呂 剛，劉建友，趙 勇，岳 嶺

(1. 中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司，北京 100055； 2. 川藏鐵路有限公司, 四川 成都 610045)

0 引言

鐵路作為重要的交通基礎(chǔ)設(shè)施，是一個(gè)國(guó)家綜合運(yùn)輸體系的骨干力量，在傳統(tǒng)制造業(yè)向工業(yè)4.0時(shí)代升級(jí)轉(zhuǎn)型的大背景下[1-5]，建設(shè)高效、綠色、智能化、信息化的鐵路工程已成為鐵路運(yùn)輸行業(yè)發(fā)展的必然趨勢(shì)[6]。

2019年12月30日全球首條智能化高速鐵路京張高鐵正式開(kāi)通運(yùn)行，京張高鐵作為2022年北京冬奧會(huì)的交通保障線(xiàn)，促進(jìn)京津冀地區(qū)一體化協(xié)同發(fā)展的經(jīng)濟(jì)服務(wù)線(xiàn)，中國(guó)高鐵建設(shè)的示范線(xiàn)，在建造過(guò)程中充分發(fā)揚(yáng)“智能京張，綠色京張”理念，應(yīng)用多項(xiàng)智能化關(guān)鍵技術(shù)[7-11]，保障了京張高鐵的順利開(kāi)通。

智能建造技術(shù)是當(dāng)今隧道研究的熱點(diǎn)，也是今后發(fā)展的方向[12]。隨著我國(guó)川藏鐵路的開(kāi)工建設(shè)，受高原缺氧、高寒凍土等因素的影響，同時(shí)我國(guó)勞動(dòng)力高齡化并急劇減少，隧道智能化建造成為必然選擇。本文將系統(tǒng)地介紹京張高鐵隧道建設(shè)過(guò)程中多項(xiàng)智能建造關(guān)鍵技術(shù)的原理、核心技術(shù)及應(yīng)用效果，可為川藏鐵路等隧道工程的建設(shè)提供參考。

1 清華園隧道軌下結(jié)構(gòu)智能拼裝技術(shù)

目前大直徑盾構(gòu)鐵路隧道軌下結(jié)構(gòu)常用的結(jié)構(gòu)形式有全部現(xiàn)澆與部分預(yù)制、部分現(xiàn)澆2種，但軌下結(jié)構(gòu)采用全預(yù)制構(gòu)件拼裝的施工方法尚屬空白。清華園隧道的支護(hù)結(jié)構(gòu)、軌下結(jié)構(gòu)和附屬溝槽均進(jìn)行預(yù)制機(jī)械化拼裝建造，在國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了隧道結(jié)構(gòu)全預(yù)制拼裝施工[13]，并針對(duì)隧道結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，研制了機(jī)械化自動(dòng)拼裝機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了隧道軌下結(jié)構(gòu)建造的標(biāo)準(zhǔn)化、自動(dòng)化、專(zhuān)業(yè)化、智能化，加快了施工進(jìn)度，節(jié)約了工期，避免了大量植筋損壞盾構(gòu)管片，提高了結(jié)構(gòu)耐久性和可靠性，減少了外界環(huán)境對(duì)施工作業(yè)的干擾，改善了作業(yè)環(huán)境，降低了振動(dòng)對(duì)周邊環(huán)境的影響。盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制工藝，由于其具有施工靈活、效率高等特點(diǎn)，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，是國(guó)內(nèi)盾構(gòu)隧道軌下結(jié)構(gòu)施工的革命性創(chuàng)舉。

1.1 軌下結(jié)構(gòu)智能化拼裝的控制原理

軌下結(jié)構(gòu)由1個(gè)中箱涵和2個(gè)邊箱涵組成，其拼裝智能化的關(guān)鍵在于拼裝機(jī)器人的研發(fā)。拼裝機(jī)器人主要由車(chē)架、行走車(chē)輪組、小車(chē)供電、橫移機(jī)構(gòu)、平衡機(jī)構(gòu)、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、U型吊具、箱涵件調(diào)整定位機(jī)構(gòu)等組成。隧道箱涵預(yù)制件拼裝機(jī)如圖1所示。該設(shè)備可以將箱涵件從運(yùn)輸車(chē)吊起，并平移調(diào)整后放到指定安裝位置，最終將箱涵件精確安裝于隧道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)箱涵快速機(jī)械化拼裝。

