《交通运输科学技术新成果推广目录》（２０２０）—第三部分隧道《京张高铁清华园盾构隧道智能建造关键技术》

本期项目简介

完成单位: 中国铁道科学研究院集团有限公司、 中铁十四局集团有限公司、 北京经纬信息技术有限公司

主要完成人: 智鹏、 王万齐、 陈爽、 解亚龙、 向君、 高少彬、 杨威、 杜海龙、 史瑞昌、 刘四进、 李慧、 杜贵新、 鲍榴、 高始军、 刘善福

项目简介

　　(一)项目背景

　　京张铁路是贯彻落实“科技强国、交通强国冶的战略部署,是2022年冬奥会重要交通保障。清华园隧道工程是全线控制性重点工程之一,是目前国内首条单洞双线大直径盾构高风险隧道,穿越城市密集区,建设风险高,周边建筑物复杂,风险源种类多,建设施工过程稍有不慎就会造成不可挽回的损失。为此,需要创新隧道建设管理新理念和施工新方法,通过采用数字化、工厂化、自动化和智能化技术手段,来要实现清华园隧道的高效优质、安全环保、按期建设。

　　(二)技术概况

　　本项目围绕京张高铁清华园隧道建造过程存在的各种建设施工难题,通过研究采用精益管理理念,探索提出基于BIM的隧道精益建设管理体系和全生命周期管理理念,研究突破大直径盾构管片及轨下结构全预制及智能拼装、盾构管片及轨下结构生产施工数字化管理、大直径盾构施工变形监测评估和安全监控、大直径盾构隧道建造数字化可视化管理等一系列关键技术和理论方法,研制成套全预制及智能拼装装备,研发管片及轨下结构预制件全生命期数字化管理系统和盾构隧道建造可视化实时感知与综合预警集成管理平台,实现清华园隧道建设项目过程中全方位、全要素、全过程的信息共享和利用,全面提升京张高铁清华园隧道隧道工程建造智能化、工程数字化、管理精益化应用水平。

　　(三)适用范围

　　课题研究成果适用于新建铁路盾构隧道、城市轨道交通盾构隧道、公路盾构管片隧道、城市地下综合管廊等采用盾构法施工和管片生产拼装的隧道工程及管廊工程。

　　(四)获奖情况

　　成果荣获2020年“中国交通运输协会科学技术奖二等奖冶。

项目创新点

　　(一)管理理念创新

　　首次提出基于精益管理TFV理论和BIM全生命周期理念相结合的铁路盾构隧道精益建造管理体系,创新采用“7S冶、施工作业空间时序、优化多作业面联合调度、隧道施工全面安全质量管理PDCA等管理方法技术,实现抽象复杂的隧道建设精益化管理,促进铁路隧道工程向数字建设、精益管理等方向发展。

　　(二)技术应用创新

　　(1)首次突破了清华园盾构隧道管片及轨下结构全预制智能拼装技术,研究基于BIM+IOT+移动互联技术实现隧道管片、轨下箱涵、附属沟槽等工厂化预制、数字化生产、装配式拼装和精细化施工,全面提高隧道盾构整体施工功效和生产拼装质量,推进隧道绿色、环保、降噪建造,填补行业空白。

　　(2)提出铁路盾构隧道BIM实施编码规范,创新研究实现了铁路隧道多源BIM数据融合处理及发布技术(鉴定国际先进水平),具有支持多种BIM模型数据格式、渲染效果好、符合铁路BIM标准、兼容性强等优势。

　　(三)集成应用创新

　　研发隧道建造实时感知与综合预警集成管理平台,实现以IOT+移动互联为物联感知、以云平台为数据管理、以大数据为智能分析、盾构机实时数据驱动的施组进度智能推演与跟踪预警、盾构作业实时动态感知、安全风险综合监控、质量在线分析预警等可视化管理。

同类项目比较

与同类项目相比, 本项目的技术优势如表 1所示。

应用案例

　　在京张高铁清华园隧道工程应用效果显著:全预制工艺建造优势显著,管片生产与BIM协同管理提高质量,风险监测控制降低风险保障安全,进度智能推演节省施工工期,达到建造智能化、管理精益化、工程数字化的预期目标,努力实现清华园隧道智能化助力百年京张。

　　(1)清华园隧道管片及轨下结构成套预制化生产2243环,全部采用全预制机械化智能拼装,施工进度快、占用井下空间小、节省人工材料成本,保证了施工的进度及安全要求,绿色环保效果好,比施组计划提前45天工期,节约成本大约1500万。

　　(2)基于BIM+IOT+移动互联技术,覆盖了清华园隧道20187片管片、2243环盾构环和轨下结构的全预制生产过程、堆场运输、现场拼装等数字化管理,初步建立隧道全数字化档案,提升全过程、全方位、多角度的质量管理,大大提高了生产效率。

　　(3)完成对清华园隧道全线5公里48处主要风险源开展变形监测评估控制,采集了130余万条安全风险监测数据,实现了盾构施工引起临近建(构)筑物危险性的实时预测预报,施工引起地层沉降及周边风险源沉降的可靠预测及预测结果的可视化,最终实现地下工程建设中盾构施工安全风险监控与管理。

　　(4)采集了360余万条盾构机实时参数数据,可以实现盾构施工进度、盾构实时及历史掘进参数可视化,为远程实时查看监控、协同管理提供了便利,对保证工程施工和周边环境的安全具有重要意义。

　　同时,研究成果应用于智能京雄、数字川藏等重大工程,积极推广应用于深圳、北京地铁等城市地铁。

社会效益与经济效益

　　(一)社会效益

　　(1)全面提升了各参建方对隧道智能建造技术的认识水平、实际问题解决应用能力和应用人才培养多重目标,创新隧道智能建造全生命周期精益管理理念。

　　(2)盾构隧道管片及轨下结构全预制和智能拼装技术应用,总体工效比传统的现浇法施工提升一倍以上,实现了隧道建造优质高效、节能降耗、安全环保。

　　(3)保证了清华园隧道施工安全风险可控和施工的“零伤亡冶目标,有效提升社会对铁路隧道建设的支持力度和正向评价。

　　(二)经济效益

　　从2017年开始,研究的成果逐步在京张清华园隧道开始应用,合同约325万元;2018年推广至智能京雄、数字郑万、数字牡佳等重点工程应用,合同约5710万元;提前45天全线贯通,节约成本1500万元以上。