錢七虎

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007)

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隧道工程建設(shè)地質(zhì)預(yù)報(bào)及信息化技術(shù)的主要進(jìn)展及發(fā)展方向

錢七虎

(解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院， 江蘇 南京 210007)

復(fù)雜的不良地質(zhì)條件是制約隧道安全高效建設(shè)的主要因素，要實(shí)現(xiàn)隧道工程的安全高效建設(shè)，首先要提高地質(zhì)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)技術(shù)水平及其信息化程度。1)介紹我國(guó)復(fù)雜不良地質(zhì)隧道超前預(yù)報(bào)的方法進(jìn)展及其應(yīng)用，包括突水突泥災(zāi)害源超前探測(cè)方法與設(shè)備、斷層破碎帶超前預(yù)報(bào)、城市地鐵溶洞和孤石等探測(cè)的進(jìn)展及應(yīng)用等； 2)介紹我國(guó)隧道巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及其應(yīng)用，預(yù)報(bào)清楚之后就要加強(qiáng)安全風(fēng)險(xiǎn)過程監(jiān)控； 3)介紹基于BIM技術(shù)的建筑物(隧道工程)安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控最新進(jìn)展，包括安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)和實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng); 4)指出隧道工程建設(shè)信息化技術(shù)的發(fā)展方向，包括開展基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的TBM/盾構(gòu)施工的分析與控制研究以及數(shù)字隧道向智慧隧道(建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù))的發(fā)展。

隧道； 信息化； 不良地質(zhì)； 超前預(yù)報(bào)； 巖爆； BIM； 大數(shù)據(jù)技術(shù)； 數(shù)字隧道； 智慧隧道

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展、綜合國(guó)力的不斷提升以及高新技術(shù)的不斷應(yīng)用，我國(guó)隧道及地下工程建設(shè)得到了前所未有的發(fā)展。制約隧道安全高效建設(shè)的主要因素并公認(rèn)為隧道建設(shè)難點(diǎn)的是極端復(fù)雜的不良地質(zhì)條件。客觀復(fù)雜的不良地質(zhì)條件加上施工人員的主觀不安全行為釀成了地質(zhì)災(zāi)害和工程事故，對(duì)隧道建設(shè)的安全、工期和成本造成嚴(yán)重危害。地下地質(zhì)情況不掌握，事故發(fā)生機(jī)制不清楚，從信息學(xué)的角度來說，就是地下信息采集和傳遞不及時(shí)，信息分析處理不完善，信息共享和利用不充分。隨著隧道工程理論和方法的不斷進(jìn)步以及科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展, 人們?cè)絹碓秸J(rèn)識(shí)到工程地質(zhì)勘察、設(shè)計(jì)和施工形成系統(tǒng)和信息化一體的重要性，要想實(shí)現(xiàn)隧道安全高效建設(shè)就要不斷提高隧道工程建設(shè)的信息化水平。本文介紹和分析我國(guó)隧道地質(zhì)預(yù)報(bào)方法及安全監(jiān)控技術(shù)的最新進(jìn)展，并提出我國(guó)隧道工程建設(shè)信息化的發(fā)展方向，以期對(duì)我國(guó)隧道技術(shù)的發(fā)展有一定啟示。

1 復(fù)雜不良地質(zhì)超前預(yù)報(bào)分析方法及其應(yīng)用

隨著我國(guó)隧道工程建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，隧道工程的數(shù)量和長(zhǎng)度逐漸增加，部分隧道地質(zhì)條件異常復(fù)雜，施工難度大大增加。暗河、溶洞、斷層破碎帶、孤石等不良地質(zhì)條件都會(huì)給隧道施工帶來嚴(yán)重危害。突水突泥、塌方、卡機(jī)、機(jī)毀人亡等事故時(shí)有發(fā)生，如： 宜萬鐵路馬鹿箐隧道和野三關(guān)隧道、湖北滬蓉西高速公路龍?zhí)端淼馈⒓徆酚郎徦淼?、青海西格鐵路關(guān)角隧道等突水突泥，甘肅引洮工程、云南那幫水電站工程、遼寧大伙房水庫工程、瑞士圣格達(dá)鐵路隧道工程等遇不良地質(zhì)掘進(jìn)機(jī)被卡或損壞。這些事故給人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全造成了極大的危害。為準(zhǔn)確查明復(fù)雜不良地質(zhì)的具體情況，及時(shí)采取針對(duì)性的防治措施，最大限度地減小不良地質(zhì)對(duì)隧道施工與營(yíng)運(yùn)的影響，利用地質(zhì)超前預(yù)報(bào)技術(shù)為不良地質(zhì)隧道施工提供指導(dǎo)十分必要。

1.1 突水突泥災(zāi)害源超前探測(cè)方法與設(shè)備

對(duì)于含水地質(zhì)構(gòu)造的超前探測(cè)而言，主要任務(wù)有： 1)確定含水構(gòu)造的具體位置、規(guī)模大小和具體形態(tài)等特征，即需要實(shí)現(xiàn)對(duì)含水構(gòu)造的三維成像； 2)盡可能準(zhǔn)確地測(cè)算含水構(gòu)造內(nèi)部的含水量和水體特征，突水超前探測(cè)的難點(diǎn)是水量的探測(cè)，為解決該難題，針對(duì)性地提出了基于二電流激發(fā)極化半衰時(shí)差法的隧道含水構(gòu)造水量預(yù)測(cè)方法[1]。半衰時(shí)之差包絡(luò)面積與注入水量的關(guān)系見圖1，可知含水體靜態(tài)水量與激發(fā)極化半衰時(shí)之差呈正相關(guān)關(guān)系，兩者的這種單調(diào)線性正相關(guān)關(guān)系為解決實(shí)際工程中含水構(gòu)造的水量預(yù)測(cè)奠定了基礎(chǔ)。

(a) 小型物理模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

(b) 大型物理模型試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

根據(jù)激發(fā)極化法等地球物理方法為先導(dǎo)的解決思路，研制出前向三維激發(fā)極化探測(cè)專用儀器——GEI電法儀，其工作原理見圖2，可實(shí)現(xiàn)含水構(gòu)造的三維成像展示。

圖2 GEI電法儀原理

1.1.1 鉆爆法突水突泥災(zāi)害源超前探測(cè)

在成蘭鐵路躍龍門隧道3#斜井工區(qū)采用激發(fā)極化法進(jìn)行超前探水預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)試驗(yàn)，激發(fā)極化探測(cè)三維成像見圖3。

(a) 激發(fā)極化探測(cè)

(b) 三維水體提取

根據(jù)掌子面前方30 m范圍含導(dǎo)水構(gòu)造的三維空間展布，綜合地質(zhì)與激發(fā)極化分析結(jié)果，推斷探測(cè)區(qū)域賦存水量約為900 m3(靜儲(chǔ)量，不考慮補(bǔ)給條件)，補(bǔ)給條件下總涌水量1 000 m3/h，實(shí)現(xiàn)含水構(gòu)造的三維成像展示和一定范圍內(nèi)的定性、定位、估量探水，取得了較好的現(xiàn)場(chǎng)驗(yàn)證效果。

