京張高鐵八達嶺長城站智能建造技術蔣小銳;劉建友;高宇宇期刊名稱】《《鐵道標準設計》》年(卷),期】2020(064)001【總頁數】6頁(P28-33)【關鍵詞】鐵路隧道;掌子面自動化素描系統;BIM技術;智能開挖機械;智能支護機械;人機定位系統;智能監測【作者】蔣小銳;劉建友;高宇宇【作者單位】中鐵工程設計咨詢集團有限公司北京100055【正文語種】中文【中圖分類】U455引言隨著地下空間的開發與利用，為滿足使用功能，越來越多的大跨度、大斷面地下工程開始修建，特別是水電站地下廠房、軌道交通地下車站以及多線的鐵路隧道工程，這些地下工程主要采用明挖法或淺埋暗挖法施工，機械化水平較低［1-3］，部分采用TMB法和盾構法，基本上已實現機械化、工廠化施工［4-5］。通過近年來不斷探索和實踐，地下工程建設逐步采用全工序機械化施工，鄭萬高鐵研制開發了全系列隧道智能裝備，基本實現了全工序機械化、全地質機械化、全斷面施工和全過程、全方位信息化管理［6-7］。機械化、信息化是國際地下工程發展的方向，也是實現隧道全生命周期智能化建設的關鍵。京張高鐵八達嶺長城站“三縱三橫布置”層次多、洞室數量大、交叉節點密集，是目前國內最復雜的暗挖洞群車站。為響應鐵路總公司提出的“精品工程、智能京張總體目標，八達嶺長城站搭建了深埋超大跨地下車站智能建造體系，在大數據、人工智能技術與智能工程機械裝備結合的基礎上，研發了隧道圍巖智能化超前地質預報技術、隧道三維集成協同智能設計、隧道開挖及支護智能化施工系統、隧道結構安全智能監測系統，實現了隧道全生命周期的智能化建造。隧道智能建造技術在京張高鐵的成功應用，提高了我國隧道安全建設的技術水平，具有重要的現實意義。智能勘察八達嶺長城站穿越地層圍巖主要為花崗雜巖，發育閃長玢巖脈及花崗斑巖脈，總體圍巖穩定性較好，但受巖脈穿插切割的影響，部分段落巖體軟弱破碎，穩定性差。車站圍巖級別變化頻繁且突然，施工過程中易引起滑塌，因此超前地質預報尤為重要［8-10］。車站研究復雜洞室群的綜合超前地質預報技術，采用超前水平鉆法結合數字式全景鉆孔攝像系統，觀測和分析鉆孔中地質體的各種特征，并充分發揮超前導洞或臨近洞室的作用，研發掌子面自動素描系統，實現了掌子面圍巖等級快速準確鑒定。超前水平鉆及孔內攝像快速直觀超前地質預報技術結合數字式全景鉆孔攝像系統的超前水平鉆孔法，可快速、直觀的完成風化槽等復雜地段的超前地質預報，本工程采用數字全景鉆孔攝像系統對大跨北京端進行試驗數字式全景鉆孔攝像系統通過電纜將數字全景探頭放入工程鉆孔中，來獲取鉆孔內巖壁的光學圖像。全景探頭自帶光源，對孔壁進行實時照明和拍攝，孔壁圖像經錐面反射鏡變換后形成全景圖像，在連續捕獲方式下，全景圖像被快速地還原成平面展開圖，并實時地顯示出來，用于現場記錄和監測。在靜止捕獲方式下，全景圖像被快速地存儲起來，用于現場的快速分析和室內的統計分析，所有的光電信號都可以通過電纜傳輸到計算機或其他存儲設備，并利用系統自制軟件進行分析處理，以觀測和分析鉆孔中地質體的各種特征和細微變化，為工程提供直觀和豐富的地質信息。超前導洞法地質預報技術八達嶺長城站主洞數量多、洞型復雜，超大跨多導洞開挖，施工中輔助洞室也較多。因此，充分發揮超前導洞或臨近洞室的作用，采用以地質素描、加深炮孔為主，輔以物探，進行綜合超前地質預報的方法尤為重要。在輔助導洞或超前導洞開挖過程中及時對導洞的工程、水文地質特征進行詳細觀察和編錄，并反復核實和修正勘察報告內容，最終的勘察報告為車站提供設計并指導隧道正洞的施工。通過導洞地質構造形態的詳細素描，提出正洞施工中的注意事項，如斷層構造產狀、性質、延伸等特征，指出這些構造在正洞可能出現的里程位置及其對開挖和初期支護的影響。