隧道工程数字信息化施工关键技术及应用

　　摘要：针对隧道工程地质及环境条件复杂，不可预见安全风险因素多，质量控制和环水保要求高，施工组织协调任务重，研究采用数字信息化技术实现隧道工程安全优质高效施工建设。首先，研究提出基于BIM的隧道施组进度跨任务综合预警方法和基于BIM的三维可视化进度精细化管理;其次，研究基于数字视频分析、短距离人机定位技术实现隧道内人员和机械设备安全定位管理，基于BIM、物联网、物探法、钻探法、自动监测等隧道施工不良地质超前探测预报预警、围岩变形动态监控量测、安全步距动态分析监控、有害气体监测预警等隧道工程施工多维度安全风险监控;再次，研究BIM、三维扫描、移动互联等新技术与隧道施工开挖业务融合，实现对隧道工程施工超欠挖和平整度、衬砌防脱空以及工程实体质量专业分析和自动预警等;最后结合实际工程应用验证关键技术和应用效果，为隧道工程施工建设数字信息化管理提供借鉴参考。

　　关键词：隧道工程;建筑信息模型;人机定位;超前地质预报;围岩监控量测;三维激光扫描;数字信息化系统。

　　引言

　　隧道工程普遍具有施工协调任务重，质量控制要求高、安全保证任务重，对施工组织、调度指挥和现场控制的有效性要求高;不良地质分布范围较大，存在塌方、大变形、岩爆、突水、突泥等多种风险，施工安全风险大;隧道工程地质及环境条件复杂，不可预见安全风险因素多，工期风险较大。如何采用新理念、新技术、新方法和新工艺，全方面实现隧道工程高效、优质、安全、按期建设尤为重要。

　　以数字信息化技术促进隧道工程施工信息化、精细化管理的发展理念为全隧道行业普遍接受，隧道工程施工数字信息化管理水平在近几年有很大的提升。文献[13]进行铁路工程建设信息化管理平台架构研究，提出基于BIM的钻爆隧道建设安全质量动态控制技术研究和基于BIM+物联网的盾构隧道实时感知与预警管控平台研究，并进行试点应用。

　　文献[45]开展了隧道工程建设地质预报及信息化技术的主要进展及发展方向和信息管理探索研究;文献[69]开展了轨道交通监控量测和隧道工程变形监测预警系统技术探索研究;文献[1015]开展基于激光点云的隧道超欠挖检测方法研究，进行隧道超欠挖检测信息系统设计与实现应用;文献[1617]基于信息化技术搭建隧道建设信息系统，实现隧道信息化施工管理应用等。

　　本文将从系统工程管理方法论和数字信息化应用角度出发，首先，围绕隧道工程施工过程施组进度、安全风险、质量验收、人员设备管理等客观存在的一系列技术和管理难题进行问题分析，提出数字信息化技术解决思路;然后，重点研究隧道工程施工过程施组进度、安全质量、人员设备管理等数据采集方式、数据传输模式、数据安全机制、数据存储形式、信息融合共享、专业分析预判等关键技术和创新应用内容;最后，结合工程实际应用进行验证，进一步总结探索隧道工程数字信息化施工实践经验。

　　1施工施组进度关键技术及应用

　　1.1问题分析及解决思路

　　隧道工程具有复杂长大线性工程、专业交叉密切、工序衔接复杂等施工组织设计难点，存在工项划分不统一、不明确、重复交叉等施组组合拆分困难，工程进度不好量化、施工进度精确统计分析困难，动态调整施组进度和合理优化施工资源困难等等一系列难题。通过研究提出隧道工程施工组织进度跨任务推演预测计算方法和基于施组进度综合预警可视化呈现技术，实现多工序、多任务、多工点融合的隧道工程施工组织数字化编制、关键路径分析与优化、三维可视化形象进度展示和进度预报警闭环管理等，解决隧道工程施组管理数字化辅助决策管理技术难题。

