新兴信息技术手段在隧道工程施工中的应用

吴 昆

山东交通职业学院，山东 潍坊 261206

1 引言

交通运输是国民经济中基础性、先导性、战略性产业，根据“2018 年交通运输行业发展统计公报”数据显示，截至2018年末我国公路通车总里程已达484.65 万km，其中公路隧道已有17738 处，共计1723.61 万m。交通运输基础设施建设在巨大的市场需求中正在追求更高质量的发展，而隧道施工相关建设管理水平、技术质量标准也在逐步提高与完善，新兴信息技术手段与传统施工的有益互补也在日趋凸显。

2 工程概况

G220 陶庄至平阴东平界段改建工程黑风口隧道项目地处济南市平阴县，具体位于平阴县玫瑰镇、东阿镇与刁山坡镇交界地带的山坳里，北面是山坡，东、西面是山体，南面是山沟。黑风口隧道分左右两幅，长度均为440m。两幅隧道间净距约13m，为小净距短隧道，左、右幅均位于直线段上。隧道V 级围岩共有116m，Ⅳ级围岩共有476m，Ⅲ级围岩共有288m。

3 信息技术手段的应用

近年来，随着深度学习的兴起，信息技术迎来了一个新的发展热潮，许多新产品不断出现并应用到了社会生产生活的各个领域。交通土建行业作为我国传统的体量巨大的支柱型行业，也必将在信息技术的推动下实现产业的进步与升级。

3.1 监控量测

监控量测是在隧道施工过程中，采用专用仪器和工具对围岩和支护结构的变形、受力以及相互关系进行观测，并对其稳定性、安全性进行评价。监控量测是确保隧道施工安全、结构长期稳定的重要预警手段，可及时收集围岩和支护结构的动态响应，为优化施工方法、调整支护参数，研判关键工序开展时间提供了有力依据。通过开展有效的隧道监控量测，建立并完善相应预警机制能够最大程度地降低隧道开挖的安全风险，减少坍塌、冒顶等带来的施工损失。在监控量测过程中，如何对隧道围岩及支护结构进行准确地变形识别、变形定位及变形量化是施工的难点之一，监控量测的目的就是要提出准确可靠的监控量测方法，从而及时地掌握隧道变形状态，为采取合理有效的防护加固措施提供科学依据。信息技术的深化应用，为隧道施工监控量测提供了物联网等新兴技术手段。在黑风口隧道监控量测中基于BIM 和GIS 平台开展了隧道信息化施工技术研究，技术方法是在监控量测环节充分发挥物联网全方位采集信息的能力，将所采信息导入BIM 平台实现动态预警与协同管理，依靠GIS 平台实现人员、设备的定位追踪，提高工程管理水平。相比于人工采集数据，物联网优势明显，它可以实现数据收集的连续性与可靠性，降低了施工成本与风险。随着科技发展和信息化时代的来临，使用智慧平台进行工程管理也是大势所趋，苏州科技大学的钱程利用机器视觉与无线通讯技术设计了一套基于机器视觉的无线自动监测系统，实现对桥梁应变、裂缝、位移、索力的长期监测，该监测系统有助于建立全过程动态管理体系［1］。

3.2 全过程管理

BIM 技术可以构建一个虚拟建造环境，搭建了实时沟通的便利平台，可以实现信息共享，优化施工过程控制与管理，提高利润［2］。在G220 黑风口隧道的施工过程中，依托合肥工业大学BIM 技术应用与开发课题组的团队优势，采用BIM 技术开展了施工全过程管理，主要完成了以下九项工作：隧道主体结构三维可视化查看与技术交底（不同围岩等级主体结构等）、施工工艺模拟（CRD 法、CD 法及台阶法等）、施工进度模拟及控制、基于模型的施工资料与信息集成平台（质量标准、主体结构信息、二维图纸等）、隧道主体质量安全标准样板（大管棚、各围岩等级主体结构、配筋构造等）、工程量统计（开挖工程量、工程量自动计算等）、移动端模型信息查看与注释（隧道主体结构、质量安全标准样板等）、施工协同平台（基于云平台的PC 端、网页端、移动端模型）、VR 审阅与查看（隧道主体区、虚拟样板区、进度和工艺模拟区）。黑风口隧道施工协同平台的搭建集成了隧道施工全部工程信息（如设计参数、生产安装、养护管理、工序验收等），协同平台归纳研判，移动终端一线贯穿，共同实现黑风口隧道施工全过程的智慧管控和质量追溯，有效解决现有施工过程调度管控不力、信息沟通不畅、责任界定不明、补救措施不当的现状。

3.3 通风分析

无论是隧道施工过程还是运营阶段，均对其通风性能提出了较高的要求。近日来交通运输部先后颁布了两项重要规范，《公路瓦斯隧道设计与施工技术规范》（JTG/T 3374-2020）与《公路工程节能规范》（JTG/T 2340-2020），两项规范均对通风指标作出了相关要求。由于隧道施工中瓦斯涌出的不可预见性和突发性，导致公路瓦斯隧道勘察难度较大、施工风险较高，因此其施工过程及正常运营均需考虑瓦斯浓度的影响，这决定了公路瓦斯隧道的防控与检测不可能一劳永逸。公路瓦斯隧道施工运营期间通风需风量计算具有特殊性，一方面要满足普通隧道正常通风的要求，另外尚应考虑瓦斯积聚的特殊工况，因此规范要求风速不应小于1.0m/s。施工通风是合理控制洞内瓦斯浓度，确保施工安全及工人新鲜空气供应的根本手段，因此需要对有害气体浓度进行动态监测，及时调整通风系统参数，避免出现通风盲区，确保通风能力满足各用风地点的风量要求，即瓦斯浓度越高的隧道对风速的要求就越高［3］。在隧道运营阶段，通风与照明是运营能耗的主要构成部分，通风系统的规模并不是隧道通车才最后决定的，而是与隧道场址和结构方案的选择等环节均息息相关。《公路工程节能规范》指出，隧道通风设计要选择经济节能的通风方案和运营通风控制策略，应综合考虑公路技术等级、工程特点、设计交通量、自然条件等因素，同时要充分利用自然通风［4］。因此要采用相应的信息技术手段，模拟预测隧道通风需求，为工程设计及通风方案的优化调整提供建议。黑风口隧道工程施工不存在瓦斯这一危险气体，技术人员研究的重点集中在爆破粉尘等有害气体的扩散及通风方案的节能优化上。技术人员以ICEM 软件建立了隧道洞身模型，并进行了网格的划分，采用计算流体动力学（CFD）专业软件FLUENT，发挥多种湍流模型的优势，对隧道通风状况进行了数值模拟计算，实现了对爆破粉尘、汽车尾气等污染物扩散的精准模拟，并对二次衬砌浇筑面、掌子面等废气易积聚的局部区域进行重点分析，同时模拟了隧道通车后的洞内流场分布，为通风机、空气引射器等设备的布置提供了依据。

4 结语

实施创新驱动发展策略，传统隧道施工产业与现代信息技术的有机结合，可以建立掌控整体、兼顾局部的综合评定方法。以现代信息技术助力智慧交通建设，产、学、研、用共同发力，可显著提高交通基础设施建设管理水平，进一步引领交通基础设施建设过程的信息化、智能化，具有良好的工程应用前景。