水工隧洞施工智能化管理应用分析

齐国庆 郭 恒 王 亮

(陕西省引汉济渭工程建设有限公司，陕西 西安 710024)

随着工程建设技术的不断发展，水工隧洞工程趋向长距离、大埋深发展，其地质环境越发复杂，但目前的勘察技术所能获取的地质基础信息十分匮乏，且传统的水利工程大部分把信息化建设放在运行管理阶段[1-2]，在工程施工期信息化应用较少。面对施工环境复杂的长距离大埋深水工隧洞工程时，传统的建设管理手段已无法满足工程建设管理需要。因此需通过信息化、智能化技术和方法实现输水隧洞施工智能化管理来弥补传统施工管理模式的不足。而我国水工隧洞智能化技术应用、安全风险管理与控制策略研究现阶段仍在起步阶段，管理模型的自动化程度不高，影响工程管理及风险控制的可靠性和时效性[3]。因此，将社会上不断涌现的智能化的新技术，应用于工程现场管理[4]，实现智能化管理控制，保障施工安全，提升工程管理效率，是现阶段水工隧洞工程迫切需要解决的问题。本文以秦岭输水隧洞智能化管理系统为背景对智能化研究原理和应用进行说明分析。

1 智能化管理研究原理思路

特长隧道施工是一个复杂的系统，伴随着高风险作业，设计与施工必须紧密相连，动态设计和动态施工管理是有效降低施工风险、提升管理效率的必要手段。隧洞工程在施工过程中为实现动态化设计和动态化施工管理，利用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能计算机技术、图像处理技术、通信技术、控制技术，将设计、施工信息有机地结合在一起，开发和设计施工智能化管理系统，通过统一接口收集施工过程中的众多信息，实现系统终端与子系统的数据交换，对施工过程中出现的各种状况进行管理，使参建各方能够进行应对突发情况的应急联动和及时处置，进而提高工程管理效率，保证施工安全性和进度。

2 智能化管理系统的架构及原理

秦岭输水隧洞位于秦岭主脉，地质条件复杂，施工过程中伴随超硬岩、强岩爆、有害气体、突涌水等众多叠加地质灾害，为保障施工安全和进度，隧道施工过程中实时监测设备运转参数、支护结构变形数据、超前地质预报数据等信息数据，并通过物联网技术中的传感器技术、网联网的传输网络技术实现人员、气体、温度等施工环境数据采集，并传输到智能管理系统平台进行管理、存储、调用、处理，从而实现对秦岭隧洞施工中的动态设计、进度、质量、安全四方面智能化管理。

2.1 隧洞施工智能化管理系统

BIM三维施工模拟技术，基于对整个建设项目信息的采集，以及对所采集到的信息进行相应的数字化处理后建立建筑信息模型并加以利用[5]。秦岭输水隧洞智能化管理系统基于BIM三维施工模拟技术，搭建标准化工业物联网架构，将BIM模型管理、TBM状态管理、施工进度管理、施工安全管理、施工质量管理、人员定位、有害气体监测、视频监控、超前地质预报等九个子系统集成在一个平台上，通过计算机技术实现来自不同子系统、不同类型的数据信息融合。

系统综合运用BIM、移动通信、大数据、微服务等新技术，实现施工全过程的各个子系统的数据自动采集，同时将隧洞施工管理、风险管理、质量管理等信息集中到能够实现远程操作的系统平台上进行智能分析、智能预警和智能管控，以实现隧洞施工全过程各个环节的监控，使隧洞施工管理达到智能化、信息化的要求。

秦岭输水隧洞智能化管理系统针对建设单位、设计单位、监理单位、施工单位设计不同级别的管理模式，通过系统平台设置管理权限，可实现对所有子系统和监控、监测设备的调度和管理。各个子系统除在系统平台统一调度和管理之外，还能够根据现场实际情况在其权限范围内管理和调度与子系统相应的设备和设施。

系统平台的框架设计和搭建是实现智能化控制的基础和关键，秦岭输水隧洞智能化管理平台总体架构见图1。

图1 秦岭输水隧洞智能化管理平台总体架构

2.2 系统数据存储与调用技术

水工隧洞施工管理中涉及大量的工程数据信息，以往传统的数据采集主要依靠人工，会间接影响数据资源整合所发挥的效益[6]。因此，智能化管理系统利用自动化信息采集及物联网等先进技术采集和集成数据信息，并通过系统集成处理使相关数据信息进行内部交互和形成决策闭环。而系统与子系统的内部数据信息交互，能够进一步实现数据库重新调整和资源整合，从而达到进度合理、资源均衡、成本最低[7]。

