時間: 2025年5月24日 星期六 分類:科學(xué)技術(shù)論文 次數(shù):818
摘要:針對隧道工程地質(zhì)及環(huán)境條件復(fù)雜,不可預(yù)見安全風(fēng)險因素多,質(zhì)量控制和環(huán)水保要求高,施工組織協(xié)調(diào)任務(wù)重,研究采用數(shù)字信息化技術(shù)實現(xiàn)隧道工程安全優(yōu)質(zhì)高效施工建設(shè)。首先,研究提出基于BIM的隧道施組進(jìn)度跨任務(wù)綜合預(yù)警方法和基于BIM的三維可視化進(jìn)度精細(xì)化管理;其次,研究基于數(shù)字視頻分析、短距離人機(jī)定位技術(shù)實現(xiàn)隧道內(nèi)人員和機(jī)械設(shè)備安全定位管理,基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)、物探法、鉆探法、自動監(jiān)測等隧道施工不良地質(zhì)超前探測預(yù)報預(yù)警、圍巖變形動態(tài)監(jiān)控量測、安全步距動態(tài)分析監(jiān)控、有害氣體監(jiān)測預(yù)警等隧道工程施工多維度安全風(fēng)險監(jiān)控;再次,研究BIM、三維掃描、移動互聯(lián)等新技術(shù)與隧道施工開挖業(yè)務(wù)融合,實現(xiàn)對隧道工程施工超欠挖和平整度、襯砌防脫空以及工程實體質(zhì)量專業(yè)分析和自動預(yù)警等;最后結(jié)合實際工程應(yīng)用驗證關(guān)鍵技術(shù)和應(yīng)用效果,為隧道工程施工建設(shè)數(shù)字信息化管理提供借鑒參考。
關(guān)鍵詞:隧道工程;建筑信息模型;人機(jī)定位;超前地質(zhì)預(yù)報;圍巖監(jiān)控量測;三維激光掃描;數(shù)字信息化系統(tǒng)。
引言
隧道工程普遍具有施工協(xié)調(diào)任務(wù)重,質(zhì)量控制要求高、安全保證任務(wù)重,對施工組織、調(diào)度指揮和現(xiàn)場控制的有效性要求高;不良地質(zhì)分布范圍較大,存在塌方、大變形、巖爆、突水、突泥等多種風(fēng)險,施工安全風(fēng)險大;隧道工程地質(zhì)及環(huán)境條件復(fù)雜,不可預(yù)見安全風(fēng)險因素多,工期風(fēng)險較大。如何采用新理念、新技術(shù)、新方法和新工藝,全方面實現(xiàn)隧道工程高效、優(yōu)質(zhì)、安全、按期建設(shè)尤為重要。
以數(shù)字信息化技術(shù)促進(jìn)隧道工程施工信息化、精細(xì)化管理的發(fā)展理念為全隧道行業(yè)普遍接受,隧道工程施工數(shù)字信息化管理水平在近幾年有很大的提升。文獻(xiàn)[13]進(jìn)行鐵路工程建設(shè)信息化管理平臺架構(gòu)研究,提出基于BIM的鉆爆隧道建設(shè)安全質(zhì)量動態(tài)控制技術(shù)研究和基于BIM+物聯(lián)網(wǎng)的盾構(gòu)隧道實時感知與預(yù)警管控平臺研究,并進(jìn)行試點應(yīng)用。
文獻(xiàn)[45]開展了隧道工程建設(shè)地質(zhì)預(yù)報及信息化技術(shù)的主要進(jìn)展及發(fā)展方向和信息管理探索研究;文獻(xiàn)[69]開展了軌道交通監(jiān)控量測和隧道工程變形監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)技術(shù)探索研究;文獻(xiàn)[1015]開展基于激光點云的隧道超欠挖檢測方法研究,進(jìn)行隧道超欠挖檢測信息系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)應(yīng)用;文獻(xiàn)[1617]基于信息化技術(shù)搭建隧道建設(shè)信息系統(tǒng),實現(xiàn)隧道信息化施工管理應(yīng)用等。
