智慧公路隧道綜述

吳 震， 王國(guó)舉， 何婭蘭

(四川省鐵路建設(shè)有限公司，四川成都 610072)

隧道作為交通領(lǐng)域必不可少的組成部分，每年都有幾百上千公里的隧道需要修建。調(diào)查顯示，錯(cuò)綜復(fù)雜的地質(zhì)條件是嚴(yán)重阻礙隧道安全快速發(fā)展的主要因素，復(fù)雜地質(zhì)條件下長(zhǎng)大隧道的建設(shè)更是需要投入不少時(shí)間[1-3]。從機(jī)械化施工到智能化、無(wú)人化的隧道建設(shè)是目前隧道發(fā)展的主流方向。

對(duì)此，不少國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)智慧隧道的建設(shè)展開(kāi)了調(diào)研。錢(qián)七虎[1]指出提高隧道建設(shè)信息化程度，可以更安全快速修建長(zhǎng)大隧道，同時(shí)隧道的發(fā)展應(yīng)從數(shù)字隧道向智能化隧道轉(zhuǎn)型；高曉波等[4-7]對(duì)公路智慧隧道的智能照明系統(tǒng)展開(kāi)了討論，提升了智慧隧道的建設(shè)品質(zhì)；林志等[8]介紹了智能隧道病害智能診斷、智能防災(zāi)面臨的新挑戰(zhàn)；Liu等[9]提出了一種適用于隧道工程信息化施工的遺傳算法，可預(yù)測(cè)隧道開(kāi)挖后圍巖位移；韓直等[10]從智慧隧道具有的特征出發(fā)，解決了公路智慧隧道協(xié)同管理的系列問(wèn)題；貢松多吉等[11]采用理論與實(shí)際相結(jié)合的手段，在基于國(guó)內(nèi)公路隧道的管理體系下，構(gòu)建了綜合性的能耗監(jiān)測(cè)體系，促進(jìn)了綠色智慧公路隧道的發(fā)展；Jing等[12]設(shè)計(jì)了一種基于中間件的異構(gòu)數(shù)據(jù)集成方法和基于多模型的動(dòng)態(tài)分析機(jī)制的盾構(gòu)隧道施工動(dòng)態(tài)智能分析系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了隧道施工及周邊環(huán)境安全的智能動(dòng)態(tài)分析。曾磊等[13-14]基于國(guó)內(nèi)公路隧道管理現(xiàn)狀，建立了智慧公路隧道體系架構(gòu)，整個(gè)體系分為通信、應(yīng)用等5部分，具備高效管理、精準(zhǔn)計(jì)算、信息服務(wù)等優(yōu)點(diǎn)；韓自力[15]調(diào)研了近幾年智慧隧道的發(fā)展現(xiàn)狀，在目前的研究成果上研發(fā)了信息自動(dòng)采集、傳輸、存儲(chǔ)的智能檢測(cè)系統(tǒng)，同時(shí)也指出智慧高速鐵路隧道是未來(lái)數(shù)字鐵路隧道的發(fā)展趨勢(shì)；沈衛(wèi)平等[16]開(kāi)發(fā)了智慧盾構(gòu)隧道信息管理系統(tǒng)，基于互聯(lián)網(wǎng)實(shí)現(xiàn)了不同類型實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的分析域管理，解決了砂卵石地層盾構(gòu)掘進(jìn)產(chǎn)生的滯后沉降所造成的安全問(wèn)題。

本文通過(guò)對(duì)智慧隧道進(jìn)行大量調(diào)研，從智慧隧道的基本特點(diǎn)、智慧公路隧道的運(yùn)營(yíng)模式、智慧公路隧道的研究現(xiàn)狀以及研究趨勢(shì)展開(kāi)敘述，并探究了智慧公路隧道發(fā)展道路上需要解決的難題。

1 智慧隧道基本概念及其特征

錢(qián)七虎院士在第一屆全國(guó)巖土工程信息技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì)上表明，“提高數(shù)字隧道信息化水平才是降低隧道建設(shè)工程事故的出路”。數(shù)字隧道提高了物理隧道的自動(dòng)化水平、災(zāi)害預(yù)警的準(zhǔn)確性，加快了隧道的建設(shè)，但數(shù)字隧道仍存在無(wú)法實(shí)時(shí)獲取掌子面圍巖位移、圍巖應(yīng)力等施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，獲取的數(shù)據(jù)量大而無(wú)法精準(zhǔn)使用等諸多不足，致使數(shù)字隧道與物理隧道聯(lián)系不夠緊密，往往造成現(xiàn)場(chǎng)事故的發(fā)生[17]。

