我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望

2023年12月13日發(fā)(作者：情侶節(jié)日)

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我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍（中國國家鐵路集團有限公司，北京100844）摘要：明確鐵路隧道智能化建造的概念，闡述智能化建造組成架構中智能化裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策、智能管控層級間關系及各自作用，提出智能化建造研究與實踐范疇所涵蓋的基礎理論、設計方法、工藝工法、標準規(guī)程、協(xié)同管理的內涵，并提煉出2個關鍵科學或技術問題。研究鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展總體概況及基礎理論、勘察設計、施工與協(xié)同管控4個方面的發(fā)展現(xiàn)狀，在此基礎上提出技術提升方向，以及當前至2026年短期內的發(fā)展展望，可為鐵路隧道及相關行業(yè)建設者提供技術參考。關鍵詞：鐵路隧道；智能化建造；發(fā)展現(xiàn)狀；建造技術；關鍵技術；提升方向中圖分類號：U455文獻標識碼：A文章編號：1001-683X（2020）12-0001-09DOI：10.19549/.1001-683x.2020.12.001中央第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標中提到計、機械化、信息化、物料人員資源配置及管理提出了新的挑戰(zhàn)，鐵路隧道建造方式的進步或者變革已經(jīng)是時代擺在鐵路建設工作者面前亟待解決的難題。隧道智能化建造是工程建造領域的發(fā)展方向，是新形勢下鐵路工程建設發(fā)展的必然趨勢［2］，智能化建造技術的推廣運用，迫切需要明確基本概念與架構組成，確定研究與實踐技術范疇，提煉關鍵科學與技術問題，客觀梳理當前技術發(fā)展水平，并針對性地指出進一步提升方向，在此基礎上提出切實可行的發(fā)展展望，為我國鐵路隧道智能化建造有序推進提供指導。“當今世界正經(jīng)歷百年未有之大變局，新一輪科技革命和產業(yè)變革深入發(fā)展”，在新一輪科技革命和產業(yè)變革自孕育興起已至深入發(fā)展之際，人類社會已經(jīng)邁入智能時代［1］。智能時代的到來對鐵路隧道建設技術創(chuàng)新發(fā)展提出了新的機遇與挑戰(zhàn)，已經(jīng)引起世界范圍內隧道建設強國的關注和重視。未來世界范圍內鐵路隧道建設技術水平競爭直接取決于隧道建設過程中智能化技術運用的廣度和深度。改革開放40多年來，我國隧道建設技術取得了長足的進步和發(fā)展［2］，我國已經(jīng)是世界第一隧道建設大國。日均4km的隧道建設速度，對基礎理論、勘察設基金項目：中國工程院重大咨詢研究項目（2018-ZD-05）作者簡介：王同軍（1964—），男，副總經(jīng)理，正高級工程師。1鐵路隧道智能化建造技術1.1概念與架構組成鐵路隧道的建設管理、設計、施工、監(jiān)理由不同CHINARAILWAY2020/12-1-單位承擔，按照工作內容可分為施工管理、施工組織管理、設計管理和建設質量監(jiān)督與管理，是一個復雜的體系。施工管理涉及基本信息管理、項目管理、合同管理以及安全質量、物資材料、成本控制等管理，施工組織管理涵蓋進度計劃、機械工裝配置、大臨工程施工、人員配置、施工方法與施工方案，設計管理涵蓋圖紙繪制、圖紙方案變更、技術交底、圖紙存檔，建設質量監(jiān)督與管理涵蓋安全生產管理、風險評估、安全專項方案、施工檢查、監(jiān)控量測、第三方檢測等。為促進隧道建設更高效、更安全，上述各個方面需統(tǒng)籌推進并結合移動互聯(lián)網(wǎng)、物聯(lián)網(wǎng)、BIM、GIS、云計算、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術開展創(chuàng)新應用。基于此，鐵路隧道智能化建造可定義為將信息化、機械化、自動化、智能化技術與先進的隧道建造技術相融合，通過對地質、結構、機械、人員、材料等信息的全面感知、泛在互聯(lián)、融合處理、主動學習和科學決策，面向隧道勘察、設計、施工、質量管控及建設管理，實現(xiàn)綠色高效、安全可靠的建造技術體系。