基于透明隧道的全寿命周期管理方法在水下隧道的应用研究

解亚龙,王万齐,周 平,刘 伟,宋树宝

(1.中国铁道科学研究院集团有限公司电子计算技术研究所,北京 100081； 2.中国铁路广州局集团有限公司江门工程建设指挥部,广东江门 529000； 3.北京经纬信息技术有限公司,北京 100081)

引言

近年来，我国水下隧道特别是高铁水下隧道建设逐渐增多，大量水底隧道的成功修建，促进了我国水下隧道建设技术水平的提升。孙飞祥等[1]针对水下隧道盾构法与矿山法对接施工过程中可能发生的风险和防控措施进行了论证；李昌友等[2]针对水下隧道施工过程中突泥突水与塌方风险，利用模糊综合层次模型建立了评估算法，对水下隧道施工风险预判和评估起到了一定作用；张健[3]利用风险管理的理念，系统识别了南湖路湘江隧道的施工风险，建立了风险清单，开展综合风险评价，指导隧道施工；卢浩等[4]对水下盾构法施工安全风险评估进行了探讨，利用肯特指数法建立评估模型，取得一定效果。由于水下隧道的施工风险大，地质条件复杂、影响因素多等问题，很多学者开展了相关研究，但在水底隧道的智能化应用实践方面还未见报道。结合珠江口隧道施工特点，系统提出水下隧道智能化方案，为后续水底隧道施工提供借鉴和参考。

在隧道施工掘进过程中，地质条件一直是制约隧道开挖施作的一个重要影响因素，“地质情况像玻璃一样透明”一直是隧道施工和维护人员的梦想[5]，因此，建立一个多维度、数字化、可视化的隧道工作面模型和隧道地质模型，实现隧道地质特征的可视化，是实现隧道全寿命周期管理的前提条件。

铁路隧道在勘察设计完成后，对于施工人员来讲，仍然存在很多不可知因素和许多不透明的情况。因此，在施工过程中采用边施工边探测地质的方法，利用超前地质预报、地质素描、围岩监测等手段，进一步掌握隧道地质情况，同步形成建设过程真实可追溯的信息。当隧道竣工时，隧道地质未知因素逐渐降低为零，通过信息化手段集成过程资料，能够给运维单位交付一个完整、透明、全面的数字化隧道信息模型，是透明隧道的初衷。

1 透明隧道全域模型

众所周知，隧道结构体系是由围岩和支护结构共同组成的，其中，围岩是主要的承载元素，支护结构是辅助性的，但通常也必不可少，在某些情况下，支护结构起主要承载作用。围绕隧道施工管理，开挖区域的地质情况仍存在不透明且不确定性的问题，因此，提出透明工作面的概念。透明工作面的提法源于“透明地球”的概念，是地球物理探测理论及技术在隧道开挖掘进领域的具体应用和体现，透明工作面利用物联网、BIM技术、大数据和人工智能等技术手段，在隧道开挖过程中，构建实时数据支撑的动态透明数据模型，降低或解决隧道地质体和地质结构的复杂性和不可预见性导致的各类施工风险，指导隧道开挖工作。

对运维养护人员，引起隧道病害的施工过程质量和衬砌背后的地质情况往往存在不透明和不可知的问题。为完整解决这一问题，围绕隧道全寿命周期管理提出透明隧道的概念，利用物联网、AI、BIM仿真、三维成像等各类新技术，在隧道施工过程中同步动态采集、整理、重组各类地质信息、施工过程信息及养护维修信息，形成综合性隧道数字模型，为隧道全寿命周期管理提供方便、全面、准确的隧道三维数据模型，辅助隧道施工运维决策智能化。

