《交通運(yùn)輸科學(xué)技術(shù)新成果推廣目錄》（２０２０）—第三部分隧道《京張高鐵清華園盾構(gòu)隧道智能建造關(guān)鍵技術(shù)》

本期項(xiàng)目簡(jiǎn)介

完成單位: 中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司、 中鐵十四局集團(tuán)有限公司、 北京經(jīng)緯信息技術(shù)有限公司

主要完成人: 智鵬、 王萬(wàn)齊、 陳爽、 解亞龍、 向君、 高少彬、 楊威、 杜海龍、 史瑞昌、 劉四進(jìn)、 李慧、 杜貴新、 鮑榴、 高始軍、 劉善福

項(xiàng)目簡(jiǎn)介

　　(一)項(xiàng)目背景

　　京張鐵路是貫徹落實(shí)“科技強(qiáng)國(guó)、交通強(qiáng)國(guó)冶的戰(zhàn)略部署,是2022年冬奧會(huì)重要交通保障。清華園隧道工程是全線(xiàn)控制性重點(diǎn)工程之一,是目前國(guó)內(nèi)首條單洞雙線(xiàn)大直徑盾構(gòu)高風(fēng)險(xiǎn)隧道,穿越城市密集區(qū),建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)高,周邊建筑物復(fù)雜,風(fēng)險(xiǎn)源種類(lèi)多,建設(shè)施工過(guò)程稍有不慎就會(huì)造成不可挽回的損失。為此,需要?jiǎng)?chuàng)新隧道建設(shè)管理新理念和施工新方法,通過(guò)采用數(shù)字化、工廠(chǎng)化、自動(dòng)化和智能化技術(shù)手段,來(lái)要實(shí)現(xiàn)清華園隧道的高效優(yōu)質(zhì)、安全環(huán)保、按期建設(shè)。

　　(二)技術(shù)概況

　　本項(xiàng)目圍繞京張高鐵清華園隧道建造過(guò)程存在的各種建設(shè)施工難題,通過(guò)研究采用精益管理理念,探索提出基于BIM的隧道精益建設(shè)管理體系和全生命周期管理理念,研究突破大直徑盾構(gòu)管片及軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制及智能拼裝、盾構(gòu)管片及軌下結(jié)構(gòu)生產(chǎn)施工數(shù)字化管理、大直徑盾構(gòu)施工變形監(jiān)測(cè)評(píng)估和安全監(jiān)控、大直徑盾構(gòu)隧道建造數(shù)字化可視化管理等一系列關(guān)鍵技術(shù)和理論方法,研制成套全預(yù)制及智能拼裝裝備,研發(fā)管片及軌下結(jié)構(gòu)預(yù)制件全生命期數(shù)字化管理系統(tǒng)和盾構(gòu)隧道建造可視化實(shí)時(shí)感知與綜合預(yù)警集成管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)清華園隧道建設(shè)項(xiàng)目過(guò)程中全方位、全要素、全過(guò)程的信息共享和利用,全面提升京張高鐵清華園隧道隧道工程建造智能化、工程數(shù)字化、管理精益化應(yīng)用水平。

　　(三)適用范圍

　　課題研究成果適用于新建鐵路盾構(gòu)隧道、城市軌道交通盾構(gòu)隧道、公路盾構(gòu)管片隧道、城市地下綜合管廊等采用盾構(gòu)法施工和管片生產(chǎn)拼裝的隧道工程及管廊工程。

　　(四)獲獎(jiǎng)情況

　　成果榮獲2020年“中國(guó)交通運(yùn)輸協(xié)會(huì)科學(xué)技術(shù)獎(jiǎng)二等獎(jiǎng)冶。

項(xiàng)目創(chuàng)新點(diǎn)

　　(一)管理理念創(chuàng)新

　　首次提出基于精益管理TFV理論和BIM全生命周期理念相結(jié)合的鐵路盾構(gòu)隧道精益建造管理體系,創(chuàng)新采用“7S冶、施工作業(yè)空間時(shí)序、優(yōu)化多作業(yè)面聯(lián)合調(diào)度、隧道施工全面安全質(zhì)量管理PDCA等管理方法技術(shù),實(shí)現(xiàn)抽象復(fù)雜的隧道建設(shè)精益化管理,促進(jìn)鐵路隧道工程向數(shù)字建設(shè)、精益管理等方向發(fā)展。

　　(二)技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)新

　　(1)首次突破了清華園盾構(gòu)隧道管片及軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制智能拼裝技術(shù),研究基于BIM+IOT+移動(dòng)互聯(lián)技術(shù)實(shí)現(xiàn)隧道管片、軌下箱涵、附屬溝槽等工廠(chǎng)化預(yù)制、數(shù)字化生產(chǎn)、裝配式拼裝和精細(xì)化施工,全面提高隧道盾構(gòu)整體施工功效和生產(chǎn)拼裝質(zhì)量,推進(jìn)隧道綠色、環(huán)保、降噪建造,填補(bǔ)行業(yè)空白。

　　(2)提出鐵路盾構(gòu)隧道BIM實(shí)施編碼規(guī)范,創(chuàng)新研究實(shí)現(xiàn)了鐵路隧道多源BIM數(shù)據(jù)融合處理及發(fā)布技術(shù)(鑒定國(guó)際先進(jìn)水平),具有支持多種BIM模型數(shù)據(jù)格式、渲染效果好、符合鐵路BIM標(biāo)準(zhǔn)、兼容性強(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。