1.1.2 TBM突水突泥災(zāi)害源超前探測(cè)

在TBM突水突泥災(zāi)害源超前探測(cè)方面，國(guó)內(nèi)外尚沒有有效的預(yù)報(bào)方法。TBM施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)面臨的問題見圖4，主要有： 1)TBM占據(jù)大部分隧道，可用觀測(cè)空間狹??； 2)TBM掘進(jìn)電磁環(huán)境復(fù)雜，干擾嚴(yán)重。

圖4 TBM施工隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)面臨的問題

Fig. 4 Difficulties of advanced geological prediction during TBM tunneling

基于鉆爆法超前探水預(yù)報(bào)方法，提出搭載于TBM的激發(fā)極化法，搭載方案與總體架構(gòu)見圖5。

(a)

(b)

將搭載TBM的三維激發(fā)極化法應(yīng)用在吉林引松3標(biāo)超前地質(zhì)探測(cè)中，現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用和部分探測(cè)結(jié)果分別見圖6和圖7。引松供水工程從71+476始發(fā)掘進(jìn)，累計(jì)掘進(jìn)1 532 m，激發(fā)極化法探測(cè)21次，準(zhǔn)確探測(cè)了2次巖溶富水區(qū)，其他段落為干燥狀態(tài)或滴水，總體準(zhǔn)確度達(dá)到85%以上。

(a) 搭載激電系統(tǒng)

(b) 主機(jī)監(jiān)測(cè)

(a) 三維成像

(b) 開挖結(jié)果和實(shí)測(cè)結(jié)果對(duì)比

1.2 隧道前方斷層破碎帶超前預(yù)報(bào)

搭載于TBM的三維地震法是探測(cè)隧道前方斷層破碎帶的有效方法，其原理見圖8。該方法是在刀盤附近邊墻設(shè)置12個(gè)激震點(diǎn)，后方邊墻上布置10個(gè)傳感器，利用檢修間隙探測(cè)，不需對(duì)TBM機(jī)械進(jìn)行改造，可對(duì)斷層、溶洞、破碎帶等不良地質(zhì)進(jìn)行三維定位 ，探距120 m，斷層探測(cè)準(zhǔn)確率90%，位置誤差為探測(cè)距離的10%。

圖8 地震反射成像法超前探測(cè)示意圖

將搭載于TBM的三維地震法應(yīng)用在遼寧某引水工程中，探測(cè)結(jié)果見圖9。由探測(cè)結(jié)果可知： 在掌子面前方60～120 m存在較多強(qiáng)反射界面，且正負(fù)交替出現(xiàn)，推測(cè)從掌子面前方60 m開始進(jìn)入斷層破碎帶，圍巖強(qiáng)弱交替，這與后期開挖結(jié)果相吻合。三維地震探測(cè)的實(shí)施，保障TBM安全穿越200 m斷層破碎帶。

圖9 三維探測(cè)結(jié)果

1.3 城市地鐵溶洞、孤石等探測(cè)進(jìn)展及應(yīng)用

溶洞、孤石體積小，需要精細(xì)化探測(cè)，跨孔電阻率CT法是一種孔中精細(xì)化探測(cè)方法，該方法利用不良地質(zhì)構(gòu)造與周圍介質(zhì)或者巖層之間的電阻率差異，通過對(duì)電阻率的層析成像，來對(duì)隱藏在巖體內(nèi)的不良地質(zhì)構(gòu)造和巖層交界面進(jìn)行識(shí)別和定位。該方法的具體工作原理是： 在相鄰的2個(gè)地質(zhì)勘探鉆孔中，一個(gè)放入供電電極，另一個(gè)放入測(cè)量電極，利用從鉆孔中觀測(cè)到的電位或電位梯度值進(jìn)行直接或間接的成像反演，就可以獲得這2個(gè)鉆孔間地層的電阻率分布圖[2]。跨孔電阻率CT法探測(cè)原理見圖10。

跨孔電阻率CT法具有以下優(yōu)點(diǎn)： 1)探測(cè)電極安裝在孔中，深入圍巖，可避開各種電磁干擾； 2)采用跨孔“透視對(duì)穿”的觀測(cè)方式，采集的數(shù)據(jù)量更多，且更接近勘探目標(biāo)體； 3)信號(hào)不隨深度方向衰減，分辨率更高。

圖10 跨孔電阻率CT法探測(cè)原理

Fig. 10 Detection principle of CT technology by cross-hole resistivity method

1.3.1 廈門市軌道交通1號(hào)線孤石探測(cè)

廈門市軌道交通1號(hào)線集美大道站—天水路區(qū)間站位于廈門市集美區(qū)后溪鎮(zhèn)，區(qū)間起于集美大道站，下穿崎溝村、東宅村民房后到達(dá)天水路站，區(qū)間穿越殘積土、全風(fēng)化花崗巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化花崗巖等地層，初勘時(shí)發(fā)現(xiàn)基巖突起及孤石存在，且因區(qū)間上部分布大量崎溝村民房，房屋基礎(chǔ)薄弱，密集無序，詳勘僅鉆探18個(gè)孔位，傳統(tǒng)方法無法探明區(qū)間孤石、基巖突起具體分布情況。選擇地質(zhì)相近、地勢(shì)較為開闊的天水路站—廈門北站區(qū)間(起訖里程YDK30+095～YDK31+035)作為試驗(yàn)段，采用跨孔電阻率CT法進(jìn)行孤石探測(cè)試驗(yàn)，部分探測(cè)結(jié)果見圖11。本次跨孔電阻率CT法孤石探查試驗(yàn)推斷存在12處孤石，9處得到鉆孔驗(yàn)證，孤石揭露準(zhǔn)確率超過70%，探測(cè)較為成功。

1.3.2 大連地鐵2號(hào)線東春區(qū)間溶洞超前探測(cè)

跨孔電阻率CT法也可對(duì)溶洞進(jìn)行超前探測(cè)，通過三維切片成像可推斷溶洞的發(fā)育位置和規(guī)模。采用該方法對(duì)大連地鐵2號(hào)線東緯路—春光街區(qū)間進(jìn)行了精細(xì)探查，部分探測(cè)結(jié)果見圖12?？芍缈纂娮杪蔆T成像結(jié)果與實(shí)際開挖結(jié)果吻合。

