中国铁路隧道智能化建造实现路径探讨

田四明，吴克非，王志伟，王明年，马伟斌，易文豪

(1.山东大学 齐鲁交通学院，山东 济南 250061；2.中国铁路经济规划研究院有限公司， 北京 100038；3.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；4.西南交通大学 土木工程学院，四川 成都 610031；5.西南交通大学 隧道工程教育部重点实验室，四川 成都 610031)

2015年，我国政府提出了“中国制造2025”[1-2]第一个十年行动纲领，力争用10年时间使我国迈入制造强国行列，全面实现制造业重点领域智能化。2018年，中国铁路总公司提出“交通强国，铁路先行”战略目标[3-4]及智能铁路总体框架与发展方向。山岭隧道的智能建造是中国“智能铁路”的重要组成部分，代表了未来山岭隧道建设的发展方向[5]。

中国铁路隧道建设发展已有130余年历史，总体上看，可划分为技术起步、初步发展、快速发展、日趋成熟乃至未来引领世界4个阶段[5-8]。2010年以来，隧道大断面设计施工工法及大型机械化配套技术逐步得到推广，对主动支护体系的重视程度越来越高，以设计为核心的智能化建造技术应用开始探索并初步实践。

我国改革开放40年来，共建成隧道1.2万余座，总长约1.7万 km(占中国铁路隧道总长度的90%)。其中，“十一五”期间建成铁路隧道2 262座，总长约2 686 km(占比14%)，“十二五”期间建成铁路隧道3 611座，总长约6 038 km(占比31%)，“十三五”期间建成铁路隧道3 387座，总长约6 592 km(占比33%)[9]。这40年间，我国隧道建设水平和设计理论得到了快速发展，在勘察、设计、施工、装备、信息化应用等方面取得了一大批创新成果，建成了一批特长、超深埋、超大断面、高寒、高海拔等长大复杂隧道工程，隧道工程规模位居世界第一。

近年来，在郑万、京张高铁等多条铁路线路的隧道工程建设实践中，建设理念逐步向基于围岩变形主动控制的支护设计施工方面转变，建造过程中GIS、BIM、空天地一体化勘察、大型谱系化机械装备等方面的配套应用，进一步推动了隧道智能化建造的发展。典型线路隧道工程的科研成果及工程实践为隧道工程智能化建造技术的推广应用奠定了基础，也为复杂艰险山区铁路隧道智能化技术应用具备了一定的条件。

自2020年以来，具有“三高”(海拔高、地应力高、岩温高)、“四多”(活动断裂多、岩爆多、软岩大变形多、地震多)、“五难”(地质勘察难、辅助坑道难、大临工程难、弃渣难、物资保障难)特点的高海拔铁路隧道工程正式开工，为隧道智能化建造技术的发展应用提出了新挑战的同时，也为隧道工程建设新理论、新方法、新装备、新理念的实践提供了广阔的空间。

大规模的隧道工程建设，需要人机物料的全方位保障。如何基于当前国情以及国际隧道建造体系，减少劳动力投入，提高中国隧道安全、质量、进度等建造要求，实现中国铁路隧道智能化建造成为了当前的研究重点。本文从隧道智能化建造的总体架构出发展开论述，阐述了技术体系组成和剖析技术发展现状，在当前中国铁路隧道初步构建的中国铁路隧道智能化建造V1.0基础上，提出了智能化建造技术提升方向和解决路径，并提出发展愿景。

1 铁路隧道智能化建造概念及架构

1.1 基本概念及内涵

铁路隧道智能化建造依托自动化、信息化、可视化等技术，通过对地质、结构、机械、人员和材料等信息的综合管理，集约化利用时间、空间、人力资源，实现隧道建设安全可靠、绿色高效的建造技术体系。