本文將從系統(tǒng)工程管理方法論和數(shù)字信息化應(yīng)用角度出發(fā),首先,圍繞隧道工程施工過程施組進(jìn)度、安全風(fēng)險、質(zhì)量驗收、人員設(shè)備管理等客觀存在的一系列技術(shù)和管理難題進(jìn)行問題分析,提出數(shù)字信息化技術(shù)解決思路;然后,重點研究隧道工程施工過程施組進(jìn)度、安全質(zhì)量、人員設(shè)備管理等數(shù)據(jù)采集方式、數(shù)據(jù)傳輸模式、數(shù)據(jù)安全機(jī)制、數(shù)據(jù)存儲形式、信息融合共享、專業(yè)分析預(yù)判等關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新應(yīng)用內(nèi)容;最后,結(jié)合工程實際應(yīng)用進(jìn)行驗證,進(jìn)一步總結(jié)探索隧道工程數(shù)字信息化施工實踐經(jīng)驗。
1施工施組進(jìn)度關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
1.1問題分析及解決思路
隧道工程具有復(fù)雜長大線性工程、專業(yè)交叉密切、工序銜接復(fù)雜等施工組織設(shè)計難點,存在工項劃分不統(tǒng)一、不明確、重復(fù)交叉等施組組合拆分困難,工程進(jìn)度不好量化、施工進(jìn)度精確統(tǒng)計分析困難,動態(tài)調(diào)整施組進(jìn)度和合理優(yōu)化施工資源困難等等一系列難題。通過研究提出隧道工程施工組織進(jìn)度跨任務(wù)推演預(yù)測計算方法和基于施組進(jìn)度綜合預(yù)警可視化呈現(xiàn)技術(shù),實現(xiàn)多工序、多任務(wù)、多工點融合的隧道工程施工組織數(shù)字化編制、關(guān)鍵路徑分析與優(yōu)化、三維可視化形象進(jìn)度展示和進(jìn)度預(yù)報警閉環(huán)管理等,解決隧道工程施組管理數(shù)字化輔助決策管理技術(shù)難題。
1.2關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新應(yīng)用
基于數(shù)據(jù)的施工組織進(jìn)度跨任務(wù)智能推演與預(yù)警技術(shù),按照悲觀進(jìn)度、樂觀進(jìn)度、計劃進(jìn)度和標(biāo)段經(jīng)驗值等推演指標(biāo)類型,設(shè)計多作業(yè)面并行工程定點貫通和動態(tài)會聚等隧道工程進(jìn)度推演算法,解決隧道工程施工進(jìn)度滯后的閉環(huán)管理,實現(xiàn)作業(yè)面沖突、資源延誤、關(guān)鍵路徑變更等預(yù)警提醒,提高施工組織進(jìn)度風(fēng)險預(yù)測與管控能力。通過在系統(tǒng)內(nèi)編制或者外部導(dǎo)入施工計劃,并關(guān)聯(lián)隧道BIM模型構(gòu)件,形成三維施工組織計劃,進(jìn)行施工進(jìn)度動態(tài)模擬和對比分析,優(yōu)化調(diào)整施組計劃,合理編排施組計劃,為后續(xù)施工人員安排、設(shè)備機(jī)具調(diào)配、大宗材料采購、以及相鄰工序的施工計劃安排等[12],提供切實可靠依據(jù)。
通過電子施工日志系統(tǒng),定時采集每日進(jìn)度數(shù)據(jù),根據(jù)上傳分析結(jié)果自動形成進(jìn)度日報、周報、月報、年報等,基于餅圖、柱狀圖、大屏看板等多維視圖展示可視化實際進(jìn)度;同時關(guān)聯(lián)驅(qū)動IM模型,實現(xiàn)隧道工程施工工點狀態(tài)、開挖進(jìn)度、進(jìn)度分析等三維可視化形象進(jìn)度管理。基于時間里程維度的施工組織進(jìn)度報警機(jī)制,結(jié)合電子施工日志實際進(jìn)度數(shù)據(jù)和施工組織計劃工期數(shù)據(jù)對比分析,提前發(fā)現(xiàn)進(jìn)度滯后點進(jìn)行不同等級的預(yù)警,及時協(xié)助建設(shè)、施工單位采取施組進(jìn)度優(yōu)化相應(yīng)措施,最大限度上保證施工進(jìn)度順利進(jìn)行。
