隧道工程数字信息化施工关键技术研究

陈平超,丰权章

（北京中交华联科技发展有限公司,北京 100101）

0 引言

隧道工程施工过程复杂，因安全保证任务多、施工质量控制要求高、施工协调工作重，故对施工现场控制、调度指挥、施工组织等提出较高的要求。隧道工程施工环境条件与地质情况复杂，存在较多不可预见的安全风险因素，易出现工期延长风险问题。隧道工程施工现场分布有较多的不良地质，易出现突泥、突水、岩爆、变形、塌方等，故存在较大的施工安全风险[1]。由此可见，怎样采用新工艺、新技术与新方法，实现隧道工程的安全、高效、按期施工是亟待解决的问题。在现阶段隧道工程施工中，越来越普遍接受与引用数字信息化施工技术，并已获取较好的施工效果。基于此，该文就隧道工程数字信息化施工关键技术展开了探讨，以供大家参考。

1 施工安全风险管控数字信息化施工关键技术分析

1.1 存在的问题与解决思路

1.1.1 存在的问题

隧道工程属于高风险工程，隧道工程在施工中存在多种不可预见风险因素，并且存在施工风险监测难度大、施工安全风险识别难度高等问题[2]。

1.1.2 解决思路

为解决隧道工程施工安全风险监控预防技术问题，可在隧道工程施工安全风险监控业务中，引用自动监测技术、超前地质预报技术、物联网技术等，及时排查隧道施工安全隐患，快速识别施工风险源，监测围岩变形，并进行可视化动态监控[3]。为解决狭长隧道工程中人员、设备监控难度大等问题，精准分析隧道工程施工过程洞内的工作轨迹，准确统计隧道洞内所有工点作业人员与设备，应深入研究各种人机定位技术，包括短距离定位技术、人脸自动识别技术、数字视频技术等。

1.2 关键技术

采用数字视频监控技术，全方位、24 h远程在线视频监控隧道重点生产区域，包括弃渣场、隧道掌子面、隧道洞口、隧道施工现场工点值班室等。警告、提示施工现场中存在的各种不安全因素，包括环境因素、人的不安全行为因素、物的不稳定状态因素等。

采用人机定位技术精准定位隧道洞内外施工人员，动态掌握施工现场运行与人员分布状态，警告、提醒施工区域外作业人员注意安全，精准考勤管理与统计不同施工区域中人员的工作状态与数量[4]；采用地表补充调查、洞身素描、掌子面素描、钻探等技术，动态采集、定时远程传输隧道开挖施工中前方地质的信息数据，对地质预报成果进行数字化管理，可即时汇总施工进度、统计施工工程量，发布与显示施工成果，超前预报隧道地质现场施工工况等[5]；根据隧道工程地质条件，利用隧道工程地质BIM模型，自动识别隧道工程的风险程度与风险等级，以可视化评估隧道工程施工安全风险，科学指导前方隧道的施工开挖作业，确保隧道开挖的施工安全。

采用移动物联技术、隧道围岩自动监控测量技术，实时监测隧道的拱顶下沉、地表沉降等，对隧道变形趋势曲线进行自动绘制，对各统计数据进行自动汇总，根据多层级预报警机制，对报警闭环处置管理进行预报，双控报警隧道开挖断面累计变形量超标与变形速率超标[6]；将每日电子施工日志采集到的实际进度作为依据，对隧道二衬步距与仰拱进行自动计算，选择工区作为单位，绘制二衬、仰拱、掌子面三维立体关系图，自动三维可视化预警提醒超过安全步距，提醒施工人员进行闭环处置。

2 施工质量在线管理数字信息化施工关键技术分析

2.1 存在的问题与解决思路

2.1.1 存在的问题

在隧道工程施工中，若隧道发生较大变形，易出现拱底隆起、拱顶塌陷等问题，故精准预报围岩的稳定性是非常重要的。因受多种约束条件的影响[7]，如施工现场条件、施工经费、施工技术手段等，易遗漏误判隧道地质情况，导致隧道在开挖施工中易出现安全事故，如冒顶、塌方等。

2.1.2 解决思路

为避免隧道衬砌背后出现空洞、初期支护侵限，并且浇筑密实衬砌，可采用多种新技术，如物联感知技术、自动监测技术、BIM技术等。精细化专业分析隧道混凝土方量、中线偏差、施工超欠挖等，并闭环追溯原材料质量数据、专业分析判断隧道工程实体质量、对隧道工程衬砌防脱空自动分析报警等。

2.2 关键技术

利用三维激光扫描技术，扫描隧道工程开挖断面，构成三维可视化测量点云图；根据隧道工程平整度、超欠挖基本计算原理与有关规范，比较分析隧道理论参考BIM模型与实测点云图模型，判断隧道初期支护是否出现侵限现象，分析隧道的平整度与超欠挖情况。其中，隧道工程施工超欠挖计算流程如图1所示。

图1 隧道工程施工超欠挖计算流程

利用试验室信息化系统，对试验室预警处置数据进行动态监控，展现尚未处置的监控数据，并与应用位置信息进行关联，严格监控与闭环处置施工原材料的质量[8]；利用拌和站信息化系统，对尚未处置的监控数据进行动态监控，并与拌和站工单和盘信息进行关联，严格监控与闭环处置施工原材料的质量。