1.3.3 南京地鐵上元門站基坑涌水探查

超前探測(cè)的另一難點(diǎn)是溶管(巖溶裂隙)的探測(cè)，南京地鐵上元門車站靠近長(zhǎng)江，車站基坑開挖時(shí)不斷涌水，采取注漿措施封堵，因未查明涌水通道，注漿針對(duì)性不強(qiáng)，注漿效果不佳。采用跨孔電阻率CT法、高密度電法、瞬變電磁法和地質(zhì)雷達(dá)法4種方法相結(jié)合的綜合物探方法對(duì)車站基坑進(jìn)行精細(xì)探查，綜合物探結(jié)果見圖13。采用綜合物探方法確定了長(zhǎng)江水經(jīng)過基坑的流水通道以及基坑底板富水區(qū)的空間分布，根據(jù)物探解譯結(jié)果，推斷了長(zhǎng)江水源補(bǔ)給通道,合理地設(shè)計(jì)了注漿孔位，并通過注漿對(duì)涌水點(diǎn)進(jìn)行有效封堵。

(a) ZK3—ZK1反演結(jié)果 (b) 鉆孔柱狀圖 (c) ZK2—ZK1反演結(jié)果

(a) 跨孔電阻率CT成像三維切片 (b) 第2和第3個(gè)剖面之間的掌子面出水涌泥照片

圖13 南京地鐵上元門站基坑涌水綜合物探結(jié)果

2 隧道巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警方法及其應(yīng)用

2.1 隧道巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警可行性分析

巖體中一般積聚有彈性變形勢(shì)能，在一定條件下，這些能量會(huì)猛烈釋放，巖石發(fā)生爆裂并彈射出來的現(xiàn)象，我們稱之為巖爆。巖爆的形成一般經(jīng)歷巖體破裂、塊體形成、塊體彈射3個(gè)階段。巖石是各向異性的非均勻材料，當(dāng)巖體中的裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展和摩擦?xí)r，巖體內(nèi)部的能量會(huì)以波的形式釋放，這就產(chǎn)生了微震事件。我們利用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)可以接收到巖體內(nèi)部的微震信息，通過科學(xué)反演，就能夠得到巖體微破裂發(fā)生的時(shí)間、具體位置和震裂強(qiáng)度等信息。根據(jù)微破裂釋放出能量的大小、分布和集中程度，就可以對(duì)巖爆的可能性、發(fā)生的位置和等級(jí)等進(jìn)行預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。現(xiàn)階段，微震監(jiān)測(cè)技術(shù)已經(jīng)在地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用。在多數(shù)的巖爆孕育過程中，微震事件及其能量的演化具有自相似性(時(shí)間、能量及空間分形特征)，且有微震信息前兆特征，這種相似性見圖14?？芍?在大多數(shù)情況下，可以利用已監(jiān)測(cè)到的微震活動(dòng)性，在基于未來施工不變的情況下，對(duì)巖爆的區(qū)域和等級(jí)進(jìn)行預(yù)警。

(a) 時(shí)間分形

(b) 能量分形

2.2 隧道巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警技術(shù)與方法

2.2.1 按施工方法預(yù)警

在隧道TBM法和鉆爆法施工時(shí)，巖爆孕育存在以下顯著差異： 1)TBM高等級(jí)巖爆孕育伴隨低等級(jí)巖爆(見圖15)； 2)TBM同一區(qū)域常發(fā)生多次巖爆； 3)TBM巖爆多發(fā)生在開挖過程中，鉆爆法幾小時(shí)到幾天不等； 4)TBM 誘發(fā)的微震事件能量一般較大(見圖16)。

(a) TBM法施工

(b) 鉆爆法施工

Fig. 15 Difference between rockburst grades induced by TBM method and those induced by drilling and blasting method

圖16 TBM法與鉆爆法微震事件能量差異

Fig. 16 Difference between seismic energy induced by TBM method and that induced by drilling and blasting method

2.2.2 按巖爆類型預(yù)警

巖爆形式的動(dòng)力破壞基本可以分為2類： 1)第1 類是由巖石破壞導(dǎo)致的，通常稱為應(yīng)變型巖爆； 2)第2類是斷層滑移或者剪切斷裂所導(dǎo)致的，稱為應(yīng)變結(jié)構(gòu)面滑移型和斷裂滑移型。這2類巖爆的主要區(qū)別是： 在第1 類巖爆中，擾動(dòng)源(開挖)和巖爆發(fā)生的部位是相重合的； 在第2 類巖爆中，擾動(dòng)源和所導(dǎo)致的巖爆發(fā)生部位離開一段距離，甚至是相當(dāng)大的距離。此外，與第2 類巖爆(滑移斷裂型巖爆)相聯(lián)系的能量通常遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于應(yīng)變型巖爆的能量。斷裂滑移型巖爆的破壞程度也通常比應(yīng)變型巖爆強(qiáng)烈得多[3]。因此，建立了隧道不同類型巖爆定量預(yù)警公式

(1)

式中：m表示施工方法，主要有鉆爆法和TBM法等；r表示巖爆類型，分為應(yīng)變型、應(yīng)變-結(jié)構(gòu)面滑移型和斷裂滑移型；i表示巖爆等級(jí)；j表示用于預(yù)警的微震參數(shù)；P表示巖爆發(fā)生概率。

基于大量巖爆案例統(tǒng)計(jì)分析，錦屏二級(jí)水電站鉆爆法施工引排水隧道不同類型強(qiáng)裂巖爆的6微震參數(shù)預(yù)警閾值見表1。

表1 錦屏二級(jí)水電站鉆爆法施工引排水隧道不同類型強(qiáng)烈?guī)r爆的預(yù)警閾值

Table 1 Warning thresholds of different types of serious rockburst induced by drilling and blasting construction of water diversion and drainage tunnel of Jinping Ⅱ Hydropower Station

巖爆類型 事件數(shù)/個(gè)lgElgV事件率/(個(gè)/d)釋放能速率lg(E/t)視體積率lg(V/t)應(yīng)變型49．76．35．05．55．64．1應(yīng)變-結(jié)構(gòu)面滑移型32．15．84．93．04．53．9

注:E表示釋放能， J；V表示視體積， m3；t表示時(shí)間， d。

2.3 隧道巖爆孕育過程動(dòng)態(tài)調(diào)控

2.3.1 TBM開挖應(yīng)變型強(qiáng)烈?guī)r爆預(yù)警與調(diào)控[4]

通過對(duì)某深埋工程3#TBM 施工隧洞發(fā)生的微震事件進(jìn)行濾噪和定位分析，獲得微震事件數(shù)量和能量等級(jí)隨時(shí)間的演化規(guī)律，見圖17?？芍?從2010 年9 月6 日開始至9月8 日，微震活動(dòng)趨于活躍，微震事件的數(shù)量和能量均隨時(shí)間出現(xiàn)大幅度增加；9月6—8 日，一共出現(xiàn)17 個(gè)震級(jí)大于-0.2 的事件，其中震級(jí)大于0.5 的事件出現(xiàn)7 個(gè)，同時(shí)，大事件數(shù)量也表現(xiàn)為逐步增加的趨勢(shì)。3#TBM隧洞開挖的微震事件累計(jì)分布見圖18( 圖中球體顏色表示微震事件震級(jí)大小，顏色與震級(jí)大小對(duì)應(yīng)關(guān)系如圖例所示； 球體大小表示微震事件釋放能的大小)。由圖18(a)可看出，該期間共出現(xiàn)54 個(gè)有效微震事件，累計(jì)釋放能量為1.1×107J，微震事件比較集中，且釋放能量較大。

