韓自力

（中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081）

截至2019年底，我國已經(jīng)投入運(yùn)營的高速鐵路有77條，總長2.5萬km；共建成高速鐵路隧道2 915座，總長4 623 km，其中長度大于10 km的特長隧道61座，總長約813 km［1］。隨著高速鐵路隧道的建設(shè)，我國隧道建造理念、勘察技術(shù)、設(shè)計技術(shù)、施工設(shè)備及施工管理水平有了長足的進(jìn)步，同時機(jī)械化裝備制造技術(shù)與物聯(lián)網(wǎng)、云計算及大數(shù)據(jù)等信息處理技術(shù)亦快速發(fā)展。在隧道工程智能建造方面，研發(fā)了可實現(xiàn)G1S技術(shù)集成于三維模型、數(shù)據(jù)處理的綜合監(jiān)控平臺，隧道工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)健康監(jiān)測系統(tǒng)，基于BIM的虛擬、動態(tài)設(shè)計系統(tǒng)和基于專家系統(tǒng)的隧道設(shè)計參數(shù)智能化選擇系統(tǒng)。鉆孔攝像技術(shù)、高光譜成像技術(shù)、三維數(shù)碼攝像、激光掃描技術(shù)、隨鉆測量技術(shù)［2-5］已經(jīng)得到應(yīng)用。涵蓋初期支護(hù)、二次襯砌施工及運(yùn)營的隧道質(zhì)量智能化管控及檢測技術(shù)，針對應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測和水壓力監(jiān)測的隧道襯砌結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測系統(tǒng)［6-7］及基于建筑信息建模（BIM）的隧道智能化建造協(xié)同管理平臺等也得到了發(fā)展［8］。

政策與需求引領(lǐng)智能建造技術(shù)在鐵路工程行業(yè)的應(yīng)用。為實現(xiàn)制造強(qiáng)國戰(zhàn)略目標(biāo)，2015年國家提出了第一個十年行動綱領(lǐng)“中國制造2025”。2016年7月，國務(wù)院重新修編了《中長期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》，規(guī)劃2020年鐵路網(wǎng)規(guī)模將達(dá)到15萬km，標(biāo)志著我國鐵路建設(shè)進(jìn)入新時期。與此同時，2018年1月，中國鐵路總公司提出鐵路應(yīng)率先實現(xiàn)現(xiàn)代化及2020，2025，2035年的奮斗目標(biāo)。

智能鐵路是現(xiàn)代新技術(shù)在鐵路領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，是鐵路運(yùn)輸發(fā)展的必然方向［9］。隧道智能建造作為智能鐵路有機(jī)組成部分，代表了未來隧道修建技術(shù)的發(fā)展方向。隧道智能建造是在智能系統(tǒng)頂層設(shè)計基礎(chǔ)上的單一專業(yè)延伸實踐［10］，也是工程建造領(lǐng)域的發(fā)展方向，是新形勢下鐵路工程建設(shè)發(fā)展的必然趨勢［11］。如何適應(yīng)新形勢下鐵路隧道建設(shè)需求，將智能建造技術(shù)應(yīng)用于鐵路隧道建設(shè)，從技術(shù)應(yīng)用層面和管理層面推進(jìn)其與鐵路建設(shè)的融合，利用智能建造技術(shù)這一重要工具促進(jìn)隧道工程項目的一體化管理、提升隧道工程品質(zhì)，已成為隧道工程建設(shè)領(lǐng)域的重要課題。

本文在總結(jié)近年來高速鐵路隧道智能建造典型工程實踐基礎(chǔ)上，闡述高速鐵路隧道智能建造的概念與關(guān)鍵技術(shù)，著重闡述基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)、隧道可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)及高速鐵路隧道智能建造協(xié)同管控信息化平臺解決方案，并分析高速鐵路隧道智能建造發(fā)展趨勢。

1 高速鐵路隧道智能建造典型實踐及概念與關(guān)鍵技術(shù)

