蔣小銳，劉建友，高宇宇

(中鐵工程設計咨詢集團有限公司,北京 100055)

引言

隨著地下空間的開發(fā)與利用，為滿足使用功能，越來越多的大跨度、大斷面地下工程開始修建，特別是水電站地下廠房、軌道交通地下車站以及多線的鐵路隧道工程，這些地下工程主要采用明挖法或淺埋暗挖法施工，機械化水平較低[1-3]，部分采用TMB法和盾構法，基本上已實現(xiàn)機械化、工廠化施工[4-5]。通過近年來不斷探索和實踐，地下工程建設逐步采用全工序機械化施工，鄭萬高鐵研制開發(fā)了全系列隧道智能裝備，基本實現(xiàn)了全工序機械化、全地質機械化、全斷面施工和全過程、全方位信息化管理[6-7]。機械化、信息化是國際地下工程發(fā)展的方向，也是實現(xiàn)隧道全生命周期智能化建設的關鍵。

京張高鐵八達嶺長城站“三縱三橫布置”層次多、洞室數(shù)量大、交叉節(jié)點密集，是目前國內最復雜的暗挖洞群車站。為響應鐵路總公司提出的“精品工程、智能京張”總體目標，八達嶺長城站搭建了深埋超大跨地下車站智能建造體系，在大數(shù)據(jù)、人工智能技術與智能工程機械裝備結合的基礎上，研發(fā)了隧道圍巖智能化超前地質預報技術、隧道三維集成協(xié)同智能設計、隧道開挖及支護智能化施工系統(tǒng)、隧道結構安全智能監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了隧道全生命周期的智能化建造。隧道智能建造技術在京張高鐵的成功應用，提高了我國隧道安全建設的技術水平，具有重要的現(xiàn)實意義。

1 智能勘察

八達嶺長城站穿越地層圍巖主要為花崗雜巖，發(fā)育閃長玢巖脈及花崗斑巖脈，總體圍巖穩(wěn)定性較好，但受巖脈穿插切割的影響，部分段落巖體軟弱破碎，穩(wěn)定性差。車站圍巖級別變化頻繁且突然，施工過程中易引起滑塌，因此超前地質預報尤為重要[8-10]。車站研究復雜洞室群的綜合超前地質預報技術，采用超前水平鉆法結合數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)，觀測和分析鉆孔中地質體的各種特征，并充分發(fā)揮超前導洞或臨近洞室的作用，研發(fā)掌子面自動素描系統(tǒng)，實現(xiàn)了掌子面圍巖等級快速準確鑒定。

1.1 超前水平鉆及孔內攝像快速直觀超前地質預報技術

結合數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)的超前水平鉆孔法，可快速、直觀的完成風化槽等復雜地段的超前地質預報，本工程采用數(shù)字全景鉆孔攝像系統(tǒng)對大跨北京端進行試驗。

數(shù)字式全景鉆孔攝像系統(tǒng)通過電纜將數(shù)字全景探頭放入工程鉆孔中，來獲取鉆孔內巖壁的光學圖像。全景探頭自帶光源，對孔壁進行實時照明和拍攝，孔壁圖像經(jīng)錐面反射鏡變換后形成全景圖像，在連續(xù)捕獲方式下，全景圖像被快速地還原成平面展開圖，并實時地顯示出來，用于現(xiàn)場記錄和監(jiān)測。在靜止捕獲方式下，全景圖像被快速地存儲起來，用于現(xiàn)場的快速分析和室內的統(tǒng)計分析，所有的光電信號都可以通過電纜傳輸?shù)接嬎銠C或其他存儲設備，并利用系統(tǒng)自制軟件進行分析處理，以觀測和分析鉆孔中地質體的各種特征和細微變化，為工程提供直觀和豐富的地質信息。

1.2 超前導洞法地質預報技術

八達嶺長城站主洞數(shù)量多、洞型復雜，超大跨多導洞開挖，施工中輔助洞室也較多。因此，充分發(fā)揮超前導洞或臨近洞室的作用，采用以地質素描、加深炮孔為主，輔以物探，進行綜合超前地質預報的方法尤為重要。

