隧道施工智能管理系統設計與運用探討

基金項目：

2023年廣西高校中青年教師科研基礎能力提升項目“基于多模態預訓練模型的課堂行為智能分析系統設計與應用研究”（編號：2023KY1158）；2023年廣西教育科學規劃課題“成果導向下‘專思創’三融合的創新創業教育課程體系建設研究”（編號：2023ZJY1476）

作者簡介：

覃 卓（1988—），工程師，主要從事公路橋梁工程管理工作。

摘要：文章提出一種隧道施工智能管理系統的設計與運用方案，旨在解決當前隧道施工中存在的系統集成性不足、現場流程與地質情況管理缺失、智能化技術應用效果不佳等痛點問題。在典型應用場景中，該系統實現了隧道全景全要素管控、人員管理、施工流程管理以及資料管理的智能化與自動化，提高了隧道施工管理的效率與精度，有效降低了施工風險，提升了隧道施工的安全性；該系統還具備靈活調整填報與審批責任人員、多端協同應用等亮點，提高了管理的便捷性與靈活性。

關鍵詞：隧道施工；智能管理；系統設計

中圖分類號：U455.1文獻標識碼：A 53 176 4

0 引言

隨著隧道工程建設的快速發展，施工管理的智能化成為迫切需求。隧道施工智能管理系統旨在通過集成先進技術，實現施工過程的實時監控與智能決策，以提升管理效率、確保施工安全。盡管已有基于BIM、物聯網等技術的研究成果，但目前仍存在系統集成性、覆蓋面不足、智能化程度不足等問題。為此，本文提出了一種隧道施工智能管理系統的設計與運用方案，旨在通過信息化、物聯網、人工智能等技術手段，實現對隧道施工全面、高效、精準的管理。

1 隧道施工智能管理系統的現狀及問題

隨著隧道整體建設整體朝向“大埋深、長洞線”方向轉變，“選址遠、高應力、強巖溶、高水壓、構造復雜”等特點也逐步凸顯［1］，隧道安全管理變得愈加重要。近年來，隨著各類信息化技術的發展，實現隧道施工期的系統智能化、信息化管理已成為了可能，但在實際應用中仍存在諸多痛點，主要表現在：

（1）系統集成性、覆蓋面不足，難以適應現場全面監管的需求。

現存綜合管理平臺功能相對單一、覆蓋范圍較小，往往需同時應用多個軟件或系統。而應用、數據之間缺乏統一標準，無法互聯互通，進而導致信息難以整合、重復輸入或遺漏錯誤等問題，不僅未能提高施工管理效率，反而易造成權責不清、管理混亂的局面。

（2）缺乏對現場流程的追蹤管理與地質情況的深入分析，風險管控能力存在一定缺陷。

明晰地質情況及確保施工合理是實現隧道安全施工的重要前提。目前多數信息化管理系統多側重于經營側的數據管控，對實際施工過程缺乏有效監管手段，并缺乏對開挖揭露地質信息的有效采集、調查與分析，存在對隧道實際地質及施工穩定性情況認知不足，進而難以有效評估相應施工安全風險及指導隧道施工的變更等問題［2］。

（3）智能化技術應用較為零散、效果欠佳，未能有效達到減人增效。

基于智能化技術進行施工監管已成為行業主要趨勢，但當前市面上的已有主流智能化監控手段尚不足以適用于復雜的隧道建設具體場景，在現階段因難以獲取高質量的實際隧道場景樣本，在穩定性、可調整性、自適應能力等方面還多有不足，尚需較多管理人員介入或干預，應用效果未達預期。

（4）施工風險評估主觀性強，缺乏對多源異構數據的挖掘與融合分析。

盡管實際應用中采用了各類信息化與數字化手段進行信息采集，但當前隧道施工風險仍多沿用傳統風險評估指標體系與方法，高度依賴于現場技術人員的主觀判斷，存在較強的隨意性與不確定性，未能有效挖掘多源異構數據中所蘊藏的風險信息并加以融合，實際過程中仍缺乏隧道施工風險動態評估的有效方法與工具［3］。

2 總體思路

針對當前隧道施工行業管理痛點，本系統方案以信息化、物聯網、人工智能技術等為支撐，以人員管理、流程管理、地質管理為監管重點，為隧道施工管理提供綜合性管理與技術服務，以實現隧道安全施工的有效管控。系統總體思路如圖1所示。