在实际隧道运维工作中，受限于没有真实、准确的隧道地质资料，只有勘察设计资料，而勘察设计资料往往存在勘察设计深度不足，不能代表真实的隧道情况。因此，在隧道发生病害进行诊断和整治时往往缺乏真实的数据支撑，在长大隧道运维中尤其凸显，成为制约隧道运维的关键因素。隧道施工过程中，及时采集围岩变化的情况，通过地质素描技术，形成真实的地质情况描述，不但可以指导隧道施工，而且在隧道竣工时，可形成“一隧一图”的完整地质资料，在竣工交付时能够为运维单位提供一个真实完备的隧道地质三维描述图，为隧道后期健康状态评估、健康趋势分析提供真实的数据基础。一旦施工期间未采集这个信息，则隧道地质资料可能会永久缺失。因此，在施工阶段真实、及时地采集地质数据成为一个关键环节，在隧道竣工时形成一个隧道全寿命周期追溯系统，记载每个循环的地质情况、图片信息、素描情况，初支情况、衬砌情况，施工冷缝的处理情况等，附加勘察设计资料，整体形成一个隧道建造全过程系统，作为隧道运维的初始状态或零点状态，为隧道长期运维管理开个好头，解决隧道运维“先天不足”的问题。由于珠江口隧道特殊性，将来必定是运维管理的重点和难点，建立全过程的透明隧道系统是非常关键且必要的。

2 透明隧道平台技术架构

透明隧道本质上是隧道全过程、全寿命周期的信息化管理，是一个复杂的系统工程，从信息系统的技术架构来看，基本上分为感知层、传输层和应用层，数据汇集交付和全寿命周期应用等，具体见图1。

图1 透明隧道平台的技术架构

(1)感知层是透明隧道感知信息的触手，是整个体系的基础，通过采集隧道施工、运维过程中的人员、装备、材料、环境、检测过程等信息，为决策分析和应用提供支撑。感知层负责数据采集，主要包括作业过程数据采集及检测、量测数据采集。

作业过程数据包括装备动态感知和人工作业记录两种方式，其中，装备动态感知数据具有采集频率高、数据量大等特征，是整个作业过程中最为详尽的过程记录，且数据连续，其详细记录了智能施工装备各项系统运转实测值、参数、状态等信息，根据智能施工装备的作业特征，借助平台系统各数据接口，以某个采集频率对数据进行采样、量化、编码，并按照某种特定的规则进行数据清洗与转换，形成满足数据分析计算要求的格式，通过计算分析来表征围岩、支护和机械状态。以凿岩台车施工为例，通过采集钻进参数等钻孔日志相关数据，上传至平台后进行数据分析，用于围岩的智能分级。人工作业记录以工序写实为主，通过在每个工序施工过程中及时进行文字、照片、视频等记录，并形成结构化的数据表格，方便统计分析。

检测及量测数据是指施工前测量放样的数据以及施工后工程实体部位的检测数据，借助各类测量仪器、作业台车、检测台车，对隧道表面、轮廓、预埋件进行定位、测试、扫描等操作，并对结果进行采样、编码、清洗、转换形成的数据。例如，采用激光点云扫描系统快速形成点云数据，及时进行数据处理和分析，实现隧道超欠挖分析、净空分析，支持隧道开挖、初支、衬砌等工序的净空缺陷定位，方量和衬砌厚度计算和全息变形监测等，实现检测智能化和便捷化。

(2)传输层是连接感知层和应用层的纽带，将感知层采集的信息通过各种网络技术进行汇集、上传，供进一步分析及利用。传输层的主要技术包括无线自组网、超级WiFi、互联网、5G、无线中继等。

(3)应用层是智能施工的大脑，将现场采集的海量数据，经过数据挖掘、统计分析，形成业务领域的信息化应用。应用层是透明隧道主要的功能体现和关键价值信息的来源，应用围岩自动识别、地质预报、三维激光点云扫描、BIM技术、图像自动识别等技术，实现钻爆法隧道、盾构隧道的安全风险、施工进度、工序质量、变更设计等智能化管理。