　　1.2关键技术及创新应用

　　基于数据的施工组织进度跨任务智能推演与预警技术，按照悲观进度、乐观进度、计划进度和标段经验值等推演指标类型，设计多作业面并行工程定点贯通和动态会聚等隧道工程进度推演算法，解决隧道工程施工进度滞后的闭环管理，实现作业面冲突、资源延误、关键路径变更等预警提醒，提高施工组织进度风险预测与管控能力。通过在系统内编制或者外部导入施工计划，并关联隧道BIM模型构件，形成三维施工组织计划，进行施工进度动态模拟和对比分析，优化调整施组计划，合理编排施组计划，为后续施工人员安排、设备机具调配、大宗材料采购、以及相邻工序的施工计划安排等[12]，提供切实可靠依据。

　　通过电子施工日志系统，定时采集每日进度数据，根据上传分析结果自动形成进度日报、周报、月报、年报等，基于饼图、柱状图、大屏看板等多维视图展示可视化实际进度;同时关联驱动IM模型，实现隧道工程施工工点状态、开挖进度、进度分析等三维可视化形象进度管理。基于时间里程维度的施工组织进度报警机制，结合电子施工日志实际进度数据和施工组织计划工期数据对比分析，提前发现进度滞后点进行不同等级的预警，及时协助建设、施工单位采取施组进度优化相应措施，最大限度上保证施工进度顺利进行。

　　2施工安全风险管控关键技术及应用

　　2.1问题分析及解决思路

　　隧道工程是一项高风险工程，存在不可预见风险因素多、安全风险识别难度大、风险有效监测监控难等施工安全风险难题。通过研究应用数字视频分析、人脸自动识别和短距离定位等多种人机定位技术，实现隧道工程施工过程洞内各工点作业机械、人员等实名制精确统计和工作轨迹精确分析，解决狭长隧道内机械、人员监控困难等技术问题。研究基于BIM、物联网、超前地质预报、自动监控量测等多种技术与隧道工程施工安全风险监控业务相融合，实现隧道施工风险源识别、安全隐患排查、地质超期探测预报、围岩变形监控量测、安全步距监控等安全风险数字化、可视化动态监控[12]，解决隧道施工安全风险有效监控预防一系列技术难题。

　　2.2关键技术及创新应用

　　通过人机定位技术对洞内外人员进行精确定位，实时掌握现场人员分布及运行状态，准确完成各区域人员数量、工作状态统计分析和考勤管理，并对区域外作业的人员安全提醒或警示警告;利用数字视频监控技术，实现对隧道施工现场工点值班室、隧道洞口、隧道掌子面、弃碴场及其他重点生产区域全天候全方位远程在线视频监控，对现场存在的物的不稳定状态、人的不安全行为、环境的不安全因素等进行提示、警示或警告。

　　基于物探法、钻探法、掌子面素描、洞身素描、地表补充调查技术，完成对隧道开挖过程前方地质信息数据动态采集、定时远程传输、专业可视分析、综合预警提醒等全流程超前地质预报成果数字化统一管理，实现隧道超前地质监测现场预报、成果发布显示、工作量统计和进度即时汇总[12];同时结合隧道地质BIM模型，以隧道围岩等级等地质条件为判断依据自动进行隧道风险等级和风险程度识别，从而实现安全风险评估可视化，对前方隧道开挖进行作业指导，保证隧道开挖的安全。

　　基于隧道围岩自动监控量测和移动物联技术，完成对地表沉降、拱顶下沉、周边收敛的实时监控监测，自动绘制隧道测点的变形趋势曲线和自动汇总各项统计数据，实现对隧道开挖断面变形速率超标和累计变形量超标双控报警，并按多层级预报警机制进行预报报警闭环处置管理;达到根据隧道实际开挖进度动态展示隧道围岩安全状态，更加形象和准确的去指导隧道现场施工，降低隧道施工安全风险，提升风险管控能力，确保隧道施工安全性。根据每天电子施工日志采集的实际进度，自动计算隧道施工仰拱和二衬步距，以工区为单位，显示掌子面、仰拱、二衬三维立体关系图，形成二三维图多视角的安全步距形象化分析展示，对于超过安全步距自动进行三维可视化预警提醒，并提醒相关人员进行闭环处置。