圖1 隧道箱涵預(yù)制件拼裝機(jī)

箱涵件調(diào)整定位機(jī)構(gòu)采用2D/3D機(jī)器視覺(jué)定位技術(shù)，通過(guò)攝像機(jī)采集視覺(jué)圖像，并傳輸給中央控制系統(tǒng)進(jìn)行圖像識(shí)別分析、利用逆運(yùn)動(dòng)學(xué)求解得到箱涵位置誤差值，并調(diào)整箱涵的位置和姿態(tài)位姿,消除誤差，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)定位和調(diào)整。

1.2 拼裝精度控制

軌下結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)先拼裝中箱涵，之后拼裝兩側(cè)邊箱涵。由于邊箱涵構(gòu)件與中箱涵采用螺栓連接，其定位以中箱涵為基準(zhǔn)，不再單獨(dú)進(jìn)行放樣，整體拼裝精度控制為5 mm以?xún)?nèi)。當(dāng)各構(gòu)件之間螺栓連接并緊固完畢后，即完成整個(gè)構(gòu)件拼裝工序。拼裝完成后進(jìn)行嵌縫施工，將箱涵之間的空隙堵住形成密閉空間，然后對(duì)預(yù)制結(jié)構(gòu)與盾構(gòu)管片之間的空隙采用M10微膨脹水泥砂漿充填，最后對(duì)底部結(jié)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。主要監(jiān)測(cè)內(nèi)容為構(gòu)件內(nèi)部應(yīng)力應(yīng)變和構(gòu)件整體性的位移，包括沉降及沿弧面滑移。

清華園隧道軌下結(jié)構(gòu)拼裝時(shí)，為了加快拼裝進(jìn)度，中箱涵隨盾構(gòu)掘進(jìn)先拼裝，而邊箱涵滯后很長(zhǎng)時(shí)間才開(kāi)始拼裝，這種先后拼裝的模式無(wú)法實(shí)現(xiàn)中箱涵和邊箱涵的同步精調(diào)，導(dǎo)致后期邊箱涵拼裝的錯(cuò)臺(tái)較大。因此，后續(xù)工程建議中箱涵和邊箱涵同步拼裝。

2 清華園隧道可視化施工技術(shù)

清華園隧道搭建了基于三維BIM模型、VR技術(shù)和GIS漫游的可視化、信息化的智慧施工管理監(jiān)控平臺(tái)[14]，實(shí)現(xiàn)對(duì)掘進(jìn)、拼裝、注漿等施工環(huán)節(jié)的全過(guò)程管理和監(jiān)控，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的可視化實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)和分析。

2.1 盾構(gòu)可視化施工監(jiān)控系統(tǒng)

盾構(gòu)施工監(jiān)控系統(tǒng)是一個(gè)集施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、施工信息以及施工管理信息于一體，能對(duì)海量施工數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，并通過(guò)數(shù)字化、可視化技術(shù)實(shí)現(xiàn)不同功能的智慧施工監(jiān)控系統(tǒng)。