铁路隧道智能化建造涵盖基础理论、地质判识、设计方法、工艺工法、协同管理5个方面，隧道智能化建造涵盖范围见图1。基础理论是基石，包含围岩力学特性分析及围岩压力计算、支护与围岩动态作用关系、支护结构体系构件协同作用极限能力；地质判识是前提，包含地质勘察设备、解译技术和综合判释联合反演技术；设计方法是核心，智能化建造中的设计理论和方法已经进阶至围岩变形主动控制设计方法，以及在此基础上的设计参数智能化选择和支护结构安全动态评估方法，围岩变形主动控制方法是前提和先决条件，参数的智能化选择是实现方法，安全动态评估是过程监督和安全性验证；工艺工法是手段，涵盖施工过程中的机械化信息化融合、安全控制和基于物联网的监测检测；协同管理是目的，包括标准化管理模式、信息化管控平台和全生命周期系统性数据存储。

图1 隧道智能化建造涵盖范围

1.2 体系组成

按照隧道工程建造工序，智能建造技术体系涵盖5个方面：多源地质信息智能获取与综合判识、基于多源地质信息融合的围岩质量智能评价、基于围岩变形主动控制的隧道支护体系设计理论与方法、与设计方法互相适配的智能化施工以及协同管控信息化综合平台。铁路隧道智能化建造技术体系组成见图2。

图2 铁路隧道智能化建造技术体系组成

1.3 功能架构

隧道智能化建造包括资源要素数据感知、生产过程控制和管理应用数据分析三个层级。基于数字化隧道的建设理念，通过数据流串联沟通，利用物联网技术和传感技术实现数据信息实时采集，智能决策，数据库存储，确保施工过程数据信息的及时性、真实性和可控性，减少人工干预，实现设计、施工过程之间的数据统一。通过物联网将智能机械、智能传感器、工作人员和软件平台融为一体，构建高效、节能、环保、舒适的隧道施工现场环境和管理平台，实现隧道施工作业过程PDCA(Plan Do Check Action)循环的闭环控制。通过数据流，打通下游施工资源要素数据与上游管理数据，最终在平台端实现设计、施工、物资、计财等方面的展示与控制。

2 隧道智能化建造技术发展现状

2.1 多源异构地质信息融合及智能判释技术发展现状

由于地下空间地质条件分布的随机性和不确定性，单一的地质信息采集方案，如地质雷达、TSP法等，难以准确的反映真实的地质条件。

多源异构地质信息中“多源”指地质信息的来源不同，具体包括地质调查法、地质雷达、TSP法、POS数码航空影像、高分辨率卫星影像、机载LIDAR(激光雷达)、三维激光扫描和超前长距离水平钻等；“异构”指地质信息类型及其表述形式的差异性。其融合手段按照方法的本质分为基于规则的方法、基于估计的方法和基于分类的方法。

当前，智能化装备及配套识别技术、地质信息反演分析智能算法成为了铁路山岭隧道智能建造的研究重点和发展方向。文献[10]依托郑万高速铁路基于智能型凿岩台车采集的4项钻进参数和机器学习原理，实现了郑万高铁掌子面围岩实时动态分级，但由于隧道现场施工环境和进度的限制，采集的样本数量较少，模型的泛化性还有待进一步提高。文献[11]通过红外相机拍摄掌子面图像，判释了掌子面主要结构面信息，构建了岩体三维模型。但由于隧道粉尘、施工机械、作业人员等环境因素的干扰，其判释准确度还有待进一步提高。

2.2 围岩质量智能评价技术发展现状

自18世纪末威尔聂尔提出岩体定性分类以来，岩体分级已经有200多年的历史，目前主要存在Q分类法、岩石质量指标RQD分类法、地质力学RMR分类法、工程岩体分级标准BQ分类等方法。但上述方法上述围岩分级方法主要是给出围岩级别、地下水状态、极特殊地段的地应力预判。近年来，随着Bayes推理法[12-13]、BP神经网络[14-16]、模糊集理论[17-19]、D-S证据理论[20-23]等数学方法的逐渐成熟，围岩质量评价准确度得到了较大提高，但评价过程中任需要投入的人力物力较大，且得出的结果受地质人员经验影响较大。