　　3施工质量在线管理关键技术及应用

　　3.1问题分析及解决思路

　　受施工技术手段、经费、现场条件等限制，导致遗漏误判隧道地质情况发生，致使隧道施工开挖过程中出现塌方及冒顶等隧道施工事故;隧道施工中对围岩的稳定性进行准确预报是极其重要的环节，当隧道变形较大时，如不能及时发现并采取相应措施，会造成拱顶塌陷，拱底隆起等问题。通过综合应用BIM、三维扫描、自动监测、物联感知、可视分析等新技术，进行隧道施工超欠挖、中线偏差、混凝土方量等精细化专业分析，对隧道工程衬砌防脱空自动分析报警、工程实体质量专业分析判断、原材料质量数据闭环追溯，解决隧道施工初期支护是否侵限、衬砌是否浇注密实、衬砌背后是否空洞等技术难题。

　　3.2关键技术及创新应用

　　通过三维激光扫描技术对隧道开挖断面进行扫描，形成隧道开挖断面三维可视化测量点云图，依据铁路隧道工程超欠挖和平整度相关规范和计算原理，基于隧道实际实测的点云图模型与隧道理论参考BIM模型对比分析，综合分析判断隧道超欠挖、平整度以及初期支护是否侵限，实现对隧道工程超欠挖和平整度三维可视化合格性判定与优化[1,2,18]。隧道工程施工超欠挖计算流程见图，三维点云超欠挖和平整度分析见图。

　　利用液位继电器工作原理，研发混凝土浇筑自动监测预警装置，当衬砌混凝土浇筑至拱顶最高点时，通过触发混凝土液位继电器的声光报警器开启提醒功能，综合判定混凝土浇筑结束时机;通过计算混凝土应浇注数量与实际浇注数量进行对比，分析衬砌是否浇注密实，确保衬砌混凝土浇筑密实。

　　统计分析各里程段检测测区数量、设计强度以及不同龄期的混凝土回弹检测值，以及各里程段钻芯检测部位、混凝土设计强度等级、钻芯设计与实测厚度、混凝土设计与实测强度，并以图表形式查询第三方检测相关信息和检测报告，判断衬砌背后是否空洞，实现对隧道工程实体质量数字化在线分析。基于试验室信息化系统，动态监控试验室预警处置数据，显示当前试验室监控数据中未处置的监控数据，同时关联应用位置信息，从原材料方面进行质量的监控和闭环处置管理。基于拌和站信息化系统，动态监控当前拌和站监控数据中未处置的监控数据，同时关联拌和站的相应工单和盘信息，从原材料方面进行质量的监控和闭环处置管理。

　　4施工设备数字化管理关键技术及应用

　　4.1问题分析及解决思路针对狭长隧道长距离运输干扰因素多、交通组织困难、交通运输管理效率低、工程机械设备和运输车辆监管困难等管理和技术难题，综合研究基于视频分析、短距离定位、GPS和GIS等多种技术与隧道内外机械设备、运输车辆施工监控业务深度融合，解决隧道内外设备定位难、数据采集传输困难、统计分析不准确、组织管理效率低等技术管理难题。

　　4.2关键技术及创新应用通过在洞内安装定位基站、数字视频监控终端及进洞车辆内安装终端设备的方式，实时捕捉、上传车辆位置信息到云服务平台，动态建立车辆信息数据库，动态分析车辆、错车道等相对位置信息关系，发送指令至车辆终端，提醒洞内行驶车辆及时就近避让;通过人机定位系统，统计分析各类机械洞内外位置信息、设备开启或关闭状态及实时工作轨迹等相关信息;同时基于GIS+GPS实现对隧道工程车辆运输行驶路径的在线精确跟踪和动态可视化监控，实现隧道工程建设过程洞内各工点机械、设备等精确定位、实时统计和在线工作轨迹分析。