中國鐵路隧道建造始于1888年獅球嶺隧道（全長261 m），130余年來，中國鐵路隧道先后經(jīng)歷了技術(shù)起步、初步發(fā)展、快速發(fā)展和引領(lǐng)世界4個階段，不斷刷新世界隧道建造紀(jì)錄，成為“中國建造”的亮麗名片，我國已成為名副其實的隧道建設(shè)大國。近年來在高速鐵路隧道建設(shè)領(lǐng)域，以京張、鄭萬、京雄等線路隧道工程為代表的多座隧道實現(xiàn)了“智能建造”理念在鐵路隧道工程領(lǐng)域的綜合應(yīng)用。

開挖工法的選擇直接決定了建造全過程中智能建造技術(shù)的不同，由于隧道鉆爆法施工在地質(zhì)適應(yīng)性、斷面適應(yīng)性、短距離施工、設(shè)備購置成本等方面優(yōu)于掘進(jìn)機(jī)法施工，鐵路隧道仍將多數(shù)采用鉆爆法施工建造。

20世紀(jì)80年代以來，帶有液壓機(jī)械臂的鑿巖鉆機(jī)在隧道內(nèi)開始應(yīng)用，標(biāo)志著我國隧道機(jī)械化施工的開端。其中，以衡廣復(fù)線大瑤山隧道作為我國隧道機(jī)械化施工推廣的起點(diǎn)，隨后在大秦、南昆、滬昆、京九、西康、成蘭等線路鐵路建設(shè)中逐步完善，形成了多種機(jī)械化施工成套技術(shù)和設(shè)備配套模式。近年來，京張高速鐵路和鄭萬高速鐵路典型隧道修建過程中，已經(jīng)掌握了全斷面、臺階法開挖方式下硬巖、軟巖在超前鉆探、開挖作業(yè)、支護(hù)作業(yè)、仰拱作業(yè)、防（排）水板作業(yè)、二次襯砌作業(yè)及水溝電纜槽七條作業(yè)生產(chǎn)線智能化裝備的配套應(yīng)用［12-15］，見表1。當(dāng)前機(jī)械化應(yīng)用水平規(guī)模由小到大、試用范圍由窄到寬、信息化水平由低到高、支護(hù)結(jié)構(gòu)適應(yīng)性由差變強(qiáng)，在智能化裝備合理配套、性能匹配、均衡生產(chǎn)、造價核算等方面積累了豐富的經(jīng)驗。圖1、圖2所示裝備布置上具備一定的推廣價值。在此基礎(chǔ)上，逐漸形成了以數(shù)字化資源為核心和基礎(chǔ)，以智能化裝備為工具，以網(wǎng)絡(luò)化信息傳輸、信息化經(jīng)營管理為抓手，以現(xiàn)代化監(jiān)控量測為輔助，以實現(xiàn)建造運(yùn)維全過程的信息化、自動化、無人化或少人化的高速鐵路隧道智能建造理念。

表1 智能化裝備成套配置（單作業(yè)面）

圖1 懸臂掘進(jìn)機(jī)法機(jī)械化配套施工示意

圖2 三臂鑿巖臺車法機(jī)械化配套施工示意

中國工程院在“智能高鐵戰(zhàn)略研究（2035）”項目研究中圍繞國家高速鐵路智能化發(fā)展的重大戰(zhàn)略需求，構(gòu)建了智能高速鐵路體系架構(gòu)，提出了智能高速鐵路技術(shù)平臺和關(guān)鍵技術(shù)，制定了智能高速鐵路標(biāo)準(zhǔn)體系和評價體系，規(guī)劃了智能高速鐵路發(fā)展路線圖及相關(guān)政策建議［16］。該項目研究提出了隧道智能建造概念，即基于信息化技術(shù)，通過對“地-隧-機(jī)-信-人”及內(nèi)外部環(huán)境的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學(xué)習(xí)和科學(xué)決策，高效綜合利用鐵路隧道的移動、固定、空間、時間和人力資源，實現(xiàn)隧道建設(shè)、運(yùn)維全生命周期的高度信息化、自動化、智能化，打造更安全可靠、經(jīng)濟(jì)高效的新一代隧道建造技術(shù)體系，并闡述了智能建造在勘察設(shè)計、工程施工和建設(shè)管理方面的技術(shù)路線，明確了BIM與物聯(lián)網(wǎng)結(jié)合、檢測監(jiān)測數(shù)據(jù)自動傳輸及融合設(shè)計、施工、物資、質(zhì)量評價等于一體的協(xié)同管控平臺3個方面的關(guān)鍵技術(shù)。