现有研究表明，围岩质量智能识别的发展方向一定是常规传统分级方法与现代改进方法的融合，定量化、精细化、智能化将是围岩岩体质量评价的发展趋势。围绕智能化决策需求的围岩质量综合评价将是隧道智能化建造的主要发展方向。但是由于地质条件分布的随机性和不确定性，同时隧道施工进度和施工环境的限制，现场采集的部分数据数量和质量偏低，导致围岩质量智能评价过程中准确度偏低，各类围岩质量智能评价系统(平台)在实际运行过程中不稳定。

2.3 智能化设计发展现状

随着人工智能等方法的普及推广，远程设计和动态设计必将整合，真正做到工程措施的针对性、时效性，隧道建设更加安全、经济、可靠。

智能化设计是隧道智能化建造的核心，智能化设计理论仍然遵循“新奥法”理念，由此出发，基于信息化技术将二维设计发展为三维形象化设计。其核心是先进的设计理念，长期以来，受限于围岩压力计算方法的局限性，将塌方荷载直接用于结构受力安全性的验算，加之施工过程中对于支护时机把控不到位等因素，我国铁路隧道支护结构多数由“系统(砂浆)锚杄+喷射混凝土+钢拱架+二次衬砌”等组成，施工普遍强调被动支护，需要依靠围岩产生向洞内的变形或破坏来“诱发”支护结构受力，总体上属于被动支护体系。京张高速铁路、郑万高速铁路大跨度隧道建造过程中，由于开挖断面大、施工速度快，围岩与支护相互作用关系和采用传统分部开挖法施工有明显不同，由此带来围岩变形主动控制支护体系对围岩稳定性影响程度的变化。

当前针对基于围岩变形主动控制的隧道围岩支护体系协同作用机理研究尚不够深入，对应的设计技术应用样本不多，尚未形成可靠成熟的技术体系。这也是未来几年，铁路隧道设计人员研究攻关的热点和重点。

2.4 智能化施工技术发展现状

智能化施工具有装备的依赖性特征，近年来，京张高铁和郑万高铁典型隧道修建过程中，已经初步实现了全断面、微台阶法开挖，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等关键工序也基本实现了智能化装备的配套应用[24]。

如何实现从关键工序到全工序的智能化控制是实现中国铁路隧道智能化建造的关键。目前，国内铁路隧道智能化建造已经初步构成了隧道智能化建造V1.0，如郑万高铁智能建造；但在机械化装药的炸药选型、单位体积炸药消耗、炸药装填自动化程度等还需要进一步研究。

2.5 信息化管控平台发展现状

铁路隧道工程项目具有地质地貌情况复杂、多专业协作要求高、建设工期长、建设过程中风险相对较高、投资巨大等特点。信息化管控平台通过“硬件”实现数据的感知，“软件”实现数据的控制，“网络”实现数据的流动，“平台”实现数据的服务。

郑万高铁湖北段隧道工程建设过程中进行了实践，整合了围岩分级、设计参数优选与施工管理系统，开发了智能装备与现有数字化管理平台的接口软件，实现了装备数据存储、交互，构建了高速铁路山岭隧道协同管理平台。该平台将信息化管理的范围延伸至实际的设计与施工中，推动了标准化管理，为此类系统的开发升级及推广应用提供了有益的借鉴。然而由于现场施工环境、进度安排等多因素限制，钻进参数与对应的围岩级别样本采集数量有限，该类系统围岩分级准确度还有待进一步提高。同时，对于施工工法、施工组织安排较复杂的铁路隧道现场应用效果较差，其泛化性能还有待进一步提高。