根据施工现场智能化系统设备多、数据量大、数据类型多的特点，秦岭输水隧洞智能化管理系统数据库按照实时、历史、统计分析三个类型数据库设计。实时数据库主要功能是实现快速更新数据和实时处理；历史数据库主要功能是按照临时和永久信息分别实现临时存储和永久备份存储；统计分析数据库主要功能是存储由智能化管理系统自动统计、分析产生的报表及数据。

系统数据信息按照工程管理级别的不同，以内部使用、外部引用的模式设计访问和调用权限，使在工程现场采集的大量数据信息能够实时为不同管理层级访问和调用。同时利用接口编程技术和数据调用统一标准实现系统和子系统之间的高度一致性和协作性，使各级用户都可简易操作和调用，保持一致的数据信息。

3 隧洞施工智能化管理系统的应用分析

3.1 在水工隧洞动态设计中的应用

动态化设计是隧洞施工智能化管理系统的首要环节，是在隧洞BIM模型建立及隧洞施工过程中各种信息实时反馈的基础上，通过实时设计决策选取或设计相应设计方案。

.1.1 隧洞BIM模型建立

BIM是由充足信息构成，并可由计算机应用程序直接解释的建筑或建筑工程信息模型[8-9]。在隧洞工程实施前，基于BIM三维施工模拟技术，通过隧洞地质勘察资料，构建隧洞断面数学模型和隧洞地质模块，搭建“隧洞地质信息与三维模型”融合的精细化三维实体隧洞模型，形成立体三维信息环境。隧洞三维模型采用真实场景技术对地面地理信息、高程、地物、不良地质、环境敏感区等控制性因素进行全要素表达，通过基于立体视觉原理建立的大范围无缝立体模型，对岩层分布情况、地质年代、岩石物理属性及不同段落的主要勘察、设计信息进行查询，使设计人员能够身临其境地进行工程动态设计,三维隧道模型内部见图2。

图2 三维隧道模型内部

在施工过程中，根据超前地质预报信息，工程现场监控量测信息反馈可进一步完善BIM模型，同时通过系统统一的数据标准，可使BIM模型信息在设计、施工等阶段进行无障碍信息传递[10]。

.1.2 动态设计应用

设计单位将根据地质勘察报告针对不同种类围岩、不同施工环境采取不同的支护设计，将相应设计方案以报告信息的形式录入隧洞智能化施工管理系统，形成设计预案。在施工过程中，根据系统的超前地质预报信息、现场监控监测反馈信息数据分析报表，设计人员针对不同情况调用相应设计预案，经确认后通过系统权限提交建设、施工、监理；同时考虑特殊情况下可人工录入相应的设计方案，及时解决问题，在后续出现类似情况时，能及时调用相应设计方案应对，保证设计工作的动态化、科学合理化。

在进行动态设计的同时，参建各方可通过系统平台随时掌握隧洞工程在施工过程中出现的工程变更、特殊情况处理等信息，增强了设计、施工联动；还可在三维立体模型中以直观的方式观察地质变化、设计修改等内容，有效提升了工程管理效率，并保证了信息迅速传递。

3.2 在施工进度中的应用

水工隧洞施工是一个复杂的系统工程，不可预见性因素较多[11]，由于岩爆、塌方、突涌水等原因往往导致不能按照预期目标完成施工任务，因此必须在施工过程中对施工进度进行实时监测、分析，针对性地整合资源和采取纠偏措施保证施工进度。秦岭输水隧洞施工智能化管理系统按照日进行进度数据采集和录入，并通过隧洞三维模型直观展示实时工程形象面貌；同时系统通过与标段施工计划、总体施工计划对比分析，以及动态换算预期完成时间，量化分析形成横道图，直观展示施工进度报告(见图3)。

图3 施工进度报告

进度数据通过TBM设备参数采集以及日报录入。采集的数据包括TBM推进速度、刀盘转速、扭矩等主要参数，通过参数整理、分析，可以实时反映掘进速度；同时设计单位可以利用由设备参数与设计参数对比分析产生的报表，进一步优化设计方案。日报录入主要针对水工隧洞施工的3个基本施工工序(开挖、衬砌和灌浆)进行数据录入，现场施工人员通过施工智能化管理系统手机端上传工程日进度实际形象面貌情况和图片，形成数字报表。

在施工过程中，系统持续观测项目，监督关键线路的执行情况，若发现实际进度与计划进度不符，监理通过系统平台及时下达纠偏指令，施工单位采取调整措施后，将相应人、材、机的调整计划上传系统报监理、建设单位复核和确认，形成闭环的进度动态管理，从而有效管控进度，及时进行进度分析和纠偏处理。

