京张高铁八达岭长城站智能建造技术

2020-01-09蒋小锐刘建友高宇宇

铁道标准设计 2020年1期

蒋小锐，刘建友，高宇宇

(中铁工程设计咨询集团有限公司,北京 100055)

引言

随着地下空间的开发与利用，为满足使用功能，越来越多的大跨度、大断面地下工程开始修建，特别是水电站地下厂房、轨道交通地下车站以及多线的铁路隧道工程，这些地下工程主要采用明挖法或浅埋暗挖法施工，机械化水平较低[1-3]，部分采用TMB法和盾构法，基本上已实现机械化、工厂化施工[4-5]。通过近年来不断探索和实践，地下工程建设逐步采用全工序机械化施工，郑万高铁研制开发了全系列隧道智能装备，基本实现了全工序机械化、全地质机械化、全断面施工和全过程、全方位信息化管理[6-7]。机械化、信息化是国际地下工程发展的方向，也是实现隧道全生命周期智能化建设的关键。

京张高铁八达岭长城站“三纵三横布置”层次多、洞室数量大、交叉节点密集，是目前国内最复杂的暗挖洞群车站。为响应铁路总公司提出的“精品工程、智能京张”总体目标，八达岭长城站搭建了深埋超大跨地下车站智能建造体系，在大数据、人工智能技术与智能工程机械装备结合的基础上，研发了隧道围岩智能化超前地质预报技术、隧道三维集成协同智能设计、隧道开挖及支护智能化施工系统、隧道结构安全智能监测系统，实现了隧道全生命周期的智能化建造。隧道智能建造技术在京张高铁的成功应用，提高了我国隧道安全建设的技术水平，具有重要的现实意义。

1 智能勘察

八达岭长城站穿越地层围岩主要为花岗杂岩，发育闪长玢岩脉及花岗斑岩脉，总体围岩稳定性较好，但受岩脉穿插切割的影响，部分段落岩体软弱破碎，稳定性差。车站围岩级别变化频繁且突然，施工过程中易引起滑塌，因此超前地质预报尤为重要[8-10]。车站研究复杂洞室群的综合超前地质预报技术，采用超前水平钻法结合数字式全景钻孔摄像系统，观测和分析钻孔中地质体的各种特征，并充分发挥超前导洞或临近洞室的作用，研发掌子面自动素描系统，实现了掌子面围岩等级快速准确鉴定。

1.1 超前水平钻及孔内摄像快速直观超前地质预报技术

结合数字式全景钻孔摄像系统的超前水平钻孔法，可快速、直观的完成风化槽等复杂地段的超前地质预报，本工程采用数字全景钻孔摄像系统对大跨北京端进行试验。

数字式全景钻孔摄像系统通过电缆将数字全景探头放入工程钻孔中，来获取钻孔内岩壁的光学图像。全景探头自带光源，对孔壁进行实时照明和拍摄，孔壁图像经锥面反射镜变换后形成全景图像，在连续捕获方式下，全景图像被快速地还原成平面展开图，并实时地显示出来，用于现场记录和监测。在静止捕获方式下，全景图像被快速地存储起来，用于现场的快速分析和室内的统计分析，所有的光电信号都可以通过电缆传输到计算机或其他存储设备，并利用系统自制软件进行分析处理，以观测和分析钻孔中地质体的各种特征和细微变化，为工程提供直观和丰富的地质信息。

1.2 超前导洞法地质预报技术

八达岭长城站主洞数量多、洞型复杂，超大跨多导洞开挖，施工中辅助洞室也较多。因此，充分发挥超前导洞或临近洞室的作用，采用以地质素描、加深炮孔为主，辅以物探，进行综合超前地质预报的方法尤为重要。

在辅助导洞或超前导洞开挖过程中及时对导洞的工程、水文地质特征进行详细观察和编录，并反复核实和修正勘察报告内容，最终的勘察报告为车站提供设计并指导隧道正洞的施工。

(1)通过导洞地质构造形态的详细素描，提出正洞施工中的注意事项，如断层构造产状、性质、延伸等特征，指出这些构造在正洞可能出现的里程位置及其对开挖和初期支护的影响。

(2)通过导洞的水文地质特征提出正洞水文地质情况、节理裂隙的导水性，计算涌水量，从而使设计施工做好隧道水害的应急预案。

(3)通过导洞围岩级别、测定围岩有关的物理力学参数，分析正洞围岩级别分布情况及围岩的突变性。

1.3 掌子面自动化素描系统

基于隧道掌子面地质工作的重要性及因其专业性强、劳动强度高、时效性强等因素导致该项工作难以开展，提出了掌子面图像识别代替人工素描的方法[11]。受隧道环境的影响(光线、粉尘等)导致图像不清晰及二维图像缺失深度信息导致图像识别准确率受限，掌子面自动化素描系统采用多图像立体重建技术或三维激光扫描技术，实景复制(真实记录)隧道开挖情况，从三维宏观把控大的地质构造、二维微观深度学习两方面提高图像识别的准确率，如图1所示。其次，结合岩体质量指标RQD概念判识岩体完整程度，结合其他指标进行围岩分级。最后，流程化、程序化掌子面地质工作，并研发了隧道掌子面地质信息系统TK-FGIS及掌子面地质素描工装设备CameraPad，实现自动三维地质重构、自动结构面参数提取、自动围岩分级、自动报表及三维成果展示等功能，如图2所示。