高速鐵路隧道智能建造同樣遵循“從實踐中來，到實踐中去的”的馬克思主義實踐與認(rèn)識的辯證關(guān)系。立足國情、路情，根據(jù)當(dāng)前裝備與信息化技術(shù)發(fā)展，并總結(jié)典型高速鐵路隧道建設(shè)經(jīng)驗，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司提出了基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)、隧道可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)及高速鐵路隧道智能建造協(xié)同管控信息化平臺解決方案，相關(guān)技術(shù)在京張高速鐵路清華園隧道與八達(dá)嶺隧道、浩吉鐵路中條山隧道（重載鐵路隧道）進(jìn)行了應(yīng)用，為智能建造技術(shù)在此類鐵路隧道工程中的深化應(yīng)用提供參考。

2 基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

2.1 需求分析

當(dāng)前既有鐵路隧道建設(shè)管理系統(tǒng)主要面向施工單位，主要包括進(jìn)度管理、合同管理、物資管理、材料管理、成本管理、拌和站管理和試驗室管理等模塊。多年來既有管理系統(tǒng)在隧道工程的建設(shè)中起到了相當(dāng)重要的積極作用，同時多年來的實踐也發(fā)現(xiàn)既有系統(tǒng)存在以下問題：

1）進(jìn)度管理方面，進(jìn)度計劃靈活性不足，協(xié)調(diào)、監(jiān)管難。

2）施工組織設(shè)計方面，編制工作繁重，信息內(nèi)容重復(fù)率高，方案編制受人員影響較大，部分方案編制與實施分離。

3）施工質(zhì)量管理方面，預(yù)埋預(yù)留問題多，各類隧道襯砌結(jié)構(gòu)病害問題及成因考慮不足，質(zhì)量問題整改不力。

4）監(jiān)控量測方面，監(jiān)測信息不直觀，監(jiān)測信息滯后，監(jiān)測斷面沒有針對性。

5）圖紙管理方面，紙質(zhì)圖紙管理復(fù)雜，圖紙解讀易出錯。

6）技術(shù)交底方面，施工復(fù)雜與工人理解力較低存在矛盾，紙質(zhì)交底效率低，相關(guān)單位參與度低。

上述問題，對隧道建設(shè)信息化技術(shù)應(yīng)用提出了現(xiàn)實需求。鑒于此，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司開發(fā)了基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)。

2.2 管理優(yōu)勢

當(dāng)前BIM技術(shù)應(yīng)用已經(jīng)從理論探討進(jìn)入實踐應(yīng)用階段，已從規(guī)劃設(shè)計階段的虛擬施工、碰撞檢測拓展至施工階段4D虛擬施工、物料跟蹤、施工現(xiàn)場配合等。概括起來，基于BIM的鐵路隧道建設(shè)管理集中體現(xiàn)在6方面：①施工進(jìn)度動態(tài)管理；②質(zhì)量監(jiān)控與管理；③施工安全評估與預(yù)警管理；④可視化交底管理；⑤“三維-二維-三維”圖紙管理；⑥虛擬建造。

