高速鐵路隧道機(jī)械化修建技術(shù)創(chuàng)新與智能化建造展望

——以鄭萬高速鐵路湖北段為例

（見《隧道建設(shè)（中英文）》2018年3期“家論壇”，原文為中、英文）

王志堅(jiān)

導(dǎo)語

為實(shí)現(xiàn)鄭萬高速鐵路湖北段隧道安、快速、高質(zhì)量修建，開展工序大型機(jī)械配套條件下的施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信息化管理等系列探索和創(chuàng)新： 

1）形成套基于大型機(jī)械化的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、掌子面超前預(yù)加固、隧道斷面機(jī)械開挖工法、初期支護(hù)機(jī)械化施工、寬幅防水板作業(yè)臺車鋪裝和智能襯砌臺車的斷面機(jī)械化施工技術(shù)； 

2）基于機(jī)械化施工技術(shù)，建立隧道圍巖穩(wěn)定性分方法，并在新奧法理念指導(dǎo)下，優(yōu)化隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)； 

3）建立隧道施工管理系統(tǒng)、施工信息采集系統(tǒng)、施工安管理系統(tǒng)、混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)、質(zhì)量信譽(yù)評價系統(tǒng)以及施工動態(tài)管理系統(tǒng)等，以對隧道施工進(jìn)行信息化管理。

后，在隧道機(jī)械化、信息化修建技術(shù)的基礎(chǔ)上，從隧道支護(hù)體系智能動態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、隧道支護(hù)體系智能機(jī)器人施工技術(shù)和隧道結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測系統(tǒng)等方面對隧道智能化修建技術(shù)進(jìn)行探索和展望，以期將我隧道建設(shè)水平推向新高度。

引言

目前，在我隧道建設(shè)中，TBM法和盾構(gòu)法基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工廠化施工，而山嶺隧道鉆爆法施工的機(jī)械化、信息化、智能化水平相對較低。

通過近年來不斷地探索和實(shí)踐，我隧道建設(shè)從單工序機(jī)械化施工逐步轉(zhuǎn)向工序機(jī)械化施工，機(jī)械化水平不斷提高，但應(yīng)用范圍主要局限于Ⅱ、Ⅲ圍巖，對于Ⅳ、Ⅴ軟弱圍巖并未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化配套條件下的斷面施工，因此對隧道施工進(jìn)度的提升并不顯著。

在山嶺隧道施工信息化管理方面，雖然建設(shè)了些信息化管理平臺，但是與實(shí)際工程結(jié)合不緊密，覆蓋范圍較小，整體水平不高，在工程建設(shè)應(yīng)用中造成施工信息采集不面，施工質(zhì)量監(jiān)控不到位，施工安預(yù)警不及時，對于施工單位質(zhì)量信譽(yù)也不能進(jìn)行客觀科學(xué)的評價。

針對我隧道建設(shè)機(jī)械化、信息化水平不高的問題，鄭萬高速鐵路隧道建設(shè)開展了工序大型機(jī)械配套條件下的施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信息化管理等系列探索和創(chuàng)新。

1

工程概述

鄭萬高速鐵路湖北段長約287 km， 設(shè)計(jì)行車速度為350 km/h，共有隧道32.5座（香樹灣隧道跨重慶和湖北省界），隧道總長167.619 km，占本段線路總長的58.4%，其中有7座隧道的長度超過10 km。隧道開挖斷面面積約150 ㎡，跨度15 m，屬單洞雙線大跨度隧道。隧道橫斷面如圖1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。隧道埋深為100~1 100 m，主要為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ圍巖，其中，隧道橫斷面Ⅳ、Ⅴ軟弱破碎圍巖占比超過60%。

圖１  隧道橫斷面

表１  隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

鄭萬高速鐵路湖北段隧道區(qū)域內(nèi)地層發(fā)育較為完整，主要巖性有四系覆蓋層、可溶巖、頁巖和紅層等；區(qū)域內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動頻繁、強(qiáng)烈，構(gòu)造規(guī)模巨大，多具造山運(yùn)動性質(zhì)，褶皺、斷層廣泛發(fā)育；線路跨越漢江流域唐白河水系、長江流域中下游和二支干流，地下水主要有四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水3類；不良地質(zhì)主要為巖溶、順層偏壓、危巖落石和滑坡等。

2

隧道斷面機(jī)械化施工技術(shù)

鄭萬高速鐵路隧道機(jī)械化施工具有配套機(jī)械系統(tǒng)化、規(guī)模大等點(diǎn)。機(jī)械配置包括常規(guī)型配置和加強(qiáng)型配置。

常規(guī)型配置主要包括風(fēng)動鑿巖鉆機(jī)、多功能鉆爆作業(yè)臺架、混凝土濕噴機(jī)、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車和整體移動式溝槽模板等；

