基于案例库的铁路隧道开挖方案智能设计方法

高玉祥 董晓峰 程建军 韩峰

1.北京交通大学土木建筑工程学院，北京100044；2.北京交通大学建筑与艺术学院，北京100044；3.石河子大学水利建筑工程学院，新疆石河子832003；4.兰州交通大学土木工程学院，兰州730070

我国是世界上山地分布最广的国家之一，山区面积约占到陆地面积的三分之二，而中西部的山地占比则更大［1］。隧道是山区铁路设计中的重要内容。我国在长期的铁路建设过程中解决了很多工程难题，积累了丰富的隧道建设经验。由于隧道工程非常复杂，断面开挖方法的选择至关重要，科学合理的开挖方法能够保证隧道施工安全和预期的工程进度。颜杜民［2］根据隧道开挖不同阶段的围岩变形曲线特征，建立了基于S 型函数的隧道开挖全过程变形预测模型，提高了隧道工程安全施工的水平。黄维新等［3］通过研究隧道开挖顺序分析软弱围岩不同时间段变形量，提出了先开挖深埋侧的建议。刘诗音等［4］采用最小安全系数法对开挖过程中围岩稳定性进行分析。赵智涛等［5］认为隧道爬坡开挖与水平开挖的影响区域范围具有差异性，但掌子面稳定性则区别不大。马玉春等［6］利用有限元数值模拟方法研究了高地应力软岩隧道的开挖方法及变形控制措施。目前，关于隧道开挖方案的研究多针对具体工程解决难点问题，而对于综合同类型的既有实例及工程经验来设计新隧道施工方案的研究尚不多见，铁路隧道建设工程经验的价值没有得到有效发挥。

随着大数据、云计算的迅速发展，将人工智能理论及技术引入到隧道工程设计中，对于提高隧道工程设计质量和速度具有实用意义。本文提出基于案例库的隧道开挖方案智能设计方法，利用地理信息系统（Geographic Information System，GIS）强大的空间分析、数据管理能力对海量的隧道工程案例进行存储、管理，使用数据算法对既有案例设计经验进行挖掘，构造隧道开挖方案相似设计决策模型，借助既有设计案例及其经验实现新建铁路隧道开挖方案的设计决策。

1 铁路隧道工程设计影响因素及案例表征

1.1 隧道开挖的影响因素分析

铁路隧道作为管状的地下构造物，其施工是很复杂的系统工程，修建时开挖方法的选择会受到很多因素的制约。铁路隧道施工方案应该根据其所处的地形、地质、气候、水文等条件，结合隧道的几何特性、工程施工条件等因素综合确定，主要有矿山法、掘进机法、盾构法、明挖法等［7］。

单线铁路与双线铁路的隧道断面尺寸、结构形式相差很大，单洞双线隧道、单洞单线隧道的开挖方法不同。由于列车通过隧道时会产生压力波和微压波现象，根据新建隧道设计时常用的轨面以上最小净空横断面要求，列车设计行车速度的净空横断面大小不同。长大隧道的埋深通常较大，山体内部容易出现高地应力，不利于结构保持稳定性，还会在施工过程中使隧道出现变形，对于埋深超过400 m 的隧道可能会出现高地温现象，还需要进行地温监测［8-9］。围岩分级是指按照岩体完整程度、岩石强度对无限岩体序列的等级划分，是决定隧道开挖方案的一个重要因素。围岩等级越高，岩体的完整程度和强度指标越好。围岩质量较好的隧道可以选择更适合的隧道位置和衬砌类型，降低工程难度，从而减小工程量并节约投资。开挖隧道时，若渗水量较大就会出现掌子面无法施工的情况，故一定要处理好排水的问题。而高寒高海拔地区的隧道工程则会受到更多复杂因素的综合作用，气候恶劣、生态环境脆弱、通风、冻害、衬砌裂损是最常见的施工难题，适用于平原低海拔地区的传统设计方法在该类地区并不适用。