3 技術框架

隧道施工智能管理系統采用分層設計，包括技術層、數據層、應用層及用戶層。數據層主要負責數據的管理，包括數據的查詢、存儲、分析，能夠收集現場各類數據，包括人員定位、視頻監控、地質信息、監測數據、預警數據等；應用層根據實際場景，實現隧道全景、人員管理、施工流程、地質分析，監測預警、風險評價等功能；用戶層提供面向用戶的友好的操作界面，方便業主單位、施工單位、檢查單位在PC端、App端及微信小程序進行信息查詢、操作與控制。隧道施工智能管理系統技術框架如圖2所示。

4 典型應用場景

隧道施工智能管理系統典型應用場景包括隧道全景、人員管理、施工流程管理、資料管理、地質分析、監測分析與預警、施工風險評估等，具體如圖3所示。

4.1 隧道全景全要素管控

以三維地質模型為基礎，實現人員定位、視頻監控、地質預報、監控量測等多元施工信息的有效融合，以“一張圖”展示隧道施工建造全要素場景。具有以下特點：

（1）融合多源信息的隧道施工數字孿生場景。以三維地質模型為載體，將地質、監測、進度、預警、定位及視頻監控信息在模型中融合展示，基于模型掛接數據即可了解隧道施工現場真實場景。

（2）隧道場景全要素動態快速更新。根據隧道動態施工情況，快速建立并更新與隧道實際施工要素匹配的數字孿生模型，保證三維場景與隧道現場實際施工情況一致，主要包含匹配隧道施工信息的三維模型快速建模與更新、對地質預報探測到的不良地質體進行三維展示、基于實際施工里程對掌子面三維掃描結果進行展示。

4.2 人員管理

基于物聯網設備應用，實現對洞內人員位置的實時展示、報警發送與求助信息接收、視頻監控在線查看，綜合提升對洞內人員的管控能力。同時，系統支持人員管理、流程管理、地質管理等功能，幫助管理人員全面掌握施工現場情況，提高施工效率和質量。

其具有以下特點：（1）人員、設備位置實時展示、歷史軌跡查詢及統計，基于三維地質模型與二維平面兩種模式實時展示洞內人員、設備位置，并支持歷史軌跡回放與分時段、分區域人員數量統計；（2）隧道內、外信息雙向傳遞，基于物聯網定位設備實現洞內作業人員與洞外管理人員雙向信息傳遞；（3）視頻監控實時查看與回放，可通過網頁端與手機端實時查看各隧道洞口視頻畫面，了解洞內施工作業情況，指定時段視頻回放、倍速播放；（4）洞內作業人員不安全行為監測，基于AI視覺識別技術，通過視頻監控畫面監測洞內作業人員不安全行為（如未佩戴安全帽、未穿反光衣等）。

4.3 施工流程管理

通過網頁端與手機端上報、審批業務數據，規范施工流程，提升工序報驗、地質預報、監控量測、施工信息等業務數據上報的及時性與準確性，加強質量與安全監管。同時，系統支持填報與審批責任人員的靈活設置，確保流程管理不混亂。多端協同應用功能使得管理人員可隨時隨地進行業務工作，提高工作效率。

其具有以下特點：（1）工序驗收流程管理，規范工序報驗與質量檢查流程，提升流程管控效率；（2）業務數據填報、審批、統計及待辦提醒，數據上報、審批線上完成，據填報情況自動統計，責任落實到人，待辦事項提醒保證工作無遺漏；（3）填報與審批責任人員設置，根據項目實際情況靈活調整填報與審批責任人員，流程管理不混亂；（4）多端協同應用，網頁端與移動端協同應用，隨時隨地進行業務工作。

4.4 資料管理

通過對地質預報、監控量測、施工日志等數據與資料的規范化管理，提升業務人員資料制作、存儲與查詢效率。

其具有以下特點：（1）各類數據、資料的存儲、查詢與管理。提供施工日志、工序檢查、地質預報、監控量測等各類數據、資料的在線存儲、便捷查詢與管理功能。（2）報告自動化生成。基于上報信息可自動形成相關統計與三維模型的掛接，可生成地質素描、施工日志、監測預警等報告，且可根據需求靈活調整模板。

4.5 地質分析

基于地質工程理論與人工智能技術，輔助現場人員便捷開展地質分析，并增強施工管理人員地質識別與判斷能力，以輔助開展隧道圍巖質量評定。

其具有以下特點：（1）地質信息總覽展示，基于橫道圖直觀展示隧道相應里程地質勘查、地質預報圍巖等級結果；（2）地質預報數據解譯，對地質雷達、超前水平鉆探數據智能解譯，自動識別巖體完整程度及不良地質體類別與分布，輔助開展圍巖狀態分析；（3）結構面與巖體質量識別，基于掌子面照片識別巖體結構面特征與巖體質量，輔助開展圍巖狀態分析。

