工序隱蔽工程管理情況進行檢查[5]。

項目部由技術員負責上報隱蔽工程照片，項目總工對照片進行審核。在每一循環施工結束后，技術員登錄賬號進入所屬項目隱蔽工程版塊，上傳隱蔽工程照片，包括拱頂（120°范圍）照片、左側拱腳照片、右側拱腳照片、光面爆破效果圖，且要求照片清晰可判識。項目部總工對照片上傳的質量、及時性、準確性進行把關，實施監督。隱蔽工程情況填報如圖5 所示。

圖5 隱蔽工程情況

公司分管責任人以管理員身份登錄系統隱蔽工程模塊，查看各項目不同工作部位不同循環所上報的照片，通過照片識別鋼拱架數量、間距是否滿足設計要求；超前小導管/超前錨桿數量是否滿足，是否存在偷工減料行為；鎖腳錨桿安裝是否規范，拱腳是否脫空；是否采用光面爆破開挖，殘孔率是否滿足要求，是否存在嚴重的超欠挖。

通過AI 建造系統，形成整個支護全景圖，可反映整個循環支護情況，對于發現的現場施工問題，管理員及時對接施工現場，實施監督并糾偏，保證現場施工安全。

6 結語

通過“智慧隧道AI 建造”的實施，利用物聯網、大數據分析、AI 算法等信息技術，固化隧道建造工序庫和定額庫，形成標準化、流程化、數字化的隧道建造方案，從而實現隧道智能化集中建造，為隧道施工的信息化、智慧化轉型賦能。通過實踐應用，數字隧道智能建造管理系統的應用可形成龐大數據庫，進行數據存儲和整合應用，進行施工指導，讓使用者全面掌握施工動態，實時監控現場施工，大大提高施工安全與質量。