通過導洞的水文地質特征提出正洞水文地質情況、節理裂隙的導水性，計算涌水量，從而使設計施工做好隧道水害的應急預案。通過導洞圍巖級別、測定圍巖有關的物理力學參數，分析正洞圍巖級別分布情況及圍巖的突變性。掌子面自動化素描系統基于隧道掌子面地質工作的重要性及因其專業性強、勞動強度高、時效性強等因素導致該項工作難以開展，提出了掌子面圖像識別代替人工素描的方法［11］。受隧道環境的影響(光線、粉塵等)導致圖像不清晰及二維圖像缺失深度信息導致圖像識別準確率受限，掌子面自動化素描系統采用多圖像立體重建技術或三維激光掃描技術，實景復制(真實記錄)隧道開挖情況，從三維宏觀把控大的地質構造、二維微觀深度學習兩方面提高圖像識別的準確率，如圖1所示。其次，結合巖體質量指標RQD概念判識巖體完整程度，結合其他指標進行圍巖分級。最后，流程化、程序化掌子面地質工作，并研發了隧道掌子面地質信息系統TK-FGIS及掌子面地質素描工裝設備CameraPad，實現自動三維地質重構、自動結構面參數提取、自動圍巖分級、自動報表及三維成果展示等功能，如圖2所示。圖1圖像識別效果(隧道掌子面)圖2沿里程方向隧道地質切片3D實景再造經現場工程應用，該系統可普遍應用于隧道勘察，應用效果如下。完成隧道掌子面地質自動素描、自動圍巖分級、自動報表，大大降低了隧道地質專業工程師的勞動強度，提高了生產效率，解決了人工素描工作流于形式的問題通過網絡平臺或手機程序，實時推送隧道掌子面地質信息，讓參建各方實時掌控隧道地質信息。隧道掌子面地質信息實時共享，便于及時、有效地調整施工工藝(支護參數、工法等)以適應地層變化，實現了隧道掌子面異常信息實時預警與處置等。智能設計由于八達嶺長城站地理位置特殊、社會影響廣泛，車站主體為地下雙層、立體交錯多洞分離式群洞，其修建具有周邊環境敏感性強、客流及交通組織復雜、洞群設計及施工難度大等難點。八達嶺長城站車站設計響應智能京張理念，開展站房智能建筑設計、站房土建裝修一體化設計，并加強防災救援設計，為地下車站突發情況提供安全保障。隧道橫斷面智能設計山嶺鐵路隧道橫斷面設計主要包括隧道襯砌設計圖、配筋設計圖、鋼架設計圖等，主要由AutoCAD輔助繪制完成。這些圖在不同圍巖級別的形式基本相同，只是參數有一定差別，整個繪圖過程模式基本固定，適合程序化。為此對AuotCAD進行二次開發，研發山嶺鐵路隧道橫斷面輔助設計軟件，將隧道結構內輪廓圖、襯砌設計圖、配筋設計圖、鋼架設計圖等參數化，實現山嶺鐵路隧道橫斷面的智能設計，如圖3所示。圖3軟件主菜單功能說明山嶺鐵路隧道橫斷面輔助設計軟件結合隧道專業設計理論，將隧道橫斷面歸結為雙線復合襯砌、雙線偏壓、雙線單壓、單線復合襯砌、單線偏壓、單線單壓共6種形式，將參數劃分為繪圖位置、內輪廓、外輪廓、鋼筋、開挖輪廓、鋼架表格共6類。根據設置好的參數，只需點擊菜單，軟件便可完成相應功能，全自動繪制所需圖形和自動生成工程量統計表，生成圖表過程無需人工干預，提高軟件的易用性和快捷性。2.2基于BIM的智能設計八達嶺長城站洞室數量多，洞形復雜，為了準確表達設計施工中的三維空間信息，八達嶺長城站應用BIM技術，從勘察設計、施工到運維，實現全生命周期的數字化智能化管理。車站BIM模型搭建了多專業協作的統一平臺（圖4），使建筑、結構、暖通、給排水等各專業基于同一個模型進行工作，實現了真正意義上的三維集成協同設計，直觀呈現各專業的沖突。同時，BIM模型優化施工組織設計，實現了項目標準化的管理，三維可視化、構件化的設計，三維數字化模擬施工，為勘察—設計—施工—運營—管理提供了可視化、智能化的統一管理平臺。圖4八達嶺長城站整體BIM模型智能防災救援系統八達嶺長城站軌面埋深達102m，旅游高峰時期，大客流集中于深埋地下車站中，一旦發生火災，需確保旅客能夠快速疏散，同時救援車輛能夠及時到達。