1.2 案例表征

铁路隧道工程开挖方案的选定受很多因素的影响，在借助既有案例辅助新项目设计的过程中，案例表征是智能决策设计方法应用的前提，只有进行准确的案例表征才能保证设计方案的科学性、合理性。在案例表征时，如果考虑所有因素，案例表征将会复杂化，不利于案例的特征表达，故确定属性单元时应选择影响隧道开挖设计的主要因素，舍弃部分次要因素，且这些信息在项目建设前期就方便获取。根据主要影响因素的类型，通过划分属性单元来表征隧道案例，提取出的每个属性单元都影响隧道开挖方法的选择，同时也是相似案例检索的重要依据。结合TB 10003—2016《铁路隧道设计规范》，从设计因素、地质环境和地理环境3 方面选取13 个属性单元来实现案例的表征，见图1。

图1 属性单元及层次结构

属性单元的值是开挖方案设计中的重要内容，也是案例数字化、规则化表达的依据。图1 中的属性单元按属性值可分为两种表示形式。

1）数值型：隧道长度c1、线路设计速度c3、穿越断层数目c5、最大渗水量c6、最高地温c9、地震动峰值加速度c10、最冷月平均气温c11、最大埋深c12、海拔高度c13。

2）等级型：隧道断面类型c2、围岩级别c4、节理发育程度c7、地应力级别c8。

对于数值型单元而言，每个方案都有各自的属性值，为了实现方案之间相似度计算的合理性、便捷性，将其进行规范化的等级划分处理，用数字1—5分别表示对应的等级。划分依据见表1。

表1 属性单元值等级划分

2 隧道开挖相似方案设计决策方法

2.1 相似决策模型

相似决策模型是案例匹配的依据。制约隧道方案设计的工程特性、地理属性、地质属性等因素具有空间的多维度特征。根据空间多维度相似的基本理论，并结合表1的属性单元等级划分标准，两座铁路隧道开挖方案的相似度函数可由Q来表征［10］，即

式中：K、L分别为隧道A、隧道B包含的属性单元个数；Ng为两座隧道设计方案均有属性值的单元个数；ci为每一个单元的属性值，i为属性单元的序号。

由于获取的隧道工程案例信息可能会存在部分单元属性值缺失的情形，为规避在这种情况下相似度不能计算的问题，对两个隧道A、B 开挖方案设定属性单元的数量相似度ssl，计算公式为

式中：Nmax为隧道方案中属性单元数目的最大值。

隧道方案单个属性单元的相似度s（ci）计算公式为

式中：cAi、cBi分别为隧道A、B第i个单元对应的属性值。

由于不同属性单元对隧道开挖设计方案的影响程度不同，具有不同的重要性，为体现单元间的差异化作用，对属性单元c1，c2，…，cn设立权重w1，w2，…，wn，则由单元属性值确定的隧道方案属性相似度Ssx为

根据以上确定的单元的数量相似度和属性相似度的计算内容，综合后得到两座铁路隧道开挖方案的总相似度S（A，B）为

2.2 案例相似度计算

相似度计算实现了案例间相似程度的量化，隧道开挖方案设计受多因素共同影响，属性单元的作用程度和机理差异明显，应分别计算其重要性系数。层次赋权法能够充分利用定性、定量相结合的优势计算指标权重。根据图1 的属性单元层次结构，利用层次赋权法可有效地计算出各单元的重要性系数。模型共分3层，第一层为设计铁路隧道开挖方案，第二层为工程设计b1、地质环境b2、地理环境b3，第三层是具体的属性单元ci，i=1，2，…，n，按照图1所示的顺序排列。

先计算准则层（工程设计、地质环境、地理环境）对于开挖方案的权重系数，然后分别计算各单元对于准则层的重要性。在通过指标的一致性检验后，即可得到各属性单元的权重，计算结果见表2。

表2 各属性单元权重

隧道案例T1和T2由属性单元ci（i= 1，2，…，n）可分别表征如下。

T1：1 223 m、单洞双线、160 km/h、［Ⅳ，Ⅴ）、穿越断层0 条、0.364 m3/（d·m）、弱发育、低地应力、22.4 ℃、0.15g、4.3 ℃、205 m、1 391 m；