隧道智能化建造體系架構由智能化裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策、智能管控5個方面組成［2］（見圖1）。智能裝備直接服務于隧道施工，通過信息化技術實現(xiàn)遠程監(jiān)視、遙控遙感、精準定位和安全施工。我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍智能感知層集中匯集各類智能裝備、硬件傳感器、觸發(fā)裝置、定位裝置、采集分析芯片和掃描設備所感知或采集的裝備自身、施工環(huán)境、工程地質條件、圍巖條件、結構狀態(tài)等信息資源，并傳輸至數(shù)據(jù)服務平臺。數(shù)據(jù)服務平臺作為數(shù)據(jù)資源的基礎平臺，匯集全國鐵路隧道建設、運維期的各類數(shù)據(jù)信息，并將勘察設計數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)、監(jiān)理數(shù)據(jù)、物資數(shù)據(jù)、質量評價和管理檔案分類存儲，供智能決策分析。智能決策是隧道智能化建造的核心與難點，涵蓋統(tǒng)計學、工程統(tǒng)籌、人工智能等學科交叉耦合，靈活采用機器學習、深度學習、交互分析，在大數(shù)據(jù)匯集的基礎上，實現(xiàn)智能進階，為智能管控服務。智能管控是隧道智能化建造的最終目標與體現(xiàn)，涵蓋動態(tài)化三維設計（BIM+GIS）、智能化施工和管理3個方面，實現(xiàn)三維圖紙管理、動態(tài)施工管理、集成信息管理、監(jiān)控量測管理、風險評估、可視化交底與虛擬建造，將一般意義上的隧道建設提升為智能化的建造。隧道智能化建造的特征是實現(xiàn)機械化、信息化深度融合，實施基礎是實現(xiàn)機械水平、數(shù)據(jù)資源、人員素質和管理模式的有效提升，研發(fā)路徑遵循循序漸進、突破重點、技術集成到人機結合的發(fā)展規(guī)律，目標定位為無人化、可視化、智慧化。［2］圖1隧道智能化建造體系架構-2-CHINARAILWAY2020/12我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍圖2）。其中，基礎理論是基石，智能化設計方法與配套的工藝工法是手段，相對應的標準規(guī)范規(guī)程是保障，設計施工多系統(tǒng)協(xié)同管理是目的。1.2實踐范疇鐵路隧道智能化建造研究與實踐范疇涵蓋基礎理論、設計方法、工藝工法、標準規(guī)程、協(xié)同管理（見圖2智能化建造研究與實踐范疇主要組成部分基礎理論方面，隧道的圍巖力學特性及其荷載效應是隧道力學的基礎科學問題，圍巖與支護體系的動態(tài)作用關系在掌子面開挖后應力重分布過程中占主要作用，結構體系的動力響應串聯(lián)建設期與運營期結構受力，引出隧道全生命周期力學響應，上述3個方面又涉及監(jiān)測檢測、設計參數(shù)與多場耦合。設計方法方面，當前設計參數(shù)的智能化已有應用，代表當前技術水平，可通過GIS、BIM、大數(shù)據(jù)融合和智能化傳感、感知、定位跟蹤，最終實現(xiàn)綠色數(shù)字隧道與智慧隧道。而隧道智能輔助設計軟件的開發(fā)是設計方法中的先行要素，主要集中在關鍵技術與軟件開發(fā)兩方面，其中關鍵技術主要包括變量設計技術、參數(shù)特征模型以及基于專業(yè)知識的智能化設計；軟件開發(fā)體現(xiàn)在系統(tǒng)組成、隧道參數(shù)特征模型建立洞身襯砌標準庫的搭設［3］。工藝工法方面，面向全斷面或大斷面開挖的鉆爆法隧道、TBM隧道及預制裝配式隧道首先實現(xiàn)各類臺車工裝的信息化高度融合施工，在施工過程中建立安全性控制系統(tǒng)，主要針對隧道掌子面安全性控制、洞身結構安全性控制以及二襯支護實際及步距的控制［4］，以確保施工過程安全快速，建立面向施工期的監(jiān)測檢測機制與驗收標準，并銜接運營期的周期、日常和重點檢測監(jiān)測。標準規(guī)程方面，吸收新技術，優(yōu)化圍巖分級與設計參數(shù)匹配性，明確成套裝備功能組成，各類臺車裝備的取費、定額、攤銷等規(guī)定，制定面向智能化施工的各項驗收標準和可推廣的通用參考圖。協(xié)同管控方面，簡統(tǒng)化、集約化建立經(jīng)濟高效的管理體系，施工單位的管理平臺數(shù)據(jù)應能與中國國家鐵路集團有限公司（簡稱國鐵集團）的工程管理平臺共享一定關鍵數(shù)據(jù)，實現(xiàn)施工裝備機群之間，施工裝備機群、特殊裝備與協(xié)同管理平臺之間信息數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)處理的無縫集成［5］。