当前不乏水平较高的信息化系统，但过多的子系统接入国铁集团铁路工程管理平台，使得系统多样，无统一标准。

3 隧道智能化建造技术提升方向与实现路径探讨

随着铁路建造技术的逐渐成熟，西南、西北等艰险山区的隧道工程日渐增多，这些项目普遍具有海拔高、埋深大、地质条件极其复杂等特点。虽然前期投入了大量的人力、物力、财力，开展了超常规的综合地质勘察，然而效果并不理想。地质条件的不确定性给隧道设计增大了难度，按照目前的信息化技术水平，在一定程度上减少了现场人员的投入，但是工作量仍然极大；地质基础资料准确性的问题尚需进一步开展技术攻关。针对建设过程中所面临的风险控制、效率提升和环境保护等问题，亟需开展复杂地质段的隧道智能化建造技术科研攻关相关工作。

3.1 多源异构地质信息融合及智能判识方面

针对当前多源异构地质信息融合及智能判识技术水平较低的问题，应发展基于传统预报方法的综合预报超前探测技术，并进一步深化研究隧道超前钻孔内综合探测技术，提高精度和准确性，结合机械化装备，综合运用多项技术，发展基于物探、钻探、化探、点云、监测、检测、视频等多源异构信息融合的围岩质量与不良地质超前智能评价预测方法。

综合隧道电法探测及水量估算、地震波反射法联合反演及解译、全空间回线源瞬变电磁探测、地质雷达与激化孔隧联合探测、随钻多参数实施探测等方法预报结果，提出基于机械化预报的先验信息联合反演理论与综合预报技术，实现隧道超前地质预报多源信息融合与智能快速解译，突破不良地质体的亚米级成像技术，实现由传统的人工解译向半自动、自动化转变，大幅提高解译效率与准确性。综合地质超前预报实现路径见图3。

图3 综合地质超前预报实现路径

基于目前的铁路隧道智能建造发展现状，进一步细化隧道必测项目和选测项目，扩充铁路隧道多源异构地质信息数据库，明确铁路隧道智能化建造指标，进一步开展多源异构地质信息采集技术方法和融合算法两个方面的专项研究，提高铁路隧道地质信息采集精度。同时，基于扩充后的数据库，优化现有的智能判识算法，提高智能判识的速度和准确度。

3.2 围岩质量智能评价方面

围岩质量智能评价方面，应在分类方法的客观性、综合性(考虑各类不良地质)方面提升，充分利用多源地质信息各类数据、解决指标众多、应用繁琐、智能化程度不高、分类标准体系不健全等问题。重点着眼于前期大量半自动数据采集、分析、应用，进行人工智能学习训练，实现围岩质量多因素、多参数与工程设计优选(钻爆参数、支护参数、支护时机、支护次序等)相互融合，确定围岩质量信息的主控参数，明确需要的多源异构地质信息采集方法及工作量。

利用前文所述获取的多源异构地质信息，采用贝叶斯、云计算、神经网路等智能算法实现信息的融合，得到围岩级别、RMR值、BQ值、Q值等现有的围岩质量评价指标。在此基础上，结合工程实践对现有的围岩质量评价指标融合、修正，提出适合中国铁路隧道智能化建造体系的围岩质量智能化综合指标，明确围岩质量智能判释方法，构建围岩渐进性评价模型，最终开发围岩质量智能判识系统。其中的关键技术为：多源异构地质信息采集方法，贝叶斯、云计算、神经网络等多源地质信息融合技术以及围岩渐进性评价模型构建方法。围岩质量智能评价实现路径见图4。

图4 围岩质量智能评价实现路径

3.3 智能化设计方面

智能化设计的提升方向，首先是设计理念方面。当前及未来一定时期内“新奥法”是设计理论的主流，其核心理念是控制或改善围岩的力学性态和变形，防止围岩的离散坍塌，而不是被动的提供支护来防治围岩坍塌[25]。近年来，隧道建设的管理、科研、设计、施工等部门越来越强调充分发挥围岩的自承能力，在施工中具体表现为以锚杆、锚索以及注浆加固地层等主动支护措施控制围岩变形。但变形主动控制理念的内涵、应用条件和适用范围等尚未在理论研究和实际应用形成统一的认识。