圖17 3#TBM 開挖隧洞時(shí)微震事件數(shù)和能量隨時(shí)間演化規(guī)律

Fig. 17 Quantities and energy of microseismic incidents vs. time during TBM Tunnel #3

(a) 2010年9月6—8日 (b) 2010年9月9—11日

Fig. 18 Distributions of microseismic incidents during construction of TBM Tunnel #3

現(xiàn)場(chǎng)及時(shí)采取如下調(diào)控措施： 1) 降低TBM 掘進(jìn)速度，2010年9月8日進(jìn)尺為16.25 m， 9日進(jìn)尺降到9.55 m，10日再降至6.25 m，11日進(jìn)尺維持在6.64 m； 2) 加強(qiáng)支護(hù)措施，增加了6 m 錨桿的數(shù)量。

及時(shí)采取調(diào)控措施后，效果如下： 1)微震活動(dòng)趨于平緩，如圖18(b)所示，微震事件數(shù)量和能量都明顯降低。2010 年9 月6—8 日累計(jì)事件數(shù)為54 個(gè)，震級(jí)大于-0.2 的事件27 個(gè)，震級(jí)大于0.5的事件7 個(gè)； 9—11日累計(jì)事件數(shù)降至29 個(gè)，震級(jí)大于-0.2 的事件降至10 個(gè)，震級(jí)大于0.5的事件僅有2 個(gè)，微震釋放能量也由1.1×107J 降低至5.9×106J。微震活動(dòng)整體趨于平穩(wěn)。2)巖爆等級(jí)降低，工程現(xiàn)場(chǎng)9月9日和10 日分別發(fā)生中等巖爆1 次，隨后此洞段安全完成開挖。

2.3.2 鉆爆法開挖應(yīng)變-結(jié)構(gòu)面滑移型中等巖爆預(yù)警與調(diào)控[4]

通過對(duì)某深埋工程1-1-W和2-1-E施工隧洞發(fā)生的微震事件進(jìn)行濾噪和定位分析，獲得的微震事件數(shù)量和能量隨時(shí)間的演化規(guī)律見圖19。可知： 從2010 年12月23—26日，微震活動(dòng)日漸趨于活躍，微震事件的數(shù)量和能量隨時(shí)間均出現(xiàn)了顯著增加，因此懷疑巖體中存在近東西向的硬性結(jié)構(gòu)面。這4 d共監(jiān)測(cè)到有效微震事件35個(gè)，其中震級(jí)大于0.6的事件有4個(gè)，且監(jiān)測(cè)到的微震事件大部分集中在2-1-E掌子面后方和2-1-E 與1-1-W 掌子面中間位置，微震事件累計(jì)釋放能量5.4×104J，從中可以看出，微震事件集中而且釋放能量較大。

根據(jù)以上微震活動(dòng)的特征和規(guī)律，預(yù)測(cè)到2010年12 月25 日開挖區(qū)域存在高概率中等巖爆發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。因此，建議微震事件集中的2-1-E掌子面停止掘進(jìn)，1-1-W掌子面單向掘進(jìn)，及時(shí)做好系統(tǒng)支護(hù)工作，并對(duì)關(guān)鍵部位的支護(hù)措施進(jìn)行加強(qiáng)，同時(shí)建議必要時(shí)對(duì)掌子面進(jìn)行應(yīng)力釋放。除此之外，在距離掌子面100 m處拉上警戒線，禁止車輛和行人進(jìn)入。26日建議改為由1-1-W掌子面單向掘進(jìn)。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)資料顯示，26日2-1-E掌子面處實(shí)際發(fā)生中等巖爆1 次，證明了巖爆預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和調(diào)控措施的必要性。

圖19 某深埋工程施工時(shí)微震事件數(shù)和能量隨時(shí)間演化規(guī)律

Fig. 19 Quantities and energy of microseismic incidents vs. time during a deep tunnel construction

根據(jù)建議， 2-1-E掌子面12月28日暫停掘進(jìn)，同時(shí)增加系統(tǒng)噴錨支護(hù)，1-1-W掌子面單向掘進(jìn)，掌子面開挖隧洞累計(jì)微震事件分布見圖20，可知： 采取調(diào)控措施前，12月23—26日共發(fā)生微震累計(jì)事件數(shù)量35 個(gè)，能量釋放5.4×104J，震級(jí)大于-0.6的事件有4個(gè)，震級(jí)為-2～-1 的事件有14 個(gè)； 采取調(diào)控措施后，12月28—31日共發(fā)生微震累計(jì)事件數(shù)量25 個(gè)，能量釋放5.8×103J，震級(jí)大于-0.6的事件0個(gè)，震級(jí)為-2～-1 的事件7 個(gè)。通過以上對(duì)比可以看出，微震事件數(shù)和能量都表現(xiàn)為明顯的降低，微震活動(dòng)明顯減弱。

(a) 調(diào)控前 (b) 調(diào)控后

圖20 1-1-W和2-1-E掌子面開挖隧洞累計(jì)微震事件分布

Fig. 20 Distributions of microseismic incidents during construction of tunnel face No. 1-1-W and No. 2-1-E

2.4 隧道巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警工程實(shí)踐

2.4.1 錦屏二級(jí)水電站深埋隧洞開挖過程巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控[5]

錦屏二級(jí)水電站位于四川省涼山彝族自治州，該水電站利用雅礱江150 km錦屏大河灣處的天然落差，截彎取直開挖隧洞引水發(fā)電，水電站總裝機(jī)規(guī)模達(dá)480萬kW。工程開挖共包括7 條平行隧洞，即1#—4#引水隧洞、施工排水洞和A、B輔助洞等，圖21為其平面布置。其中，4 條平行布置橫穿錦屏山的引水隧洞，從進(jìn)水口至上游調(diào)壓室的平均洞線長(zhǎng)度約16.67 km，中心距60 m，洞主軸線方位角為N58°W，開挖直徑12.40～13.00 m，全線一般埋深為1 500～2 000 m，最大埋深達(dá)2 525 m。隧洞具有大、長(zhǎng)、深等特點(diǎn)。

圖21 水電站隧洞布置平面圖

在采用巖爆監(jiān)測(cè)預(yù)警系統(tǒng)前，2條輔助洞發(fā)生巖爆，造成人員傷亡和嚴(yán)重恐慌，施工隊(duì)伍被迫更換多次，工期延誤1年以上。排水洞2009年11月28日發(fā)生極強(qiáng)巖爆，TBM被毀，多人傷亡，停工半年，被迫更改施工方案。

