130年来，隧道的建造方法几乎没有改变。尽管用于勘测、钻孔、挖掘隧道的机械设备已经有所改进和发展，但与19世纪的维多利亚时代相比，隧道施工方法仍基本相同。
众所周知，隧道项目的复杂性、成本、风险一直居高不下。在这个提倡数字化转型和技术升级的时代，隧道建设正在迎来一场新的革命。
机器人3D打印隧道
传统的隧道建设方法是先掘洞再建隧道。但现在是，使用机器人在地下空间进行3D打印隧道，并通过数字地面测量技术创建全新的数据库，生成数字孪生模型，即先建隧道、后掘洞。这种全新的方法与当前的隧道施工方法相比，隧道建设速度更快、成本更低、更安全环保，项目风险也更低。
“汇集各行各业的最新技术，将它们与经过验证的方法相结合，创造出一种全新的方法。这种方法使我们能够重新思考如何规划、设计、建造、运营和维护新的地下空间。” HyperTunnel公司的联合首席执行官Steve Jordan说。
使用水平定向钻井（HDD）在岩土中钻出一系列钻孔管，形成隧道的轮廓。许多半自主机器人可以用超高的精度在钻孔内部移动，使用集群技术创建隧道的结构外壳。在壳内的岩土被破坏后，用遥控挖掘机清除弃土，然后喷涂连续的混凝土层到外壳上。如果需要，还可以使用定制的衬里施工。二次钻孔管用于容纳可提高隧道长期维护和安全性的监测技术。
在HyperTunnel解决方案中使用的这种先进实用的系统，使地下空间的施工变得更便捷、更安全，成本更低，也更可持续。可以说，从根本上改善了现有隧道的扩充、加固、维护和监控方式。由于该系统灵活、模块化且完全自动化，将其集成到新建隧道项目中，可以实现在全世界任何地方的任何隧道施工公司都可以进行快速调试，便于组织施工。
又快又省的建设过程
准备阶段——构建3D数字模型
“要想使这种先进的3D打印方法成为可能，需要绝对精确的数据，并以扎实的岩土专业知识作为后盾，而这在以前的隧道施工中是根本不可能实现的。这也就是为什么建筑信息建模和数字孪生是该方法的核心，而数字孪生为这一切提供了应用场景。”隧道工程项目总监Patrick Lane Nott说。
依据传统方法，为了详细掌握隧道所处的岩土及地质情况，勘测的信息仅限于地质测绘、沿规划路径上的隧道垂直钻孔信息及周围500米范围内的可用信息。由于周围的岩土情况可能会发生变化，所以传统的方法只能形成一幅不完整的现场图景，使隧道项目在施工期间面临出现意外和工期延误的风险。
但HyperTunnel解决方案可以在准备阶段进行更加系统彻底的勘查。借鉴石油和天然气行业中已得到验证的技术，用于现在的隧道前期勘测中。通过在隧道中心进行HDD测试孔，可以实现沿整条隧道路线采集多个平行岩心地质样本，在隧道掘进中率先提供完整的隧道路线图。一般情况下会设置3个测试孔，但也可以根据隧道的直径和周围的地质情况，设置更为精确的测试孔数量。这些孔内衬高密度聚乙烯(HDPE)管，外径约为280毫米，以保持其完整性，有利于创造出干净的工作空间。
将收集到的岩心样本补充到地质测绘图和现有的钻孔数据等常用信息中。并且，沿钻孔方向运行专有的3D探地雷达(GPR)系统，可以收集更多的数据。地震、地质断层扫描和热成像数据也可以在必要时结合到一起，以增强数字模型的可视化潜能。
这样操作的结果是，可以详细了解是否存在或何处存在地质变化、裂缝、空隙、水等特征，这对于在隧道建设过程中遇到特殊的地面条件时，能够快速洞察和做出判断。
根据GPR系统得到隧道和周围地质信息之后，将其导入完全参数化的3D数字模型中，并使用虚拟现实（VR）和增强现实（AR）技术，通过数字孪生在计算机屏幕上实现虚拟漫游，检查隧道环境中的关键特征。
依靠数字孪生来定义和指导隧道建设，每一个步骤都像是在模拟一级方程式赛车运动那样，但数字孪生在隧道建设中的应用还处于起步阶段。“创建一辆F1赛车的数字孪生需要汇集众多的数字孪生，每一个数字孪生代表车辆的一个离散部件，例如发动机、底盘和车身。每一个零件通常由不同的供应商开发。这种将各方之间能够完美协调所需的流程可以借鉴到隧道施工中，以便无缝地构建出建筑物、隧道或结构的数字孪生，避免花费不必要的时间和金钱。”Patrick Lane Nott解释道。
数字孪生还可以用于准备阶段时进行隧道的定制化设计。使用人工智能及机器学习技术，将隧道路线上每一毫米的地质情况进行深度学习，然后匹配出最稳定的岩土力学信息，便于后续的隧道开挖建设。
准备阶段的最后一步是定义隧道剖面，需要在隧道外围钻一系列HDD施工孔（通常大约有24～40个），用来定义隧道尺寸和施工临时工作空间。初始孔道中埋的电线所产生的磁场，可以精准地确定这些施工孔的位置。当然，这些施工孔还可以继续用来收集更多的地质信息，并添加到数字孪生中。
当所有这些都完成后，测试钻孔管就可以由称为“HyperBots”的机器人进行填充，以便在施工阶段用作隧道的骨架。
构建阶段——超级机器人实现精准施工