T2：1 065 m、单洞双线、160 km/h、［Ⅳ，Ⅴ）、穿越断层1 条、0.235 m3/（d·m）、发育、高地应力、18.7 ℃、0.20g、3.5 ℃、182 m、1 624 m。

根据表1 对T1、T2的单元特征值进行等级划分，并由式（5）计算T1和T2的相似度，公式为

相似度是判断两个案例相似程度的量化指标，相似度较高的案例会有更多的共性。为减小计算量，并提升案例库的检索效率，在进行相似案例匹配时，可根据对隧道开挖方案查找的相似度设定一个阈值，这样就会只得到与新建项目相似度较高的案例。由于单洞双线隧道与单洞单线隧道设计具有较大差异，构建的算法中进行相似度匹配时，先对这一条件进行判断，通过后再计算2个隧道方案的整体相似度。

在既有设计案例的经验重用时，若两个方案之间的相似度过小，则表明隧道工程所处的工程环境差异过大，不能用库中案例来解决实际工程问题。根据对设计方案的统计分析，并参考已有研究成果，当案例间的相似度大于0.8 时［11］，将库中案例作为新项目的初步设计方案，对其进行修正后可实现新项目的设计，能达到较为满意的开挖方案设计结果。因此，将整体相似度临界值设定为0.8，作为既有案例及其经验重用的依据。

3 基于GIS的隧道工程案例库

3.1 案例库设计与案例存储

由于相似案例匹配的成功与否很大程度上取决于案例库的性能和质量，一个存储海量案例的案例库是实现项目设计决策的前提条件。GIS 数据库可以同时实现属性数据和图形数据（矢量数据、栅格数据）的双重管理，且存储的数据还可以带有地理空间位置属性，方便隧道工程的分类管理和查询。组件式GIS 是指通过.NET 组件对象平台，利用C#、Java 等计算机语言，根据实际功能需求对GIS软件进行二次开发，构建适用于某特定功能的分析系统，有较好的扩展性和开放性，还具有二次开发便捷、高效的优势［12］。

案例库是工程方案设计决策的载体，系统中的数据类型比较丰富，主要为矢量数据、栅格数据、图片数据、Excel数据、文本等类型，实现对案例及其相关内容的存储。针对多源异构特征的各种数据，并根据方案设计实际需求，建立基于GIS 隧道案例库的系统模型框架，见图2。

图2 基于GIS铁路隧道案例库系统模型

基于属性单元的案例表征是案例存储、管理和应用的关键，也是设计中的重点，须通过统一的规则用符号化、规范化的语言进行表示。框架知识表示法由于具有较好的兼容性、推理机制和层次性，可以对多种信息、知识在不同的框架内自由组合，是当前最有效的知识表示形式之一。根据收集的既有案例资料［13-16］、影响因素作用机理和已划分属性单元的特征，采用框架知识表示法作为案例表征的方法，结合属性单元的特性，对于不同单元设定对应的存储规则，部分内容见表3。

表3 部分案例存储内容

3.2 案例库开发

在进行基于GIS 的隧道案例库二次开发设计时，首先利用 Visual Studio 2012 和.NET 平台，在Windows主窗体下选择一些ArcGIS Engine 中的可视化控件，根据实际的功能需求添加到主窗体中；然后分别添加 LicenseControl、MapControl、TOCCControl 和 Toolbar Control 控件。对 TOCCControl 和 ToolbarControl 实现地图绑定的程序代码为

隧道工程案例库由很多模块构成，主要包括案例分析、案例管理、空间分析等主要模块及其子菜单。根据各模块的功能需求进行相应的控件设置和代码编写。既有工程案例的部分信息须用文字形式进行呈现，查看相关信息时通过点击按钮即可实现。对保存在案例库中的既有工程设计经验txt 文档中的项目信息查看，实现其功能的部分关键代码为

既有相似案例经验是案例设计的主要内容，也是设计者对工程方案设计智慧的体现，应以文本形式存储，案例匹配完成后可以通过相关按钮查看。用txt存储的案例设计经验文本信息查看结果见图3。