車站首次采用疊層通道設計，實現進出站客流均勻無交叉，設置了立體環形的疏散救援廊道（圖5），提供了緊急情況下快速無死角救援的條件。施工期間疏散救援廊道作為施工斜井，提供了全方位多通道的施工作業面，實現了安全快速施工。八達嶺長城站利用BIM、3DGIS、互聯網+等技術建立了三維可視化防災救援智能指揮系統（圖6），實現了智能化的煙氣控制、疏散指揮、應急聯動預案提供等目標。防災救援智能指揮系統可實時監測、采集、匯總地下站、隧道各類監測設備的監測信息，實現對機電設備、客流監測信息分布獲取、集中管理、綜合運用，全面掌握災害狀態。同時，該系統實現了及時準確的三維可視化災害報警和預警功能，并將預警信息送至路局救援指揮中心，是現代化高鐵運營管理中不可缺少的重要技術保障。圖5環形快速救援系統圖6防災救援智能指揮系統智能施工隧道大型機械化施工是國際地下工程發展的方向，也是鐵路建設保證安全、質量，控制運營安全風險的有效手段。八達嶺長城站采用大型機械智能化施工，研發智能化開挖及支護機械設備，包括隧道智能模板臺車、襯砌智能養護臺車等，開挖迅速支護及時，從而充分發揮圍巖的自承能力；同時，車站基于BIM模型，通過人員-車輛-設備的實時定位系統，建立高效的運輸管理體系，實現復雜地下車站人流-物流的高效協調和智能施工組織。智能模板臺車八達嶺長城站兩端設置大跨過渡段，大跨過渡段總長度336m，最大斷面（寬32.7m）通過5次漸變至最小斷面（寬19.0m），普通的襯砌臺車通過加寬、加高門架橫梁和增加頂模板實現臺車的斷面增大［12-14］，并不適用于八達嶺長城站大跨過渡段，因此研發了臺車骨架立柱設計為橫向可移動結構的智能模板臺車。智能模板臺車的設計選擇增加門架立柱、加寬門架橫梁、補充支撐結構、增加頂模板共同作用的方式實現臺車斷面的調節，如圖7所示。臺車骨架立柱設計為橫向可移動結構，通過橫移油缸使其間距實現變化，模板設計為多段式，通過各自模板對應的調節機構調整至理論設計輪廓線，變斷面時增加或減少預先設計的拱頂調節模，以完成變斷面隧道可調式襯砌臺車設計。圖7智能模板臺車橫斷面結構示意（單位：mm）智能養護臺車在國內鐵路隧道施工中，襯砌施工后一般采用自然養護，個別項目采用簡單的噴水養護，這些養護方法受外界環境以及人為因素影響較大，難以保證襯砌的養護質量[14-16]。研究團隊研發出一種用于隧道襯砌養護的專用機械設備，屬于國內首創。隧道襯砌智能養護臺車設備包含2組臺車，施工時緊跟襯砌澆筑模板臺車，前端第一臺具備加升溫、保溫、保濕功能，第二臺具備保溫、加濕功能，如圖8所示智能養護臺車主要由門架形式結構、霧化系統、電加熱系統、氣囊密封系統、智能溫濕度控制系統等組成。襯砌臺車脫模行走后，智能養護臺車同軌行走就位，密封氣囊隔絕封閉，根據實時測量的混凝土芯部溫度及變化趨勢設定好加熱系統的溫度及時間，保證對襯砌混凝土芯部與外表的溫差進行彌補；同時，根據養護傳感器監控養護濕度是否超設定值，加濕系統對混凝土表面進行實時補濕。圖8智能養護臺車智能養護臺車彌補了以往養護臺車的不足，可以進行養護溫度曲線設定，自動控制養護溫度，襯砌養護臺車自動化程度高，減少人工操作的難度，提高了二襯養護技術的機械化和自動化，提高了襯砌混凝土的施工質量。隧道襯砌智能養護臺車的推廣應用，將終結長期以來國內隧道襯砌養護不規范的歷史，大大提高隧道襯砌混凝土的質量。人機定位管理系統隧道施工人員及設備位置監測安全管理系統（簡稱人機定位管理系統）是在第二代無線射頻（RFID）識別技術平臺基礎上，結合先進的通信、計算機及網絡技術成功研發的綜合管理平臺，采用了目前國際上先進的0.18pm微波芯片技術。