在輔助導洞或超前導洞開挖過程中及時對導洞的工程、水文地質特征進行詳細觀察和編錄，并反復核實和修正勘察報告內容，最終的勘察報告為車站提供設計并指導隧道正洞的施工。

(1)通過導洞地質構造形態(tài)的詳細素描，提出正洞施工中的注意事項，如斷層構造產(chǎn)狀、性質、延伸等特征，指出這些構造在正洞可能出現(xiàn)的里程位置及其對開挖和初期支護的影響。

(2)通過導洞的水文地質特征提出正洞水文地質情況、節(jié)理裂隙的導水性，計算涌水量，從而使設計施工做好隧道水害的應急預案。

(3)通過導洞圍巖級別、測定圍巖有關的物理力學參數(shù)，分析正洞圍巖級別分布情況及圍巖的突變性。

1.3 掌子面自動化素描系統(tǒng)

基于隧道掌子面地質工作的重要性及因其專業(yè)性強、勞動強度高、時效性強等因素導致該項工作難以開展，提出了掌子面圖像識別代替人工素描的方法[11]。受隧道環(huán)境的影響(光線、粉塵等)導致圖像不清晰及二維圖像缺失深度信息導致圖像識別準確率受限，掌子面自動化素描系統(tǒng)采用多圖像立體重建技術或三維激光掃描技術，實景復制(真實記錄)隧道開挖情況，從三維宏觀把控大的地質構造、二維微觀深度學習兩方面提高圖像識別的準確率，如圖1所示。其次，結合巖體質量指標RQD概念判識巖體完整程度，結合其他指標進行圍巖分級。最后，流程化、程序化掌子面地質工作，并研發(fā)了隧道掌子面地質信息系統(tǒng)TK-FGIS及掌子面地質素描工裝設備CameraPad，實現(xiàn)自動三維地質重構、自動結構面參數(shù)提取、自動圍巖分級、自動報表及三維成果展示等功能，如圖2所示。

圖1 圖像識別效果(隧道掌子面)

圖2 沿里程方向隧道地質切片3D實景再造

經(jīng)現(xiàn)場工程應用，該系統(tǒng)可普遍應用于隧道勘察，應用效果如下。

(1)完成隧道掌子面地質自動素描、自動圍巖分級、自動報表，大大降低了隧道地質專業(yè)工程師的勞動強度，提高了生產(chǎn)效率，解決了人工素描工作流于形式的問題。

(2)通過網(wǎng)絡平臺或手機程序，實時推送隧道掌子面地質信息，讓參建各方實時掌控隧道地質信息。

(3)隧道掌子面地質信息實時共享，便于及時、有效地調整施工工藝(支護參數(shù)、工法等)以適應地層變化，實現(xiàn)了隧道掌子面異常信息實時預警與處置等。

2 智能設計

由于八達嶺長城站地理位置特殊、社會影響廣泛，車站主體為地下雙層、立體交錯、多洞分離式群洞，其修建具有周邊環(huán)境敏感性強、客流及交通組織復雜、洞群設計及施工難度大等難點。八達嶺長城站車站設計響應智能京張理念，開展站房智能建筑設計、站房土建裝修一體化設計，并加強防災救援設計，為地下車站突發(fā)情況提供安全保障。

2.1 隧道橫斷面智能設計

山嶺鐵路隧道橫斷面設計主要包括隧道襯砌設計圖、配筋設計圖、鋼架設計圖等，主要由AutoCAD輔助繪制完成。這些圖在不同圍巖級別的形式基本相同，只是參數(shù)有一定差別，整個繪圖過程模式基本固定，適合程序化。為此對AuotCAD進行二次開發(fā)，研發(fā)山嶺鐵路隧道橫斷面輔助設計軟件，將隧道結構內輪廓圖、襯砌設計圖、配筋設計圖、鋼架設計圖等參數(shù)化，實現(xiàn)山嶺鐵路隧道橫斷面的智能設計，如圖3所示。

