智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用

摘要：随着我国铁路事业的迅速发展，高铁和城际铁路的数量也在不断增加。为实现地下空间的有效利用、土地集约利用、绿色环保的发展，我国急需建设更多的地下隧道，而盾构机是目前最先进的施工设备，极大地提升了隧道建设的机械化程度，盾构法施工速度快，安全可靠，对地表环境影响小，在我国已得到广泛的应用。随着科学技术的不断发展，轨道交通的机械化、信息化和智能化必将成为今后的发展趋势，我国铁道隧道施工也将从高速朝着高质量的方向发展。

关键词：智能建造技术；铁路隧道施工；技术；应用

Application of Intelligent Construction Technology in Railway Tunnel Construction

Wu Weizhen

Middling coal Tunnel Engineering Co., Ltd. Xuzhou 221000, Jiangsu

Abstract: With the rapid development of China's railway industry, the number of high-speed and intercity railways is also constantly increasing. In order to achieve effective utilization of underground space, intensive land use, and green and environmentally friendly development, China urgently needs to build more underground tunnels. Shield tunneling machines are currently the most advanced construction equipment, greatly improving the mechanization level of tunnel construction. Shield tunneling method has fast construction speed, safety and reliability, and minimal impact on the surface environment. It has been widely used in China. With the continuous development of science and technology, the mechanization, informatization, and intelligence of rail transit will inevitably become the future development trend, and the construction of railway tunnels in China will also move from high-speed to high-quality direction.

Keywords: intelligent construction technology; Railway tunnel construction; Technology; application

在信息化快速发展的今天，智能建造技术已经成为土木工程领域实现数字化、自动化、信息化和智能化的关键。在铁路隧道施工中，盾构智能建造技术是一种具有效率高、安全性好、对环境影响小等优点的全机械化施工方法。但是，传统盾构法在施工过程中仍然存在着效率低和质量控制困难等问题。因此，在盾构隧道施工中引入智能施工技术，是提高隧道施工效率、提高施工质量的重要手段。本文旨在探讨智能建造技术在铁路隧道施工中的应用，特别是盾构智能建造技术，以期为铁路隧道施工的智能化转型提供参考。

一、盾构智能建造技术概述

铁路隧道施工中的盾构智能建造技术是一个集成了多项前沿科技的综合性领域，其核心是以高智能手段大幅提高铁路隧道施工效率和质量。盾构隧道智能化建设是将建筑信息建模、地理信息系统、数字孪生、先进可视化、人工智能、5G通信、预制化组装等前沿技术相结合，该系统与盾构机作为隧道建设的关键设备，密切配合，将使盾构隧道建设进入一个更高水平的智能化阶段。基于多项先进技术的集成，实现了盾构施工的智能化，同时也大大提高了施工的安全性。相对于传统的施工方法，盾构施工具有安全性高、施工速度快、对环境影响小、适应能力强等优点。因此，盾构智能化建造技术在铁路隧道建设中变得越来越重要[1]。

二、盾构智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用

（一）地质勘察

地质勘查是隧道施工的第一步。针对盾构隧道智能化施工的工程地质调查，当前依赖人工的勘测方法存在诸多局限。这种方法不仅可靠性不足，而且工作效率低下，耗费大量时间。为了提高勘测工作的效率和准确性，有必要引入智能化的勘测技术。通过智能化的勘测技术和综合性的勘测模型，可以显著提升盾构隧道工程地质调查的效率和准确性，为智能化施工奠定坚实的基础。通过对盾构隧道智能化施工勘测结果的分析，为实现智能化施工提供了重要的依据，同时也为实现各阶段的设计、建设和建管工作的需要，建立了一个可视化的三维可视化模型。在现代工程勘察领域，常规的勘探方法往往局限于地面作业，而现代技术的引入，如无人机航拍设备、智能钻探设备、智能原位测试设备以及智能视频监控设备等，使得勘察工作能够跨越空地天等多个维度，形成多技术融合的测绘解决方案[2]。综合勘探技术如表 1所示。

表1：综合勘探技术

（二）智能盾构机系统

1.自动化掘进控制：智能盾构机采用先进的高精度传感技术，实现了隧道施工过程中各种重要参数的实时获取。该系统不但能对隧道掘进过程中的倾角、水平位移等进行实时监控，还能对隧道掘进过程中的土压力、推进力等关键力学参数进行准确地检测。而激光导向系统采用激光技术，为盾构机掘进提供了高精度的定向导航，保证隧道施工的准确性。自动掘进控制系统作为智能盾构机的核心，能够根据传感器和激光导向系统提供的数据，进行复杂的算法计算。假设传感器提供的数据集为，自动掘进控制系统利用这些数据进行算法计算，自动调节推进速度和刀盘转速。这种自动调节能力可以表示为：

根据输入参数实时调整掘进速度和刀盘转速。这种自动调节使得掘进过程更加平稳、高效，能够实现毫米级的掘进精度，大大提高隧道工程的质量和安全性。

2.故障预警与诊断：智能盾构机除了具有高效率的隧道作业能力外，还采用了先进的设备状态监控和故障诊断技术。通过在隧道掘进机关键部件上加装传感器，对其振动、温度和压力等关键参数进行实时监控，实现对其工作状况的全面把握。基于这些实时数据，智能盾构机利用机器学习算法对设备状态进行深度分析。假设设备状态的正常范围为，则系统可以通过以下公式判断设备是否处于正常状态：