之后采用微震監(jiān)測(cè)技術(shù)進(jìn)行監(jiān)測(cè)預(yù)警與預(yù)控，通過微震數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)連續(xù)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、數(shù)據(jù)遠(yuǎn)程傳輸、數(shù)據(jù)處理與分析，實(shí)現(xiàn)對(duì)施工隧洞微震事件的連續(xù)監(jiān)測(cè)和分析。相鄰平行最大埋深洞段巖爆風(fēng)險(xiǎn)控制效果見表2。

表2 相鄰平行最大埋深洞段巖爆風(fēng)險(xiǎn)控制效果比較

2.4.2 錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期開挖全過程災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控[6]

錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期工程位于錦屏交通洞A洞南側(cè)，最大埋深約2 400 m，是目前世界上埋深最大的實(shí)驗(yàn)室，施工過程中潛在的巖爆、片幫、坍塌等硬巖工程災(zāi)害發(fā)生的頻率高、危害嚴(yán)重。根據(jù)錦屏深部地下實(shí)驗(yàn)室二期的功能設(shè)計(jì)要求，結(jié)合布置區(qū)域的地質(zhì)條件、已有洞室布置和施工條件，地下實(shí)驗(yàn)室總體方案采用4 洞9 室“錯(cuò)開型”的布置形式，見圖22。目前共有9 個(gè)實(shí)驗(yàn)室，其中，1#—6#為物理實(shí)驗(yàn)室，7#—9#規(guī)劃為深部巖石力學(xué)實(shí)驗(yàn)室。1#—8#實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)度均為65 m，城門洞型，隧洞截面14 m×14 m，9#實(shí)驗(yàn)室長(zhǎng)60 m(東西兩側(cè)各30 m)。各實(shí)驗(yàn)室均采用鉆爆法施工，分3層開挖，上層8.0 m，中層5.0 m，下層1.0 m。其支護(hù)方式主要為錨桿和噴射混凝土。

圖22 錦屏地下實(shí)驗(yàn)室二期隧洞布置圖

Fig. 22 Layout of 2nd phase tunnel projects of Jinping underground laboratory

在7#和8#實(shí)驗(yàn)室施工開挖過程中，于2015年8月23日發(fā)生一次極強(qiáng)巖爆。巖爆區(qū)域長(zhǎng)約44 m，高5～6 m，最大爆坑深度3.1 m，最大爆坑尺寸達(dá)2.4 m×2.4 m×1 m，巖塊最大彈射距離7～10 m，爆出巖塊體積約400 m3，巖爆造成7#、8#實(shí)驗(yàn)室上層南側(cè)邊墻已完成的支護(hù)系統(tǒng)嚴(yán)重破壞，破壞區(qū)的錨桿被拉斷和拔出，鋼筋網(wǎng)和初噴混凝土被拋出。由于采取全過程災(zāi)害監(jiān)測(cè)預(yù)警與防控措施，本次“8·23”極強(qiáng)巖爆在發(fā)生前2 h被成功預(yù)警，施工單位根據(jù)巖爆預(yù)警信息及時(shí)通知現(xiàn)場(chǎng)，并撤離了高風(fēng)險(xiǎn)區(qū)的施工人員和設(shè)備，成功避免了因本次大規(guī)模極強(qiáng)巖爆帶來的人員傷亡和設(shè)備損失，保證了實(shí)驗(yàn)室二期工程建設(shè)期的施工安全。

3 基于BIM技術(shù)的建筑物(隧道工程)的安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控

3.1 BIM技術(shù)內(nèi)涵

BIM(building information modeling)的本質(zhì)就是把數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為信息，通過數(shù)字信息仿真模擬建筑物(隧道)具有的真實(shí)信息，以三維虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)建模，實(shí)現(xiàn)可視化的工程數(shù)據(jù)模型。在建設(shè)項(xiàng)目管理過程中，通過運(yùn)用BIM技術(shù)，從設(shè)計(jì)階段開始就建立互相協(xié)調(diào)、內(nèi)部一致的可運(yùn)算三維信息模型，可以大幅度降低參建各方項(xiàng)目管理的難度，從而解決了許多原來二維平面模型不能解決的問題。從某種程度上說，BIM 不僅僅是一種模型工具，而且是一個(gè)協(xié)同的工作流程。通過三維模型的可視化演示，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)建設(shè)工程項(xiàng)目的碰撞檢測(cè)、施工進(jìn)度模擬、工程質(zhì)量分析和安全風(fēng)險(xiǎn)防控等[7]。

在地鐵建設(shè)的管線施工中，需要在非常有限的空間內(nèi)完成通信、信號(hào)、綜合監(jiān)控以及通風(fēng)、暖通、消防、電力等十幾個(gè)專業(yè)系統(tǒng)的安裝，各系統(tǒng)之間碰撞沖突、返工修改等問題突出，合理布置這些系統(tǒng)與建筑、結(jié)構(gòu)間的空間關(guān)系非常重要。而二維圖紙由于無法可視化，往往會(huì)導(dǎo)致施工前各專業(yè)的沖突問題難以到解決。由于BIM 技術(shù)模型具有數(shù)字化、可視化、真實(shí)化的特點(diǎn)，采用BIM 技術(shù)模型進(jìn)行車站的施工碰撞研究，可使項(xiàng)目各參與方進(jìn)行無間隙共享及無障礙交流，在整個(gè)項(xiàng)目周期高效協(xié)同工作，從而有效解決上述難題[7]。

在高風(fēng)險(xiǎn)特殊區(qū)段地鐵施工中，為了降低災(zāi)難性事故的發(fā)生概率，我們需要實(shí)時(shí)地對(duì)安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行感知，才能及時(shí)防范事故發(fā)生。因此，進(jìn)一步將包含巖土地質(zhì)信息、地下管線信息、周邊建筑技術(shù)信息、機(jī)械人員信息、施工監(jiān)測(cè)信息等在內(nèi)的工程實(shí)體與施工工序信息對(duì)應(yīng)的時(shí)間維集成，建立地鐵施工的4D模型。某地鐵車站4D模型見圖23。

(a) (b)

(c) (d)

(e) (f)

3.2 隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)感知及實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)

下文以武漢某地鐵越江隧道聯(lián)絡(luò)通道施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)控制為例，介紹施工中的安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)感知及實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)。

3.2.1 安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)工程周邊環(huán)境與工程結(jié)構(gòu)等多物理量的連續(xù)實(shí)時(shí)感知，提高風(fēng)險(xiǎn)特殊區(qū)段地鐵施工安全風(fēng)險(xiǎn)信息的采集和傳輸能力，將光纖光柵傳感技術(shù)引入到了某地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道的凍結(jié)法施工中。由于光纖光柵傳感器具有耦合監(jiān)測(cè)、高精度、自動(dòng)連續(xù)、抗電磁干擾、不受水和潮氣影響、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)戎T多優(yōu)點(diǎn)，工程利用光纖光柵傳感器對(duì)水平凍土、聯(lián)絡(luò)通道初期支護(hù)和既有隧道管片分別進(jìn)行溫度-應(yīng)變耦合監(jiān)測(cè)，構(gòu)建了聯(lián)絡(luò)通道施工多場(chǎng)耦合實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了整個(gè)施工周期內(nèi)對(duì)數(shù)據(jù)的自動(dòng)連續(xù)采集和實(shí)時(shí)分析與預(yù)警[8]。