未来隧道智能化建造过程中需首先明确围岩变形主动控制的设计理论，即以围岩稳定性为前提，以变形主动控制为目标，依靠锚杆、喷混凝土等主动支护手段改善围岩物理力学参数，提高围岩自承能力，同时施加约束作用，实现围岩径向、环向变形动态主动约束，构建高安全性、经济性的围岩-锚杆-喷混主动支护体系。此外隧道施工是围岩-支护相互作用、动态平衡的过程，其作用规律随空间、时间不断变化，需重点研究开挖、支护各工序施工时间与掌子面围岩稳定性、未支护段围岩稳定性及洞身段围岩性的相关影响规律，以从机理上明确支护的分序、平行作业必要性、可行性、经济性，有效指导支护设计及现场施工组织管理。围岩变形主动控制设计方法见图5。

图5 围岩变形主动控制设计方法

设计理论与设计方法的付诸实践，应开展科研攻关。首先应掌握隧道主动支护与围岩相互作用机制及过程演化特点，掌握支护结构体系界面的力学演化规律。在此基础上，开展不同工况变形主动控制的关键设计参数研究、确立主动支护结构可靠性评价方法，提出支护参数智能反馈模型，重视锚固体系特别是锚杆(索)受力的跟踪监测，根据监测检测数据给出洞身稳定性及参数合理性评价，实现支护参数的及时合理动态调整。最后考虑设计与施工的衔接问题，建立变形主动控制支护体系基本框架，形成设计方法，给出适配的施工装备方案以及建议的施工工法和工艺。结合理念，设计理论，形成支护高效、安全可靠的主动支护技术体系。通过设计方法的程序化实现，作为信息化管控平台的核心纳入协同管控平台。智能化设计理论及方法实现路径见图6。

图6 智能化设计理论及方法实现路径

3.4 智能化施工方面

智能化施工的底层基础是大机装备的应用和信息化程度的提升，质的提升是装备与工艺工法的协调匹配，扩大推广覆盖面的前提是解决全工序协调问题，技术水平的整体提升取决于在复杂艰险环境中各类不良地质或高能地质的适应程度。少人化、甚至无人化的施工必将是智能化施工发展的远期目标。

基于变形主动控制的围岩支护成套体系及设计参数智能选择信息化系统，研发适应性强的谱系化施工装备，结合操作工艺、施工工艺、质量控制与基于物联网的监测检测技术，形成基于变形主动控制的隧道智能化施工技术体系，开发隧道智能化动态施工信息化系统。

目前国内智能化施工包括了开挖作业、超前支护、初期支护作业和二次衬砌作业五条作业线。各作业线配置了大型机械化配套装备，例如在初期支护作业线中，包括了混凝土湿喷台车、拱架台车和全电脑三臂凿岩台车等。

目前在爆破钻孔过程中，通过传统的超前地质预报结合三臂凿岩台车3D扫描软件及地质分析软件对上循环开挖断面超欠挖情况及前方围岩情况进行综合分析，动态调整钻爆参数-减小周边眼间距、减小周边眼及辅助眼药量、缩小开挖轮廓线。利用全电脑三臂凿岩台车全自动高效智能化钻孔，能够按照提前布置好的钻孔参数自动钻孔；位置、孔位、角度、深度等自动控制。但在爆破过程中炸药用量明显增加，超挖现象时有发生，有鉴于此，需进一步开展机械化装药和超欠挖控制技术专项研究，明确隧道机械爆破过程中超欠挖影响因素，优化爆破设计参数，提高隧道爆破过程中的安全性和经济性。

爆破完成后目前常采用射流风机进行通风排烟，必要时增加轴流风机辅助，运营阶段根据隧道长度、曲率等设计条件，合理布置射流风机实现隧道运营期间的通风。未来需开展物联网、数字孪生和大数据等技术在隧道通风控制技术的研究，实现隧道智能化通风，保障隧道空气质量。