隧道全生命周期數(shù)據(jù)在大數(shù)據(jù)中心集中存儲與分析，管理方面同時兼顧經(jīng)濟合理與技術可行。1.3關鍵科學或技術問題隧道智能化建造的研究與實踐范疇涉及多項難點與挑戰(zhàn)，可歸納為以下2個關鍵科學或技術問題：（1）隧道建設空間關鍵要素多粒度實體化表達。隧址范圍內及建設所涉及的局部區(qū)域組成隧道建設空間，其全要素地理信息采集、處理與時空數(shù)據(jù)模型構建，多模態(tài)、多粒度時空數(shù)據(jù)高效組織與分布式協(xié)同存儲管理；多專業(yè)數(shù)據(jù)實時接入與探索性時空關聯(lián)分析；復雜艱險山區(qū)鐵路高精度空間位置服務與精密高CHINARAILWAY2020/12-3-我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍程基準面構建；空天地一體化測繪多技術多源異構信息融合；綜合構成關鍵要素多粒度實體化表達。（2）智能化建造功能架構與自適應控制理論。智能化建造所涉及的物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、BIM、GIM等新興技術，以及基于運籌學、管理學、工程經(jīng)濟學與系統(tǒng)工程理論，都是智能化建造的有機組成部分，自適應系統(tǒng)利用可調系統(tǒng)的輸入量、狀態(tài)變量及輸出量來測試某種性能指標，根據(jù)測得的性能指標與給定的性能指標進行比較，自適應機構修改可調系統(tǒng)的參數(shù)，以保持測得的性能指標接近于給定的性能指標，或者說使測得的性能指標處于可接受性能指標的集合內［6］。如何引入工程控制論的基本思想，提出適用于鐵路隧道建造全生命周期的成套機械行為方式、電子遠程傳輸、信息整合融合、材料適配優(yōu)選等方面的自適應控制理論是需要解決的一個關鍵科學問題。2我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀2.1總體概述我國鐵路隧道修建發(fā)軔于1888年，目前我國已經(jīng)是世界上鐵路隧道運營里程最長、在建規(guī)模最大的國家。130多年的發(fā)展歷程中，隧道建造工藝工法先后經(jīng)歷了圖解法、上下導坑先拱后墻法、漏斗棚架先墻后拱法，以及新奧法理念下的多種臺階法、眼鏡工法和配合各類機械裝備的具有中國特色的大斷面鉆爆法和TBM成創(chuàng)新，引進、消化、吸收、再創(chuàng)新，到形成我國技工法。這一過程體現(xiàn)了隧道建設從原始創(chuàng)新，集術標準體系，實現(xiàn)了“走出去”發(fā)展戰(zhàn)略的偉大轉變。智能化建造發(fā)展包含3個階段：即數(shù)字化建造、數(shù)字化網(wǎng)絡化建造、數(shù)字化網(wǎng)絡化智能化建造。鐵路隧道智能化建造作為其中的一部分，是未來隧道建造發(fā)展的必然趨勢。從信息化和智能技術在我國鐵路工程領域的應用現(xiàn)狀看，雖然已在鐵路規(guī)劃、設計、施工、運營和維護等階段發(fā)揮重要作用，但是仍處于第一代和第二代智能建造階段。例如近年來京張鐵路、鄭萬鐵路等線路隧道工程在設計、施工和運營方面建設實現(xiàn)了一定程度的智能化建造理念的應用。在科學技術迅猛發(fā)展的今天，我國鐵路隧道建造智能技術發(fā)展不能-4-簡單重復從第一代、第二代到新一代智能技術依次發(fā)展，必須借助全球人工智能的快速發(fā)展。在新一代智能技術研發(fā)和應用方面，突破關鍵技術，實現(xiàn)彎道超車，實現(xiàn)真正意義上的智能化建造，為智慧鐵路奠定基礎，實現(xiàn)鐵路隧道建設管理深層次發(fā)展。2.2智能化建造基礎理論智能化建造理論與多學科息息相關，涉及通信、信息、計算機軟件、人工智能、管理科學、行為科學、控制管理以及系統(tǒng)科學等，這是科學構成其發(fā)展的理論基礎。近年來，我國鐵路建設管理單位開始將運籌學、管理學、工程經(jīng)濟學與系統(tǒng)工程理論相結合，吸納新技術，將物聯(lián)網(wǎng)、云計算、移動互聯(lián)、大數(shù)據(jù)、術、BIM、GPSGIM和等技術融合，在信息論與信息技術、通信技GIS技術、控制理論與技術等領域，理論研究都在不斷深化和改進。