智慧施工監(jiān)控系統(tǒng)共包括首頁(yè)、工程GIS、盾構(gòu)監(jiān)控、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、預(yù)測(cè)預(yù)警、系統(tǒng)管理以及信息上傳7大模塊。不同模塊可以實(shí)現(xiàn)不同的系統(tǒng)功能，各模塊之間也存在相互聯(lián)系和數(shù)據(jù)交換，共同作用構(gòu)成智慧施工系統(tǒng)。工程GIS模塊包含了工程的衛(wèi)星地圖，詳細(xì)顯示區(qū)間線(xiàn)路的地理位置關(guān)系以及和周邊建筑物、市政道路和地鐵的毗鄰關(guān)系，同時(shí)還詳細(xì)顯示線(xiàn)路附近重要的風(fēng)險(xiǎn)源信息。盾構(gòu)監(jiān)測(cè)模塊詳細(xì)顯示隧道掘進(jìn)當(dāng)前環(huán)的隧道詳情、注漿管道、注漿壓力和速度與位移信息，可實(shí)現(xiàn)對(duì)盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)和重要參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)還顯示了施工進(jìn)度管理圖，包括盾構(gòu)預(yù)設(shè)與實(shí)際進(jìn)度比較曲線(xiàn)圖和盾構(gòu)完成進(jìn)度餅狀圖，可以方便管理人員直觀(guān)地看到隧道掘進(jìn)的完成情況以及與預(yù)設(shè)進(jìn)度的差別，幫助及時(shí)進(jìn)行調(diào)整施工進(jìn)度。

預(yù)測(cè)預(yù)警模塊中展示了詳細(xì)的周邊建筑物、市政道路以及地鐵線(xiàn)路的地質(zhì)信息，同時(shí)詳細(xì)列舉了線(xiàn)路施工過(guò)程中遇到的重要風(fēng)險(xiǎn)源信息，還可對(duì)盾構(gòu)隧道施工引起的地層響應(yīng)和周邊建筑物響應(yīng)進(jìn)行分析預(yù)測(cè)。風(fēng)險(xiǎn)信息列表詳細(xì)列出了風(fēng)險(xiǎn)源的位置、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)以及沉降預(yù)測(cè)值和控制值，并據(jù)此判別安全狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了重要建(構(gòu))筑物和主要風(fēng)險(xiǎn)源危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)功能。

2.2 可視化施工關(guān)鍵技術(shù)

1)搭建了基于BIM、GIS和互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的隧道施工可視化管理平臺(tái)，采用盾構(gòu)施工全過(guò)程智能化、可視化動(dòng)態(tài)監(jiān)控與管理，實(shí)現(xiàn)對(duì)臨近建(構(gòu))筑物危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)。

2)采用經(jīng)驗(yàn)方法(如基于Peck理論的經(jīng)驗(yàn)方法)和人工智能(ANN、GEP及WPM)等方法多角度綜合實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)地表及施工影響范圍內(nèi)的建(構(gòu))筑物的沉降及水平變形，推導(dǎo)出不同地層條件和隧道幾何參數(shù)對(duì)應(yīng)的最優(yōu)盾構(gòu)施工參數(shù)指導(dǎo)施工。 Peck預(yù)測(cè)模型橫斷面沉降槽如圖2所示。Peck預(yù)測(cè)模型三維視圖如圖3所示。

Z為隧道開(kāi)挖方向與掌子面的距離。

圖3 Peck預(yù)測(cè)模型三維視圖

3)盾構(gòu)監(jiān)控平臺(tái)要求將盾構(gòu)掘進(jìn)中的地質(zhì)條件、周邊建筑物、工程措施等信息數(shù)字化，并且能夠從盾構(gòu)的傳感設(shè)備中自動(dòng)采集盾構(gòu)的姿態(tài)參數(shù)、壓力參數(shù)、進(jìn)出漿和注漿量參數(shù)等，實(shí)現(xiàn)各種信息的數(shù)字化處理。

