西延高铁隧道智能化建造技术研究及展望
０ 引言
现阶段中国隧道建设规模日益庞大，但施工存在的缺陷是机械化水平较低，自动化施工水平较低，与智能化还有相当差距。因此高速铁路隧道智能建造技术的发展，对促进铁路行业整体发展具有重大意义。
本文立足西延高铁铜川隧道，在隧道机械化、数字化施工技术的基础上，对隧道智能建造技术进行了研究。
１ 隧道智能化施工现状
１．１ 隧道智能机械化施工研究现状
自２０世纪８０年代以来，带有液压机械臂的凿岩钻机在隧道内开始应用，其相较于传统风动凿岩机有着效率高、能耗低等优点，这一钻机的出现标志着我国隧道机械化施工的开端。经过计算机等信息技术的发展，近年来，有研究人员提出了智能化的概念，于是隧道智能机械化施工的概念也应运而生。
经过研究人员的研发，现在市面上已有不少智能设备，比如全电脑三臂凿岩台车、智能拱架台车等，这些设备由电脑控制，有自动定位，自动行走等功能（图１）。目前钻爆法隧道尚未形成成套的完整的智能设备，因此自动化程度还比较低，ＴＢＭ工法目前形成了全工序、成套的施工设备；数据的获取与处理主要依靠三维激光扫描仪、数码相机、雷达等设备获取信息，通过机器学习、深度学习等建立的模型来进行处理、预测；目前的信息集成交互平台，多为ＢＩＭ、ＧＩＳ等技术，用来实现可视化施工、功能目前还不够全，还将在日后建设中不断完善。
隧道机械化配套施工技术在隧道的应用发展，降低了人工成本，改善工作环境，充分发挥了机械设备施工隧道的优势，成为今后隧道施工的发展方向，并且向着智能机械化方向发展。
１．２ 围岩智能分级研究现状
近年来，我国铁路隧道事业蒸蒸日上，但是岩土工程学科的发展却面临着新的机遇和挑战，围岩分级就是其中一个重要的研究课题。
由于传统分级方法需要丰富的专业知识和工程经验，为了尽量减少经验判断对围岩分类准确性的影响，智能分级的出现很有必要。随着计算机技术的发展，现在围岩智能分级也有了很多研究：姚萌研究了ＳＶＭ神经网络围岩智能分级模型，并且结果有着很高的正确率；袁振宇等根据多源异构输入数据的类型、格式等特征，组合多个神经网络开展围岩智能分级的深度学习，建立了一种灵活通用的围岩智能分级网络架构；陈卫东等从节理裂隙发育程度、风化程度、地下水发育程度的角度考量，建立了相关数据库，建立了基于ＤｅｎｓｅＮｅｔ系列的分类模型，准确率可以满足工程的要求。
２ 依托工程概况
２．１ 项目概况
西延高铁铜川隧道位于陕西省铜川市耀州区境内。隧道最大埋深约１８５ｍ，最小埋深约２４ｍ。地层主要为圆砾土和粉质黏土、黏质黄土、砂岩夹泥岩、灰岩。隧道共设置二座斜井辅助施工，斜井总长约１.９ｋｍ。部分铜川隧道地质模型如图２所示。
２．２ 施工设备
结合铜川隧道软弱围岩隧道的特性，对隧道施工关键工序配置智能机械化装备。主要配置情况如表１所示。
３ 隧道智能化技术
３．１ 围岩智能判释技术
利用全智能凿岩台车实时获取钻进参数，所需的各种钻进参数如表２所示。
采用数码成像技术，自动获取掌子面图片，利用Ｍａｔｌａｂ软件提取图像的Ｈ（色调）、Ｓ（鲜艳程度）、Ｖ（明暗程度），提取过程如图３所示。
接着基于机器学习的六种算法（极限树、Ｋ近邻、袋袋法、随机森林、ＬｉｇｈｔＧＢＭ、ＸＧＢｏｏｓｔ），以凿岩台车钻进参数、Ｈ、Ｓ、Ｖ作为特征值，围岩岩性、层厚和围岩级别作为标签，经过训练保证准确率后，从而得到了围岩智能判释技术。
实现了手动输入凿岩台车钻进参数和掌子面图片参数，自动进行围岩级别判释的效果。后续还将不断完善该技术。
３．２ 智能化管理平台
