高速铁路隧道智能建造关键技术与发展趋势

韩自力

（中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081）

截至2019年底，我国已经投入运营的高速铁路有77条，总长2.5万km；共建成高速铁路隧道2 915座，总长4 623 km，其中长度大于10 km的特长隧道61座，总长约813 km［1］。随着高速铁路隧道的建设，我国隧道建造理念、勘察技术、设计技术、施工设备及施工管理水平有了长足的进步，同时机械化装备制造技术与物联网、云计算及大数据等信息处理技术亦快速发展。在隧道工程智能建造方面，研发了可实现G1S技术集成于三维模型、数据处理的综合监控平台，隧道工程结构状态健康监测系统，基于BIM的虚拟、动态设计系统和基于专家系统的隧道设计参数智能化选择系统。钻孔摄像技术、高光谱成像技术、三维数码摄像、激光扫描技术、随钻测量技术［2-5］已经得到应用。涵盖初期支护、二次衬砌施工及运营的隧道质量智能化管控及检测技术，针对应力应变监测和水压力监测的隧道衬砌结构智能化监测系统［6-7］及基于建筑信息建模（BIM）的隧道智能化建造协同管理平台等也得到了发展［8］。

政策与需求引领智能建造技术在铁路工程行业的应用。为实现制造强国战略目标，2015年国家提出了第一个十年行动纲领“中国制造2025”。2016年7月，国务院重新修编了《中长期铁路网规划》，规划2020年铁路网规模将达到15万km，标志着我国铁路建设进入新时期。与此同时，2018年1月，中国铁路总公司提出铁路应率先实现现代化及2020，2025，2035年的奋斗目标。

智能铁路是现代新技术在铁路领域的综合应用，是铁路运输发展的必然方向［9］。隧道智能建造作为智能铁路有机组成部分，代表了未来隧道修建技术的发展方向。隧道智能建造是在智能系统顶层设计基础上的单一专业延伸实践［10］，也是工程建造领域的发展方向，是新形势下铁路工程建设发展的必然趋势［11］。如何适应新形势下铁路隧道建设需求，将智能建造技术应用于铁路隧道建设，从技术应用层面和管理层面推进其与铁路建设的融合，利用智能建造技术这一重要工具促进隧道工程项目的一体化管理、提升隧道工程品质，已成为隧道工程建设领域的重要课题。

本文在总结近年来高速铁路隧道智能建造典型工程实践基础上，阐述高速铁路隧道智能建造的概念与关键技术，着重阐述基于轻量化BIM的隧道建设信息化智慧系统、隧道可视化智能检测监测系统及高速铁路隧道智能建造协同管控信息化平台解决方案，并分析高速铁路隧道智能建造发展趋势。

1 高速铁路隧道智能建造典型实践及概念与关键技术

中国铁路隧道建造始于1888年狮球岭隧道（全长261 m），130余年来，中国铁路隧道先后经历了技术起步、初步发展、快速发展和引领世界4个阶段，不断刷新世界隧道建造纪录，成为“中国建造”的亮丽名片，我国已成为名副其实的隧道建设大国。近年来在高速铁路隧道建设领域，以京张、郑万、京雄等线路隧道工程为代表的多座隧道实现了“智能建造”理念在铁路隧道工程领域的综合应用。

开挖工法的选择直接决定了建造全过程中智能建造技术的不同，由于隧道钻爆法施工在地质适应性、断面适应性、短距离施工、设备购置成本等方面优于掘进机法施工，铁路隧道仍将多数采用钻爆法施工建造。

20世纪80年代以来，带有液压机械臂的凿岩钻机在隧道内开始应用，标志着我国隧道机械化施工的开端。其中，以衡广复线大瑶山隧道作为我国隧道机械化施工推广的起点，随后在大秦、南昆、沪昆、京九、西康、成兰等线路铁路建设中逐步完善，形成了多种机械化施工成套技术和设备配套模式。近年来，京张高速铁路和郑万高速铁路典型隧道修建过程中，已经掌握了全断面、台阶法开挖方式下硬岩、软岩在超前钻探、开挖作业、支护作业、仰拱作业、防（排）水板作业、二次衬砌作业及水沟电缆槽七条作业生产线智能化装备的配套应用［12-15］，见表1。当前机械化应用水平规模由小到大、试用范围由窄到宽、信息化水平由低到高、支护结构适应性由差变强，在智能化装备合理配套、性能匹配、均衡生产、造价核算等方面积累了丰富的经验。图1、图2所示装备布置上具备一定的推广价值。在此基础上，逐渐形成了以数字化资源为核心和基础，以智能化装备为工具，以网络化信息传输、信息化经营管理为抓手，以现代化监控量测为辅助，以实现建造运维全过程的信息化、自动化、无人化或少人化的高速铁路隧道智能建造理念。