實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)組成見圖24，包括獨(dú)立供電系統(tǒng)、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)分析系統(tǒng)、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)采集系統(tǒng)等3部分，并增設(shè)防塵防水保護(hù)系統(tǒng)。

圖24 實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)組成

3.2.2 安全風(fēng)險(xiǎn)實(shí)時(shí)預(yù)警系統(tǒng)

從海因里希的事故連鎖理論、軌跡交叉理論等事故致因理論中，我們可以得知，施工中人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)會(huì)導(dǎo)致安全事故的發(fā)生。因此，某地鐵隧道聯(lián)絡(luò)通道施工過程中，除了建立多場(chǎng)耦合實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)實(shí)時(shí)獲取物的狀態(tài)外，人的行為對(duì)于施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制而言更為重要[8]。因此，在多場(chǎng)耦合實(shí)時(shí)感知系統(tǒng)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜環(huán)境下長(zhǎng)大隧道中實(shí)時(shí)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)，并將聯(lián)絡(luò)通道施工過程中環(huán)境、結(jié)構(gòu)和人的安全信息綜合起來進(jìn)行安全分析判斷，并及時(shí)有效地發(fā)布預(yù)警信息，第一時(shí)間通知現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員采取應(yīng)急措施，實(shí)現(xiàn)了安全知控一體化和實(shí)時(shí)化。安全知控一體化和實(shí)時(shí)化原理見圖25。

圖25 安全知控一體化和實(shí)時(shí)化示意圖

Fig. 25 Sketch diagram of integration and real-time warning system

地鐵施工過程中存在大量的安全信息，必須充分、及時(shí)掌握這些安全信息才能對(duì)其進(jìn)行有效的安全控制。因此，BIM、物聯(lián)網(wǎng)、數(shù)據(jù)融合等前沿信息技術(shù)的應(yīng)用是提升地鐵工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)控制水平的重要途徑之一，它對(duì)于提高地鐵施工過程中安全信息的采集、傳輸、分析和挖掘能力，降低施工安全風(fēng)險(xiǎn)，具有突出作用。隧道實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)架構(gòu)見圖26 。

圖26 實(shí)時(shí)定位系統(tǒng)架構(gòu)

4 隧道工程建設(shè)信息化技術(shù)的發(fā)展方向

4.1 開展基于大數(shù)據(jù)技術(shù)的TBM/盾構(gòu)施工時(shí)的分析與控制研究

隧道建設(shè)時(shí)的工程事故和TBM/盾構(gòu)的低運(yùn)行除了與客觀不良地質(zhì)條件有關(guān)，還與TBM/盾構(gòu)的選型不當(dāng)以及操控參數(shù)選擇不合理有關(guān)。如何使選型與參數(shù)選擇從經(jīng)驗(yàn)上升為科學(xué)？運(yùn)用大數(shù)據(jù)技術(shù)是一個(gè)可行的方向。

4.1.1 大數(shù)據(jù)技術(shù)的定義和特征

大數(shù)據(jù)技術(shù)是指對(duì)數(shù)據(jù)規(guī)模大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度高、關(guān)聯(lián)度強(qiáng)的數(shù)據(jù)集進(jìn)行處理與應(yīng)用的處理技術(shù)。具有以下“4V”特征： 1)Volume(大量)，數(shù)據(jù)量巨大； 2)Variety(多樣化)，數(shù)據(jù)類型多且十分復(fù)雜； 3)Velocity(快速)，處理速度要求快； 4)Value(價(jià)值密度低)，雖然數(shù)據(jù)采集量巨大，但有用數(shù)據(jù)少。

4.1.2 大數(shù)據(jù)技術(shù)內(nèi)涵

大數(shù)據(jù)涉及到的技術(shù)主要包括數(shù)據(jù)挖掘與關(guān)聯(lián)分析技術(shù)、機(jī)器學(xué)習(xí)、模式識(shí)別、預(yù)測(cè)模型、時(shí)序分析以及可視化處理等。

1)數(shù)據(jù)挖掘。數(shù)據(jù)挖掘是一個(gè)知識(shí)發(fā)現(xiàn)的過程，即從大量的數(shù)據(jù)中自動(dòng)搜索隱藏在其中的知識(shí)或特殊關(guān)系信息的過程。

2)關(guān)聯(lián)分析。關(guān)聯(lián)分析是從大量數(shù)據(jù)中分析各數(shù)據(jù)項(xiàng)之間有價(jià)值的相關(guān)關(guān)系。比如20世紀(jì)90年代美國(guó)沃爾瑪超市基于銷售數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)分析，將啤酒與尿布2個(gè)看上去沒有關(guān)系的商品放在一起進(jìn)行銷售，獲得了很好的收益。

3)機(jī)器學(xué)習(xí)。機(jī)器學(xué)習(xí)主要研究如何使用電腦來模擬和實(shí)現(xiàn)人類學(xué)習(xí)時(shí)獲取知識(shí)的過程，重構(gòu)已有知識(shí)，提升自身處理問題能力從而形成創(chuàng)新。機(jī)器學(xué)習(xí)的最終目的是從數(shù)據(jù)中自動(dòng)分析獲取規(guī)律性知識(shí)，并用于對(duì)未知數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè)、判斷和評(píng)估。機(jī)器學(xué)習(xí)與統(tǒng)計(jì)推斷學(xué)聯(lián)系密切。