通过施工阶段持续不断的采集和汇总数据，形成隧道地质的数字化成果，经过数据重组和整理后，为隧道全寿命周期管理提供透明准确的数据资产视图。

实现隧道的智能化施工，围岩智能判识与识别是其中的关键一项，尤其是采用机械化配套的隧道施工管理中，通过超前地质预报技术，结合全电脑三臂凿岩台车随钻参数采集和分析[6-7]，快速地质素描等技术，实现对掌子面信息、围岩坚硬程度与破碎情况、地下水与空洞发育情况等围岩信息的智能化采集，建立“地质预报+钻进参数+素描照片∞围岩级别”的样本库，应用支持向量机、BP神经网络、卷积神经网络等多种机器学习算法建立围岩智能分级模型[8]，研制围岩自动识别和地质分析软件，快速生成隧道地质云图，直观反映掌子面、洞身周围的围岩岩性和裂隙发育情况，技术方案见图2。

图2 围岩智能分级系统技术方案

对于机械化配套不足的隧道施工管理，无法通过钻机参数采集地质信息，通过超前地质预报技术形成地质断面图[9-11]，同时应用基于图像识别的隧道扫描仪对掌子面拍照，自动提取掌子面节理发育等信息，定量计算岩体的完整程度，自动实现围岩分级，快速形成地质成像，通过持续不断的掌子面成像，形成隧道全息地质影像成果资料，实现隧道地质影像的三维重构。

同时，建立常用的隧道BIM标准构件库，利用参数化建模技术，实现隧道(洞门、洞身、附属设施、支护结构等重点部位)快速建模，基于地质断面图或钻孔建立真实的三维地质模型，集成地质预报信息(掌子面素描、钻探、TSP、地质雷达等)，为决策者提供地质情况的综合分析报告，支持地质模型的任意剖切，集成施工测量信息和施工过程质量信息，实时汇集各类施作质量数据，形成完整、准确、全面的隧道设计、施工全过程资料，形成了全过程的透明隧道三维模型，具体见图3。

图3 隧道地质云图模型

3 应用验证

3.1 工程概况

珠江口隧道工程项目位于东莞、广州之间的珠江入海口，是新建深圳至江门铁路的控制工程，隧道全长13 690 m，是目前国内隧道矿山法施工最深的水下隧道。由于本项目工程地质、水文条件复杂，岸线以内港口、码头、航道、锚地众多，拟采用“浅埋明挖法+两端盾构法+中间矿山法”组合方案进行施工，隧道纵断面见图4。

图4 珠江口隧道纵断面示意(单位：m)

隧道浅埋段及工作井采用明挖法施工，并根据水文地质情况及埋深确定围护结构形式，主体结构采用模筑混凝土衬砌。

盾构法区段水下最大埋深约93 m，隧底最大水头差106 m；矿山法段水下最大埋深约104 m，隧底最大水头差约115 m，因此，控制好高水压盾构密封技术是当前必须解决的难题，盾构掘进既有长距离穿越硬岩地层，也有长距离穿越的软硬不均地层，长距离软硬不均掘进对刀盘的强度要求极高。

矿山法段隧道最大水下埋深约104 m(国内最深矿山法隧道)，存在多个断层破碎带，经过围岩断层破碎带风化槽时，水压高，水量大，将可能发生涌泥、涌砂、突水、冒顶的安全风险。

3.2 透明隧道的智能化实践

由于珠江口隧道特殊复杂的工程特点，面临较大的工期、安全和质量管理压力，需借助信息化手段，对隧道施工过程开展全程监测和管控，提高施工管理的智能化水平；同时，利用各个工序的信息系统形成完整真实的数字化写实和记录，为隧道全寿命周期管理提供三维的管理手段。

珠江口隧道全寿命周期透明管理的总体技术框架如图5所示。

图5 珠江口隧道全寿命周期透明管理方案

(1)勘察地质成果管理

勘察地质成果主要通过工程地质图和地质模型的方式表达隧址范围内地质变化和风险情况，实现地质模型，地质风险、地质图等资料的关联管理，构建了隧道初期数字化的地质资产，为施工方案提供指导。在后期施工过程中，需融合超前地质预报、高清掌子面素描矢量图，掌子面开挖揭示的断面地质信息，动态更新地勘阶段的地质模型信息，实现对隧址范围内地质模型更新。

(2)明挖段安全监测

明挖段和工作井段，由于基坑开挖过程中，周边地层透水性强，地面荷载过大，容易出现基坑失稳的情况。因此，需严格安全监测，应用基坑监测系统，确保基坑施工安全，同时，及时进行围护结构施工。