2.3 可視化施工技術(shù)的應(yīng)用及其效果

目前該系統(tǒng)在京張高鐵清華園隧道的應(yīng)用十分可靠，基于信息化、智能化、可視化等現(xiàn)代先進(jìn)技術(shù)成功實(shí)現(xiàn)了科學(xué)化、精細(xì)化的施工目標(biāo)。在盾構(gòu)穿越多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的時(shí)候，通過(guò)3D模型提前展示隧道與周邊環(huán)境的關(guān)系，并且能夠通過(guò)軟件模擬分析盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程對(duì)周邊環(huán)境的影響值進(jìn)而推薦刀盤(pán)轉(zhuǎn)速、土艙壓力、油缸推力、螺旋輸送機(jī)轉(zhuǎn)速等盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)；在盾構(gòu)推進(jìn)過(guò)程中結(jié)合地面測(cè)量數(shù)據(jù)，及時(shí)反饋地面沉降量提前預(yù)警盾構(gòu)操作人員，動(dòng)態(tài)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)。傳統(tǒng)的盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)，大部分需要人為分析數(shù)據(jù)并進(jìn)行相應(yīng)的對(duì)策處理。盾構(gòu)可視化施工監(jiān)控系統(tǒng)大大地簡(jiǎn)化了人為干預(yù)的流程，不僅能夠預(yù)警信息并進(jìn)行自動(dòng)判別，加快了應(yīng)對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的響應(yīng)速度和處理效率，降低了安全事故的概率，提高了隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)管控能力，初步實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)施工全過(guò)程的可視化動(dòng)態(tài)管理。

3 東花園隧道自動(dòng)化噴涂防水技術(shù)

東花園隧道是國(guó)內(nèi)首次采用速凝橡膠瀝青噴涂防水材料的強(qiáng)富水深基坑明挖隧道[15]，新型噴涂速凝橡膠瀝青防水材料[16]是一種綠色環(huán)保的水性涂料，從生產(chǎn)到使用均不產(chǎn)生有害物質(zhì)，具有無(wú)縫搭接、完美貼合、工作環(huán)境要求低、施工效率高、附著力強(qiáng)、耐穿刺、抗酸堿鹽、節(jié)能降耗等突出優(yōu)勢(shì)，能解決邊角、裂縫、不規(guī)則結(jié)構(gòu)的連接處滲漏等技術(shù)難題。東花園隧道專(zhuān)門(mén)研制了自動(dòng)噴涂機(jī)器人，有效提高了噴涂施工的質(zhì)量、效率和智能程度。該機(jī)器人能精確地按照設(shè)定軌跡自動(dòng)準(zhǔn)確噴涂，使材料與基面全面高強(qiáng)粘附、噴層均一平整。有效減小了損耗量，極大地提高了工效，大幅度提升了施工的安全可靠性。

3.1 自動(dòng)化噴涂的智控系統(tǒng)

新型速凝橡膠瀝青防水材料的自動(dòng)化噴涂系統(tǒng)包括工作平臺(tái)、控制系統(tǒng)、供料系統(tǒng)、支撐系統(tǒng)、走行系統(tǒng)和噴涂小車(chē)6部分，如圖4所示。

1)工作平臺(tái)。根據(jù)結(jié)構(gòu)外觀(guān)尺寸進(jìn)行定制，是存放控制系統(tǒng)和供料系統(tǒng)的操作平臺(tái)，周?chē)O(shè)置護(hù)欄。

2)控制系統(tǒng)。主要包括主控制器、主電控制柜和變頻器控制柜，主控制器采用PLC控制器控制，設(shè)置觸摸屏+按鈕2種控制，觸摸屏可以實(shí)時(shí)輸入數(shù)值進(jìn)行設(shè)備基本參數(shù)設(shè)置，一鍵啟動(dòng)功能，自動(dòng)運(yùn)行噴涂、爬升、回位，支撐系統(tǒng)行走電動(dòng)控制，自帶糾偏功能。

PLC控制器是自動(dòng)化噴涂的智控中心，其內(nèi)置的微處理芯片可以計(jì)算分析并控制行走系統(tǒng)的速度和供料系統(tǒng)的供應(yīng)量，以及噴涂小車(chē)上噴槍的噴速，從而精準(zhǔn)控制噴層厚度。

(a) 三維視圖

(b) 剖面圖

(c) 頂視圖

3)供料系統(tǒng)。新型噴涂速凝橡膠瀝青防水材料為雙組份涂料，防水涂料主劑A組份為棕褐色黏稠狀的水性橡膠瀝青乳液，固化劑B組份為無(wú)色透明的破乳劑，分別裝入操作平臺(tái)的2個(gè)容器中。通過(guò)增壓泵泵送涂料，增壓泵由主控制器進(jìn)行控制，在支撐系統(tǒng)上設(shè)置坦克鏈對(duì)管道進(jìn)行保護(hù)，直達(dá)噴涂小車(chē)，并跟隨小車(chē)采用回卷式移動(dòng)。