根据液位继电器的基本工作原理，对混凝土浇筑自动监测预警装置进行深度研发；对混凝土需浇筑工程量进行计算，并比较分析浇筑实际量与计算理论量，分析衬砌浇筑的密实度[9]；在浇筑衬砌混凝土到拱顶最高点时，可利用触发混凝土液位继电器的声光报警器开启提醒功能，对混凝土浇筑结束时机进行精准判定。

对不同龄期的混凝土回弹检测值、各里程段检测区设计强度、钻芯设计与实测厚度等进行统计与分析，通过采用图表形式，对第三方检测报告进行查询，分析衬砌背后是否出现空洞现象等。

3 施工设备数字化管理数字信息化施工关键技术分析

3.1 存在的问题与解决思路

3.1.1 存在的问题

在狭长隧道中，因公路里程较长，故存在运输干扰、运输车辆与工程机械设备监管难度高、交通运输管理效率低、交通组织难度大、数据采集传输难度大等多种问题。

3.1.2 解决思路

在隧道运输车辆施工监控、机械设备中运用GIS、GPS、短距离定位、视频分析等技术。

3.2 关键技术

利用人机定位系统，对各种施工机械设备的实时工作轨迹、关闭或开启状态、位置信息等信息进行统计分析；在隧道进洞车辆中安装终端设备，在隧道洞中安装数字视频监控终端与定位基站，对车辆位置信息进行实时捕捉，并将其上传到云服务平台中[10]；为提醒隧道洞中行驶车辆及时就近避让，构建车辆信息数据库，对错车道、车辆等相对位置信息关系进行动态分析，将指令发送到车辆终端；在隧道工程施工中，为实时分析与统计各施工机械设备的在线工作轨迹，利用GPS、GIS技术动态可视化监控与在线精准跟踪隧道工程车辆运输行驶路径。

对施工机械设备进行加油管控，统计施工机械的油量，分析其油耗情况；利用信息化技术，动态监控施工机械设备的工作环境、工作内容与工作场所，形成运行轨迹，集中管理施工机械的工作参数、外观质量、新旧程度等；统计施工机械设备的故障、工时、工况等，对施工机械设备的故障率、使用率进行分析，及时清退经常闲置、车况较差的施工机械设备。

4 施工施组进度关键技术分析

4.1 存在的问题与解决思路

4.1.1 存在的问题

在隧道工程施工组织设计中，存在较多难点，包括施工工序衔接复杂、专业交叉多、长大线工程复杂等，难以拆分重复交叉施工组织组合，无法统一划分工项与量化工程进度，难以精准统计分析施工进度，并且无法对施工组织进度进行科学动态调整。

4.1.2 解决思路

为进一步优化隧道工程施工组织关键路径，编制数字化施工组织设计方案，闭环管理施工组织进度预报警，展示三维可视化形象进度，解决施工组织管理数字化决策技术问题，应研究施工组织进度预警可视化表现技术，制定隧道工程施工组织进度跨任务推演预测计算方法。

4.2 关键技术

根据不同推演指标类型，包括标段经验值、计划进度、乐观进度、悲观进度等。利用数字化施工组织进度智能预警、推演技术，科学设计隧道工程进度推演算法，及时解决隧道施工进度滞后的闭环管理问题，及时预警提醒关键路径变更、资源延误、作业面冲突等问题，进一步提升隧道工程施工单位进度风险预测能力与风险管控水平。

5 工程案例

5.1 隧道工程中存在的问题

某一隧道工程，施工现场地层岩性较复杂，分布大量的不良地质，如变质岩、沉积岩、软弱围岩等，存在较大的施工安全风险；该隧道工程附近为饮用水水源二级保护区，提出较高的环水保要求；隧道工程施工现场环境条件与地质条件较复杂，存在较大的施工工期风险；在隧道小断面斜井长距离运输中，存在较多的干扰因素，交通运输管理效率较低、施工交通组织难度大。

5.2 数字信息化施工技术的运用

为解决某隧道工程的问题，在隧道工程施工中采用数字信息化施工技术，建立隧道工程施工安全网络环境、BIM管理平台、施工指挥监控中心、施工统一数据中心。施工生产指挥中心可利用各种业务系统，掌握隧道工程动态施工数据信息，包括施工安全数据、施工质量数据、施工进度数据等，同时可在监控屏中，对预警进行集成展示与分析，远程集中指挥隧道工程施工作业，综合管理隧道工程宏观信息，集中展示与分析日常业务数据；为彻底排查隧道工程安全隐患，检测隧道围岩变形情况，实名管理人机安全定位，可搭建施工BIM管理平台，设置隧道施工机械设备管理模块、施工质量模块、施工安全模块、施工进度模块，并配置20个业务运用功能，以精细化管理隧道工程施工电子施工日志、施工组织计划、施工进度推演预警等；采用数字信息化施工技术，统计与分析拌和站报警处置与产能信息、试验机试验数量不合格数处置率，并利用监控大屏从多个层面实时统计与分析隧道工程的施工安全、施工质量、施工进度等情况。

6 结论

综上所述，该文深入分析了多种隧道工程技术与管理问题，包括施工机械设备管理问题、施工质量问题、施工安全风险问题、施工进度问题等，提出了隧道工程施工进度与视频识别、人机定位、变形监测、BIM、地质探测、三维扫描、物联网等数字信息化技术的深度融合，重点探讨了多种数字化信息施工关键技术，包括施工安全风险管控、施工质量在线管理、施工设备数字化管理数字信息化施工关键技术，并以某一隧道工程为例，首先提出了该隧道工程中存在的问题，然后提出相应的数字信息化施工技术解决方案。该文研究内容，对相关工作人员起到一定的借鉴作用。