現(xiàn)如今，將成熟的物聯(lián)網(wǎng)和云計(jì)算等信息技術(shù)應(yīng)用到隧道的建設(shè)中彌補(bǔ)數(shù)字隧道的缺點(diǎn)，提高了數(shù)字隧道的信息化程度，在云技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)的支撐下，及時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、儲(chǔ)備并進(jìn)行智能分析、篩選、反饋現(xiàn)場(chǎng)，智能化的數(shù)字隧道就是智慧隧道，是隧道高水平信息化的階段。如圖1所示，智慧隧道具備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)共享、智能感知、風(fēng)險(xiǎn)判識(shí)、監(jiān)控預(yù)警等功能。

圖1 智慧隧道的功能

智慧隧道的具體功能和特點(diǎn)有幾點(diǎn)：

(1)透徹感知：在隧道里面布設(shè)傳感器，全方位實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)隧道人員狀態(tài)、設(shè)備、溫度、空氣清晰度等。

(2)全面互聯(lián)：采用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)將傳感器全面連接，進(jìn)行數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)采集、智能篩選與儲(chǔ)存。

(3)數(shù)據(jù)整合：將智能篩選出來(lái)的數(shù)據(jù)按統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)整合為一致性數(shù)據(jù)。

(4)智能服務(wù)：通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)的智能處理，利用云技術(shù)構(gòu)建系統(tǒng)管理體系，為隧道設(shè)計(jì)、建設(shè)、運(yùn)營(yíng)各階段提供智能化服務(wù)。

2 智慧公路隧道運(yùn)營(yíng)管理模式

智慧公路的運(yùn)營(yíng)管理模式即是在以物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等多種信息技術(shù)的支撐下，同時(shí)結(jié)合人工智能、三維數(shù)值模擬手段、圖像采集技術(shù)、多源數(shù)據(jù)融合、數(shù)值仿真等技術(shù)模擬公路隧道在運(yùn)營(yíng)階段的全過(guò)程，通過(guò)對(duì)隧道周邊環(huán)境、隧道內(nèi)汽車、來(lái)往行人、通風(fēng)、燈光等的協(xié)調(diào)管理控制以提高隧道運(yùn)營(yíng)階段安全防控水平、提高隧道通行能力、減少隧道運(yùn)營(yíng)階段能源損耗、降低運(yùn)營(yíng)階段投資成本、提高公路隧道使用壽命為目的管理模式。

如圖2所示，基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)等綜合信息技術(shù)服務(wù)的智慧型公路隧道的運(yùn)營(yíng)管理模式由5個(gè)協(xié)同管理平臺(tái)組成，是傳統(tǒng)公路隧道管理模式在信息化程度上的本質(zhì)升級(jí)。采用基于圖像采集、圖像分析、射頻識(shí)別等智能設(shè)備在運(yùn)營(yíng)階段的應(yīng)用，全方位獲取隧道內(nèi)車流量、車速、人員、隧道環(huán)境等信息，擴(kuò)大了智慧公路隧道信息感知范圍。同時(shí)基于物聯(lián)網(wǎng)、云技術(shù)可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)共享、智能分析篩選可用數(shù)據(jù)并儲(chǔ)存、對(duì)動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)進(jìn)行高效挖掘等。

圖2 智慧公路隧道運(yùn)行管理模式

智慧公路隧道的運(yùn)營(yíng)管理模式改變了傳統(tǒng)公路隧道運(yùn)營(yíng)管理方式，以經(jīng)驗(yàn)為主的管理方式逐漸向智能化、信息化、精準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，從被動(dòng)式管理逐漸向主動(dòng)式管理發(fā)展。智慧公路隧道的運(yùn)營(yíng)管理模式解決了傳統(tǒng)公路隧道信息傳輸不及時(shí)、信息量少且不實(shí)用等問(wèn)題，也為社會(huì)、生態(tài)環(huán)境帶來(lái)更高的經(jīng)濟(jì)效益。

3 智慧公路隧道發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 GIS在公路隧道中的應(yīng)用