2.3 管理模式

鐵路隧道BIM施工安全管理模型是在鐵路隧道BIM設(shè)計模型和施工模型基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道施工前、施工中、施工后完整過程的安全管理工作而形成的流程化模型體系，如圖3所示。模型由數(shù)據(jù)層、施工模型層和應(yīng)用層3個層次組成，數(shù)據(jù)層主要由隧道的BIM設(shè)計模型、施工過程中各類監(jiān)測信息、虛擬施工模型及施工相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、施工組織設(shè)計、合約文件等構(gòu)成；施工模型層是對數(shù)據(jù)層信息數(shù)據(jù)的加工與技術(shù)處理，形成相應(yīng)的質(zhì)量管理模塊、進(jìn)度管理模塊、安全管理模塊和成本管理模塊；應(yīng)用層是進(jìn)行相應(yīng)的安全管理，包括三維圖紙資料、專項方案編制、安全措施費(fèi)用管理、應(yīng)急疏散模擬管理、安全技術(shù)交底、施工安全檢查、安全空間管理、監(jiān)控量測數(shù)據(jù)處理等工作。基于此模型，實現(xiàn)自上而下的數(shù)據(jù)調(diào)用，以及橫向各模塊、各專業(yè)間信息互通，各層次分工明確、流程清晰、信息流暢，形成完整動態(tài)的應(yīng)用閉環(huán)，對傳統(tǒng)鐵路隧道施工管理工作進(jìn)行了較大的改造和提升。

圖3 鐵路隧道BIM施工管理模型

2.4 系統(tǒng)實現(xiàn)

BIM模型最終是以多維度、多功能、多用途的模型計算機(jī)圖形的形式展現(xiàn)在顯示設(shè)備上。隧道建設(shè)工程往往體量巨大，龐大冗余的海量信息加上巨大的隧道BIM模型，即使在高配民用計算機(jī)設(shè)備上運(yùn)行起來也是捉襟見肘。為解決上述矛盾，提出將BIM模型進(jìn)行輕量化處理的解決方案。

通過從幾何轉(zhuǎn)換和渲染處理2個環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化，將復(fù)雜網(wǎng)格切分、重復(fù)網(wǎng)格合并、幾何數(shù)據(jù)壓縮，最大程度減少對計算機(jī)資源的占用，達(dá)到輕便快捷、合理易用的效果，如圖4所示。圖5為基于輕量化BIM的隧道建造期綜合信息管理系統(tǒng)架構(gòu)，融信息管理、施工進(jìn)度管理、監(jiān)控量測及風(fēng)險預(yù)警、圖紙管理、虛擬建造于一體，為隧道建設(shè)的智慧化提供助力。

圖4 BIM輕量化技術(shù)手段

在圖5的基礎(chǔ)上，可建立基于輕量化BIM設(shè)計的系統(tǒng)架構(gòu)，如圖6所示，將施工信息輸入至服務(wù)器，服務(wù)器基于SQL Sever數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)進(jìn)行大數(shù)據(jù)管理與計算，同時利用免費(fèi)開源的Web輕量級應(yīng)用服務(wù)Apache Tomcat系統(tǒng)技術(shù)將數(shù)據(jù)庫信息共享至Web網(wǎng)站系統(tǒng)及移動客戶端。

圖5 基于輕量化BIM的隧道建造期綜合信息管理系統(tǒng)架構(gòu)

圖6 基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息智慧系統(tǒng)架構(gòu)

3 隧道可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 可視化檢測監(jiān)測必要性及系統(tǒng)組成

采用新奧法修建的山嶺隧道，施工前依據(jù)計算與工程類比等綜合決定支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)，施工中根據(jù)位移等的監(jiān)控量測結(jié)果進(jìn)行動態(tài)設(shè)計修正。當(dāng)前，監(jiān)控量測數(shù)據(jù)多采用報表形式體現(xiàn)，主要存在以下弊端：①監(jiān)測里程無法與現(xiàn)場圍巖情況、施工方法、施工管理手段直觀對應(yīng)；②各監(jiān)測斷面間缺乏聯(lián)系，無法對監(jiān)測段落進(jìn)行總體把控；③監(jiān)測日報或月報存在上傳下達(dá)周期，影響管理人員根據(jù)監(jiān)測數(shù)據(jù)作出響應(yīng)的時間。