圖3 軟件主菜單功能說明

山嶺鐵路隧道橫斷面輔助設計軟件結合隧道專業(yè)設計理論，將隧道橫斷面歸結為雙線復合襯砌、雙線偏壓、雙線單壓、單線復合襯砌、單線偏壓、單線單壓共6種形式，將參數(shù)劃分為繪圖位置、內輪廓、外輪廓、鋼筋、開挖輪廓、鋼架表格共6類。根據(jù)設置好的參數(shù)，只需點擊菜單，軟件便可完成相應功能，全自動繪制所需圖形和自動生成工程量統(tǒng)計表，生成圖表過程無需人工干預，提高軟件的易用性和快捷性。

2.2 基于BIM的智能設計

八達嶺長城站洞室數(shù)量多，洞形復雜，為了準確表達設計施工中的三維空間信息，八達嶺長城站應用BIM技術，從勘察設計、施工到運維，實現(xiàn)全生命周期的數(shù)字化智能化管理。車站BIM模型搭建了多專業(yè)協(xié)作的統(tǒng)一平臺(圖4)，使建筑、結構、暖通、給排水等各專業(yè)基于同一個模型進行工作，實現(xiàn)了真正意義上的三維集成協(xié)同設計，直觀呈現(xiàn)各專業(yè)的沖突。同時，BIM模型優(yōu)化施工組織設計，實現(xiàn)了項目標準化的管理，三維可視化、構件化的設計，三維數(shù)字化模擬施工，為勘察—設計—施工—運營—管理提供了可視化、智能化的統(tǒng)一管理平臺。

圖4 八達嶺長城站整體BIM模型

2.3 智能防災救援系統(tǒng)

八達嶺長城站軌面埋深達102 m，旅游高峰時期，大客流集中于深埋地下車站中，一旦發(fā)生火災，需確保旅客能夠快速疏散，同時救援車輛能夠及時到達。車站首次采用疊層通道設計，實現(xiàn)進出站客流均勻無交叉，設置了立體環(huán)形的疏散救援廊道(圖5)，提供了緊急情況下快速無死角救援的條件。施工期間疏散救援廊道作為施工斜井，提供了全方位多通道的施工作業(yè)面，實現(xiàn)了安全快速施工。

八達嶺長城站利用BIM、3D GIS、互聯(lián)網(wǎng)+等技術建立了三維可視化防災救援智能指揮系統(tǒng)(圖6)，實現(xiàn)了智能化的煙氣控制、疏散指揮、應急聯(lián)動預案提供等目標。防災救援智能指揮系統(tǒng)可實時監(jiān)測、采集、匯總地下站、隧道各類監(jiān)測設備的監(jiān)測信息，實現(xiàn)對機電設備、客流監(jiān)測信息分布獲取、集中管理、綜合運用，全面掌握災害狀態(tài)。同時，該系統(tǒng)實現(xiàn)了及時準確的三維可視化災害報警和預警功能，并將預警信息送至路局救援指揮中心，是現(xiàn)代化高鐵運營管理中不可缺少的重要技術保障。

圖5 環(huán)形快速救援系統(tǒng)

圖6 防災救援智能指揮系統(tǒng)

3 智能施工

隧道大型機械化施工是國際地下工程發(fā)展的方向，也是鐵路建設保證安全、質量，控制運營安全風險的有效手段。八達嶺長城站采用大型機械智能化施工，研發(fā)智能化開挖及支護機械設備，包括隧道智能模板臺車、襯砌智能養(yǎng)護臺車等，開挖迅速、支護及時，從而充分發(fā)揮圍巖的自承能力；同時，車站基于BIM模型，通過人員-車輛-設備的實時定位系統(tǒng)，建立高效的運輸管理體系，實現(xiàn)復雜地下車站人流-物流的高效協(xié)調和智能施工組織。

3.1 智能模板臺車

八達嶺長城站兩端設置大跨過渡段，大跨過渡段總長度336 m，最大斷面(寬32.7 m)通過5次漸變至最小斷面(寬19.0 m)，普通的襯砌臺車通過加寬、加高門架橫梁和增加頂模板實現(xiàn)臺車的斷面增大[12-14]，并不適用于八達嶺長城站大跨過渡段，因此研發(fā)了臺車骨架立柱設計為橫向可移動結構的智能模板臺車。