4)支撐系統(tǒng)。根據(jù)結(jié)構(gòu)外觀(guān)尺寸進(jìn)行定制，采用爬梯形式，可供工作人員行走，并設(shè)置護(hù)欄。外側(cè)采用上、下雙層U型槽鋼，在下層U型槽鋼上設(shè)置2道齒槽作為噴涂小車(chē)的行走軌道，上層U型槽鋼作為坦克鏈的行走軌道。

5)走行系統(tǒng)。在工作平臺(tái)下設(shè)置4個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪由1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，在主控制器控制下行走，并可進(jìn)行糾偏，在支撐系統(tǒng)下設(shè)置可調(diào)節(jié)單向減震輪隨工作平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行移動(dòng)。

6)噴涂小車(chē)。在支撐系統(tǒng)上設(shè)懸挑梁，設(shè)置4個(gè)齒輪與支撐系統(tǒng)的2道齒槽進(jìn)行連接，在懸挑梁上安裝傳動(dòng)鏈和噴槍?zhuān)O(shè)置2個(gè)電機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴涂小車(chē)沿支撐系統(tǒng)行走，1個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)噴槍沿懸挑梁行走。

自動(dòng)化噴涂系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了新型速凝橡膠瀝青防水施工的智能化。

3.2 自動(dòng)化噴涂關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

1)根據(jù)防水材料雙組份液體噴涂方式的特性和結(jié)構(gòu)物的外輪廓結(jié)構(gòu)尺寸一致的特點(diǎn)，創(chuàng)新提出了按照結(jié)構(gòu)物的幾何尺寸采用鋼結(jié)構(gòu)定制噴涂機(jī)器人，該機(jī)器人自動(dòng)上料、自動(dòng)噴涂、自動(dòng)行走，填補(bǔ)了鐵路明挖隧道自動(dòng)噴涂防水施工的行業(yè)空白。

2)新型速凝橡膠瀝青防水自動(dòng)化噴涂對(duì)噴涂厚度的控制，是本智能化設(shè)備的核心技術(shù)，通過(guò)理論計(jì)算，固定噴涂壓力，控制噴槍移動(dòng)速率，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)噴涂厚度。噴涂機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)如圖5所示。

圖5 噴涂機(jī)器人現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

3.3 自動(dòng)化噴涂技術(shù)應(yīng)用效果

東花園隧道采用了自動(dòng)化噴涂技術(shù)，自動(dòng)化噴涂機(jī)器人的施工工效是人工噴涂施工工效的4倍。按照東花園隧道噴涂22 000 m2進(jìn)行計(jì)算，人工噴涂每日噴涂500 m2，需要44 d； 機(jī)器人噴涂每日噴涂2 000 m2，需要11 d，節(jié)約工期33 d。自動(dòng)化噴涂機(jī)器人只需2人1組，人工噴涂需要6人1組，減少現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員66.7%。

傳統(tǒng)人工噴涂需要人工手持噴槍進(jìn)行作業(yè)，在倒弧形上高空作業(yè)，作業(yè)人員危險(xiǎn)性極高，屬于高危作業(yè)； 自動(dòng)化噴涂采用自動(dòng)噴槍?zhuān)瑹o(wú)需作業(yè)人員高空作業(yè)，有效降低了作業(yè)人員的危險(xiǎn)性。