利用輕量化BIM可視化與模型信息關(guān)聯(lián)性特點(diǎn)，結(jié)合施工期間隧道監(jiān)控測量項目對地表沉降、洞周收斂、拱頂下沉點(diǎn)、混凝土應(yīng)力、鋼筋應(yīng)力、土壓力、錨桿軸力、隧道襯砌空洞、滲水狀況進(jìn)行建模，建立數(shù)據(jù)庫，將數(shù)據(jù)庫中信息匹配到輕量化BIM模型中相應(yīng)位置，可高效合理地指導(dǎo)隧道施工。如圖7所示，將隧道的輕量化BIM模型與隧道動態(tài)施工信息計算機(jī)系統(tǒng)集成，可以充分利用BIM三維可視化和信息標(biāo)準(zhǔn)化特點(diǎn)，解決了隧道施工監(jiān)測信息管理的瓶頸問題，實現(xiàn)隧道真正意義上的動態(tài)設(shè)計。此外，還可針對各工點(diǎn)隧道設(shè)計特定的監(jiān)控量測要求，并根據(jù)大數(shù)據(jù)對監(jiān)測項目的合理性給出建議。

圖7 基于輕量化BIM的隧道可視化檢測監(jiān)測系統(tǒng)組成

3.2 基于無線自組網(wǎng)與輕量化BIM融合的隧道可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)

目前國內(nèi)隧道監(jiān)控測量基本采用埋設(shè)傳感器，靠人工周期性讀取數(shù)據(jù)，手工分析判讀的方法，存在成本高、效率低、數(shù)據(jù)滯后、實時性差、數(shù)據(jù)利用率低等問題。因此，需要建立一套信息化的監(jiān)控測量系統(tǒng)，實現(xiàn)采集實時化、傳輸自主化、存儲數(shù)據(jù)化、判讀智能化的目標(biāo)。

鑒于以上，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司開發(fā)了基于無線自組網(wǎng)與輕量化BIM融合的隧道可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)，如圖8所示。本系統(tǒng)由遠(yuǎn)程智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)、中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備、無線通信專網(wǎng)、數(shù)據(jù)采集終端等幾部分組成。遠(yuǎn)程智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)部署于專用機(jī)房，基于輕量化BIM技術(shù)開發(fā)，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)匯聚、存儲、分析、智能研判、趨勢分析、信息推送等。用戶終端采用B/S架構(gòu)，通過接入服務(wù)器獲取數(shù)據(jù)展示、信息接收，實現(xiàn)對傳感器的遠(yuǎn)程控制等功能。中繼轉(zhuǎn)發(fā)設(shè)備位于隧道兩端，同時連接隧道內(nèi)無線通信專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)和外部鐵路專網(wǎng)，一方面負(fù)責(zé)將無線通信專網(wǎng)的數(shù)據(jù)上傳至鐵路專網(wǎng)服務(wù)器，另一方面將服務(wù)器的操作指令轉(zhuǎn)發(fā)至隧道內(nèi)無線通信專網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)。無線通信專網(wǎng)位于隧道內(nèi)，由基站設(shè)備、無線接入終端等幾部分組成，具備隧道內(nèi)無線組網(wǎng)、傳感器數(shù)據(jù)采集等功能?；驹O(shè)備一方面可以自動組成貫穿全隧道的干線網(wǎng)并代替光纜，另一方面還可以向下提供無線接入網(wǎng)絡(luò)，無線接入終端可以將數(shù)據(jù)采集設(shè)備采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行回傳。數(shù)據(jù)采集終端部署于各監(jiān)測斷面，通過RS232，RS485總線等與傳感器連接，定時主動或根據(jù)服務(wù)器指定命令讀取傳感器數(shù)據(jù)。傳感器數(shù)據(jù)采集模塊完成信息采集后，通過無線通信專網(wǎng)基站設(shè)備匯聚到數(shù)據(jù)中繼終端，并經(jīng)外部鐵路專網(wǎng)回傳到服務(wù)器上。

圖8 隧道可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)架構(gòu)

系統(tǒng)具備無線組網(wǎng)、高兼容性、多種采集方式、實時回傳、反向可控、數(shù)據(jù)歸一化處理與大數(shù)據(jù)應(yīng)用等特點(diǎn)或功能，體現(xiàn)系統(tǒng)通用性與擴(kuò)展性相結(jié)合、技術(shù)先進(jìn)性與任務(wù)實際需求相結(jié)合開發(fā)理念，在京張高速鐵路八達(dá)嶺隧道開展了應(yīng)用，效果良好。