在京張鐵路、鄭萬鐵路隧道工程中進行了機械化與信息化深度融合實踐，包含全生命周期、系統(tǒng)層級、智能化功能3個維度的鐵路隧道智能化建造功能框架已具雛形。當前初步實現(xiàn)了工程控制論與計算機信息技術的理論結合，并結合京張鐵路八達嶺等典型隧道智能化建造全過程，實現(xiàn)了機械行為方式、電子遠程傳輸、信息整合融合、材料適配優(yōu)選4個方面的自適應控制管理。基于現(xiàn)代隧道建造理念，依托鄭萬鐵路湖北段典型隧道工程建設，掌握了隧道開挖、錨噴支護、二次襯砌支護時機對于圍巖松動圈或塌落拱的影響規(guī)律，揭示了無臺階或微臺階工況下，二次襯砌合理封閉距離，掌握深淺層圍巖的破壞特性及深部圍巖的結構層效應特點及圍巖失穩(wěn)典型模式。人工神經(jīng)網(wǎng)絡技術、BP神經(jīng)網(wǎng)絡技術、遺傳算法、模擬退火算法和群集智能技術等技術已經(jīng)應用于圍巖分級與智能化設計參數(shù)優(yōu)先［7-10］，并開始針對于隧道安全監(jiān)測系統(tǒng)中面臨的大量數(shù)據(jù)處理和分析難題開展應用，為信息化介入設計、施工奠定了基礎。總體來說，國內智能化建造基礎理論發(fā)展仍處在起步階段，智能化是建造技術的發(fā)展趨勢，如何將先進的信息技術及資源，與巖土工程、隧道工程、巖石力學等學科相結合，進行工程智能決策并構建完善的設計、施工決策體系已經(jīng)成為鐵路隧道智能化建造基CHINARAILWAY2020/12我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍礎理論發(fā)展的核心問題。2.3智能化勘察設計隧道智能化建造在勘察設計方面，綜合應用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等信息技術，依托智能化裝備，實現(xiàn)基礎三維實體模型全生命周期信息再現(xiàn)的自動化動態(tài)設計。依據(jù)空天地一體化的測繪多技術融合勘測方案，有利于及時提供施工各階段數(shù)字化地質資料，在質量、工期和安全保證等方面為隧道建造提供有力的基礎數(shù)據(jù)保障［2］。鉆探與超前地質預報方面，國鐵集團在面向川藏鐵路隧道工程開展的系統(tǒng)性科研攻關課題中，提出了千米級鉆機整套裝備相應的設計方法，建立了基于物探、鉆探、點云和數(shù)字鑿巖信息的綜合超前預報體系。近年來，拉林、鄭萬鐵路等在建項目及即將開工的川藏鐵路雅安—林芝段都面臨多類型嚴峻的不良地質考驗，綜合采用POS（PositionandOrientationSystem）數(shù)碼航空影像［11］、高分辨率衛(wèi)星影像、雷達影像、機載LIDAR光掃描及超前千米級水平鉆機等綜合測量技術，形成空（激光雷達）、無人機攝影及傾斜攝影、三維激天地一體化的測繪多技術融合勘測方案。鄭萬鐵路湖北段在智能設計方面，主要收集現(xiàn)有設計參數(shù)，構建設計參數(shù)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)隧道圍巖智能分級結果，利用數(shù)據(jù)庫搜索算法，自動匹配選擇出設計參數(shù)初選值。并利用現(xiàn)有設計理論編譯相關軟件，實現(xiàn)對參數(shù)初選值進行自動校核，當滿足要求時得到推薦值，不滿足要求時進行優(yōu)化，給出最終推薦值。初步實現(xiàn)了設計參數(shù)智能匹配、推薦及校核、優(yōu)化，但其匹配推薦方式為固定式匹配，嚴格依賴所建參數(shù)數(shù)據(jù)庫，無法進行模糊綜合匹配，此外其校核公式僅涵蓋部分設計參數(shù)，重要設計優(yōu)化參數(shù)如錨桿并不能實現(xiàn)智能檢核優(yōu)化。以上方法智能化程度不高，需要人工介入，可靠性、泛化性也尚需大量工程驗證。智能化勘察設計是隧道智能化建造的核心和精髓，長久以來，新奧法支護理論依然在山嶺隧道占據(jù)主導作用，其強調圍巖支護不能單純依靠支護結構，需要通過支護作用去充分調動圍巖的自承載能力，由圍巖作為主體結構去承擔圍巖壓力。但目前的隧道施工普遍重視、強調支護結構中被動支護的作用，而對加固圍巖與充分發(fā)揮圍巖自身承載能力方面重視不夠或襯砌施作不到CHINARAILWAY2020/12位，我國鐵路隧道支護總體上屬于被動支護體系，主動支護理念尚不統(tǒng)一。我國在多年隧道建設中，對變形主動控制已經(jīng)達成基本共識，即在隧道施工中，主動控制圍巖變形及充分發(fā)揮調動圍巖的自承載作用，是隧道現(xiàn)代修建技術的核心理念，錨桿、錨索以及注漿加固地層等是主動控制圍巖變形的關鍵技術措施。