人車定位系統集隧道施工人員考勤、區域定位、安全預警、災后急救、車輛管理和交通疏解、日常管理等功能于一體（圖9），是國內技術領先、運行穩定、設計專業化的隧道施工、監測系統。圖9智能化定位和施工組織管理平臺人車定位管理系統使管理人員能夠隨時掌握施工現場人員、設備的分布狀況和每個人員和設備的運動軌跡，便于進行更加合理的調度管理；隨時獲取各種施工車輛位置和運行情況，動態進行交通運輸管理和指揮，減少堵車、保障車輛運輸安全。當事故發生時，救援人員也可根據隧道施工人員及設備位置監測安全管理系統所提供的數據、圖形，迅速了解有關人員的位置情況，及時采取相應的救援措施，提高應急救援工作的效率。智能監測超大跨隧道結構安全智能監測系統率先在八達嶺地下車站的建設中成功應用，該智能監測系統可以在隧道施工和運營期對圍巖和支護結構的力學狀態進行全壽命周期的實時監測，通過無線傳輸技術，將傳感器采集的數據傳遞到服務器終端進行分析和處理，實現監測結果的實時反饋和潛在安全風險的實時預警，為施工期和運營期的隧道安全提供了保障。4.1智能監測系統的功能隧道結構安全智能監測系統對錨桿、錨索、噴射混凝土、鋼架、二次襯砌以及圍巖進行應力和變形監測，對地下車站、隧道圍巖及結構的各類傳感器數據進行遠程采集，并以各類圖形化展示和顯示，對各類傳感器數據進行分析、評估，進行實時監測實時評價，當監測到地下車站、隧道結構發生異常時，及時給出預警，如圖10所示。圖10監測系統功能框圖智能監測系統技術構架圍巖及結構智能監測由單一的洞周收斂監測擴展為多角度的圍巖及結構的變形及受力監測，做到了數據及時采集、分析、反饋、預警。智能監測系統為多層架構體系，分為用戶界面、處理核心、數據結構底層、數據處理層、數據庫層，共由數據采集模塊、數據管理模塊、曲線繪制模塊、結構安全性評價模塊、設備管理模塊和用戶管理模塊六大模塊構成，如圖11所示。圖11隧道圍巖智能監測技術架構結論隨著機械化、信息化的深度融合，在將互聯網、物聯網、大數據、人工智能技術與智能工程機械裝備結合的基礎上，八達嶺長城站構建了深埋超大跨地下車站智能建造體系，實現隧道智能化勘察、設計、施工、監測，取得了以下創新性研究成果。研發了基于掌子面自動化素描系統的定量化超前地質預報技術，該技術為基于地質前饋進行動態設計變更提供詳實準確資料，真正使隧道信息化設計、施工的理念落地，實現了隧道智能化勘察設計。基于BIM技術的多專業協同智能化設計，實現了信息共享和無損傳遞，為勘查-設計-施工-運營-管理提供了可視化、智能化的統一管理平臺，提高了工程設計與施工的質量和效率，大幅節約項目成本，提升科學決策和管理水平。開發了山嶺鐵路隧道橫斷面輔助設計軟件，使整個繪圖過程程序化、智能化，并首次采用疊層通道設計實現進出站客流均勻無交叉，利用BIM、3DGIS、互聯網+等技術建立了三維可視化防災救援智能指揮系統，設置了立體環形的疏散救援廊道，提供了緊急情況下快速無死角救援的條件。研發了智能模板臺車與養護臺車，并基于BIM模型構建人員-車輛-設備的實時人機定位管理系統，建立高效的運輸管理體系，車站實現復雜地下車站人流-物流的高效協調和智能施工組織。構建了圍巖及結構的智能監測系統，確保了復雜圍巖條件下長、大隧道及隧道群的施工期和運營期安全，并將準確性、實時性和預警性與隧道施工、運營維護相結合，實現了隧道施工的動態設計，降低了施工風險，并為隧道安全運營提供支撐參考文獻：【相關文獻】董乃進，沈學軍，李香凡，等?福田地下火車站整體消防策略[幾鐵道標準設計，2010(S2):104-110.胡世東?城市綜合交通樞紐發展理念探討J].鐵道標準設計，2010(10):33-35.曲斌?論大型鐵路客站在城市中心的區位優勢[D].北