4 高速鐵路隧道智能建造協(xié)同管控技術(shù)體系及平臺建設(shè)

4.1 技術(shù)體系組成及架構(gòu)

鐵路隧道智能建造是一個系統(tǒng)工程，其總體架構(gòu)由智能裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策和智能管控5個層級構(gòu)成，見圖9。其中智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策3個中間層級的運(yùn)用體現(xiàn)于第2，第3章核心技術(shù)的實現(xiàn)過程。底層智能裝備是機(jī)械化、信息化高度融合的隧道開挖裝備，圖9集中體現(xiàn)的是山嶺隧道開挖所需關(guān)鍵裝備。頂層智能管控集中體現(xiàn)智能建造的精髓與能動性、互動性，是全生命周期智能建造過程的集中展示與運(yùn)用，也是協(xié)同管控技術(shù)體系最直接的表現(xiàn)，其作為應(yīng)用于各條鐵路線路隧道工程的面向管理、設(shè)計、施工技術(shù)人員的管理平臺展現(xiàn)出來，包含機(jī)器人化施工管控、動態(tài)三維設(shè)計管控及各項業(yè)務(wù)智能化管理，其中施工是設(shè)計的延伸與體現(xiàn)，管理是施工與設(shè)計有效實施的推手，三者各自作為鐵路隧道智能建造的技術(shù)體系之一集中體現(xiàn)于智能建造的管控平臺上。

圖9 鐵路隧道智能建造總體架構(gòu)

管控平臺建設(shè)的前提是對機(jī)器人化施工管控、動態(tài)三維設(shè)計管控及各項業(yè)務(wù)智能化管理三者核心技術(shù)的程序化實現(xiàn)，施工管控體現(xiàn)于工藝工法，設(shè)計管控體現(xiàn)于智能設(shè)計，業(yè)務(wù)智能化管理直接展現(xiàn)于協(xié)同管控平臺。

工藝工法技術(shù)架構(gòu)見圖10，其落腳點(diǎn)是各類信息化高度集成的機(jī)械裝備智能化施工，涵蓋常規(guī)的山嶺隧道施工、隧道掘進(jìn)機(jī)施工和預(yù)制裝配式施工。每一類施工工法都涵蓋檢測監(jiān)測，基于物聯(lián)網(wǎng)與各類智能傳感器，最終可實現(xiàn)第3節(jié)所述可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)，該系統(tǒng)作為協(xié)同管理平臺的分項顯示于程序界面上。

圖10 鐵路隧道智能建造工藝工法技術(shù)架構(gòu)

鐵路隧道智能設(shè)計方法技術(shù)架構(gòu)見圖11。隧道的智能設(shè)計是實現(xiàn)數(shù)字隧道和智慧隧道的基礎(chǔ)，智能設(shè)計的關(guān)鍵在于設(shè)計參數(shù)的智能化選擇與修正。借助于BIM等信息化技術(shù)，可實現(xiàn)隧道的三維數(shù)字化建模與數(shù)據(jù)建檔，實現(xiàn)隧道各項數(shù)據(jù)的數(shù)字化存儲，依托物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，結(jié)合安全風(fēng)險感知和預(yù)警技術(shù)，實現(xiàn)隧道與外部的信息互聯(lián)，建立智慧隧道信息和數(shù)據(jù)流傳輸通道，最終建立基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)，該系統(tǒng)同樣作為協(xié)同管理平臺的分項顯示于程序界面上。

鐵路隧道智能建造協(xié)同管理技術(shù)架構(gòu)見圖12。協(xié)同體現(xiàn)在多類型參建單位的標(biāo)準(zhǔn)化、一體化管理，是創(chuàng)新性管理模式的主體，融合多種信息化系統(tǒng)的集中管控是智能決策和智能管控的外在表現(xiàn)，考慮全生命周期的各類成本控制技術(shù)是隧道工程建設(shè)經(jīng)濟(jì)性的有效保障。

圖11 鐵路隧道智能設(shè)計方法技術(shù)架構(gòu)

圖12 鐵路隧道智能建造協(xié)同管理技術(shù)架構(gòu)