图3 案例设计经验查看示例

3.3 案例库应用与相似案例查找

案例库是进行新项目方案设计的载体，其应用过程见图4，主要包括案例匹配、案例修正、案例学习和案例库入库，其中最关键的是科学使用既有案例及其设计经验。相似案例匹配是在案例库中查找到满足要求的既有案例，并根据项目的工程资料和属性单元划分标准将属性值标准化，为案例匹配提供参数支撑。对于工程设计而言，两个案例之间都会存在不同程度的细节差异，完全相同的两个案例几乎没有，故检索到相似案例后，其设计结果并不能直接使用，应根据案例之间的差异和实际工程特点进行适当的修改，进而将其作为新建隧道工程的开挖方案。

图4 案例库应用流程

案例库中案例的丰富性和完善性是解决工程问题的关键。应不断地将新案例补充到已构建的案例库中，增加案例的种类、数量和覆盖面，通过增量式学习的方式使设计系统不断积累经验，从而提高方案设计的水平和科学性。

利用案例库进行开挖方案设计时，案例匹配与修正是最关键的步骤。利用SQL 语言进行查询，关键词可为多个词语或一条语句，保证了检索的自由度和信息的查全率。若存在满足条件的相似案例，则会有一个符合条件的案例集，通过构建的相似度模型及其算法得到方案间的相似度值。例如，若要查找出兰新（兰州—乌鲁木齐）高速铁路中长度9 000 m 左右、海拔超过3 000 m 的高地应力隧道，针对隧道的项目特性构造逻辑表达式，编写其模糊查询表达式，见图5。

图5 查询表达式编写

在查询表达式构造完成后，对语句进行准确性验证。通过后即可查找出满足查询条件的案例，最相似案例的匹配结果见图6。

图6 查询结果

4 工程应用

某山区铁路隧道为长度约615 m 的单洞双线隧道。根据工程设计方案，最大埋深116.6 m，主要以Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，洞身段位于两级围岩的交界处，拱顶侧壁易坍塌，主要的工程问题为围岩软弱破碎、地下水问题突出，经常性突泥，遇水容易变形的坍塌地质。隧道的地质地理特性见表4。

表4 拟建隧道的属性

根据新隧道的工程特性和地质地理环境属性，利用单元值在案例库中查找与拟建项目相似度最高的案例，结果为成昆铁路沈家坝2#隧道，且相似度为0.815，大于案例重用的临界值，可将该隧道开挖方案作为新项目的初步设计方案。沈家坝2#隧道的开挖方法有超前支护弱爆开挖法、台阶法。

根据最相似案例的地质地理特性及工程经验，并结合该隧道实际的情况，确定开挖方案如下：

1）由于隧道进出口位于浅埋地段，以土层为主，工程地质条件差，容易导致拱顶坍塌，故在进口采用超前支护弱爆开挖法进行施工作业，并在施工时加强围岩变形的监控量测。

2）在Ⅴ级围岩地段，岩性主要为较破碎的千枚岩、板岩，将开挖方法定为三台阶加临时仰拱法，采用曲墙带仰拱的复合衬式衬砌结构形式，复合式衬砌由初期支护、防水隔离层与二次衬砌组成。

3）在Ⅳ级围岩地段，掌子面干燥无水、围岩整体完整性较好，为保证施工进度，采用两台阶法开挖。

4）针对本隧道的情况，在隧道开挖过程中严格执行“短进尺、弱扰动、强支护、快封闭、勤测量”的原则，保证隧道施工安全科学地进行。

5 结语

根据铁路隧道工程的设计特点，从工程设计、地质环境和地理环境3 方面选取了13 个属性单元表征隧道工程案例，借助相似理论建立了隧道开挖方案相似决策模型及相似度量化计算方法。基于组件式GIS技术和. NET 平台，利用C#语言建立了基于GIS 的铁路隧道工程案例库系统，实现了对既有隧道工程案例的存储管理和相似案例的匹配，并根据系统的功能对工程的地质、地形等因素进行空间分析。以工程资料为依据进行了铁路隧道开挖方案智能设计方法的应用，进一步验证了该方法的可行性和有效性，可供今后隧道工程方案智能化设计参考。