图1 图像识别效果(隧道掌子面)

图2 沿里程方向隧道地质切片3D实景再造

经现场工程应用，该系统可普遍应用于隧道勘察，应用效果如下。

(1)完成隧道掌子面地质自动素描、自动围岩分级、自动报表，大大降低了隧道地质专业工程师的劳动强度，提高了生产效率，解决了人工素描工作流于形式的问题。

(2)通过网络平台或手机程序，实时推送隧道掌子面地质信息，让参建各方实时掌控隧道地质信息。

(3)隧道掌子面地质信息实时共享，便于及时、有效地调整施工工艺(支护参数、工法等)以适应地层变化，实现了隧道掌子面异常信息实时预警与处置等。

2 智能设计

由于八达岭长城站地理位置特殊、社会影响广泛，车站主体为地下双层、立体交错、多洞分离式群洞，其修建具有周边环境敏感性强、客流及交通组织复杂、洞群设计及施工难度大等难点。八达岭长城站车站设计响应智能京张理念，开展站房智能建筑设计、站房土建装修一体化设计，并加强防灾救援设计，为地下车站突发情况提供安全保障。

2.1 隧道横断面智能设计

山岭铁路隧道横断面设计主要包括隧道衬砌设计图、配筋设计图、钢架设计图等，主要由AutoCAD辅助绘制完成。这些图在不同围岩级别的形式基本相同，只是参数有一定差别，整个绘图过程模式基本固定，适合程序化。为此对AuotCAD进行二次开发，研发山岭铁路隧道横断面辅助设计软件，将隧道结构内轮廓图、衬砌设计图、配筋设计图、钢架设计图等参数化，实现山岭铁路隧道横断面的智能设计，如图3所示。

图3 软件主菜单功能说明

山岭铁路隧道横断面辅助设计软件结合隧道专业设计理论，将隧道横断面归结为双线复合衬砌、双线偏压、双线单压、单线复合衬砌、单线偏压、单线单压共6种形式，将参数划分为绘图位置、内轮廓、外轮廓、钢筋、开挖轮廓、钢架表格共6类。根据设置好的参数，只需点击菜单，软件便可完成相应功能，全自动绘制所需图形和自动生成工程量统计表，生成图表过程无需人工干预，提高软件的易用性和快捷性。

2.2 基于BIM的智能设计

八达岭长城站洞室数量多，洞形复杂，为了准确表达设计施工中的三维空间信息，八达岭长城站应用BIM技术，从勘察设计、施工到运维，实现全生命周期的数字化智能化管理。车站BIM模型搭建了多专业协作的统一平台(图4)，使建筑、结构、暖通、给排水等各专业基于同一个模型进行工作，实现了真正意义上的三维集成协同设计，直观呈现各专业的冲突。同时，BIM模型优化施工组织设计，实现了项目标准化的管理，三维可视化、构件化的设计，三维数字化模拟施工，为勘察—设计—施工—运营—管理提供了可视化、智能化的统一管理平台。

图4 八达岭长城站整体BIM模型

2.3 智能防灾救援系统

八达岭长城站轨面埋深达102 m，旅游高峰时期，大客流集中于深埋地下车站中，一旦发生火灾，需确保旅客能够快速疏散，同时救援车辆能够及时到达。车站首次采用叠层通道设计，实现进出站客流均匀无交叉，设置了立体环形的疏散救援廊道(图5)，提供了紧急情况下快速无死角救援的条件。施工期间疏散救援廊道作为施工斜井，提供了全方位多通道的施工作业面，实现了安全快速施工。

八达岭长城站利用BIM、3D GIS、互联网+等技术建立了三维可视化防灾救援智能指挥系统(图6)，实现了智能化的烟气控制、疏散指挥、应急联动预案提供等目标。防灾救援智能指挥系统可实时监测、采集、汇总地下站、隧道各类监测设备的监测信息，实现对机电设备、客流监测信息分布获取、集中管理、综合运用，全面掌握灾害状态。同时，该系统实现了及时准确的三维可视化灾害报警和预警功能，并将预警信息送至路局救援指挥中心，是现代化高铁运营管理中不可缺少的重要技术保障。

图5 环形快速救援系统

图6 防灾救援智能指挥系统

3 智能施工

隧道大型机械化施工是国际地下工程发展的方向，也是铁路建设保证安全、质量，控制运营安全风险的有效手段。八达岭长城站采用大型机械智能化施工，研发智能化开挖及支护机械设备，包括隧道智能模板台车、衬砌智能养护台车等，开挖迅速、支护及时，从而充分发挥围岩的自承能力；同时，车站基于BIM模型，通过人员-车辆-设备的实时定位系统，建立高效的运输管理体系，实现复杂地下车站人流-物流的高效协调和智能施工组织。