但變形主動控制理念的內涵、應用條件和適用范圍等尚未在理論研究和實際應用形成統(tǒng)一的認識。智能化建造應由表及里，重視主動支護體系的作用。2.4智能化施工智能化施工是智能化建造技術水平的重要體現(xiàn)，智能化施工涉及機械工程、機械電子、計算機技術、定位技術、遙控技術等學科融合，施工過程中機械工裝用量多少、參與深度綜合代表了我國鐵路隧道建設的技術水平。20世紀80年代以來，帶有液壓機械臂的鑿巖鉆機在隧道內開始應用，標志著我國隧道機械化施工的開端［12］。當前，隧道在超前鉆探、開挖、初支、仰拱、防（排）水板、二次襯砌及水溝電纜槽等作業(yè)生產線采用譜系化工裝已經(jīng)相當普遍。當前機械化應用規(guī)模由小到大、試用范圍由窄到寬、信息化水平由低到高、支護結構適應性由差變強［12］。目前，鐵路隧道型譜化智能裝備施工狀態(tài)實時感知國外以電腦鑿巖臺車為主，雖然具備自動定位、自動標記鉆孔位置、自動傳輸數(shù)據(jù)并快速生成施工報告等智能化功能，但未形成全工序成套智能施工裝備［13］；國內在此方面的研究起步較晚，多采用引進、消化、吸收、創(chuàng)新的策略進行國產化研發(fā)，且多集中于鑿巖臺車、濕噴機械手等單臺裝備，但型譜化智能裝備施工狀態(tài)實時感知水平整體不高［14-15］。鄭萬鐵路初步研制了智能型鑿巖臺車、智能型注漿臺車、智能型拱架臺車、智能型錨桿臺車、智能型濕噴臺車、數(shù)字化襯砌臺車，部分裝備實現(xiàn)了施工狀態(tài)實時感知，其中智能型鑿巖臺車具備了對炮孔數(shù)量、位置等信息實時感知功能；智能型注漿臺車具備了注漿量信息實時感知功能。我國動態(tài)調控技術主要根據(jù)工程經(jīng)驗、人工輸入基礎參數(shù)再匹配的方式來實現(xiàn)對當前施工狀態(tài)的動態(tài)調控，但是目前參與智能施工的專業(yè)化人才較為缺乏，人員的專業(yè)技術都是針對智能建造中各分-5-領域的技術，受工程經(jīng)驗和數(shù)據(jù)庫本身的局限，不能對整體智能建造施工有充分的掌握。而距離基于機器本身參數(shù)的動態(tài)、實時、自動調控的完全智能化調控仍相差甚遠。實踐表明，既有裝備尚不能滿足復雜艱險山區(qū)高能地質環(huán)境條件下隧道工程安全高效施工的需求，故采用主動支護體系替代傳統(tǒng)支護體系，研發(fā)適配于主動支護體系的隧道智能施工裝備，形成基于隧道智能施工裝備的質量控制技術，建立隧道智能監(jiān)測技術及體系，從而指導主動支護體系智能化施工，實現(xiàn)隧道安全、高效、優(yōu)質及少人化施工目標，意義重大且十分急迫。2.5智能化協(xié)同管控智能管控集中體現(xiàn)智能建造的精髓與能動性、互動性，是全生命周期智能建造過程的集中展示與運用。目前，國內智能建造協(xié)同管控尚處于起步階段，鄭萬鐵路湖北段隧道工程建設在“地-隧-機-信-人”智能建造協(xié)同管控方面做了初步嘗試，構建隧道智能化建造協(xié)同管理平臺，具備了圍巖智能分級、設計參數(shù)智能優(yōu)選、開挖及支護智能施工和施工質量管控等4項功能。京雄高鐵明挖隧道襯砌施工建立了由移動廠房、智能鋼筋臺車、智能模板臺車、中央集料斗布料系統(tǒng)、智能養(yǎng)護系統(tǒng)組成的集中控制管理平臺。上述平臺采用了輕量化BIM技術，構建的可視化遠程控制平臺實現(xiàn)了隧道施工信息的數(shù)字化儲存與可視化展示，保證了項目參與各方良好的信息交流和溝通協(xié)調［16］；此外還有監(jiān)測及檢測結果的可視化，主要采用應力或變形遠程自動監(jiān)測方法。其中，應力監(jiān)測需埋入大量自動傳感器，建立龐大的監(jiān)測網(wǎng)絡；變形監(jiān)測應用了三維激光掃描、測量機器人等先進技術［17］，但不能將隧道支護結構變形數(shù)據(jù)轉化為應力數(shù)據(jù)，控制方式單一。隧道施工質量智能管控主要利用三維點云掃描、熱成像技術、地質雷達等無損檢測手段實現(xiàn)［18-22］，如通過三維點云掃描實現(xiàn)超欠挖輪廓矯正，利用熱成像攝像機測量混凝土溫度進而實時確定噴射混凝土強度，基于地質雷達的襯砌檢測等。鐵路隧道智能化建造的抓手是網(wǎng)絡化數(shù)據(jù)傳輸與信息化經(jīng)營管理。