2施工安全風(fēng)險管控關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
2.1問題分析及解決思路
隧道工程是一項高風(fēng)險工程,存在不可預(yù)見風(fēng)險因素多、安全風(fēng)險識別難度大、風(fēng)險有效監(jiān)測監(jiān)控難等施工安全風(fēng)險難題。通過研究應(yīng)用數(shù)字視頻分析、人臉自動識別和短距離定位等多種人機(jī)定位技術(shù),實現(xiàn)隧道工程施工過程洞內(nèi)各工點作業(yè)機(jī)械、人員等實名制精確統(tǒng)計和工作軌跡精確分析,解決狹長隧道內(nèi)機(jī)械、人員監(jiān)控困難等技術(shù)問題。研究基于BIM、物聯(lián)網(wǎng)、超前地質(zhì)預(yù)報、自動監(jiān)控量測等多種技術(shù)與隧道工程施工安全風(fēng)險監(jiān)控業(yè)務(wù)相融合,實現(xiàn)隧道施工風(fēng)險源識別、安全隱患排查、地質(zhì)超期探測預(yù)報、圍巖變形監(jiān)控量測、安全步距監(jiān)控等安全風(fēng)險數(shù)字化、可視化動態(tài)監(jiān)控[12],解決隧道施工安全風(fēng)險有效監(jiān)控預(yù)防一系列技術(shù)難題。
2.2關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新應(yīng)用
通過人機(jī)定位技術(shù)對洞內(nèi)外人員進(jìn)行精確定位,實時掌握現(xiàn)場人員分布及運(yùn)行狀態(tài),準(zhǔn)確完成各區(qū)域人員數(shù)量、工作狀態(tài)統(tǒng)計分析和考勤管理,并對區(qū)域外作業(yè)的人員安全提醒或警示警告;利用數(shù)字視頻監(jiān)控技術(shù),實現(xiàn)對隧道施工現(xiàn)場工點值班室、隧道洞口、隧道掌子面、棄碴場及其他重點生產(chǎn)區(qū)域全天候全方位遠(yuǎn)程在線視頻監(jiān)控,對現(xiàn)場存在的物的不穩(wěn)定狀態(tài)、人的不安全行為、環(huán)境的不安全因素等進(jìn)行提示、警示或警告。
基于物探法、鉆探法、掌子面素描、洞身素描、地表補(bǔ)充調(diào)查技術(shù),完成對隧道開挖過程前方地質(zhì)信息數(shù)據(jù)動態(tài)采集、定時遠(yuǎn)程傳輸、專業(yè)可視分析、綜合預(yù)警提醒等全流程超前地質(zhì)預(yù)報成果數(shù)字化統(tǒng)一管理,實現(xiàn)隧道超前地質(zhì)監(jiān)測現(xiàn)場預(yù)報、成果發(fā)布顯示、工作量統(tǒng)計和進(jìn)度即時匯總[12];同時結(jié)合隧道地質(zhì)BIM模型,以隧道圍巖等級等地質(zhì)條件為判斷依據(jù)自動進(jìn)行隧道風(fēng)險等級和風(fēng)險程度識別,從而實現(xiàn)安全風(fēng)險評估可視化,對前方隧道開挖進(jìn)行作業(yè)指導(dǎo),保證隧道開挖的安全。