　　(三)集成應(yīng)用創(chuàng)新

　　研發(fā)隧道建造實(shí)時(shí)感知與綜合預(yù)警集成管理平臺(tái),實(shí)現(xiàn)以IOT+移動(dòng)互聯(lián)為物聯(lián)感知、以云平臺(tái)為數(shù)據(jù)管理、以大數(shù)據(jù)為智能分析、盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的施組進(jìn)度智能推演與跟蹤預(yù)警、盾構(gòu)作業(yè)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)感知、安全風(fēng)險(xiǎn)綜合監(jiān)控、質(zhì)量在線(xiàn)分析預(yù)警等可視化管理。

同類(lèi)項(xiàng)目比較

與同類(lèi)項(xiàng)目相比, 本項(xiàng)目的技術(shù)優(yōu)勢(shì)如表 1所示。

應(yīng)用案例

　　在京張高鐵清華園隧道工程應(yīng)用效果顯著:全預(yù)制工藝建造優(yōu)勢(shì)顯著,管片生產(chǎn)與BIM協(xié)同管理提高質(zhì)量,風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)控制降低風(fēng)險(xiǎn)保障安全,進(jìn)度智能推演節(jié)省施工工期,達(dá)到建造智能化、管理精益化、工程數(shù)字化的預(yù)期目標(biāo),努力實(shí)現(xiàn)清華園隧道智能化助力百年京張。

　　(1)清華園隧道管片及軌下結(jié)構(gòu)成套預(yù)制化生產(chǎn)2243環(huán),全部采用全預(yù)制機(jī)械化智能拼裝,施工進(jìn)度快、占用井下空間小、節(jié)省人工材料成本,保證了施工的進(jìn)度及安全要求,綠色環(huán)保效果好,比施組計(jì)劃提前45天工期,節(jié)約成本大約1500萬(wàn)。

　　(2)基于BIM+IOT+移動(dòng)互聯(lián)技術(shù),覆蓋了清華園隧道20187片管片、2243環(huán)盾構(gòu)環(huán)和軌下結(jié)構(gòu)的全預(yù)制生產(chǎn)過(guò)程、堆場(chǎng)運(yùn)輸、現(xiàn)場(chǎng)拼裝等數(shù)字化管理,初步建立隧道全數(shù)字化檔案,提升全過(guò)程、全方位、多角度的質(zhì)量管理,大大提高了生產(chǎn)效率。

　　(3)完成對(duì)清華園隧道全線(xiàn)5公里48處主要風(fēng)險(xiǎn)源開(kāi)展變形監(jiān)測(cè)評(píng)估控制,采集了130余萬(wàn)條安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了盾構(gòu)施工引起臨近建(構(gòu))筑物危險(xiǎn)性的實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)預(yù)報(bào),施工引起地層沉降及周邊風(fēng)險(xiǎn)源沉降的可靠預(yù)測(cè)及預(yù)測(cè)結(jié)果的可視化,最終實(shí)現(xiàn)地下工程建設(shè)中盾構(gòu)施工安全風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控與管理。

　　(4)采集了360余萬(wàn)條盾構(gòu)機(jī)實(shí)時(shí)參數(shù)數(shù)據(jù),可以實(shí)現(xiàn)盾構(gòu)施工進(jìn)度、盾構(gòu)實(shí)時(shí)及歷史掘進(jìn)參數(shù)可視化,為遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)查看監(jiān)控、協(xié)同管理提供了便利,對(duì)保證工程施工和周邊環(huán)境的安全具有重要意義。

　　同時(shí),研究成果應(yīng)用于智能京雄、數(shù)字川藏等重大工程,積極推廣應(yīng)用于深圳、北京地鐵等城市地鐵。

社會(huì)效益與經(jīng)濟(jì)效益

　　(一)社會(huì)效益

　　(1)全面提升了各參建方對(duì)隧道智能建造技術(shù)的認(rèn)識(shí)水平、實(shí)際問(wèn)題解決應(yīng)用能力和應(yīng)用人才培養(yǎng)多重目標(biāo),創(chuàng)新隧道智能建造全生命周期精益管理理念。

　　(2)盾構(gòu)隧道管片及軌下結(jié)構(gòu)全預(yù)制和智能拼裝技術(shù)應(yīng)用,總體工效比傳統(tǒng)的現(xiàn)澆法施工提升一倍以上,實(shí)現(xiàn)了隧道建造優(yōu)質(zhì)高效、節(jié)能降耗、安全環(huán)保。

　　(3)保證了清華園隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)可控和施工的“零傷亡冶目標(biāo),有效提升社會(huì)對(duì)鐵路隧道建設(shè)的支持力度和正向評(píng)價(jià)。

　　(二)經(jīng)濟(jì)效益

　　從2017年開(kāi)始,研究的成果逐步在京張清華園隧道開(kāi)始應(yīng)用,合同約325萬(wàn)元;2018年推廣至智能京雄、數(shù)字鄭萬(wàn)、數(shù)字牡佳等重點(diǎn)工程應(yīng)用,合同約5710萬(wàn)元;提前45天全線(xiàn)貫通,節(jié)約成本1500萬(wàn)元以上。