隧道工程智能建造以工程建设管理要素为主体，但工程结构设计动态响应不及时、大型成套机械作业效率低、施工现场交叉作业与多工序循环作业情况下施组动态调整困难、重难点工序质量不合格率偏高、安全风险防控体系不健全等管理形势依然严峻，把数字孪生技术用于隧道建造，搭建隧道工程建造业务数据与工程结构模型一体化应用场景，全面提升隧道工程建设的持续性与稳定性。
隧道建造数字孪生管控平台依托数字孪生技术，构建隧道施工周边环境、基础设施、施工装备、施工监测等数字孪生体，并通过虚拟映射再现隧道建造场景，为项目相关方提供丰富的业务场景孪生模型与应用平台。
1. 隧道建造数字孪生管控平台架构
（1）感知层。利用RFID、NFC、摄像机、传感器、定位装置等收集隧道建造全过程数据信息，为隧道建造智能化管理提供真实、可靠的数据来源。
（2）数据层。依托数字孪生、大数据、人工智能等信息技术，整合隧道建造管理数据，汇聚成为数据湖，并通过数据标准化转换，实现数据挖掘与预测分析，支撑业务系统应用。
（3）应用层。构建隧道建造智能化应用场景，形成全时空数据双线反馈机制。
（4）展示层。依托信息控制中心进行系统安全保障，结合用户权限设置功能开放共享，实现PC端、移动端、大屏端多端互动。
2. 隧道建造数字孪生管控平台功能
2.1 设计参数动态调整
基于工程地质信息开展施工图预设计，形成预设计参数化BIM模型与BIM模型库，当施工阶段超前地质预报揭示的地质条件与原设计不符时，启动动态设计，根据揭示围岩级别调整支护方案，并基于预设计BIM模型调整设计参数，优化支护措施，动态更新隧道构件级数字孪生模型，完善动态设计工程量对比、审核等成果自动转换流程，强化设计版本数字孪生模型的替代与更新，形成与施工现场相匹配的高精度隧道工程数字孪生体，辅助隧道工程建设管理业务数据在结果数字孪生模型的挂接承载。隧道工程设计参数动态调整流程见图3。
2.2 全工序机械化智能化施工
通过搭建隧道预报、监测、施工网络传输体系，实现岩体级别自动判识、施工作业数据实时展示、施工参数智能调整与统一存储应用，确保成套施工设备实现异常事件提前预警、及时报警、闭环管理与协同作业，以此提升隧道施工效率。钻爆法隧道施工通过钻机、凿岩台车、混凝土喷射台车、锚杆台车、拱架台车、衬砌台车等系列智能装备研发与数字孪生技术应用，构建隧道围岩分级-工程实体-施工工序-控制参数关联映射机制，形成全工序机械化施工作业体系，辅以深度学习技术明确单工序多机、多工序协同作业的高效优化动态决策方案，创建装备作业线实时感知交互、精准控制、协同作业的管理平台。
盾构隧道施工以工程地质参数为基础，通过海量监控量测及掘进历史数据分析挖掘，明确地质-掘进参数与地质-掘进姿态影响机理，基于数字孪生技术，构建支持向量回归预测模型与深度神经网络模型，开展不良地质掘进参数与掘进姿态推演，实现隧道掘进偏差预警、参数调整、姿态控制与动态优化；结合盾构机换刀机器人，提升操作的精准度，保障操作人员人身安全。
2.3 进度管控及施组优化
基于全息扫描技术，获取隧道工程实景数据，形成表征模型以展示施工现场分部分项工程实际进度，开展施组计划与实际进度偏差分析，诊断隧道工点施工进度超前或滞后原因，结合隧道工程施工现场开挖工作面形式，构建基于数字孪生的隧道工程整体施工进度推演模型，明确隧道工程贯通所需时间，通过与施组计划偏差及人员、材料、机械等施工关键制约因素分析，进行关键路径约束的施组计划动态优化，实现保证工期条件下资源最优配置与进度有效管控。隧道开挖通常综合考虑隧道长度、地质条件、工期要求、施工成本等因素选择单工作面、双工作面或多工作面等形式，以双工作面开挖为例，采用不见不散与定点贯通构建隧道施工进度推演模型，其中不见不散为2个施工队伍相向施工直至隧道贯通，定点贯通则为2个施工队伍在隧道的某一点相遇。
2.4 质量在线评价与管控
利用三维激光扫描获取隧道开挖、初支、二衬等点云数据，构建隧道工程轮廓模型。根据隧道质量验收标准要求，确定满足隧道工程约束条件的质量控制阈值，通过与前期交付设计模型的在线融合与计算分析，诊断隧道工程构件组成与空间分布的完整性，明确隧道工程关键工序构件质量偏差，辅以超前地质预报、围岩等级等施工质量影响因素，构建隧道施工数字孪生仿真机理模型。利用基于卷积神经网络（CNN）与长短期记忆模型（LSTM）的预测神经网络模型，获取隧道施工时空数据，分析其与质量目标的偏差，并开展模型训练，支撑隧道施工质量预测。结合隧道工程施工质量监测与预测结果差异反馈优化，实现隧道施工关键工序轮廓可视化检测、质量在线评价与动态优化。
2.5 安全风险隐患双重预防
建立隧道施工智能风险分级管控与隐患排查治理并重的安全生产双重预防机制，搭建滑坡、瓦斯爆炸等隧道施工安全风险环境的数字孪生模型，明晰施工工序-安全风险映射机制，构建施工安全风险评估指标体系，协同人员、机械、物料、工法、环境等安全风险数据监测与动态跟踪，基于数字孪生技术开展风险点及其级别的升级趋势推演预测，实现隧道施工安全风险等级的智能判定与超前预警，并为潜在的安全风险构建管控措施库。根据隧道工程施工工艺，厘清主要工序安全隐患清单，结合隐患排查与分级标准制定，细化施工过程“检查-整改-验收反馈”流程，实现隧道风险辨识评估可视化展示、隐患排查治理过程及历史数据有迹可循、风险管控与隐患排查治理全过程信息化管理，全面提升隧道施工安全数字化监管水平。
隧道建造数字孪生管控平台通过强化施工机械设备协同作业，辅助施工进度推演、质量反馈优化与安全风险隐患闭环管理等功能，全面提升隧道工程智能化建造水平。
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