基于隧道圍巖自動監(jiān)控量測和移動物聯(lián)技術(shù),完成對地表沉降、拱頂下沉、周邊收斂的實時監(jiān)控監(jiān)測,自動繪制隧道測點的變形趨勢曲線和自動匯總各項統(tǒng)計數(shù)據(jù),實現(xiàn)對隧道開挖斷面變形速率超標(biāo)和累計變形量超標(biāo)雙控報警,并按多層級預(yù)報警機(jī)制進(jìn)行預(yù)報報警閉環(huán)處置管理;達(dá)到根據(jù)隧道實際開挖進(jìn)度動態(tài)展示隧道圍巖安全狀態(tài),更加形象和準(zhǔn)確的去指導(dǎo)隧道現(xiàn)場施工,降低隧道施工安全風(fēng)險,提升風(fēng)險管控能力,確保隧道施工安全性。根據(jù)每天電子施工日志采集的實際進(jìn)度,自動計算隧道施工仰拱和二襯步距,以工區(qū)為單位,顯示掌子面、仰拱、二襯三維立體關(guān)系圖,形成二三維圖多視角的安全步距形象化分析展示,對于超過安全步距自動進(jìn)行三維可視化預(yù)警提醒,并提醒相關(guān)人員進(jìn)行閉環(huán)處置。
3施工質(zhì)量在線管理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
3.1問題分析及解決思路
受施工技術(shù)手段、經(jīng)費(fèi)、現(xiàn)場條件等限制,導(dǎo)致遺漏誤判隧道地質(zhì)情況發(fā)生,致使隧道施工開挖過程中出現(xiàn)塌方及冒頂?shù)人淼朗┕な鹿?隧道施工中對圍巖的穩(wěn)定性進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)報是極其重要的環(huán)節(jié),當(dāng)隧道變形較大時,如不能及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施,會造成拱頂塌陷,拱底隆起等問題。通過綜合應(yīng)用BIM、三維掃描、自動監(jiān)測、物聯(lián)感知、可視分析等新技術(shù),進(jìn)行隧道施工超欠挖、中線偏差、混凝土方量等精細(xì)化專業(yè)分析,對隧道工程襯砌防脫空自動分析報警、工程實體質(zhì)量專業(yè)分析判斷、原材料質(zhì)量數(shù)據(jù)閉環(huán)追溯,解決隧道施工初期支護(hù)是否侵限、襯砌是否澆注密實、襯砌背后是否空洞等技術(shù)難題。
3.2關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新應(yīng)用
通過三維激光掃描技術(shù)對隧道開挖斷面進(jìn)行掃描,形成隧道開挖斷面三維可視化測量點云圖,依據(jù)鐵路隧道工程超欠挖和平整度相關(guān)規(guī)范和計算原理,基于隧道實際實測的點云圖模型與隧道理論參考BIM模型對比分析,綜合分析判斷隧道超欠挖、平整度以及初期支護(hù)是否侵限,實現(xiàn)對隧道工程超欠挖和平整度三維可視化合格性判定與優(yōu)化[1,2,18]。隧道工程施工超欠挖計算流程見圖,三維點云超欠挖和平整度分析見圖。
利用液位繼電器工作原理,研發(fā)混凝土澆筑自動監(jiān)測預(yù)警裝置,當(dāng)襯砌混凝土澆筑至拱頂最高點時,通過觸發(fā)混凝土液位繼電器的聲光報警器開啟提醒功能,綜合判定混凝土澆筑結(jié)束時機(jī);通過計算混凝土應(yīng)澆注數(shù)量與實際澆注數(shù)量進(jìn)行對比,分析襯砌是否澆注密實,確保襯砌混凝土澆筑密實。
統(tǒng)計分析各里程段檢測測區(qū)數(shù)量、設(shè)計強(qiáng)度以及不同齡期的混凝土回彈檢測值,以及各里程段鉆芯檢測部位、混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級、鉆芯設(shè)計與實測厚度、混凝土設(shè)計與實測強(qiáng)度,并以圖表形式查詢第三方檢測相關(guān)信息和檢測報告,判斷襯砌背后是否空洞,實現(xiàn)對隧道工程實體質(zhì)量數(shù)字化在線分析。基于試驗室信息化系統(tǒng),動態(tài)監(jiān)控試驗室預(yù)警處置數(shù)據(jù),顯示當(dāng)前試驗室監(jiān)控數(shù)據(jù)中未處置的監(jiān)控數(shù)據(jù),同時關(guān)聯(lián)應(yīng)用位置信息,從原材料方面進(jìn)行質(zhì)量的監(jiān)控和閉環(huán)處置管理。基于拌和站信息化系統(tǒng),動態(tài)監(jiān)控當(dāng)前拌和站監(jiān)控數(shù)據(jù)中未處置的監(jiān)控數(shù)據(jù),同時關(guān)聯(lián)拌和站的相應(yīng)工單和盤信息,從原材料方面進(jìn)行質(zhì)量的監(jiān)控和閉環(huán)處置管理。