協(xié)同管控體現(xiàn)在包含國鐵集團、建設單位、設計單位、咨詢單位、施工單位、監(jiān)理單位-6-我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍等在內的隧道參建各方可簡統(tǒng)化、集約、方便地開展工作，并可在軟件平臺實現(xiàn)設計、施工、物料信息的傳輸與管理。協(xié)同管理平臺軟件是實現(xiàn)協(xié)同管控的直接工具，施工單位的信息化管理平臺需與鐵路工程建設管理平臺接駁，隧道建設過程中各項資料應能匯集于大數(shù)據(jù)中心，一方面便于數(shù)據(jù)存檔、可追溯，一方面便于隨時備查可查，為運營養(yǎng)護提供輔助。針對平臺開發(fā)，當前中國鐵道科學研究院集團有限公司已經(jīng)依托國鐵集團立項的課題開展工作。3鐵路隧道智能化建造技術提升方向3.1智能化建造體系架構隧道建造過程中的少量大型裝備運用以及機械化、信息化與輔助決策相融合并不能簡單稱為“智能建造”，鐵路隧道智能化建造是一個系統(tǒng)工程，其體系架構由智能裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策和智能管控等5個層級構成，缺一不可。體系架構完善，需研發(fā)型譜化、標準化的智能裝備，解決全過程數(shù)據(jù)流的暢通，建設完備的工程地質環(huán)境信息綜合勘察判釋數(shù)據(jù)庫，建立自動化圍巖分級與爆破參數(shù)優(yōu)化算法，繼而實現(xiàn)智能感知與智能裝備、后臺服務器的智能化連接。通過多樣化的采集方式，實現(xiàn)數(shù)據(jù)自動讀取與傳輸，開發(fā)基于變形主動控制及設計參數(shù)智能化設計理論以及智能建造協(xié)同管控與可視化遠程控制系統(tǒng)的綜合平臺。3.2智能化設計理論鐵路隧道智能化建造與我國鐵路隧道設計方法并不等同，智能化建造的技術運用首先應在設計層面解決適用性的問題，并非所有的線路類型、工程地質、水文地質、環(huán)境條件、社會條件下的隧道均適用于智能化建造。設計理論應積極吸納“新奧法”“新意法”“挪威法”等設計理論中的適用于我國隧道建造的部分，結合隧道設計模型中荷載反力模型、收斂約束模型、連續(xù)體模型，重視圍巖、錨桿承重作用，發(fā)揮主動支護作用，建立健全變形主動控制支護體系框架、優(yōu)化設計理念、明確承載主體、提高安全儲備、重視監(jiān)控量測、加強數(shù)據(jù)采集、提高風險管理。建立設計參數(shù)匹配方法，融合專家知識庫和機器學習開源框架，CHINARAILWAY2020/12我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍構建可實現(xiàn)動態(tài)協(xié)調、安全使用、耐久高韌、長效主動的主動支護體系設計理論。3.3智能化施工機械工裝的標準化應與智能化同樣重視，當前我國面向鐵路隧道僅鋪掛臺車、襯砌臺車、養(yǎng)護臺車發(fā)布了國鐵集團技術標準，尚未對裝備進行認證。高度智能化大機裝備國產化不足，在技術可行、安全可靠、經(jīng)濟合理的前提下，重點圍繞開挖支護作業(yè)生產線，綜合考慮機械工裝的工作量、工作效率、能源消耗、勞力資源、設備易操作性、通用性、耐久性、靈活性以及維修的難易性、購置費、使用年限、單位時間利息率、設備在場的工作效率和易損件的儲備量，立足國產化，研發(fā)適配于主動支護體系的標準化智能化裝備，對應編制國鐵集團標準及進行CRCC認證，并且建立施工安裝管理系統(tǒng)，依靠施工信息采集系統(tǒng)中快速采集的超前地質數(shù)據(jù)、圍巖收斂量測數(shù)據(jù)和隧道位移應力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息共享和預警，有利于施工方、監(jiān)理方、設計方和業(yè)主方及時了解隧道施工動態(tài)，并采取應對措施，建立動態(tài)感知、實施分析、精準決策、自主執(zhí)行的隧道智能化建造體系，最終形成適用面廣、可推廣的安全快速智能化施工工法。3.4標準規(guī)程技術立法當前，與智能化建造相適應的標準規(guī)程技術體系尚不完備，專門性的設計、施工、監(jiān)控量測、機械裝備、檢驗驗收、定額造價技術體系亟須建立，可結合代表性典型工點與施工步驟，結合目前學術研究成果與最新探究方向，一方面修正、修編既有規(guī)范、規(guī)程、技術條件、各類工法與指南不足或不匹配問題；另一方面統(tǒng)一編制與機械化施工、智能化設計、信息化管控、科學化管理相匹配的各項規(guī)范、規(guī)程、技術條件、各類工法與指南，從行業(yè)政策上明確智能化應用率目標，以保障隧道建設過程有據(jù)可依，有據(jù)可判。