4.2 信息化協(xié)同管理平臺建設(shè)

從隧道工程建造全過程實際需求角度出發(fā)，統(tǒng)一接口、標(biāo)準(zhǔn)，中國鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司提出了高速鐵路隧道智能建造信息化協(xié)同管理平臺架構(gòu)，見圖13。

1）主要功能

①平臺對隧道設(shè)計、施工全過程運(yùn)行設(shè)施和單元進(jìn)行精細(xì)化綜合管理，根據(jù)需要通過互聯(lián)網(wǎng)瀏覽器，全天候?qū)崟r三維可視化展現(xiàn)設(shè)備及單元運(yùn)行狀態(tài)。

②通過傳感器實現(xiàn)隧道建設(shè)過程數(shù)據(jù)的全樣本采集，實現(xiàn)隧道建設(shè)過程數(shù)據(jù)的自動存儲、梳理、分析、判斷、歸集處理、定向目標(biāo)推送、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)、展現(xiàn)、形成報表等。

圖13 高速鐵路隧道智能建造信息化協(xié)同管理平臺架構(gòu)圖

③融合輕量化BIM系統(tǒng)、可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)、建設(shè)單位既有管理系統(tǒng)、國鐵集團(tuán)工程建設(shè)管理平臺，實時掌握項目現(xiàn)場的“項、機(jī)、人、物、環(huán)”各環(huán)節(jié)中的項目情況、設(shè)備情況、人員情況，物資情況、環(huán)境情況。

2）軟件實現(xiàn)

①將隧道建設(shè)設(shè)施及單元的運(yùn)行數(shù)據(jù)、環(huán)境狀態(tài)參數(shù)等通過相應(yīng)的傳感器組網(wǎng)，實時在線與離線人工有效填報相結(jié)合，實現(xiàn)隧道建設(shè)過程運(yùn)行數(shù)據(jù)采集。

②通過輕量化BIM信息化智慧系統(tǒng)，可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)在互聯(lián)網(wǎng)上通過瀏覽器（B/S）實現(xiàn)隧道建設(shè)過程實時場景與運(yùn)行設(shè)備及設(shè)備之間的連接等三維動態(tài)可視化。

③若建設(shè)單位已經(jīng)具備諸如“施工管理系統(tǒng)”“混凝土拌和站質(zhì)量管理系統(tǒng)”“質(zhì)量信譽(yù)評價系統(tǒng)”等，在統(tǒng)一數(shù)據(jù)類型基礎(chǔ)上，將此類系統(tǒng)與輕量化BIM信息化智慧系統(tǒng)和可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)并列設(shè)置，按照模塊化獨(dú)立功能單元形式在顯示界面上橫向排列出來，選定某一模塊后，界面左邊將豎向分層級列出該模塊的所屬功能子模塊，并可任意選擇調(diào)用。

④平臺搭建完成后，按照國鐵集團(tuán)信息化系統(tǒng)管理各類文件進(jìn)行試用、驗證、評審。

5 高速鐵路隧道智能建造技術(shù)發(fā)展趨勢

總體來說，智能建造在高速鐵路隧道領(lǐng)域的應(yīng)用尚處于快速發(fā)展階段，如何利用先進(jìn)的信息技術(shù)及工業(yè)裝備制造資源，建立完善智能建造技術(shù)體系是當(dāng)前面臨的核心難題，也是本領(lǐng)域研究發(fā)展的趨勢?？筛爬橐韵?點(diǎn)：

1）完善高速鐵路隧道智能建造理論創(chuàng)新。綜合物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、BIM、GIM等技術(shù)，立足機(jī)械化與信息化深度融合，基于運(yùn)籌學(xué)、管理學(xué)、工程經(jīng)濟(jì)學(xué)與系統(tǒng)工程理論，構(gòu)建適用于我國國情的高速鐵路隧道智能建造頂層設(shè)計體系及功能架構(gòu)，引入工程控制論的基本思想，提出適用于高速鐵路隧道建造全生命周期的機(jī)械行為方式、電子遠(yuǎn)程傳輸、信息整合融合、材料適配優(yōu)選、工程經(jīng)濟(jì)優(yōu)化等方面的理論體系。