深基坑工程施工时，监测工作是重中之重，传统的监测方式普遍存在监测频率不足、数据失真、监测随意、风险提醒不够及时、直观等问题[12]。通过建立珠江口隧道明挖段和工作井段基坑监测系统，以BIM模型为载体，融合多种监测数据，将施工过程基坑监测数据实时上传至集成化管理平台，通过BIM模型展示基坑安全状态。针对不同的数据预警发布对应的处置指令，纠正现场施工偏差，确保基坑安全稳固，达到“实时感知风险、快速预报风险、形象展现风险、有效控制风险”的目标。深基坑监测系统的技术架构如图6所示。

图6 深基坑监测系统技术架构

(3)盾构段智能化管理

盾构段根据工程特点，需在盾构掘进、管片拼装、壁后注浆3个环节加强智能化管控[13-14]，同时加强出土量监测和二次注浆监测。

① 盾构机监控

建立盾构施工信息监控系统，通过高频次采集盾构机各子系统传感器数据，对盾构机工作状态、轴力、扭矩、掘进速度、注浆量等参数进行实时监控，实现盾构隧道掘进过程中盾构机掘进参数的实时监控[15-16]，并根据地质变化、隧道埋深、上方荷载、地表沉降、盾构机姿态、刀盘扭矩、千斤顶推力等各种数据信息，随时调整盾构机参数，正确下达推进指令；同时提醒盾构机操作人员须严格执行指令，谨慎操作，对初始出现的小偏差应及时纠正，尽量避免盾构机走“蛇”形，盾构机一次纠偏量不宜过大，以减少对地层的扰动。

同时，通过数据接口的形式，将盾构机监控室数据传送至互联网，让用户通过电脑随时随地查看盾构机推进参数，实现施工方为主体，多方共同监管的模式。

② 管片生产及拼装全过程管理

管片是盾构施工的主要装配构件，是隧道的最内层屏障，用来抵抗土层压力和地下水压力，因此，管片质量直接关系到隧道的整体质量和安全，影响隧道的防水性和耐久性。

为确保管片生产、运输和拼装质量，采用管片生产及拼装管理系统，利用二维码对每片管片进行唯一性的身份标识，通过移动端APP或PC端的质量填报系统，实现管片生产各工序物资信息、试验信息、生产进度、成品把控、产能分析、管片生产台账、检验批生成等信息综合分析管理，实现隧道管片拼装质量信息、管片椭圆度、管片病害以及成环隧道轴线偏差等质量数据可视化分析，将现场管片拼装质量数据上传至云端协同管理平台，全面掌握盾构管片生产进度、质量和工效。

(4)钻爆法段智能化管理

本段钻爆段隧道按Ⅰ型机械化配套施工，Ⅲ级围岩尽量采用全断面法开挖，Ⅳ级地段采用微台阶法施工(当掌子面稳定性差时，对掌子面超前加固)，Ⅴ级围岩一般地段采用三台阶临时仰拱法开挖，Ⅴ级围岩断层破碎带、风化槽采用CRD法施工。

钻爆法施工作业线主要分为超前支护作业线、开挖作业线、初期支护作业线和二次衬砌作业线，根据机械化配套程度，Ⅰ型机械化配套在超前支护、开挖和初期支护作业线配置了全电脑三臂凿岩台车，钻爆段的智能化方案如下。

①超前地质预报及围岩自动分级

利用超前地质预报系统的采集信息，结合智能凿岩台车自动上传超前钻孔的随钻参数和掌子面地质素描的三维成像信息，输入围岩智能分级系统，利用神经网络训练的收敛模型，自动判断掌子面前方地质情况[17]。

②爆破开挖智能化及信息自动采集

利用三维激光扫描软件及围岩智能分级系统，对上循环开挖断面超欠挖情况和围岩情况进行综合分析，动态调整周边眼间距、周边眼及辅助眼装药量，周边眼开孔位置等爆破参数，利用长短眼技术，减小因钻杆外插角过大造成的超挖。