4施工設(shè)備數(shù)字化管理關(guān)鍵技術(shù)及應(yīng)用
4.1問題分析及解決思路針對狹長隧道長距離運(yùn)輸干擾因素多、交通組織困難、交通運(yùn)輸管理效率低、工程機(jī)械設(shè)備和運(yùn)輸車輛監(jiān)管困難等管理和技術(shù)難題,綜合研究基于視頻分析、短距離定位、GPS和GIS等多種技術(shù)與隧道內(nèi)外機(jī)械設(shè)備、運(yùn)輸車輛施工監(jiān)控業(yè)務(wù)深度融合,解決隧道內(nèi)外設(shè)備定位難、數(shù)據(jù)采集傳輸困難、統(tǒng)計分析不準(zhǔn)確、組織管理效率低等技術(shù)管理難題。
4.2關(guān)鍵技術(shù)及創(chuàng)新應(yīng)用通過在洞內(nèi)安裝定位基站、數(shù)字視頻監(jiān)控終端及進(jìn)洞車輛內(nèi)安裝終端設(shè)備的方式,實時捕捉、上傳車輛位置信息到云服務(wù)平臺,動態(tài)建立車輛信息數(shù)據(jù)庫,動態(tài)分析車輛、錯車道等相對位置信息關(guān)系,發(fā)送指令至車輛終端,提醒洞內(nèi)行駛車輛及時就近避讓;通過人機(jī)定位系統(tǒng),統(tǒng)計分析各類機(jī)械洞內(nèi)外位置信息、設(shè)備開啟或關(guān)閉狀態(tài)及實時工作軌跡等相關(guān)信息;同時基于GIS+GPS實現(xiàn)對隧道工程車輛運(yùn)輸行駛路徑的在線精確跟蹤和動態(tài)可視化監(jiān)控,實現(xiàn)隧道工程建設(shè)過程洞內(nèi)各工點機(jī)械、設(shè)備等精確定位、實時統(tǒng)計和在線工作軌跡分析。
基于信息化手段實現(xiàn)對進(jìn)場設(shè)備銘牌、新舊程度、外觀質(zhì)量、機(jī)械參數(shù)等基礎(chǔ)信息集中管理,對工作狀態(tài)下的機(jī)械設(shè)備的工作場所、工作內(nèi)容和工作環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控,并形成運(yùn)行軌跡;通過對機(jī)械設(shè)備的加油管控,對機(jī)械運(yùn)行及油量進(jìn)行統(tǒng)計,形成油耗分析;通過對機(jī)械設(shè)備的工況、工時、故障統(tǒng)計,分析設(shè)備使用率、故障率,對于車況不好或經(jīng)常閑置的設(shè)備予以清退。
5工程應(yīng)用案例
5.1新烏鞘嶺隧道工程概況及重難點
蘭張三四線鐵路新烏鞘嶺隧道地層巖性復(fù)雜,沉積巖、變質(zhì)巖分布廣泛,軟弱圍巖等不良地質(zhì)分布范圍較大,施工安全風(fēng)險大;位于甘肅祁連山保護(hù)區(qū)及黑松驛鎮(zhèn)稱溝臺飲用水水源二級保護(hù)區(qū)附近,環(huán)水保要求高;施工協(xié)調(diào)任務(wù)重、質(zhì)量控制要求高、安全保證任務(wù)重,對施工組織、調(diào)度指揮和現(xiàn)場控制的有效性要求高;隧道工程地質(zhì)及環(huán)境條件復(fù)雜,工期風(fēng)險較大;隧道小斷面斜井長距離運(yùn)輸干擾因素多,交通組織困難、交通運(yùn)輸管理效率低。
5.2新烏鞘嶺隧道工程數(shù)字信息化應(yīng)用