表1 智能化装备成套配置（单作业面）

图1 悬臂掘进机法机械化配套施工示意

图2 三臂凿岩台车法机械化配套施工示意

中国工程院在“智能高铁战略研究（2035）”项目研究中围绕国家高速铁路智能化发展的重大战略需求，构建了智能高速铁路体系架构，提出了智能高速铁路技术平台和关键技术，制定了智能高速铁路标准体系和评价体系，规划了智能高速铁路发展路线图及相关政策建议［16］。该项目研究提出了隧道智能建造概念，即基于信息化技术，通过对“地-隧-机-信-人”及内外部环境的全面感知、泛在互联、融合处理、主动学习和科学决策，高效综合利用铁路隧道的移动、固定、空间、时间和人力资源，实现隧道建设、运维全生命周期的高度信息化、自动化、智能化，打造更安全可靠、经济高效的新一代隧道建造技术体系，并阐述了智能建造在勘察设计、工程施工和建设管理方面的技术路线，明确了BIM与物联网结合、检测监测数据自动传输及融合设计、施工、物资、质量评价等于一体的协同管控平台3个方面的关键技术。

高速铁路隧道智能建造同样遵循“从实践中来，到实践中去的”的马克思主义实践与认识的辩证关系。立足国情、路情，根据当前装备与信息化技术发展，并总结典型高速铁路隧道建设经验，中国铁道科学研究院集团有限公司提出了基于轻量化BIM的隧道建设信息化智慧系统、隧道可视化智能检测监测系统及高速铁路隧道智能建造协同管控信息化平台解决方案，相关技术在京张高速铁路清华园隧道与八达岭隧道、浩吉铁路中条山隧道（重载铁路隧道）进行了应用，为智能建造技术在此类铁路隧道工程中的深化应用提供参考。

2 基于轻量化BIM的隧道建设信息化智慧系统关键技术

2.1 需求分析

当前既有铁路隧道建设管理系统主要面向施工单位，主要包括进度管理、合同管理、物资管理、材料管理、成本管理、拌和站管理和试验室管理等模块。多年来既有管理系统在隧道工程的建设中起到了相当重要的积极作用，同时多年来的实践也发现既有系统存在以下问题：

1）进度管理方面，进度计划灵活性不足，协调、监管难。

2）施工组织设计方面，编制工作繁重，信息内容重复率高，方案编制受人员影响较大，部分方案编制与实施分离。

3）施工质量管理方面，预埋预留问题多，各类隧道衬砌结构病害问题及成因考虑不足，质量问题整改不力。

4）监控量测方面，监测信息不直观，监测信息滞后，监测断面没有针对性。

5）图纸管理方面，纸质图纸管理复杂，图纸解读易出错。

6）技术交底方面，施工复杂与工人理解力较低存在矛盾，纸质交底效率低，相关单位参与度低。

上述问题，对隧道建设信息化技术应用提出了现实需求。鉴于此，中国铁道科学研究院集团有限公司开发了基于轻量化BIM的隧道建设信息化智慧系统。

2.2 管理优势

当前BIM技术应用已经从理论探讨进入实践应用阶段，已从规划设计阶段的虚拟施工、碰撞检测拓展至施工阶段4D虚拟施工、物料跟踪、施工现场配合等。概括起来，基于BIM的铁路隧道建设管理集中体现在6方面：①施工进度动态管理；②质量监控与管理；③施工安全评估与预警管理；④可视化交底管理；⑤“三维-二维-三维”图纸管理；⑥虚拟建造。

2.3 管理模式

铁路隧道BIM施工安全管理模型是在铁路隧道BIM设计模型和施工模型基础上，结合隧道施工前、施工中、施工后完整过程的安全管理工作而形成的流程化模型体系，如图3所示。模型由数据层、施工模型层和应用层3个层次组成，数据层主要由隧道的BIM设计模型、施工过程中各类监测信息、虚拟施工模型及施工相关的标准、规范、施工组织设计、合约文件等构成；施工模型层是对数据层信息数据的加工与技术处理，形成相应的质量管理模块、进度管理模块、安全管理模块和成本管理模块；应用层是进行相应的安全管理，包括三维图纸资料、专项方案编制、安全措施费用管理、应急疏散模拟管理、安全技术交底、施工安全检查、安全空间管理、监控量测数据处理等工作。基于此模型，实现自上而下的数据调用，以及横向各模块、各专业间信息互通，各层次分工明确、流程清晰、信息流畅，形成完整动态的应用闭环，对传统铁路隧道施工管理工作进行了较大的改造和提升。