　　基于信息化手段实现对进场设备铭牌、新旧程度、外观质量、机械参数等基础信息集中管理，对工作状态下的机械设备的工作场所、工作内容和工作环境进行监控，并形成运行轨迹;通过对机械设备的加油管控，对机械运行及油量进行统计，形成油耗分析;通过对机械设备的工况、工时、故障统计，分析设备使用率、故障率，对于车况不好或经常闲置的设备予以清退。

　　5工程应用案例

　　5.1新乌鞘岭隧道工程概况及重难点

　　兰张三四线铁路新乌鞘岭隧道地层岩性复杂，沉积岩、变质岩分布广泛，软弱围岩等不良地质分布范围较大，施工安全风险大;位于甘肃祁连山保护区及黑松驿镇称沟台饮用水水源二级保护区附近，环水保要求高;施工协调任务重、质量控制要求高、安全保证任务重，对施工组织、调度指挥和现场控制的有效性要求高;隧道工程地质及环境条件复杂，工期风险较大;隧道小断面斜井长距离运输干扰因素多，交通组织困难、交通运输管理效率低。

　　5.2新乌鞘岭隧道工程数字信息化应用

　　按照“互联网铁路工程建设”的思路推进数字信息化建设，构建新乌鞘岭隧道工程施工统一数据中心、安全网络环境、指挥监控中心、BIM管理平台，生产指挥中心从各个业务系统获取相关工程进度、质量、安全等实时数据，并能够在监控大屏进行集成展示分析预警，实现日常业务数据集中分析展示、工程宏观信息综合管理、建设管理远程集中指挥和辅助决策[1921]。

　　施工BIM管理平台实现隧道工程施工进度、安全、质量和设备管理四大模块18个业务应用功能，达到利用BIM技术实现新乌鞘岭隧道工程指挥中心标段级和工区级多层级施组进度计划、电子施工日志、实际形象进度、进度推演预警等精细化管理，隧道工程安全隐患排查、人机安全定位实名管理、远程数字视频监控、围岩变形监控量测、安全步距分析预警等全方位可视化安全风险监控，拌和站和试验室统计分析、当日拌和站产能及报警处置信息、试验室不同试验机试验数量统计及不合格数处置率等，并能够在监控大屏进行多角度多层级进度、质量和安全的实时统计分析、综合预警提醒。

　　6结论

　　通过分析隧道工程施工施组进度、安全风险、质量验收和人员设备管理一系列技术和管理难题，系统研究BIM、物联网、云计算、三维扫描、地质探测、变形监测、人机定位、视频识别等新技术与隧道工程施工技术深度融合，开展了隧道工程状态数字化宏观管理，施组进度数字化推演预测和形象进度精细化管理，施工现场人员、机械、地质、围岩、环境等重大风险源动态可视化监控和安全风险实时监测预警，衬砌防脱空自动分析报警、工程实体质量分析判断、原材料质量数据追溯等质量在线数字化管理等一系列关键技术研究和创新应用。

　　最后，结合兰州铁路三四线新乌鞘岭隧道实际工程应用，实现了隧道工程施工施组进度精确形象化动态管理、安全风险可视化监控监测预警、质量检验在线数字化管理、人员机械设备信息化管理和生产指挥一张图辅助决策管理，为实现隧道工程施工信息化、数字化、精细化管理提供实践借鉴。后续将进一步基于全生命周期建造理念，加深人工智能、数字孪生等技术在隧道建造方面应用研究，实现建造信息由设计阶段向施工阶段、竣工交付阶段的无损传递，进一步提升隧道精益化建造管理水平，并为智能化运维提供建造数据和模型服务。

　　参考文献：

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　　作者：智鹏，解亚龙，史天运