按照“互聯(lián)網(wǎng)鐵路工程建設(shè)”的思路推進(jìn)數(shù)字信息化建設(shè),構(gòu)建新烏鞘嶺隧道工程施工統(tǒng)一數(shù)據(jù)中心、安全網(wǎng)絡(luò)環(huán)境、指揮監(jiān)控中心、BIM管理平臺,生產(chǎn)指揮中心從各個業(yè)務(wù)系統(tǒng)獲取相關(guān)工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全等實時數(shù)據(jù),并能夠在監(jiān)控大屏進(jìn)行集成展示分析預(yù)警,實現(xiàn)日常業(yè)務(wù)數(shù)據(jù)集中分析展示、工程宏觀信息綜合管理、建設(shè)管理遠(yuǎn)程集中指揮和輔助決策[1921]。
施工BIM管理平臺實現(xiàn)隧道工程施工進(jìn)度、安全、質(zhì)量和設(shè)備管理四大模塊18個業(yè)務(wù)應(yīng)用功能,達(dá)到利用BIM技術(shù)實現(xiàn)新烏鞘嶺隧道工程指揮中心標(biāo)段級和工區(qū)級多層級施組進(jìn)度計劃、電子施工日志、實際形象進(jìn)度、進(jìn)度推演預(yù)警等精細(xì)化管理,隧道工程安全隱患排查、人機(jī)安全定位實名管理、遠(yuǎn)程數(shù)字視頻監(jiān)控、圍巖變形監(jiān)控量測、安全步距分析預(yù)警等全方位可視化安全風(fēng)險監(jiān)控,拌和站和試驗室統(tǒng)計分析、當(dāng)日拌和站產(chǎn)能及報警處置信息、試驗室不同試驗機(jī)試驗數(shù)量統(tǒng)計及不合格數(shù)處置率等,并能夠在監(jiān)控大屏進(jìn)行多角度多層級進(jìn)度、質(zhì)量和安全的實時統(tǒng)計分析、綜合預(yù)警提醒。
6結(jié)論
通過分析隧道工程施工施組進(jìn)度、安全風(fēng)險、質(zhì)量驗收和人員設(shè)備管理一系列技術(shù)和管理難題,系統(tǒng)研究BIM、物聯(lián)網(wǎng)、云計算、三維掃描、地質(zhì)探測、變形監(jiān)測、人機(jī)定位、視頻識別等新技術(shù)與隧道工程施工技術(shù)深度融合,開展了隧道工程狀態(tài)數(shù)字化宏觀管理,施組進(jìn)度數(shù)字化推演預(yù)測和形象進(jìn)度精細(xì)化管理,施工現(xiàn)場人員、機(jī)械、地質(zhì)、圍巖、環(huán)境等重大風(fēng)險源動態(tài)可視化監(jiān)控和安全風(fēng)險實時監(jiān)測預(yù)警,襯砌防脫空自動分析報警、工程實體質(zhì)量分析判斷、原材料質(zhì)量數(shù)據(jù)追溯等質(zhì)量在線數(shù)字化管理等一系列關(guān)鍵技術(shù)研究和創(chuàng)新應(yīng)用。
最后,結(jié)合蘭州鐵路三四線新烏鞘嶺隧道實際工程應(yīng)用,實現(xiàn)了隧道工程施工施組進(jìn)度精確形象化動態(tài)管理、安全風(fēng)險可視化監(jiān)控監(jiān)測預(yù)警、質(zhì)量檢驗在線數(shù)字化管理、人員機(jī)械設(shè)備信息化管理和生產(chǎn)指揮一張圖輔助決策管理,為實現(xiàn)隧道工程施工信息化、數(shù)字化、精細(xì)化管理提供實踐借鑒。后續(xù)將進(jìn)一步基于全生命周期建造理念,加深人工智能、數(shù)字孿生等技術(shù)在隧道建造方面應(yīng)用研究,實現(xiàn)建造信息由設(shè)計階段向施工階段、竣工交付階段的無損傳遞,進(jìn)一步提升隧道精益化建造管理水平,并為智能化運(yùn)維提供建造數(shù)據(jù)和模型服務(wù)。
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作者:智鵬,解亞龍,史天運(yùn)
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