智能模板臺車的設計選擇增加門架立柱、加寬門架橫梁、補充支撐結構、增加頂模板共同作用的方式實現(xiàn)臺車斷面的調節(jié)，如圖7所示。臺車骨架立柱設計為橫向可移動結構，通過橫移油缸使其間距實現(xiàn)變化，模板設計為多段式，通過各自模板對應的調節(jié)機構調整至理論設計輪廓線，變斷面時增加或減少預先設計的拱頂調節(jié)模，以完成變斷面隧道可調式襯砌臺車設計。

圖7 智能模板臺車橫斷面結構示意(單位：mm)

3.2 智能養(yǎng)護臺車

在國內鐵路隧道施工中，襯砌施工后一般采用自然養(yǎng)護，個別項目采用簡單的噴水養(yǎng)護，這些養(yǎng)護方法受外界環(huán)境以及人為因素影響較大，難以保證襯砌的養(yǎng)護質量[14-16]。研究團隊研發(fā)出一種用于隧道襯砌養(yǎng)護的專用機械設備，屬于國內首創(chuàng)。隧道襯砌智能養(yǎng)護臺車設備包含2組臺車，施工時緊跟襯砌澆筑模板臺車，前端第一臺具備加升溫、保溫、保濕功能，第二臺具備保溫、加濕功能，如圖8所示。智能養(yǎng)護臺車主要由門架形式結構、霧化系統(tǒng)、電加熱系統(tǒng)、氣囊密封系統(tǒng)、智能溫濕度控制系統(tǒng)等組成。襯砌臺車脫模行走后，智能養(yǎng)護臺車同軌行走就位，密封氣囊隔絕封閉，根據(jù)實時測量的混凝土芯部溫度及變化趨勢設定好加熱系統(tǒng)的溫度及時間，保證對襯砌混凝土芯部與外表的溫差進行彌補；同時，根據(jù)養(yǎng)護傳感器監(jiān)控養(yǎng)護濕度是否超設定值，加濕系統(tǒng)對混凝土表面進行實時補濕。

圖8 智能養(yǎng)護臺車

智能養(yǎng)護臺車彌補了以往養(yǎng)護臺車的不足，可以進行養(yǎng)護溫度曲線設定，自動控制養(yǎng)護溫度，襯砌養(yǎng)護臺車自動化程度高，減少人工操作的難度，提高了二襯養(yǎng)護技術的機械化和自動化，提高了襯砌混凝土的施工質量。隧道襯砌智能養(yǎng)護臺車的推廣應用，將終結長期以來國內隧道襯砌養(yǎng)護不規(guī)范的歷史，大大提高隧道襯砌混凝土的質量。

3.3 人機定位管理系統(tǒng)

隧道施工人員及設備位置監(jiān)測安全管理系統(tǒng)(簡稱人機定位管理系統(tǒng))是在第二代無線射頻(RFID)識別技術平臺基礎上，結合先進的通信、計算機及網(wǎng)絡技術成功研發(fā)的綜合管理平臺，采用了目前國際上先進的0.18 μm微波芯片技術。人車定位系統(tǒng)集隧道施工人員考勤、區(qū)域定位、安全預警、災后急救、車輛管理和交通疏解、日常管理等功能于一體(圖9)，是國內技術領先、運行穩(wěn)定、設計專業(yè)化的隧道施工、監(jiān)測系統(tǒng)。

圖9 智能化定位和施工組織管理平臺

人車定位管理系統(tǒng)使管理人員能夠隨時掌握施工現(xiàn)場人員、設備的分布狀況和每個人員和設備的運動軌跡，便于進行更加合理的調度管理；隨時獲取各種施工車輛位置和運行情況，動態(tài)進行交通運輸管理和指揮，減少堵車、保障車輛運輸安全。當事故發(fā)生時，救援人員也可根據(jù)隧道施工人員及設備位置監(jiān)測安全管理系統(tǒng)所提供的數(shù)據(jù)、圖形，迅速了解有關人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。