③其他智能化手段

衬砌施工阶段采用物联网技术，采集顶部压力、拱顶空洞、浇筑方量、端部搭接、自动振捣等数据信息，实现衬砌作业的智能化施工。

利用工序循环系统开展工序循环写实，开展大数据分析，坚持问题导向，协助施工单位持续改进隧道施工管理、设备管理和劳务管理，持续提升施工效率。

利用火工品管理系统，实现火工品存、领、用等流程管理和特种运输车辆轨迹跟踪，给现场管理提供抓手，实现爆破管理规范化和信息化。

结合BIM模型对围岩分级结果进行展示，通过颜色对风险等级进行区分，形成隧道地质云图，支持施工建议和属性信息的快速查询。

(5)钻爆法与盾构法对接段三维仿真

钻爆段通过斜井向两侧施工，矿山法先施工至对接里程、扩挖盾构机接收洞室，盾构机空推至接收洞室内解体运出，可能存在由于对接面两侧的水土压力不平衡，隧道贯通过程中开挖面失稳破坏的情况。利用BIM技术对矿山法和盾构法施工对阶段的施工工艺进行虚拟仿真模拟，对施工方案进行比选，保障施工安全，提升对接精度。

(6)全寿命周期透明管理

应用全寿命周期透明隧道管理系统，通过勘察地质成果的三维表达与管理，利用BIM模型数据集成的特点，持续集成隧道开挖揭示的地质情况、掌子面影像和自动素描照片[18-19]，以及隧道围岩分级系统结果，形成同一个里程断面上设计与实际地质情况的比对。通过构建技术动态调整隧址范围内的BIM模型，通过颜色、纹理展示隧道揭示的地质情况，结合专家分析系统，给出该地质情况下的施工措施和方案。集成隧道地质预报结果、地质影像与视频、地质素描云图、围岩变形情况、衬砌施工情况等信息，不断积累沉淀各工序施作过程中采集的施工过程数据，按照“隧道—工点—里程段落”和“勘察—施工—运维”两种维度组织形成不同断面里程上全寿命周期的隧道数字资产。同时，将设计里程转换为运营里程，按照运维管理的跨度重组数据，服务隧道全寿命周期管理，最终形成宝贵的服务全寿命周期管理的透明隧道数据资产，为日后长达数十年的养护维护、病害整治提供真实、准确、可透视的依据[20]。

4 应用效果

珠江口隧道是典型的水下隧道，施工方法分为明挖法、盾构法及钻爆法，采用透明隧道的智能施工技术，在隧道施工进度水平，超欠挖控制、变形量控制、隧道安全风险管控、全生命周期的地质信息采集方面取得了较好的应用效果。同时，坚持工序循环写实记录，围绕施工管理要点，制定关键指标，配套相关的奖惩制度，提升隧道施工精细化管理水平，隧道智能建造的效果逐渐显现。目前，隧道正处在施工阶段，同步积累了宝贵的隧道地质和施工过程资料，必将在隧道运维和全寿命周期管理方面发挥巨大价值。

5 结论

结合我国铁路隧道施工和维护的现状和需求，特别是针对隧道地质情况的不可控、不透明、不掌握完备信息问题，提出了透明隧道、透明工作面的概念和技术架构，综合利用物联网、BIM仿真、三维成像、图像识别等各类新技术，在隧道施工过程中同步动态采集、整理、重组各类施工环境、工程地质、施工过程及养护维修信息，形成综合性的全寿命周期隧道模型，形成“一隧一图”的三维数字档案。以珠江口隧道为例，利用勘察地质成果管理，实现隧址范围内数字化可视化的地质风险图谱，在勘察地质的基础上，分别针对明挖段、盾构段、钻爆法段以及对接段提出了较为全面的智能化手段。结合施工过程中超前地质预报信息、随钻参数信息和掌子面地质素描信息，应用围岩智能分级系统，综合判断掌子面前方地质情况，降低施工风险，积累了大量施工过程的有效数据，既提高施工管理水平，同时整体汇集成隧道全寿命透明可信的数据资产，有效提升隧道施工运维的管理效率，是铁路智能建造体系的深化和隧道智能运维的数据基座。