4.1.3 大數(shù)據(jù)技術(shù)應(yīng)用在TBM/盾構(gòu)施工中的可行性分析

TBM/盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)是典型的大數(shù)據(jù)問題，大數(shù)據(jù)的概念和TBM/盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)具有天然的契合性。TBM/盾構(gòu)在施工掘進(jìn)過程中連續(xù)自動(dòng)采集數(shù)據(jù)并存儲(chǔ)在數(shù)據(jù)庫中。比如海瑞克盾構(gòu)每2.5 s會(huì)自動(dòng)采集，每10 s會(huì)自動(dòng)存儲(chǔ)一次數(shù)據(jù)。對(duì)于1條長(zhǎng)約25 km的隧道來說，單就掘進(jìn)參數(shù)而言，每臺(tái)盾構(gòu)每分鐘產(chǎn)生包括盾構(gòu)扭矩、推力、轉(zhuǎn)速、貫入度等掘進(jìn)參數(shù)在內(nèi)的掘進(jìn)數(shù)據(jù)，如果推進(jìn)2 h，1條線路將產(chǎn)生約4.2×105組掘進(jìn)數(shù)據(jù)，盾構(gòu)/TBM掘進(jìn)數(shù)據(jù)不僅包括自身的掘進(jìn)參數(shù)(扭矩、推力、轉(zhuǎn)速、貫入度等)，還有地層變形數(shù)據(jù)(包括應(yīng)力、位移)，以及掘進(jìn)地層地質(zhì)數(shù)據(jù)(比如地層類型、土體物理力學(xué)參數(shù)、地下水位等)，加上各監(jiān)測(cè)點(diǎn)獲取的數(shù)據(jù)(包括區(qū)間隧道上方、周邊布置的監(jiān)測(cè)點(diǎn)以及大量管線、建筑物、道路布置的測(cè)點(diǎn))，數(shù)據(jù)形式多樣(包括數(shù)值、文字、圖片等資料)?？偟膩碚f，盾構(gòu)/TBM施工數(shù)據(jù)量巨大。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)之間、盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地層變形之間相互關(guān)聯(lián)，非常復(fù)雜，呈現(xiàn)出大量、多態(tài)、多源、多維的大數(shù)據(jù)特征。因此，盾構(gòu)/TBM施工數(shù)據(jù)是典型的大數(shù)據(jù)應(yīng)用范例。4.1.4 大數(shù)據(jù)技術(shù)在TBM/盾構(gòu)施工中的應(yīng)用前景

目前中國(guó)大部分的地鐵工程都采用盾構(gòu)施工，山嶺隧道和引水隧道等長(zhǎng)大隧道建設(shè)中采用TBM施工的也越來越多，并都研發(fā)了施工信息管理系統(tǒng)(見圖27)，系統(tǒng)用以支持TBM/盾構(gòu)的遠(yuǎn)程監(jiān)控，通過多種傳輸方式將掘進(jìn)數(shù)據(jù)發(fā)送至中心服務(wù)器并自動(dòng)存儲(chǔ)，其采集、翻譯、傳輸和存儲(chǔ)分析的過程見圖28。因此，TBM/盾構(gòu)施工管理信息化技術(shù)的應(yīng)用為大數(shù)據(jù)分析提供了數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

(a) 寧和城際軌道交通一期風(fēng)險(xiǎn)管控系統(tǒng)

(b) 成都地鐵建設(shè)工程安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控系統(tǒng)

Fig. 27 Construction information management system of Metro shield construction

通過大數(shù)據(jù)技術(shù)有效利用TBM/盾構(gòu)施工中的大數(shù)據(jù)，對(duì)優(yōu)化TBM/盾構(gòu)的設(shè)計(jì)，正確進(jìn)行TBM/盾構(gòu)的選型，提升TBM/盾構(gòu)的掘進(jìn)效率和控制施工時(shí)的事故發(fā)生具有重要意義，其關(guān)鍵是建立數(shù)據(jù)聯(lián)盟以及對(duì)TBM/盾構(gòu)施工海量數(shù)據(jù)的數(shù)據(jù)挖掘和關(guān)聯(lián)分析技術(shù)的研究和提升。

圖28 盾構(gòu)數(shù)據(jù)采集過程

基于大數(shù)據(jù)技術(shù)開展TBM/盾構(gòu)施工中的應(yīng)用研究在國(guó)內(nèi)剛剛起步，是一個(gè)富有探索性和挑戰(zhàn)性的課題，尚未有成功的應(yīng)用實(shí)例。例如TBM/盾構(gòu)的扭矩是其選型的重要參數(shù)，現(xiàn)在依據(jù)的是日本公式T=aD2，式中影響參數(shù)單一(僅為盾構(gòu)外徑D)。盾構(gòu)外徑D大時(shí)，扭矩偏大，不能充分發(fā)揮切削能力；盾構(gòu)外徑D小時(shí)，扭矩偏小，容易出現(xiàn)扭矩過載。因其復(fù)雜性，進(jìn)行理論研究很難，可以通過大數(shù)據(jù)技術(shù)對(duì)以往掘進(jìn)施工參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)挖掘，分析不同地質(zhì)條件下不同類型盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)的變化規(guī)律，得到適用性強(qiáng)的經(jīng)驗(yàn)公式，為優(yōu)化國(guó)產(chǎn)盾構(gòu)選型參數(shù)提供技術(shù)支持。再如如何選擇與地層特性相適應(yīng)的掘進(jìn)參數(shù)，從而保證開挖面穩(wěn)定、減小地層變形位移是盾構(gòu)施工控制的難點(diǎn)。可以通過對(duì)不同地層內(nèi)掘進(jìn)時(shí)的掘進(jìn)參數(shù)與地層變形參數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)來控制掘進(jìn)，分析盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)與地層變形之間復(fù)雜的規(guī)律性關(guān)系，為有效預(yù)測(cè)復(fù)雜條件下地層變形、防治地面隆起或坍塌事故提供依據(jù)。

4.2 數(shù)字隧道向智慧隧道(建設(shè)和運(yùn)營(yíng)維護(hù))的發(fā)展

智慧工程方面國(guó)外已有一些實(shí)例，如： 2006年，新加坡啟動(dòng)“智慧國(guó)家2015”計(jì)劃，建立了針對(duì)交通堵塞預(yù)報(bào)的智慧城市系統(tǒng)； 2009年，韓國(guó)仁川實(shí)現(xiàn)了房間耗能的智能控制與通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)測(cè)病人狀況的智慧城市應(yīng)用； 昆士蘭建立了對(duì)橋的智能安全系統(tǒng)，通過裝在橋上的傳感器，確保橋的安全； 愛爾蘭“智慧灣”利用浮橋上的傳感器及漁民手機(jī)，監(jiān)測(cè)水面上的漂浮物、水流，溝通漁民和餐廳的交易； 瑞典斯德哥爾摩智慧城市系統(tǒng)使汽車使用量降低25%，尾氣排放降低8%～14%。隧道工程也將從數(shù)字隧道向智慧隧道方向發(fā)展。

4.2.1 數(shù)字隧道和智慧隧道的概念

數(shù)字隧道是隧道工程信息化的初級(jí)階段，是“物理隧道”(實(shí)體隧道)的虛擬對(duì)照體，以信息化手段對(duì)隧道建設(shè)過程中的勘察、設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)等數(shù)據(jù)進(jìn)行集中有效管理。具體體現(xiàn)為數(shù)字隧道工程基礎(chǔ)平臺(tái)，該平臺(tái)是集數(shù)據(jù)信息存儲(chǔ)、查詢、三維可視化建模及虛擬瀏覽為一體的綜合系統(tǒng)。其信息包括地形、地理的基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)； 包括工程地質(zhì)和水文地質(zhì)、環(huán)境地質(zhì)的地質(zhì)數(shù)據(jù)(兩者共稱為地層數(shù)據(jù))，隧道主體的設(shè)計(jì)、施工及監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)等。