4 智能監(jiān)測

超大跨隧道結構安全智能監(jiān)測系統(tǒng)率先在八達嶺地下車站的建設中成功應用，該智能監(jiān)測系統(tǒng)可以在隧道施工和運營期對圍巖和支護結構的力學狀態(tài)進行全壽命周期的實時監(jiān)測，通過無線傳輸技術，將傳感器采集的數(shù)據(jù)傳遞到服務器終端進行分析和處理，實現(xiàn)監(jiān)測結果的實時反饋和潛在安全風險的實時預警，為施工期和運營期的隧道安全提供了保障。

4.1 智能監(jiān)測系統(tǒng)的功能

隧道結構安全智能監(jiān)測系統(tǒng)對錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼架、二次襯砌以及圍巖進行應力和變形監(jiān)測，對地下車站、隧道圍巖及結構的各類傳感器數(shù)據(jù)進行遠程采集，并以各類圖形化展示和顯示，對各類傳感器數(shù)據(jù)進行分析、評估，進行實時監(jiān)測實時評價，當監(jiān)測到地下車站、隧道結構發(fā)生異常時，及時給出預警，如圖10所示。

圖10 監(jiān)測系統(tǒng)功能框圖

4.2 智能監(jiān)測系統(tǒng)技術構架

圍巖及結構智能監(jiān)測由單一的洞周收斂監(jiān)測擴展為多角度的圍巖及結構的變形及受力監(jiān)測，做到了數(shù)據(jù)及時采集、分析、反饋、預警。智能監(jiān)測系統(tǒng)為多層架構體系，分為用戶界面、處理核心、數(shù)據(jù)結構底層、數(shù)據(jù)處理層、數(shù)據(jù)庫層，共由數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)管理模塊、曲線繪制模塊、結構安全性評價模塊、設備管理模塊和用戶管理模塊六大模塊構成，如圖11所示。

圖11 隧道圍巖智能監(jiān)測技術架構

5 結論

隨著機械化、信息化的深度融合，在將互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能技術與智能工程機械裝備結合的基礎上，八達嶺長城站構建了深埋超大跨地下車站智能建造體系，實現(xiàn)隧道智能化勘察、設計、施工、監(jiān)測，取得了以下創(chuàng)新性研究成果。

(1)研發(fā)了基于掌子面自動化素描系統(tǒng)的定量化超前地質預報技術，該技術為基于地質前饋進行動態(tài)設計變更提供詳實準確資料，真正使隧道信息化設計、施工的理念落地，實現(xiàn)了隧道智能化勘察設計。

(2)基于BIM技術的多專業(yè)協(xié)同智能化設計，實現(xiàn)了信息共享和無損傳遞，為勘查-設計-施工-運營-管理提供了可視化、智能化的統(tǒng)一管理平臺，提高了工程設計與施工的質量和效率，大幅節(jié)約項目成本，提升科學決策和管理水平。

(3)開發(fā)了山嶺鐵路隧道橫斷面輔助設計軟件，使整個繪圖過程程序化、智能化，并首次采用疊層通道設計實現(xiàn)進出站客流均勻無交叉，利用BIM、3D GIS、互聯(lián)網(wǎng)+等技術建立了三維可視化防災救援智能指揮系統(tǒng)，設置了立體環(huán)形的疏散救援廊道，提供了緊急情況下快速無死角救援的條件。

(4)研發(fā)了智能模板臺車與養(yǎng)護臺車，并基于BIM模型構建人員-車輛-設備的實時人機定位管理系統(tǒng)，建立高效的運輸管理體系，車站實現(xiàn)復雜地下車站人流-物流的高效協(xié)調和智能施工組織。

(5)構建了圍巖及結構的智能監(jiān)測系統(tǒng)，確保了復雜圍巖條件下長、大隧道及隧道群的施工期和運營期安全，并將準確性、實時性和預警性與隧道施工、運營維護相結合，實現(xiàn)了隧道施工的動態(tài)設計，降低了施工風險，并為隧道安全運營提供支撐。