开展智能化机械系统性工程研究，明确整体性和局部性的关系，优化现有的施工工序和机械性能，提高大型机械协同作业能力。例如，在出渣过程中，应进一步整合现有的智能化建造配套装备，实现挖机与装载机配合出渣，提高出渣效率。

3.5 信息化管控平台方面

隧道智能化建造信息化管理平台是实现隧道智能化建造的信息化支撑。把前述4个方面的信息化系统进行整合、互联、互通作为协同管理的数据基础，把隧道施工作业计划的智能编排、资源要素的优化调度、作业状态的动态监控、施工安全质量的精细化管控等作为协同管理的核心内容，把实现围岩级别的智能判识、支护参数的动态优化、隧道风险的有效管控作为协同管理的应用目标。

应明确信息化平台管理体系中各单位自上而下的管理权责，加强国铁大数据中心对于全路隧道建设数据的接受、汇集与安全保护，立足我国当前既有铁路隧道建设项目管理特点，将参建各方串联起来，综合铁路工程管理平台、建设单位的建设管理平台以及设计、施工、监理单位的各类OA平台，形成集约简统化顶层管理平台，实现建设过程的信息采集、安全管理、材料质量管控、验工计价、质量信誉评价等。依托科研课题及工程实践制定信息化管理平台技术标准，以技术标准、作业标准、管理标准为重点，建立适用于智能建造体系的标准化协同管理体系。

4 隧道智能化建造愿景

智能化建造的愿景既包括要达到的目标又包括对于隧道新型建造模式的期许。

目标辐射在智能化建造涵盖范围的5个方面：①基础理论方面，面向大断面、台阶法等各类工法，对于一般地质、高地应力、高岩温、高水压等特殊地质，既有针对性又有普适性；②地质判识方面，可以实现超前钻探、快速采集，实时传输，综合评价；③设计理论与方法方面，强调主动支护，可实现设计参数自动优化、施工组织自动匹配；④工法工艺方面，可实现全工序机械化施工、信息化质量评价、自动化监测检测；⑤协同管控方面，可实现简统化、集约化、标准化、高效化的全生命周期管理。上述5个方面的目标可统一概括为：“综合性多源信息智能获取与判识、智能化综合围岩质量评价、可视化围岩主动支护体系显示与投射、全方位谱系化智能装备组织与应用、综合性标准化全方位协同管控。在此基础上，形成智能化隧道设计体系，提升智能化装备应用和制造水平，推动信息化技术升级，提高建设质量管控水平，在少人化、自动化(机器人化)方面发力，最终实现少人(无人)化发力，构建绿色高效、少人(无人)、安全可靠的隧道智能化建造技术体系。隧道智能化建造目标见图7。

图7 隧道智能化建造目标

对于隧道新型建造模式，真正意义上建立数字化工地、实现数字化设计、实行数字化管理，建立虚拟隧道信息空间，将隧道作业面的开挖、初支、仰拱、二衬、排水等多条流水线，以及洞外的搅拌站、钢结构加工厂、物料仓库、实验室、控制中心等互联互通，真实、直观、动态展示隧道物理空间，并可进行远程的数据存储与调用、信息互通及分析、知识共享及传递，实现最终伴随决策客观及准确、软件丰富及易用、管理标准及简统的建造模式。

5 结束语

当前隧道工程智能化建造具备良好的发展基础和条件，同时面临前所未有的困难和挑战，既是研究热点，又是实践难点。物联网、大数据、云计算、人工智能、区块链等技术为智能化建造的推进提供了“术”的支持，核心设计理论和方法的转变为智能化发展提供了“道”的保障，文中所提隧道智能化建造的架构与技术组成一定程度上是上述各类先进技术或方法的有机融合与辩证应用，基于现状剖析的技术提升方向和实现路径是智能化建造快速实现较为可行的解决方案，可为智能化建造落地实践提供“法”的支撑。