智慧隧道是為隧道工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)服務(wù)的隧道工程信息化的高級(jí)階段。包括智慧和智能2方面： 智慧是對(duì)大系統(tǒng)和巨系統(tǒng)而言，例如城市是一個(gè)巨系統(tǒng)，包括人、自然和社會(huì)等的綜合體。隧道是一個(gè)大系統(tǒng)，包括隧道本體、隧道環(huán)境、隧道建設(shè)者和運(yùn)營(yíng)者的綜合體； 智能是對(duì)某項(xiàng)技術(shù)、某個(gè)功能和某種儀器設(shè)備而言，如智能手機(jī)、智能傳感機(jī)和智能交通等。

具體來說，智慧隧道就是讓作為隧道系統(tǒng)主體的隧道工程建設(shè)者和運(yùn)營(yíng)者更聰明。首先，它通過互聯(lián)網(wǎng)把無處不在的被植入隧道本體、周圍地層中的智能化傳感器、實(shí)時(shí)跟蹤移動(dòng)目標(biāo)的GPS定位單元以及無線射頻識(shí)別單元連接起來形成物聯(lián)網(wǎng)，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)物理隧道(隧道本體和環(huán)境)、隧道建設(shè)者和設(shè)備的全面感知； 除此之外，智慧隧道利用云計(jì)算技術(shù)能對(duì)感知信息進(jìn)行智能處理和分析，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上“數(shù)字隧道”與物聯(lián)網(wǎng)的融合； 最后，在分析處理后發(fā)出對(duì)包括超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、設(shè)計(jì)方案和修改、施工方案的實(shí)施(如盾構(gòu)推進(jìn)的操作參數(shù)的確定等)、預(yù)警信息的發(fā)布、應(yīng)急防治方案的實(shí)施等作出智能化響應(yīng)和決策支持的指令。

4.2.2 智慧隧道和數(shù)字隧道的區(qū)別和聯(lián)系

數(shù)字隧道是物理隧道在網(wǎng)上的虛擬對(duì)照體，兩者是分離的； 智慧隧道運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)可以把數(shù)字隧道與物理隧道無縫連接在一起，是物聯(lián)網(wǎng)與“數(shù)字隧道”的融合，智慧隧道是數(shù)字隧道功能的延伸、拓展和升華，是數(shù)字隧道的智能化。利用云計(jì)算對(duì)實(shí)時(shí)感知數(shù)據(jù)進(jìn)行快速和協(xié)同處理，并在大數(shù)據(jù)技術(shù)所具備的感知能力、邏輯思維能力、自學(xué)習(xí)與自適應(yīng)能力和行為決策能力的基礎(chǔ)上提供智能化服務(wù)。

智慧隧道和數(shù)字隧道之間并無絕對(duì)界線，是可以過渡的，例如有4D數(shù)字隧道、N維數(shù)字隧道……，相應(yīng)有4D和ND BIM技術(shù)。

4.2.3 智慧隧道智的體現(xiàn)

1)透徹感知。無處不在的智能傳感器，對(duì)隧道、環(huán)境、設(shè)備和人及其狀態(tài)實(shí)現(xiàn)全面、綜合地感知和對(duì)其運(yùn)行狀態(tài)的實(shí)時(shí)感測(cè)。

2)全面互聯(lián)。通過運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)將所有傳感器全面連接，通過運(yùn)用互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)感知數(shù)據(jù)的智能傳輸和存儲(chǔ)。

3)深度整合。物聯(lián)網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)完全鏈接和融合，將多源異構(gòu)數(shù)據(jù)整合為一致性數(shù)據(jù)——隧道工程建設(shè)和運(yùn)營(yíng)全圖。

4)智能服務(wù)。在隧道智慧信息(網(wǎng)絡(luò)、數(shù)據(jù))基礎(chǔ)上，利用云計(jì)算構(gòu)架一種新的能提供服務(wù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，基于大數(shù)據(jù)技術(shù)，對(duì)海量感知數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理、數(shù)據(jù)挖掘與知識(shí)發(fā)現(xiàn)，能夠?yàn)樗淼澜ㄔO(shè)和運(yùn)營(yíng)提供各種不同層次、不同要求的高效率智能化服務(wù)。

4.2.4 智慧隧道建設(shè)

建設(shè)智慧隧道的關(guān)鍵是做好智慧隧道工程數(shù)據(jù)交換共享平臺(tái)建設(shè)。這是一個(gè)智慧信息基礎(chǔ)設(shè)施—智慧應(yīng)用服務(wù)技術(shù)支持層—智感應(yīng)用服務(wù)層的推進(jìn)過程。

要有4方面的提升： 1) 三維可視化表達(dá)—統(tǒng)一時(shí)空基準(zhǔn)的四維信息； 2)“靜態(tài)數(shù)據(jù)+周期性更新”—“實(shí)時(shí)獲取+動(dòng)態(tài)更新”； 3)“有限服務(wù)”—“全面深度服務(wù)”； 4)“事后分析+輔助決策”—“實(shí)時(shí)分析+智能數(shù)據(jù)挖掘+知識(shí)發(fā)現(xiàn)+實(shí)時(shí)決策”。

5 結(jié)語

不斷提高地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)水平，加強(qiáng)隧道建設(shè)、運(yùn)營(yíng)維護(hù)全過程的信息化、可視化、智慧化研究，逐步實(shí)現(xiàn)隧道更加安全、高質(zhì)、高效、智能的建設(shè)與管理，是今后一個(gè)時(shí)期的發(fā)展方向。

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Main Developments and Directions of Geological Prediction andInformatized Technology of Tunnel Construction

QIAN Qihu

(CollegeofDefenseEngineering,PLAUniversityofScience&Technology,Nanjing210007,Jiangsu,China)

The improvements of geological prediction and informatized technologies are the keys to safe and efficient construction of tunnel in complex and bad geological conditions. The technologies used in China are introduced as follows: 1) The development and application of advanced geological prediction technologies of tunnels in complex and bad geological conditions, i.e. methods and equipments for water and mud inrush sources detection, advanced prediction of fault and fracture zones and detection of karst caves and boulders in urban Metro construction. 2) Monitoring and forewarning methods for rockbust in tunnel. 3) Building information modeling (BIM) technology, including real-time perceiving and real-time warning systems. Afterwards, the developing directions of informatized technology of tunnel construction are proposed, including analysis and control of TBM/shield construction based on big data technology and digital tunnel and intellectualized tunnel.

tunnel; informatization; bad geological condition; advanced geological prediction; rockburst; BIM; big data technology; digital tunnel; intellectualized tunnel

2017-02-13

錢七虎(1937—)，男，江蘇昆山人，1965年畢業(yè)于莫斯科古比雪夫軍事工程學(xué)院，防護(hù)工程專業(yè)，副博士，中國(guó)工程院院士、教授、博士生導(dǎo)師，從事隧道及地下工程建設(shè)科研工作。E-mail： gcyqqh@163.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2017.03.001

U 455

A

1672-741X(2017)03-0251-13