3.1 智能模板台车

八达岭长城站两端设置大跨过渡段，大跨过渡段总长度336 m，最大断面(宽32.7 m)通过5次渐变至最小断面(宽19.0 m)，普通的衬砌台车通过加宽、加高门架横梁和增加顶模板实现台车的断面增大[12-14]，并不适用于八达岭长城站大跨过渡段，因此研发了台车骨架立柱设计为横向可移动结构的智能模板台车。

智能模板台车的设计选择增加门架立柱、加宽门架横梁、补充支撑结构、增加顶模板共同作用的方式实现台车断面的调节，如图7所示。台车骨架立柱设计为横向可移动结构，通过横移油缸使其间距实现变化，模板设计为多段式，通过各自模板对应的调节机构调整至理论设计轮廓线，变断面时增加或减少预先设计的拱顶调节模，以完成变断面隧道可调式衬砌台车设计。

图7 智能模板台车横断面结构示意(单位：mm)

3.2 智能养护台车

在国内铁路隧道施工中，衬砌施工后一般采用自然养护，个别项目采用简单的喷水养护，这些养护方法受外界环境以及人为因素影响较大，难以保证衬砌的养护质量[14-16]。研究团队研发出一种用于隧道衬砌养护的专用机械设备，属于国内首创。隧道衬砌智能养护台车设备包含2组台车，施工时紧跟衬砌浇筑模板台车，前端第一台具备加升温、保温、保湿功能，第二台具备保温、加湿功能，如图8所示。智能养护台车主要由门架形式结构、雾化系统、电加热系统、气囊密封系统、智能温湿度控制系统等组成。衬砌台车脱模行走后，智能养护台车同轨行走就位，密封气囊隔绝封闭，根据实时测量的混凝土芯部温度及变化趋势设定好加热系统的温度及时间，保证对衬砌混凝土芯部与外表的温差进行弥补；同时，根据养护传感器监控养护湿度是否超设定值，加湿系统对混凝土表面进行实时补湿。

图8 智能养护台车

智能养护台车弥补了以往养护台车的不足，可以进行养护温度曲线设定，自动控制养护温度，衬砌养护台车自动化程度高，减少人工操作的难度，提高了二衬养护技术的机械化和自动化，提高了衬砌混凝土的施工质量。隧道衬砌智能养护台车的推广应用，将终结长期以来国内隧道衬砌养护不规范的历史，大大提高隧道衬砌混凝土的质量。

3.3 人机定位管理系统

隧道施工人员及设备位置监测安全管理系统(简称人机定位管理系统)是在第二代无线射频(RFID)识别技术平台基础上，结合先进的通信、计算机及网络技术成功研发的综合管理平台，采用了目前国际上先进的0.18 μm微波芯片技术。人车定位系统集隧道施工人员考勤、区域定位、安全预警、灾后急救、车辆管理和交通疏解、日常管理等功能于一体(图9)，是国内技术领先、运行稳定、设计专业化的隧道施工、监测系统。

图9 智能化定位和施工组织管理平台

人车定位管理系统使管理人员能够随时掌握施工现场人员、设备的分布状况和每个人员和设备的运动轨迹，便于进行更加合理的调度管理；随时获取各种施工车辆位置和运行情况，动态进行交通运输管理和指挥，减少堵车、保障车辆运输安全。当事故发生时，救援人员也可根据隧道施工人员及设备位置监测安全管理系统所提供的数据、图形，迅速了解有关人员的位置情况，及时采取相应的救援措施，提高应急救援工作的效率。

4 智能监测

超大跨隧道结构安全智能监测系统率先在八达岭地下车站的建设中成功应用，该智能监测系统可以在隧道施工和运营期对围岩和支护结构的力学状态进行全寿命周期的实时监测，通过无线传输技术，将传感器采集的数据传递到服务器终端进行分析和处理，实现监测结果的实时反馈和潜在安全风险的实时预警，为施工期和运营期的隧道安全提供了保障。

4.1 智能监测系统的功能

隧道结构安全智能监测系统对锚杆、锚索、喷射混凝土、钢架、二次衬砌以及围岩进行应力和变形监测，对地下车站、隧道围岩及结构的各类传感器数据进行远程采集，并以各类图形化展示和显示，对各类传感器数据进行分析、评估，进行实时监测实时评价，当监测到地下车站、隧道结构发生异常时，及时给出预警，如图10所示。

图10 监测系统功能框图

4.2 智能监测系统技术构架

围岩及结构智能监测由单一的洞周收敛监测扩展为多角度的围岩及结构的变形及受力监测，做到了数据及时采集、分析、反馈、预警。智能监测系统为多层架构体系，分为用户界面、处理核心、数据结构底层、数据处理层、数据库层，共由数据采集模块、数据管理模块、曲线绘制模块、结构安全性评价模块、设备管理模块和用户管理模块六大模块构成，如图11所示。