2）推廣預(yù)制裝配式新型支護(hù)結(jié)構(gòu)體系及營造方式。裝配式結(jié)構(gòu)標(biāo)準(zhǔn)化、定制化、批量化等特點(diǎn)可更有效地串聯(lián)溝通制造單位、建設(shè)單位、設(shè)計單位、施工單位和后期運(yùn)營維護(hù)單位，相較于傳統(tǒng)隧道建造工法，其在信息化、機(jī)械化等方面的應(yīng)用具有天然優(yōu)勢。新建京張鐵路清華園隧道及新建鄭萬鐵路羅家山隧道橫洞都采用了預(yù)制裝配式軌下拼裝結(jié)構(gòu)，在結(jié)構(gòu)構(gòu)件材質(zhì)、規(guī)格形式、連接方式與接口設(shè)計參數(shù)等方面進(jìn)行了探索與實踐，已經(jīng)證明了該類結(jié)構(gòu)可有效降低工程造價、提升生產(chǎn)效率和施工安全。在充分考慮項目研究適用性和前瞻性的基礎(chǔ)上，推廣應(yīng)用全斷面預(yù)制裝配式隧道新型建造技術(shù)可加快既有科研成果付諸實踐，串聯(lián)貫通科研、設(shè)計、施工、建設(shè)管理等單位，促進(jìn)研究成果驗證并轉(zhuǎn)化、落地、推廣。

3）加快多功能智能化隧道開挖支護(hù)大機(jī)裝備研發(fā)。我國目前隧道工程機(jī)械基本依靠國外進(jìn)口，且主要被德國、芬蘭、瑞典等國家企業(yè)所壟斷，建設(shè)成本與技術(shù)受限阻礙了鐵路隧道工程產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整及建造技術(shù)升級。高技術(shù)、高附加值的隧道智能建造裝備研發(fā)關(guān)聯(lián)到材料、電子、信息、機(jī)械等工業(yè)方向，盡快開展系列鐵路隧道智能建造單工序機(jī)器人化裝備與多功能集成化隧道施工大機(jī)裝備研發(fā)，不但可以提升我國隧道工程裝備技術(shù)水平，同時對于提升我國鐵道行業(yè)整體競爭能力，維護(hù)國家經(jīng)濟(jì)安全和戰(zhàn)略利益具有重要的意義。

4）啟動高速鐵路隧道智能建造施工、驗收、工程造價方面技術(shù)立法?；谥悄芙ㄔ煅b備，編制涵蓋超前支護(hù)施工、鉆爆開挖施工、初期支護(hù)施工、防（排）水板施工、二次襯砌施工、溝槽施工等各階段的標(biāo)準(zhǔn)機(jī)械化施工流程與工藝，通過現(xiàn)場應(yīng)用推廣進(jìn)一步形成建造工法。在此基礎(chǔ)上制定修訂驗收與物資驗收方面核算規(guī)程，完備標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范體系。

6 結(jié)束語

在當(dāng)前世界制造業(yè)加速向我國轉(zhuǎn)移的過程中，通過發(fā)展隧道智能建造技術(shù)來提升我國鐵道行業(yè)整體競爭能力，對實現(xiàn)“中國制造2025”和中國鐵路“走出去”的戰(zhàn)略布局具有極其重要的意義。本文在闡述高速鐵路隧道智能建造典型實踐及概念和關(guān)鍵技術(shù)的基礎(chǔ)上，詳細(xì)論述了關(guān)鍵核心技術(shù)所包括的基于輕量化BIM的隧道建設(shè)信息化智慧系統(tǒng)、隧道可視化智能檢測監(jiān)測系統(tǒng)這2個子系統(tǒng)與隧道智能建造協(xié)同管控平臺的實現(xiàn)方法，進(jìn)一步分析了高速鐵路隧道智能建造技術(shù)發(fā)展趨勢，為高速鐵路隧道及相關(guān)工程領(lǐng)域的智能化方向研究應(yīng)用提供一定的參考。