图3 铁路隧道BIM施工管理模型

2.4 系统实现

BIM模型最终是以多维度、多功能、多用途的模型计算机图形的形式展现在显示设备上。隧道建设工程往往体量巨大，庞大冗余的海量信息加上巨大的隧道BIM模型，即使在高配民用计算机设备上运行起来也是捉襟见肘。为解决上述矛盾，提出将BIM模型进行轻量化处理的解决方案。

通过从几何转换和渲染处理2个环节进行优化，将复杂网格切分、重复网格合并、几何数据压缩，最大程度减少对计算机资源的占用，达到轻便快捷、合理易用的效果，如图4所示。图5为基于轻量化BIM的隧道建造期综合信息管理系统架构，融信息管理、施工进度管理、监控量测及风险预警、图纸管理、虚拟建造于一体，为隧道建设的智慧化提供助力。

图4 BIM轻量化技术手段

在图5的基础上，可建立基于轻量化BIM设计的系统架构，如图6所示，将施工信息输入至服务器，服务器基于SQL Sever数据库系统进行大数据管理与计算，同时利用免费开源的Web轻量级应用服务Apache Tomcat系统技术将数据库信息共享至Web网站系统及移动客户端。

图5 基于轻量化BIM的隧道建造期综合信息管理系统架构

图6 基于轻量化BIM的隧道建设信息智慧系统架构

3 隧道可视化智能检测监测系统关键技术

3.1 可视化检测监测必要性及系统组成

采用新奥法修建的山岭隧道，施工前依据计算与工程类比等综合决定支护结构设计参数，施工中根据位移等的监控量测结果进行动态设计修正。当前，监控量测数据多采用报表形式体现，主要存在以下弊端：①监测里程无法与现场围岩情况、施工方法、施工管理手段直观对应；②各监测断面间缺乏联系，无法对监测段落进行总体把控；③监测日报或月报存在上传下达周期，影响管理人员根据监测数据作出响应的时间。

利用轻量化BIM可视化与模型信息关联性特点，结合施工期间隧道监控测量项目对地表沉降、洞周收敛、拱顶下沉点、混凝土应力、钢筋应力、土压力、锚杆轴力、隧道衬砌空洞、渗水状况进行建模，建立数据库，将数据库中信息匹配到轻量化BIM模型中相应位置，可高效合理地指导隧道施工。如图7所示，将隧道的轻量化BIM模型与隧道动态施工信息计算机系统集成，可以充分利用BIM三维可视化和信息标准化特点，解决了隧道施工监测信息管理的瓶颈问题，实现隧道真正意义上的动态设计。此外，还可针对各工点隧道设计特定的监控量测要求，并根据大数据对监测项目的合理性给出建议。

图7 基于轻量化BIM的隧道可视化检测监测系统组成

3.2 基于无线自组网与轻量化BIM融合的隧道可视化智能检测监测系统

目前国内隧道监控测量基本采用埋设传感器，靠人工周期性读取数据，手工分析判读的方法，存在成本高、效率低、数据滞后、实时性差、数据利用率低等问题。因此，需要建立一套信息化的监控测量系统，实现采集实时化、传输自主化、存储数据化、判读智能化的目标。

鉴于以上，中国铁道科学研究院集团有限公司开发了基于无线自组网与轻量化BIM融合的隧道可视化智能检测监测系统，如图8所示。本系统由远程智能检测监测系统、中继转发设备、无线通信专网、数据采集终端等几部分组成。远程智能检测监测系统部署于专用机房，基于轻量化BIM技术开发，负责数据汇聚、存储、分析、智能研判、趋势分析、信息推送等。用户终端采用B/S架构，通过接入服务器获取数据展示、信息接收，实现对传感器的远程控制等功能。中继转发设备位于隧道两端，同时连接隧道内无线通信专网网络和外部铁路专网，一方面负责将无线通信专网的数据上传至铁路专网服务器，另一方面将服务器的操作指令转发至隧道内无线通信专网网络。无线通信专网位于隧道内，由基站设备、无线接入终端等几部分组成，具备隧道内无线组网、传感器数据采集等功能。基站设备一方面可以自动组成贯穿全隧道的干线网并代替光缆，另一方面还可以向下提供无线接入网络，无线接入终端可以将数据采集设备采集的数据进行回传。数据采集终端部署于各监测断面，通过RS232，RS485总线等与传感器连接，定时主动或根据服务器指定命令读取传感器数据。传感器数据采集模块完成信息采集后，通过无线通信专网基站设备汇聚到数据中继终端，并经外部铁路专网回传到服务器上。