ＢＩＭ促进的可视化和互操作性对于涉及跨学科参与和多环境交互的地下施工尤为重要。通过研究，在设计阶段利用ＢＩＭ三维可视化信息模型实现隧道工程设计成果表达，减少设计过程中的差错。在施工阶段，ＢＩＭ模型进行可视化交底，使施工人员对设计方案更好地进行理解。
通过结合ＢＩＭ技术及多种信息技术应用，由智能凿岩台车等设备进行信息的采集获取，建立隧道智能机械化管理平台，实现了装备与平台的数据交互。平台界面如图４所示。主要分为智慧监测和智慧管理两个模块。
智慧监测功能有超前地质预报、围岩监控量测、监测地质中的有害物质、也有以及施工进展的监测，可以随时看到施工进度是否正常进行，智慧监测界面如图５所示。智慧管理有较多功能，比较重要的是围岩分析、变形监测、安全质量管理、设备维修保养、物料能耗管控。智慧管理界面如图６所示。以上系统可以实现施工与监测数据采集与上传、工程项目信息化管理系统与信息化系统互联、也可以及时的查看施工交底文件。后续将在实际应用中不断完善。
４ 未来和展望
未来隧道的设计开发目标必然是实现自动化、智能管理的全新时代。随着现代信息通讯系统、大数据分析和人工智能技术等的发展和完善，远远可以超过这种能力，但同时也将朝着高可靠性，高度适应性多功能方向发展。
现在隧道智能建造任处于发展阶段。如何完善的智能建造技术体系，是目前面临的根本挑战，也是该领域的研发趋势。可以总结如下：
（１）促进高速铁路隧道智能化设计的理论创新。物联网、大数据、ＢＩＭ等技术的融合，以机械化和信息化的深度融合为基础，构建适合中国的高速铁路隧道智能化建设的功能架构，提出适合高速铁路隧道建设全生命周期的力学行为模式。
（２）推广预制装配式新型支护框架系统及营造方法。预制装配式构件标准化、定制化、批量化的特性，可以更高效地连接沟通生产企业、施工单位、建设机构、施工单位中的后期工作维护部门，而相对于传统的施工方式，其在信息化、机械化等方面的应用也具有先天优势。建设京张高速铁路清华园隧道和建设郑万高速公路罗家山隧道横洞均使用了预先的装配型轨下焊接构件，对结构构件材料、尺寸类型、焊接方式以及接口结构参数等领域开展了研究和实验，已证实了该种结构能有效减少工程造价、提高生产效率和施工安全性。
（３）加快多功能智能隧道开挖与支护设备的研发。目前，隧道工程机械主要由德国等欧洲国家企业垄断。铁路隧道工程产业结构受到了技术的约束限制。推动铁路隧道施工的一系列智能和多功能综合隧道施工机械的发展，不仅可提高我国隧道工程设备的技术水平，还能增强我国铁路行业的硬实力。
（４）另外，将隧道施工管理中的所有质量、安全、时间管理、施工技术以及后期运维信息等都要集成在统一的技术管理体系中，并建立统一信息网络平台，以实现技术信息由主观判断转变为智能判断，进行地质智能监测、并能够进行结构的动态调整、信息解构、构件重建、智能运维，以此增强隧道施工管理流程中对项目决策的科学化，进而提升其质量与管理水平。
５ 结论
文章通过对西延高铁的智能化建造技术进行了探讨，得出主要结论如下：
（１）采用智能化技术，解放了人力，使得隧道施工更加安全，各个施工阶段的质量得到了保障，实现了西延高速铁路隧道高效、精确的施工。
（２）研究了围岩智能判释技术，实现了手动输入随钻参数及掌子面图像参数，自动进行围岩级别判释的功能，为围岩分级提出了新的路径。
（３）实现了西延高速铁路软弱围岩隧道预支护等关键工序智能化，多工序、多机种机群协同作业，可以达到辅助人工决策的预期效果。
（４）建成了隧道智能化管理平台，集监测、管理等多种功能于一体，指导隧道智能机械化施工装备的高效作业。