地理信息系統(tǒng)(GIS)是一個(gè)在基于計(jì)算機(jī)構(gòu)建的信息管理系統(tǒng)，其主要功能如圖3所示。近幾年來(lái)，GIS技術(shù)廣泛應(yīng)用于公路隧道的建設(shè)中，田瓊等[18]依托槐樹(shù)坪隧道工程，利用GIS技術(shù)帶來(lái)的空間信息采集、分析等功能設(shè)計(jì)了槐樹(shù)坪隧道信息化施工GIS管理系統(tǒng)，對(duì)隧道安全快速的建設(shè)起到至關(guān)重要的作用；文海家等[19]基于數(shù)值模擬和GIS技術(shù)提出了一種預(yù)測(cè)圍巖穩(wěn)定性的新方法，對(duì)中梁山白市驛隧道全線圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行了分級(jí)，結(jié)合實(shí)際驗(yàn)證了預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。GIS技術(shù)在公路隧道中的應(yīng)用推動(dòng)了隧道的信息化施工，提升了智慧公路隧道的建設(shè)質(zhì)量。

圖3 GIS的主要功能

在公路隧道三維建模中，采用數(shù)字高程模型(DEM)作為地形模型，DEM模型包括了高程數(shù)據(jù)信息，即可用GSI等高線生成數(shù)字高程模型(DEM)，構(gòu)建流程如圖4所示。

圖4 GSI高程信息生成DEM

3.2 BIM技術(shù)在公路隧道中的應(yīng)用

BIM的核心是通過(guò)建立虛擬的工程三維模型，利用數(shù)字化技術(shù)，為這個(gè)模型提供完整的、與實(shí)際情況一致的工程信息庫(kù)。BIM技術(shù)日益完善，應(yīng)用領(lǐng)域也不斷拓寬，現(xiàn)如今也開(kāi)始應(yīng)用于公路隧道的智能建設(shè)中。李德軍等[20]以某城山嶺隧道為例，采用BIM技術(shù)設(shè)計(jì)了隧道的線路走向以及隧道的主體結(jié)構(gòu)，并提出了山嶺隧道BIM的構(gòu)建標(biāo)準(zhǔn)以及模型的校驗(yàn)方法；李曉軍等[21]基于BIM技術(shù)提出了一種新的隧道模型建立方法，實(shí)現(xiàn)了模型單元的自適應(yīng)拼接，解決了BIM技術(shù)在隧道模型建立上拼接方法不通用且效率低等問(wèn)題。

如圖5所示，BIM技術(shù)可為公路隧道從設(shè)計(jì)到建設(shè)乃至運(yùn)維全過(guò)程服務(wù)。BIM技術(shù)在公路隧道中的應(yīng)用不僅提高了建設(shè)效率、縮短了工期，也節(jié)約了生產(chǎn)成本，進(jìn)而在智能公路隧道的建設(shè)中逐漸推廣。

圖5 BIM技術(shù)在智慧公路隧道中的應(yīng)用

3.3 一體化機(jī)械設(shè)備的應(yīng)用

機(jī)械化配套施工一直是公路隧道的發(fā)展方向，高效率機(jī)械化配套施工是智慧公路隧道初級(jí)階段的前進(jìn)方向。近幾年，機(jī)械化施工在隧道開(kāi)挖、襯砌施工方面取得了一定的成就。懸臂式隧道掘進(jìn)機(jī)以其高效、少塵、低磨損、低功耗、低擾動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)廣泛應(yīng)用于隧道的掘進(jìn)工作[22-24]。在全長(zhǎng)350 m、洞寬17 m、高13 m的黎家山隧道施工中采用了最新研發(fā)的CTR300R型懸臂掘進(jìn)機(jī)，創(chuàng)下了進(jìn)尺168 m/月的國(guó)內(nèi)最高紀(jì)錄。多功能作業(yè)臺(tái)車是一種新型隧道支護(hù)安裝設(shè)備，廣泛應(yīng)用于多用于隧道鋼拱架施工作業(yè)、錨桿安裝、錨網(wǎng)安裝等襯砌施工中[25-26]。一體化機(jī)械設(shè)備在公路隧道中的應(yīng)用，提高了作業(yè)效率，加快了智慧公路隧道的建設(shè)，圖6為廣泛應(yīng)用于隧道建設(shè)的一體化機(jī)械設(shè)備。

圖6 隧道施工一體化機(jī)械設(shè)備

3.4 自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的應(yīng)用

傳統(tǒng)的公路隧道施工中主要對(duì)隧道拱頂沉降、洞周水平收斂、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力、圍壓壓力等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，每1個(gè)斷面都需要重新布設(shè)探測(cè)元件，同時(shí)對(duì)于數(shù)據(jù)的記錄基本都是監(jiān)測(cè)人員采用筆和紙記錄，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，還會(huì)阻礙現(xiàn)場(chǎng)施工，影響掘進(jìn)速度，最主要的是監(jiān)測(cè)人員在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中存在安全隱患。