4.6 監測分析與預警

基于物聯網技術，實現監測數據的自動監測分析與預警，并可通過人工智能與數理概率分析實現超前預測，提升風險防控能力。

其具有以下特點：（1）監測與預警結果大屏展示，基于三維地質模型展示監測點信息，變形監測與氣體監測預警統計與展示；（2）監測數據自動分析與預警，根據變形、氣體監測數據自動繪制監測目標值時程變化曲線，設置的預警閾值自動發送監測預警信息；（3）安全步距監測，根據數據上報結果自動統計各隧道洞口安全步距并進行超步距預警；（4）變形預測，基于已有變形監測數據對未來可能產生的變形結果進行預測。

4.7 施工風險評價

提供全面的隧道風險評價方案，可實現跟隨施工進度的隧道動態風險評定，輔助判別隧道施工潛在風險，提升隧道施工管理人員風險分析能力。

其具有以下特點：（1）云端二維有限元分析，基于三維地質模型切取剖面進行云端二維有限元分析，快速分析目標斷面圍巖狀態；（2）精細化三維數值分析，可實現隧道三維模型-數值仿真模型的快速轉換，可根據需求開展精細化三維數值分析；（3）融合多源異構數據信息的隧道施工風險動態評價，融合多源異構風險數據信息建立指標體系，可根據需求實現不同尺度與目標下的施工風險評價，包括隧道整體風險評價、隧道未開挖段整體風險評價，以及隧道突泥涌水、塌方、大變形等專項風險評價。

5 系統整體優勢

5.1 隧道智慧物聯感知

基于云邊協同，將海量多源異構數據采集設備接入管控平臺，實現對隧道內外各種異常事件的自動識別、及時預警與快速處置。

5.2 隧道施工全域安全風險實時掌控

融合地質預報、監控量測、人員定位、視頻監控以及風險評價等隧道施工全過程風險數據源，通過自動化預警實現隧道施工安全風險的實時掌控。

5.3 技術驅動助力地質分析與風險評價

基于人工智能技術實現對隧道超前地質預報的智能解譯、巖體特征的識別與質量評估及多源異構風險信息的動態融合評估，全面輔助現場管理人員多方位開展隧道施工風險分析。

5.4 多端協同提升系統應用效率

網頁端、移動端、微信小程序端協同應用，提升應用友好度，滿足各項隧道監管需求與提升數據利用價值，保障隧道安全管控質量。

6 系統應用與成效

可馬隧道位于廣西河池市巴馬縣可馬屯，該隧道長度為740 m，整體覆蓋層（砂巖）較薄，最大埋深僅約100 m，且可馬隧道為分離式雙向六車道隧道，單洞最大開挖跨度為18.5 m，為大跨徑隧道，又恰好經過介莫斷裂層一帶，加上圍巖等級均為Ⅳ級、Ⅴ級頻繁交替，諸多風險疊加，施工風險極大。

通過引進監測系統，項目施工中未發生安全生產事故，順利完成施工任務。在施工過程中，地表沉降、拱頂沉降、周邊收斂等得到實時系統監測，數據產生異常時，能夠第一時間以短信形式發送負責人，共實現預警36次，給施工方提供了準確有效的信息，及時組織人員撤離，保障作業人員安全。

同時項目也運用了安全步距監測，可以減少作業人員進入洞內進行步距實測，方便直觀地體現出隧道內安全步距情況。在使用中，共預警超步距25次，給項目隧道群管理提供準確數據。此外，該系統還展現了靈活調整填報與審批責任人員、多端協同應用等亮點，使得管理更加便捷與靈活。這些功能的實現，不僅提高了隧道施工管理的效率與精度，也為隧道施工行業的智能化發展提供了有力支持。

7 結語

在系統設計與實施過程中，注重數據采集、處理、分析與展示的完整性，通過融合多源異構數據，為隧道施工提供了全景全要素管控。同時，系統還具備實時展示人員與設備位置、監控施工流程、分析地質情況等功能，有效降低了施工風險，提升了隧道施工的安全性。隧道施工智能管理系統的設計與運用具有重要的現實意義和應用價值。隨著技術的不斷進步和應用的深入推廣，相信該系統將在未來隧道施工領域將發揮更加重要的作用，為隧道施工安全、高效、可持續發展貢獻力量。

參考文獻

［1］梁 銘，彭 浩，解威威，等.基于超前鉆探及優化集成算法的隧道圍巖雙層質量評價［J］.隧道建設（中英文），2022，42（8）：1 443-1 452.

［2］于大成.隧道施工智能調度管理系統研究［J］.運輸經理世界，2021（26）：76-78.

［3］楊世強.隧道施工與安全智能管理系統應用研究［J］.運輸經理世界，2020（17）：104-105.