图8 隧道可视化智能检测监测系统架构

系统具备无线组网、高兼容性、多种采集方式、实时回传、反向可控、数据归一化处理与大数据应用等特点或功能，体现系统通用性与扩展性相结合、技术先进性与任务实际需求相结合开发理念，在京张高速铁路八达岭隧道开展了应用，效果良好。

4 高速铁路隧道智能建造协同管控技术体系及平台建设

4.1 技术体系组成及架构

铁路隧道智能建造是一个系统工程，其总体架构由智能装备、智能感知、数据资源、智能决策和智能管控5个层级构成，见图9。其中智能感知、数据资源、智能决策3个中间层级的运用体现于第2，第3章核心技术的实现过程。底层智能装备是机械化、信息化高度融合的隧道开挖装备，图9集中体现的是山岭隧道开挖所需关键装备。顶层智能管控集中体现智能建造的精髓与能动性、互动性，是全生命周期智能建造过程的集中展示与运用，也是协同管控技术体系最直接的表现，其作为应用于各条铁路线路隧道工程的面向管理、设计、施工技术人员的管理平台展现出来，包含机器人化施工管控、动态三维设计管控及各项业务智能化管理，其中施工是设计的延伸与体现，管理是施工与设计有效实施的推手，三者各自作为铁路隧道智能建造的技术体系之一集中体现于智能建造的管控平台上。

图9 铁路隧道智能建造总体架构

管控平台建设的前提是对机器人化施工管控、动态三维设计管控及各项业务智能化管理三者核心技术的程序化实现，施工管控体现于工艺工法，设计管控体现于智能设计，业务智能化管理直接展现于协同管控平台。

工艺工法技术架构见图10，其落脚点是各类信息化高度集成的机械装备智能化施工，涵盖常规的山岭隧道施工、隧道掘进机施工和预制装配式施工。每一类施工工法都涵盖检测监测，基于物联网与各类智能传感器，最终可实现第3节所述可视化智能检测监测系统，该系统作为协同管理平台的分项显示于程序界面上。

图10 铁路隧道智能建造工艺工法技术架构

铁路隧道智能设计方法技术架构见图11。隧道的智能设计是实现数字隧道和智慧隧道的基础，智能设计的关键在于设计参数的智能化选择与修正。借助于BIM等信息化技术，可实现隧道的三维数字化建模与数据建档，实现隧道各项数据的数字化存储，依托物联网技术，结合安全风险感知和预警技术，实现隧道与外部的信息互联，建立智慧隧道信息和数据流传输通道，最终建立基于轻量化BIM的隧道建设信息化智慧系统，该系统同样作为协同管理平台的分项显示于程序界面上。

铁路隧道智能建造协同管理技术架构见图12。协同体现在多类型参建单位的标准化、一体化管理，是创新性管理模式的主体，融合多种信息化系统的集中管控是智能决策和智能管控的外在表现，考虑全生命周期的各类成本控制技术是隧道工程建设经济性的有效保障。

图11 铁路隧道智能设计方法技术架构

图12 铁路隧道智能建造协同管理技术架构

4.2 信息化协同管理平台建设

从隧道工程建造全过程实际需求角度出发，统一接口、标准，中国铁道科学研究院集团有限公司提出了高速铁路隧道智能建造信息化协同管理平台架构，见图13。

1）主要功能

①平台对隧道设计、施工全过程运行设施和单元进行精细化综合管理，根据需要通过互联网浏览器，全天候实时三维可视化展现设备及单元运行状态。

②通过传感器实现隧道建设过程数据的全样本采集，实现隧道建设过程数据的自动存储、梳理、分析、判断、归集处理、定向目标推送、数据关联、展现、形成报表等。

图13 高速铁路隧道智能建造信息化协同管理平台架构图

③融合轻量化BIM系统、可视化智能检测监测系统、建设单位既有管理系统、国铁集团工程建设管理平台，实时掌握项目现场的“项、机、人、物、环”各环节中的项目情况、设备情况、人员情况，物资情况、环境情况。