自動(dòng)化噴涂機(jī)器人能夠精確地控制噴涂用量，操作簡(jiǎn)單，噴涂厚度完美均一，有效地避免了人工噴涂存在的噴涂厚度不一、搭接面處理不到位等(合格率為100%)，對(duì)防水涂料的使用量控制更好。而傳統(tǒng)人工噴涂誤差較大，使用量低于設(shè)計(jì)量達(dá)不到防水效果；使用量高于設(shè)計(jì)量噴涂材料成本增加。采用自動(dòng)化噴涂機(jī)器人，有效避免了隧道滲漏水情況的發(fā)生，降低了洞內(nèi)滲漏水對(duì)洞內(nèi)設(shè)備和運(yùn)營(yíng)車(chē)輛產(chǎn)生破壞和影響的程度，同時(shí)減少了后期對(duì)隧道滲漏水進(jìn)行處理產(chǎn)生的高額費(fèi)用。

自動(dòng)化噴涂機(jī)器人的應(yīng)用有效地降低了現(xiàn)場(chǎng)管理人員的工作量，按照驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)采用針測(cè)法測(cè)厚儀對(duì)噴涂防水層進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，每100 m2抽查1處。而傳統(tǒng)人工噴涂施工單位為了控制噴涂質(zhì)量都是進(jìn)行加密監(jiān)測(cè)，同時(shí)需要對(duì)不合格部位進(jìn)行加強(qiáng)處理，處理完成后還需要進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

東花園隧道在自動(dòng)化噴涂實(shí)現(xiàn)的過(guò)程中設(shè)計(jì)了專(zhuān)門(mén)的噴涂機(jī)器人及相應(yīng)的控制系統(tǒng)，對(duì)裝備的要求較高，在后續(xù)的推廣過(guò)程中可能存在一定的困難。

4 基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)

基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)是以BIM為核心，面向鐵路工程隧道建設(shè)的新一代信息化管理平臺(tái)。該系統(tǒng)通過(guò)三維激光掃描自動(dòng)采集終端，利用專(zhuān)業(yè)分析軟件對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)的平整度按照相應(yīng)規(guī)范要求進(jìn)行分析，分析結(jié)果自動(dòng)上傳至預(yù)警平臺(tái)進(jìn)行展示和預(yù)警發(fā)布處置，方便鐵路工程施工單位及監(jiān)理單位在平臺(tái)上對(duì)隧道施工斷面質(zhì)量進(jìn)行管理，提高了工程質(zhì)量的管理水平與效率，達(dá)到了“快速辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)、及時(shí)預(yù)報(bào)風(fēng)險(xiǎn)、形象展示風(fēng)險(xiǎn)、有效控制風(fēng)險(xiǎn)”的目標(biāo)。

4.1 三維激光掃描隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)

基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)功能架構(gòu)包括現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)采集端、前端處理和系統(tǒng)分析端。

1)數(shù)據(jù)采集端。通過(guò)利用三維激光掃描儀與全自動(dòng)全站儀相結(jié)合的新技術(shù)，突破了傳統(tǒng)測(cè)量中由點(diǎn)到線(xiàn)、再由線(xiàn)到面的單點(diǎn)作業(yè)模式，通過(guò)高速激光掃描測(cè)量的方法，能快速獲取被掃描物表面的海量三維點(diǎn)云數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)了從點(diǎn)測(cè)量到面測(cè)量的跨越，從而能快速建立物體的三維模型。

2)前端處理。將收集而來(lái)的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行清理、優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)超欠挖、平整度、直圓度、斷面、變形、方量、中線(xiàn)偏差等指標(biāo)的分析計(jì)算。對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成實(shí)體的工程模擬影像，并通過(guò)運(yùn)用點(diǎn)云數(shù)據(jù)中所包含的色彩、反射強(qiáng)度等信息，分析隧道的滲水、裂縫等情況，實(shí)現(xiàn)隧道質(zhì)量的可視化管理，推動(dòng)隧道工程的質(zhì)量管理。