在建设阶段，将半自主的HyperBot机器人送入到有衬砌的施工孔中，可以完成许多任务，例如钻孔、放置弃土和复合建筑材料。当然，这种机器人在其他行业中还可以完成例如仓库拣选和包装、桥梁建设、管道维修等。
隧道中的HyperBot机器人还能够进行腔体切割、微深度混合水泥、腔体抽真空和更换、清洁、消耗品交付和进一步的数据收集。然而，尽管它们具有多功能性，但机器人并不复杂或昂贵，并且可以从一个项目重复使用到下一个项目。
隧道的结构外壳是通过将超级机器人送入每个孔中来建造的，它们在孔中使用与3D打印原理相同的3D增材制造（Additive Manufacturing）技术。
每个施工孔中可以部署多个超级机器人，它们在孔道中可以相互避让，自由移动。通过使用HyperSwarm技术，数百甚至数千个超级机器人可以在不同的位置同时工作，从而产生极高的生产率。超级机器人根据人工智能创建的施工计划进行调度、监控和协调，该计划提供所有关键的施工数据，如材料强度、化学品的体积和位置。
当隧道的结构外壳完成后，就到了该破坏壳内未经处理的岩土的时候了。作为此过程的第一步，需要对原始的索引孔进行扩孔，以促进弃土的坍塌脱落。然后用最适合土体条件的技术进一步清除弃土，例如可以参照水力压裂技术，用射孔枪来实现。对于坚硬的土体可以安装定向的聚能炸药，也可以通过水力或声波压裂。这样做的好处是可以为下一阶段的掘洞工作提供便利。
掘洞阶段——新式挖掘机减少人员伤亡风险
为了从小型隧道和小型扩建隧道中分离、挖掘弃土，可以使用标准挖掘机。然而，对于更大的隧道项目，HyperTunnel公司正在开发一种新的拉铲式盾构技术，称为HyperShield，利用露天开采中使用的技术，使一次开挖成为可能。
“工人们认为从隧道中清除矿石是一个问题，但如果你是一名矿工，那么矿石就是你的收入来源。当我们跟采矿业、石油和天然气行业的人交谈时，他们为了尽快将石油开采出来所做的降低成本、提高效率的措施，启发了我们。”Steve Jordan说。
HyperShield由之前建造隧道外壳时的HDPE管道中的电缆牵引，沿着隧道路线移动，并使用带有摄像头和激光雷达扫描系统的探头作为导向，由位于隧道外的操作人员进行控制。这大大降低了隧道建设时的人员伤亡风险。在准备、施工或开挖的任何阶段，都没有必要让人们进入未完工的隧道，这种充满潜在风险的环境中。
安装在HyperShield前面的一系列工具，可以切割出HDPE管道之间精确的内部形状，定义隧道轮廓和基础尺寸。松散的碎片被铲起，穿过HyperShield挖掘机的后部，然后由电动卡车将其清除，这种电动自卸车通常使用的是用于装满矿石或煤炭的箱式装载机。移除的土体在现场进行回收，减少了加工和运输过程中的时间、成本和环境影响。
HyperShield还可以为下一阶段的二次衬砌施工进行准备和整合系统。
值得注意的是，因为隧道的基础底部是平的，HyperTunnel解决方案减少了需要清除的弃土量，这与使用圆筒形掘进机创建的隧道相反，并且在本质上效率更高。
竣工阶段——数字孪生简化项目交付流程
在最后的阶段，需要进行隧道衬砌和传感器布设，便于长期监控隧道健康情况，进行预防性维护。
一旦HyperShield挖掘出被破坏的材料，其他机械设备，如机器人喷射混凝土衬砌机或滑模成型机，可以跟随它穿过隧道，安装满足隧道需要的二次衬砌类型。根据地质情况，HyperTunnel解决方案中的钻孔管还可以为后续的加固、监测或安装光纤提供使用服务。
由于已经创建了隧道的数字孪生，因此简化了竣工时的项目交付流程。在建设过程中收集的各项数据构成了最为真实的项目数据库，为未来的资产维护和管理提供了依据。
经济环保 安全可控
HyperTunnel解决方案与传统的隧道方法相比，更具有可持续性。因为它不仅减少能源消耗、用水量、空气污染，还减少浪费并更有效地使用原材料，降低对环境和敏感环境的影响，例如通过减少建筑工地的规模和取消超载车辆通行的需求，减少对当地社区的干扰。
与此同时，采用该解决方案的隧道项目有利于提高当地的经济发展。例如加快基础设施建设并降低成本，增加流动性、能源供应、贸易和投资，为国家和地方的重大挑战提供新的解决方案，改变城市的设计和开发方式，创造就业机会并投资于高价值技能培训。
不可否认，HyperTunnel解决方案对隧道承包商来说，具有多种优势，为隧道和地下结构的建造、维修、扩建和维护，设计了一个新的智能、可扩展的系统，这也更适合21世纪。
本文刊载 / 《桥隧产业》杂志
2022年 1月刊 总第47期
作者 / JRUSH
资料来源 / Tunnel Business Magazine
编译 / 裴小吟
美编 / 赵雯
责编 / 裴小吟
审校 / 李天颖 裴小吟 廖玲
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