3.3 在施工安全管理中的应用

施工智能化管理系统在施工安全管理方面有别于传统的管理模式，从施工风险管控、长距离通信、人员安全等方面着手，运用物联网技术、计算机技术搭建安全管理模块，通过视频传输设备、各类传感器和监测设备等仪器设备的信息自动采集，以及系统经过科学算法的自动安全性判断与风险识别进行预警和管控，如对施工前方存在的断层、岩爆、突涌水、高温、有害气体等风险因素进行预警，提示施工、监理、建设管理人员按照设计措施提前做好风险防控准备。

隧洞施工过程中，超前地质预报是必不可少的一个环节，是隧洞施工预判风险的重要依据。施工智能化管理系统依据地质勘探报告、风险评估报告形成风险识别参数化模型，与施工过程中自动采集的包括微震监测在内的超前地质预报信息，进行数据量化后的对比分析、判断，形成风险提示报告，特别是针对岩爆危害，智能化管理系统平台能够依据超前地质预报信息通过风险范围、能量区间、岩爆风险等级等关键参数，自动给出风险应对预案，同时系统将风险预报结果关联到隧洞三维模型，直观展示断裂、岩爆、变形等不同类型风险点在隧洞中的分布情况(见图4)，从而实现实时风险管控目的。

图4 风险预警

由于隧洞埋深大，施工距离长，施工过程中不可预见的地质灾害较多，智能化管理系统采用长距离通信技术和人员定位技术实时监控现场，能够通过计算机终端和手机端实时观察现场情况，在确保能够及时应对紧急情况的同时，大大提高了工程管理效率，降低了施工风险。

3.4 在施工质量管理中的应用

智能化管理系统将设计参数、质量信息在三维隧洞模型中进行直观对比显示，同时按照不同工序将工程单元、分部、单位质量情况以报表形式呈现，使工程数字化管理常态化，据此参建各方可以实时联动，全方位跟进工程质量管控。在隧洞三维漫游状态下，能够通过点击构件查看不同里程段支护结构设计信息，方便施工管理人员现场核对结构是否满足设计要求。

施工过程中，现场质量、安全管理人员可通过与设计信息对比，将检查中发现的质量信息，通过系统手机端提交上传，由相应负责人确认处理措施和期限后，通过系统平台下发指令至施工负责人落实整改，完成整改后上传信息，由相应负责人验收确认，达到闭环管理，大幅提高了现场质量安全管理信息传递效率。

3.5 应用效果

.5.1 突破了传统施工管理模式，实现了智能化和动态化管理的结合

智能化管理系统充分运用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能等信息技术，使隧洞施工动态化、可视化，实现了工程施工动态设计和动态管理，大幅提高了管理的规范化程度和管理水平，为工程建设精细化管理奠定了基础。与传统管理相比，智能化管理已完成了定性管理向定量管理、静态管理向动态管理转变。

.5.2 大幅提升了管理效率和安全管理水平，实现了实时信息共享

智能化管理系统实现了隧洞工况的动态精准监控，以及对工程施工技术、安全、质量、进度等方面的实时、动态、精准诊断分析和预警预测，通过系统平台实时联动设计、施工、监理、建设单位，在提升管理效率的同时，实现了全方位信息共享。在安全管理方面，系统实现了可视化风险管理，特别是在遭遇突发事件情况下，能够自动生成应急处置方案，大幅提高了参建各方应对重大危机的智能化管理水平。

.5.3 为后续运维智能化管理奠定了基础

智能化系统基于BIM三维施工模拟技术搭建的精细化三维实体隧洞模型，为后期运行管理智能化奠定了基础，更为实现工程全生命周期数字化管理积累了宝贵经验，提供了施工智能化管理向运行智能化管理转变的可能。

4 结语和展望

水工隧洞施工智能化管理系统集成应用云计算、大数据、物联网、移动互联、人工智能等技术，在施工智能化管理方面取得了一定的突破，实现了在复杂施工环境下的智能化管理，并通过智能化系统实现了动态化设计和动态化管理，弥补了传统水工隧洞施工管理模式的不足，是在水工隧洞传统施工管理模式基础上的突破和发展。

在科学技术和工程建设技术不断发展的社会大背景下，智能化技术应用越发成熟，要求也在不断提升，针对长距离输水隧洞工程施工智能化管理，需要不断积极地引进社会上先进的智能化管理方法和技术，与工程的项目管理技术进行深度融合，在精细化管理方向不断发展，如通过二维码标识衬砌管片进行质量管控等。深入研究和丰富水工施工智能化管理内容，将对长距离输水隧洞工程信息化和智能化水平的提升起到更大的促进作用。