此外，智能盾构机还能提供详细的故障诊断报告，帮助维护人员快速定位问题根源[3]。

（三）智能盾构掘进

1.压力自适应技术。在盾构掘进过程中，隧道周围的地质条件复杂多变，不同地层的压力差异显著。压力自适应技术能够实时感知前方土体压力的变化，自动调整盾构机的推进压力，确保盾构机刀盘始终与前方土体压力保持平衡，避免出现坍塌或地面沉降等问题，保障施工安全与质量。

2.掘进姿态控制技术。盾构机在地下掘进时，需要精准控制其前进方向和姿态。该技术通过高精度的传感器实时监测盾构机的位置、倾斜度等参数，并与预先设定的线路进行对比。一旦出现偏差，系统会自动调整盾构机的推进油缸推力，使盾构机按照设计线路准确掘进，提高隧道的成型精度。

3.环流出渣自整技术。它可以根据盾构机的掘进速度和出土量，自动调整环流系统的流量和压力，确保渣土能够顺畅排出。同时，该技术还能对排出的渣土进行实时监测和分析，自动调整环流系统的工作参数，保证出渣效果的稳定性。

4.大数据分析技术。在盾构掘进过程中，会产生大量的数据，如地质参数、设备运行状态、施工进度等。通过大数据分析技术，可以对这些数据进行深度挖掘和分析。例如，预测不同地质条件下盾构机的磨损情况，提前安排维护计划；分析施工过程中的风险因素，及时采取预防措施，从而提高施工效率和安全性，降低施工成本。

（四）智能化管片拼装

在复杂的铁路隧道施工环境下，盾构智能建造技术因其特有的优越性而脱颖而出，并已成功实现智能化的管片拼装，大大提高了施工效率和工程质量。智能拼装技术的核心是高精度定位与先进的自动组装装备，二者相结合可以实现精确、高效地拼装。其中，弧形件智能拼装机器人是其中一个突出的代表，它可以依据工程中的绝对坐标，完成一键式的智能拼装。

这种机器人的精度水平可以达到0.5 mm，最重要的是，它的出现极大地缩减了施工现场中需要的人员，预计可以减少50%左右的人员，从而在降低劳动力成本的同时，还可以降低施工人员的劳动强度。而在施工过程中，管片辅助拼装系统可有效地完成对管片的自动吊装与辅助组装，极大地减少了安装周期，并提高了安装效率。该系统的实施，不但提高了装配工作的效率，而且可以有效地消除由于手工作业造成的错误与安全隐患，保证装配的稳定与安全[4]。

（五）智能管控平台

1.全要素感知系统：全要素感知系统运用了先进的多元感知技术和实时解译技术，能够对工程地质进行持续不断的实时探测，确保对地质条件的全面了解和掌握。同时，该系统还能够对各种设备的运行状态进行实时监控，及时发现设备可能出现的异常情况，从而保障设备的稳定运行。此外，全要素感知系统还具备对有害气体进行实时预警的功能，能够有效预防和减少因有害气体泄漏造成的安全事故。这些感知数据为决策执行提供了智能化基础。例如，在某铁路隧道建设中，将实时的工程地质勘察技术运用于隧道施工中，为隧道开挖提供精确的地质信息，从而有效规避施工中的地质灾害。

2.数字化设计与制造：设计师可以利用参数化设计工具对模型进行精细化调整，确保每一处细节都符合工程要求。同时，通过一键成图功能，快速生成施工图纸，提高了设计效率和图纸质量。在生产环节，引进了先进的智能生产流水线和信息技术，集成钢筋加工、自动卷边、管片蒸养等多项自动化技术，实现了从原材料到成品的全过程智能化控制。通过物联网和大数据技术的应用，生产线能够实时监控生产状态，自动调整工艺参数，确保产品质量的稳定性。

3.综合管理平台：综合管理平台将集成智能感知、智能掘进、智能安装、智能预制、智能运输等九大应用功能等9个方面进行集成，从而完成了项目端的工程协同管理以及企业端的全要素管控。比如，在某铁路隧道建设中，将“7+ N”智能管控平台成功地运用到了一体化管理平台中，使工程各个环节都能够进行有效地管理，并能够实时地进行数据的交互，从而为工程的顺利实施奠定了坚实的基础[5]。智能管控平台功能如表2所示。

表2：智能管控平台功能表

三、结束语

目前我国铁路隧道建设中采用盾构智能建造技术，取得了较好的效果，随着信息技术的快速发展，盾构施工的智能化水平也将进一步提高。同时，应进一步提升设备与智能水平，为我国铁路隧道建设提供更为高效、安全、可靠的解决途径。

参考文献：

[1]崔步云.智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用[J].铁道建筑技术，2023，(08):151-154+164.

[2]郭卫社，洪开荣，高攀，等.我国隧道智能建造技术发展与展望[J].隧道建设(中英文)，2023，43(04):549-562.

[3]李力，孙雅飞，赵振伟，等.铁路盾构隧道智能建造的勘察技术及其智能化分级方法[J].水利水电技术(中英文)，2023，54(S1):214-218.

[4]陈丹，刘喆，刘建友，等.铁路盾构隧道智能建造技术现状与展望[J].隧道建设(中英文)，2021，41(06):923-932.

[5]王同军.我国铁路隧道建造方法沿革及智能建造技术体系与展望[J].中国铁路，2020，(03):1-11.