3.5信息化協(xié)同管控針對機械化、信息化、人機結合等方面在鐵路隧道建造過程中的應用，充分調動參建各方的積極能動性，在保質量、保安全、重效率、節(jié)能耗、重環(huán)保的前提下，將變量化設計技術和專家系統(tǒng)方法應用到鐵路隧道輔助設計中，建立參數(shù)化特征模型和洞身襯砌CHINARAILWAY2020/12標準庫，以智能化建造為驅動和根本目的，建立涵蓋管理單位、建設單位、設計單位、施工單位、監(jiān)理單位等的標準化鐵路隧道管理模式，形成安全、經(jīng)濟、高效與可普適推廣的創(chuàng)新性管理體系。明確信息化平臺管理體系中，國鐵集團、建設單位及設計、施工、質量監(jiān)督單位自上而下的管理權責，加強大數(shù)據(jù)中心對于全路隧道建設數(shù)據(jù)的接收、匯集與安全保護，立足我國當前既有鐵路隧道建設項目管理特點，依托科研課題及工程實踐制定信息化管理平臺技術標準，以技術標準、作業(yè)標準、管理標準為重點，建立適用于智能建造體系的標準化協(xié)同管理體系，結合物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等先進技術，全面助力鐵路智能建造全面升級。4展望綜合當前高速鐵路隧道建設需求、現(xiàn)階段技術水平及發(fā)展現(xiàn)狀［23-25］，我國隧道智能化建造技術的發(fā)展趨勢為：隨著智能化建造體系的試驗與推行，不斷積累完善各類地質條件下的隧道設計與施工方法，最終突破基于深度學習的隧道智能化建造技術理論，實現(xiàn)自學習、自適應的隧道智能化建造體系，隨后建立動態(tài)感知、實施分析、精準決策、自主執(zhí)行的隧道智能化建造體系，全面推廣、實現(xiàn)隧道智能化建造。（1）2020—2023年，建立鐵路隧道智能化勘察設計技術體系。提出基于GIS的工程勘察涵蓋空天地一體化隧道地質勘察預報以及智能化量測、隧址范圍內地形地貌全要素信息獲取與快速處理、隧道工程地質和環(huán)境綜合勘察與基于隧址范圍內地質信息的綜合勘察判釋，實現(xiàn)隧道超前地質預報多源信息融合與智能快速解譯，突破不良地質體的亞米級成像技術，由傳統(tǒng)的人工解譯向半自動轉變，大幅提高解譯效率。實現(xiàn)圍巖信息的“快速采集—實時傳輸—遠程評價”的智能化分級，實現(xiàn)隧道施工中圍巖質量漸進性評價。提出主動變形支護體系的關鍵設計參數(shù)及變形控制值，優(yōu)化我國隧道支護結構設計模式，提出變形主動支護體系中各支護構件的安全性與可靠性評價方法，實現(xiàn)隧道主動支護體系定量化設計，并給出隧道主動支護體系機械化施工適配工法工藝。-7-我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍（2）2020—2025年，形成成套成系列的鐵路隧道快速施工工法。提出圍巖監(jiān)控量測與超前地質預報、洞內循環(huán)作業(yè)優(yōu)化與有害氣體檢測、火工品管理與人員定位、鉆爆法與掘進機法施工監(jiān)控的自適應控制、智能工裝施工狀態(tài)實時感知與動態(tài)調控以及預制裝配式襯砌結構施工監(jiān)控與自適應控制技術，形成隧道鉆孔、開挖、支護、襯砌等主要工序施工裝備智能化技術，形成基于隧道智能施工裝備的施工質量控制技術，形成隧道施工質量智能監(jiān)測技術及其體系。實現(xiàn)隧道全斷面、大斷面高能地質條件下隧道智能化施工，實現(xiàn)隧道施工質量評價方法信息化，實現(xiàn)隧道監(jiān)測自動化，形成完備的工藝工法。（3）2021—2026年，形成鐵路隧道智能化建造標準化協(xié)同管理體系。建立“地-隧-機-信-人”智能建造協(xié)同管控與可視化遠程控制系統(tǒng)，形成施工期風險源識別、風險處置與管控的施工風險評價及管控系統(tǒng)，形成三維隧道及圍巖環(huán)境信息化模型展示及設計參數(shù)動態(tài)優(yōu)化的智能化動態(tài)設計輔助系統(tǒng)，形成超前支護、鉆爆開挖、初期支護、二次襯砌、防排水體系、溝槽施作等工序的信息存儲查詢、三維可視化、設計施工監(jiān)測數(shù)據(jù)實時反饋的智能化動態(tài)施工管控系統(tǒng)，形成參建各方信息匯集分析與處置的智能建造信息化協(xié)同管控及遠程控制系統(tǒng)，形成全過程數(shù)字化管理，建立完備的鐵路隧道智能化建造標準化協(xié)同管理體系。