3)系統(tǒng)分析端。系統(tǒng)分析端是隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)的核心，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并與隧道BIM模型進(jìn)行關(guān)聯(lián)比對(duì)，實(shí)現(xiàn)斷面步距對(duì)開(kāi)挖、初期支護(hù)和二次襯砌超欠挖分析、平整度計(jì)算、斷面分析、變形計(jì)算、方量計(jì)算、真圓度計(jì)算、中線(xiàn)偏差計(jì)算等功能；并能根據(jù)超欠挖分析數(shù)據(jù)、平整度分析數(shù)據(jù)、方量對(duì)比數(shù)據(jù)、變形數(shù)據(jù)等信息，綜合分析每段里程內(nèi)的施工過(guò)程數(shù)據(jù)、成型質(zhì)量數(shù)據(jù)，形成綜合評(píng)判指標(biāo)。既能對(duì)已完工程進(jìn)行質(zhì)量評(píng)判，又能對(duì)后續(xù)施工提出改進(jìn)措施，避免出現(xiàn)超欠挖、平整度超限的情況?；谌S激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)功能架構(gòu)如圖6所示。

圖6 基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)功能架構(gòu)

4.2 隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新

1)通過(guò)三維激光掃描技術(shù)全自動(dòng)、高精度、立體掃描手段，短時(shí)間、遠(yuǎn)距離、高精度地獲得掃描目標(biāo)的表面三維坐標(biāo)，高效、完整地記錄施工現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜情況，與設(shè)計(jì)BIM模型進(jìn)行對(duì)比關(guān)聯(lián)，為工程質(zhì)量檢查、工程驗(yàn)收帶來(lái)巨大幫助。

2)三維激光掃描技術(shù)處理軟件與BIM模型屬于不同元數(shù)據(jù)，本系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)兩者的自動(dòng)和實(shí)時(shí)傳輸，把所有異類(lèi)數(shù)據(jù)“同化”為統(tǒng)一類(lèi)型數(shù)據(jù)，存儲(chǔ)在云端數(shù)據(jù)庫(kù)。不同元數(shù)據(jù)傳輸完成之后，按需求里程段進(jìn)行不同數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)解析，提供斷面圖打包下載、分析結(jié)果及報(bào)告下載等功能，實(shí)現(xiàn)整體多元數(shù)據(jù)的同步和高效協(xié)同。

3)首次實(shí)現(xiàn)隧道三維激光掃描技術(shù)生成的控制點(diǎn)點(diǎn)云數(shù)據(jù)與BIM模型編碼數(shù)據(jù)數(shù)字化集成，實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)重構(gòu)點(diǎn)云模型與BIM模型實(shí)時(shí)關(guān)聯(lián)，實(shí)時(shí)掌握施工狀態(tài)，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道進(jìn)行施工作業(yè)過(guò)程開(kāi)挖、初期支護(hù)、二次襯砌的超欠挖分析、隧道凈空計(jì)算、隧道空洞監(jiān)測(cè)等，實(shí)現(xiàn)基于BIM的隧道超欠挖、凈空及空洞方量等三維可視化質(zhì)量管控。

4)首次采用三維激光掃描技術(shù)、BIM可視化技術(shù)以及移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)等信息化新技術(shù)手段，對(duì)現(xiàn)有高鐵隧道工程平整度計(jì)算規(guī)則和標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行優(yōu)化提升，制定的鐵路隧道工程平整度計(jì)算原理和數(shù)學(xué)分析模型，形成高鐵隧道工程平整度新的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)，能夠提高平整度分析的速度和精度，并可以及時(shí)在預(yù)警系統(tǒng)進(jìn)行展示和預(yù)警發(fā)布，實(shí)現(xiàn)問(wèn)題及時(shí)反饋和閉環(huán)處置。