為實(shí)時(shí)掌控施工現(xiàn)場(chǎng)數(shù)據(jù)，對(duì)施工出現(xiàn)的緊急情況及時(shí)做出應(yīng)對(duì)，確保施工安全，近幾年，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)也廣泛應(yīng)用于公路隧道的智能建設(shè)中[27-28]。西山特長(zhǎng)隧道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由激光測(cè)距模塊、數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)發(fā)送模塊和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)接收處理模塊4個(gè)模塊組成，實(shí)現(xiàn)了隧道掘進(jìn)、支護(hù)的全面自動(dòng)化監(jiān)控。

4 智慧公路隧道發(fā)展主要方向

4.1 隧道建設(shè)透視化

在傳統(tǒng)公路隧道防災(zāi)減災(zāi)上，地質(zhì)雷達(dá)、紅外探水儀等超前探測(cè)技術(shù)發(fā)揮了很大的作用，但是由于探測(cè)距離有限、設(shè)備精度不夠，往往不能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)整個(gè)隧道的地質(zhì)情況，同時(shí)由于地質(zhì)情況的復(fù)雜、作業(yè)人員檢測(cè)的不規(guī)范，很可能存在潛在風(fēng)險(xiǎn)未被探明，而這些往往導(dǎo)致嚴(yán)重的安全事故發(fā)生。

智慧公路隧道應(yīng)向著三維可視化建設(shè)發(fā)展，在GIS技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、VR技術(shù)合信息化前沿技術(shù)的基礎(chǔ)上，打造具有透視功能的三維可視化隧道，對(duì)整個(gè)隧道地層進(jìn)行數(shù)值仿真，實(shí)現(xiàn)公路隧道巖溶、斷層等不良地質(zhì)位置的精準(zhǔn)定位，可提前做好防治措施，避免安全事故的發(fā)生。

4.2 多網(wǎng)融合傳輸技術(shù)與設(shè)備

長(zhǎng)距離、大斷面智能公路隧道的建設(shè)對(duì)數(shù)據(jù)采集的要求很高，現(xiàn)如今的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、傳輸技術(shù)還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠，需要研發(fā)具有高靈敏度、高精度采集范圍更廣的傳感技術(shù)裝備。在基于現(xiàn)如今如此前沿的信息技術(shù)水平上可大膽創(chuàng)新空中、陸地、水下一體化全方位探測(cè)技術(shù)，研制磁、核、聲、光、電等物理參數(shù)綜合成像探測(cè)新儀器，構(gòu)建探測(cè)數(shù)據(jù)三維可視化重構(gòu)等數(shù)據(jù)融合處理方法，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)全網(wǎng)傳輸、全面采集。

4.3 遠(yuǎn)程可控的公路隧道自動(dòng)化建設(shè)技術(shù)

以掘進(jìn)、初支、二襯模車等現(xiàn)場(chǎng)施工機(jī)械自動(dòng)化及可視化遠(yuǎn)程監(jiān)控等為基礎(chǔ)，以建設(shè)系統(tǒng)智能化控制軟件為核心，研發(fā)遠(yuǎn)程可控的無(wú)人隧道建設(shè)技術(shù)及裝備。結(jié)合隧道建設(shè)、安全、機(jī)電、信息、計(jì)算機(jī)、互聯(lián)網(wǎng)等學(xué)科，把隧道開(kāi)發(fā)變成智能工程或車間，實(shí)現(xiàn)公路隧道從機(jī)械化配套施工到全面智能化、無(wú)人化的安全高效建設(shè)。公路隧道自動(dòng)化建設(shè)系統(tǒng)如圖7所示。

圖7 公路隧道自動(dòng)化建設(shè)系統(tǒng)

5 結(jié)束語(yǔ)

基于物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)的智能公路隧道擁有高度信息化水平，智慧公路隧道在隧道的選址、設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營(yíng)全生命周期里為提供不同層次的技術(shù)和信息服務(wù)，提高了隧道的建設(shè)效率、縮短了工期、節(jié)約成本。

智能公路隧道的發(fā)展也面臨著諸多挑戰(zhàn)，在技術(shù)上，如何使用物聯(lián)網(wǎng)才可以徹底實(shí)現(xiàn)數(shù)字隧道和物理隧道之間無(wú)時(shí)差的數(shù)據(jù)共享，如何提升采用云計(jì)算技術(shù)智能篩選數(shù)據(jù)的能力，這些都將是智慧公路隧道發(fā)展路上需要去面對(duì)的，當(dāng)然這些問(wèn)題涉及多方面專業(yè)知識(shí)，只有各領(lǐng)域?qū)I(yè)人才的通力合作，才能加快智能公路隧道的建設(shè)。