5結束語鐵路隧道智能化建造已經(jīng)成為全球鐵路隧道建設的前沿發(fā)展方向，研究與踐行鐵路隧道智能化建造是時代賦予新時期鐵路建設者的神圣使命。未來，物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術將進一步融合，結合圍巖智能判識、智能設計、智能裝備、智能施工、智能監(jiān)測及質量管控、智能協(xié)同管理平臺等隧道智能化建造技術的深入研究和工程應用，隧道智能化建造愿景定將全面實現(xiàn)。因此，智能化建造技術的理論、技術應用必將推動我國隧道建造技術在提升機械化、信息化水平的基礎上向智能化方向發(fā)展，實現(xiàn)關鍵高新技術的研發(fā)與擴散，可使鐵路隧道工程建造產業(yè)鏈得到極大的拓展與延伸，帶動一系列相關產業(yè)的技術升級。-8-在當前世界制造業(yè)加速向我國轉移的過程中，通過發(fā)展隧道智能相關技術的研究來提升我國鐵道行業(yè)整體競爭能力，對實現(xiàn)“中國制造2025”和我國鐵路“走出去”戰(zhàn)略布局具有極其重要的意義。通過闡述鐵路隧道智能化建造組成架構中智能裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策、智能管控層級間關系及各自作用，提出智能化建造研究與實踐范疇所涵蓋的基礎理論、設計方法、工藝工法、標準規(guī)程、協(xié)同管理的內涵，提煉所涉及的關鍵科學與技術問題，論述在基礎理論、勘察設計、施工、協(xié)同管控4個方面的技術水平，點明在體系架構、設計理論、施工、規(guī)范規(guī)程制修訂與信息化協(xié)同管控5個方面的提升方向，提出當前至2026年短期內的發(fā)展展望，為我國鐵路隧道智能化建造的研究實踐提供參考。參考文獻1］王同軍.中國智能高鐵發(fā)展戰(zhàn)略研究［J］.中國鐵路，2019（1）：9-14.2］王同軍.我國鐵路隧道建造方法沿革及智能建造技術體系與展望［J］.中國鐵路，2020（3）：1-11.3］劉飛香.鐵路隧道智能化建造裝備技術創(chuàng)新與施工協(xié)同管理展望［J］.隧道建設（中英文），2019，4］王志堅39（4）：545-555..高速鐵路山嶺隧道智能化建造技術研究：以鄭萬高速鐵路湖北段為例［J］.鐵道學報，2020，5］WALTON42（2）：86-95.G，DIEDERICHSMS，WEINHARDTK，hangedata［detectionJ］．InternationalindrillandJournalblasttunnelsfrompointicsandMiningSciences，2018，105：172-181ofRock．Mechan?6］李言俊，張科.自適應控制理論及應用［M］.西安：西北工業(yè)大學出版社，2005.7］周冠南，孫玉永，賈蓬.基于遺傳算法的BP神經(jīng)網(wǎng)絡在隧道圍巖參數(shù)反演和變形預測中的應用［J］.現(xiàn)代隧道技術，2018，55（1）：107-113.8］胡斌，冉秀峰，祝凱，等.基于BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡的隧道圍巖力學參數(shù)反分析［J］.鐵道建筑，2016（7）：70-73.9］凌同華，秦健，宋強，等.基于改進粒子群算法和神經(jīng)網(wǎng)絡的智能位移反分析法及其應用［J］.鐵道科學與工程學報，2020，17（9）：2181-2190.10］曹文貴，盧山，胡堅麗.地下工程圍巖位移反分析CHINARAILWAY2020/12［［［［［［［［［［我國鐵路隧道智能化建造技術發(fā)展現(xiàn)狀及展望王同軍［19］JONESBD，DAVIESAG，dcon?unnelCongress，reetStationUpgrade［C］//TunnelConstruc?［20］許磊，王長進.基于激光點云的隧道超欠挖檢測77-81.方法研究［J］.鐵道工程學報，2016，33（12）：的改進模擬退火算法［J］.水文地質工程地質，［11］高文峰.POS輔助數(shù)碼航空攝影測量測繪既有鐵路精度分析［J］.鐵道勘察，2015，41（1）：17-21.［12］韓自力.高速鐵路隧道智能建造關鍵技術與發(fā)展趨勢［J］.鐵道建筑，2020，60（4）：9-16.［13］PHYOW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