4.3 隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)技術(shù)應(yīng)用效果

在新八達(dá)嶺隧道項(xiàng)目和正盤(pán)臺(tái)隧道項(xiàng)目中，通過(guò)應(yīng)用基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)，極大地提高了隧道斷面質(zhì)量管理準(zhǔn)確性與及時(shí)性，較大程度提高了參建各方的工作效率[17]。在數(shù)據(jù)采集端，據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，該系統(tǒng)的應(yīng)用已節(jié)省人工成本20%，提高采集效率30%，提高準(zhǔn)確率25%。在前端分析中，通過(guò)對(duì)點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行斷面切分、超欠挖、平整度、方量、變形等指標(biāo)的專(zhuān)業(yè)分析，自動(dòng)生成BIM模型、分析報(bào)表和斷面圖實(shí)時(shí)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員。與此同時(shí)，各類(lèi)分析結(jié)果能夠?qū)崟r(shí)傳輸?shù)筋A(yù)警系統(tǒng)中進(jìn)行預(yù)警管控，實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)物聯(lián)傳輸、集中存儲(chǔ)、專(zhuān)業(yè)分析、預(yù)警發(fā)布，實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道工程建設(shè)過(guò)程關(guān)鍵部位、關(guān)鍵質(zhì)量問(wèn)題的有效管控，全面提升所建隧道項(xiàng)目施工全過(guò)程的精益管理，提高了建設(shè)管理人員的管理效率及準(zhǔn)確性，便于及時(shí)消除施工安全隱患。

通過(guò)應(yīng)用該系統(tǒng)，解決了數(shù)據(jù)采集、處理、反饋、預(yù)警的及時(shí)性和準(zhǔn)確性問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了數(shù)據(jù)傳輸、處理、反饋和預(yù)警自動(dòng)化，同時(shí)具有溯源監(jiān)管功能，起到了檢查和指導(dǎo)的作用。與傳統(tǒng)方法相比，應(yīng)用基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)，滿(mǎn)足了對(duì)隧道斷面量測(cè)進(jìn)行過(guò)程控制和預(yù)警處理的需求，加強(qiáng)了對(duì)現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)行為的監(jiān)管力度，保證隧道施工及周邊環(huán)境施工安全的及時(shí)性、真實(shí)性，實(shí)現(xiàn)對(duì)變形異常及時(shí)、快速地響應(yīng)和處理，及時(shí)消除安全隱患，降低了安全事故的概率，提升了隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管控能力，得到了多家使用單位的良好反饋。

5 結(jié)論與討論

1)清華園隧道軌下結(jié)構(gòu)采用全預(yù)制拼裝技術(shù)，并研發(fā)了拼裝機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了智能化拼裝，極大地提高了施工效率與拼裝精度。

2)清華園盾構(gòu)隧道應(yīng)用可視化施工系統(tǒng)施工，能夠?qū)崟r(shí)展示盾構(gòu)工作情況，并能根據(jù)盾構(gòu)實(shí)時(shí)狀態(tài)自動(dòng)分析風(fēng)險(xiǎn)情況并給予推進(jìn)參數(shù)建議，有效地提升了施工質(zhì)量和管理效率。

3)東花園隧道防水工程創(chuàng)新性地采用了自動(dòng)化噴涂防水技術(shù)，利用鋼結(jié)構(gòu)定制自動(dòng)噴涂機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)了防水材料的自動(dòng)上料、自動(dòng)定位、自動(dòng)噴涂。與傳統(tǒng)人工噴涂技術(shù)相比，在施工質(zhì)量、安全、工效和進(jìn)度上有顯著優(yōu)勢(shì)。

4)新八達(dá)嶺隧道和正盤(pán)臺(tái)隧道在建設(shè)過(guò)程中應(yīng)用了基于三維激光掃描技術(shù)的隧道斷面質(zhì)量管理系統(tǒng)，將BIM精細(xì)化模型與三維激光掃描點(diǎn)云模型進(jìn)行深度融合，進(jìn)一步實(shí)現(xiàn)對(duì)隧道施工作業(yè)過(guò)程的可視化。

在京張高鐵隧道智能技術(shù)應(yīng)用的過(guò)程中仍存在一些不足需要改進(jìn)，例如采用全預(yù)制拼裝技術(shù)進(jìn)行施工時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生拼接誤差，同時(shí)拼裝機(jī)也存在適應(yīng)性不強(qiáng)的問(wèn)題；在可視化施工系統(tǒng)應(yīng)用的過(guò)程中需要進(jìn)一步加深人機(jī)互動(dòng)的便利性，優(yōu)化系統(tǒng)界面，同時(shí)加強(qiáng)推廣，提高從業(yè)人員的素質(zhì)。