2）软件实现

①将隧道建设设施及单元的运行数据、环境状态参数等通过相应的传感器组网，实时在线与离线人工有效填报相结合，实现隧道建设过程运行数据采集。

②通过轻量化BIM信息化智慧系统，可视化智能检测监测系统在互联网上通过浏览器（B/S）实现隧道建设过程实时场景与运行设备及设备之间的连接等三维动态可视化。

③若建设单位已经具备诸如“施工管理系统”“混凝土拌和站质量管理系统”“质量信誉评价系统”等，在统一数据类型基础上，将此类系统与轻量化BIM信息化智慧系统和可视化智能检测监测系统并列设置，按照模块化独立功能单元形式在显示界面上横向排列出来，选定某一模块后，界面左边将竖向分层级列出该模块的所属功能子模块，并可任意选择调用。

④平台搭建完成后，按照国铁集团信息化系统管理各类文件进行试用、验证、评审。

5 高速铁路隧道智能建造技术发展趋势

总体来说，智能建造在高速铁路隧道领域的应用尚处于快速发展阶段，如何利用先进的信息技术及工业装备制造资源，建立完善智能建造技术体系是当前面临的核心难题，也是本领域研究发展的趋势。可概括为以下4点：

1）完善高速铁路隧道智能建造理论创新。综合物联网、云计算、移动互联、大数据、BIM、GIM等技术，立足机械化与信息化深度融合，基于运筹学、管理学、工程经济学与系统工程理论，构建适用于我国国情的高速铁路隧道智能建造顶层设计体系及功能架构，引入工程控制论的基本思想，提出适用于高速铁路隧道建造全生命周期的机械行为方式、电子远程传输、信息整合融合、材料适配优选、工程经济优化等方面的理论体系。

2）推广预制装配式新型支护结构体系及营造方式。装配式结构标准化、定制化、批量化等特点可更有效地串联沟通制造单位、建设单位、设计单位、施工单位和后期运营维护单位，相较于传统隧道建造工法，其在信息化、机械化等方面的应用具有天然优势。新建京张铁路清华园隧道及新建郑万铁路罗家山隧道横洞都采用了预制装配式轨下拼装结构，在结构构件材质、规格形式、连接方式与接口设计参数等方面进行了探索与实践，已经证明了该类结构可有效降低工程造价、提升生产效率和施工安全。在充分考虑项目研究适用性和前瞻性的基础上，推广应用全断面预制装配式隧道新型建造技术可加快既有科研成果付诸实践，串联贯通科研、设计、施工、建设管理等单位，促进研究成果验证并转化、落地、推广。

3）加快多功能智能化隧道开挖支护大机装备研发。我国目前隧道工程机械基本依靠国外进口，且主要被德国、芬兰、瑞典等国家企业所垄断，建设成本与技术受限阻碍了铁路隧道工程产业结构调整及建造技术升级。高技术、高附加值的隧道智能建造装备研发关联到材料、电子、信息、机械等工业方向，尽快开展系列铁路隧道智能建造单工序机器人化装备与多功能集成化隧道施工大机装备研发，不但可以提升我国隧道工程装备技术水平，同时对于提升我国铁道行业整体竞争能力，维护国家经济安全和战略利益具有重要的意义。

4）启动高速铁路隧道智能建造施工、验收、工程造价方面技术立法。基于智能建造装备，编制涵盖超前支护施工、钻爆开挖施工、初期支护施工、防（排）水板施工、二次衬砌施工、沟槽施工等各阶段的标准机械化施工流程与工艺，通过现场应用推广进一步形成建造工法。在此基础上制定修订验收与物资验收方面核算规程，完备标准规范体系。

6 结束语

在当前世界制造业加速向我国转移的过程中，通过发展隧道智能建造技术来提升我国铁道行业整体竞争能力，对实现“中国制造2025”和中国铁路“走出去”的战略布局具有极其重要的意义。本文在阐述高速铁路隧道智能建造典型实践及概念和关键技术的基础上，详细论述了关键核心技术所包括的基于轻量化BIM的隧道建设信息化智慧系统、隧道可视化智能检测监测系统这2个子系统与隧道智能建造协同管控平台的实现方法，进一步分析了高速铁路隧道智能建造技术发展趋势，为高速铁路隧道及相关工程领域的智能化方向研究应用提供一定的参考。