加強(qiáng)型配置工作面在常規(guī)型配置的基礎(chǔ)上增設(shè)2臺三臂鑿巖臺車、1臺自行式液壓拱架安裝臺車、1臺防水板作業(yè)臺車、1臺襯砌模板臺車和1臺移動式混凝土養(yǎng)生臺架。

隧道工序機(jī)械配套圖如圖2所示。湖北段共有15座隧道、24個工區(qū)采用加強(qiáng)型機(jī)械配置，承擔(dān)著91.135 km的正洞施工任務(wù)；共有6座隧道采用常規(guī)型機(jī)械配置。

圖2  隧道工序機(jī)械配套圖

采用瑞典安伯格（Amberg）技術(shù)公司生產(chǎn)的TSP203PLUS隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（如圖3所示）、瑞典MALA公司生產(chǎn)的探地雷達(dá)（如圖4所示）和電腦三臂鑿巖臺車（如圖5所示）進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，采用3SNS-A柱塞式注漿泵（如圖6所示）進(jìn)行注漿作業(yè)。

圖３ 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

圖4  探地雷達(dá)

圖5  電腦三臂鑿巖臺車

圖6  3SNS-A柱塞式注漿泵

2.1超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)——綜合預(yù)報(bào)＋鉆進(jìn)參數(shù)自動分析預(yù)報(bào)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作結(jié)合地質(zhì)調(diào)查法、TSP地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法、超前鉆孔及加深炮孔法等多種手段，采取長短結(jié)合、相互驗(yàn)證的綜合預(yù)報(bào)技術(shù)。

其中，超前鉆孔及加深炮孔法主要利用電腦三臂鑿巖臺車進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)行鉆孔作業(yè)時，實(shí)時監(jiān)測推進(jìn)速度、沖擊壓力、推進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)壓力、水壓力和水流量等參數(shù)，并通過MWD軟件分析復(fù)原地質(zhì)情況（MWD地質(zhì)云圖如圖7所示），形成地質(zhì)報(bào)告，由此可建立隧道大數(shù)據(jù)地質(zhì)庫。

圖7  MWD地質(zhì)云圖

2.2掌子面超前預(yù)加固技術(shù)——常規(guī)加固＋Ｖ圍巖高壓劈裂注漿

掌子面超前預(yù)加固方法包括掌子面噴射混凝土封閉、掌子面玻璃纖維錨桿注漿加固、超前管棚支護(hù)和超前注漿加固等。

其中，采用高壓劈裂注漿法對V軟弱圍巖進(jìn)行預(yù)加固時，所用機(jī)械3SNS-A柱塞式注漿泵的大注漿壓力可達(dá)10 MPa，通過漿脈形成骨架結(jié)構(gòu)，擠密土體，有加固了掌子面前方的軟弱圍巖。高壓劈裂注漿預(yù)加固前后果對比如圖8所示。

(a)注漿前掌子面不穩(wěn)定

(b)注漿后掌子面穩(wěn)定

圖8  高壓劈裂注漿預(yù)加固前后果對比圖

2.3隧道斷面機(jī)械開挖工法

在機(jī)械化配置條件下，在鄭萬高速鐵路隧道施工過程中形成了斷面（帶仰拱）、大斷面（不帶仰拱）和微臺階等新的施工工法，其點(diǎn)及適用圍巖見表2。

表2 ３套施工工法的點(diǎn)及適用圍巖

通過以上新工法的應(yīng)用，施工進(jìn)度比采用傳統(tǒng)分部開挖工法的計(jì)劃進(jìn)度有較大提高。新工法平均月進(jìn)尺與計(jì)劃月進(jìn)尺對比見表3。

表3  新工法平均月進(jìn)尺與計(jì)劃月進(jìn)尺對比

2.4初期支護(hù)機(jī)械化施工

錨桿采用三臂鑿巖臺車或錨桿鉆注體機(jī)施作，噴射混凝土采用濕噴機(jī)械手施作，型鋼鋼架采用自行式液壓拱架安裝臺車施作，已施作錨桿的注漿飽滿度采用LX-10M型錨桿錨固質(zhì)量檢測儀進(jìn)行檢測。

其中，預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿通過錨桿的初始張拉力飽滿注漿，有保證了錨桿的主動支護(hù)果，充分發(fā)揮了圍巖的自承作用，單根錨桿所有工序用時約5 min，是傳統(tǒng)錨桿用時的1/3，大大節(jié)約了工序時間。預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿施作質(zhì)量測試如圖9所示。

(a)應(yīng)力測試

(b)注漿飽滿度測試

圖9  預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿施作質(zhì)量測試

2.5寬幅防水板作業(yè)臺車鋪裝

寬幅防水板（寬6 m）采用長12 m的防水板作業(yè)臺車（如圖10所示）進(jìn)行鋪裝，滿足了防水板寬幅鋪設(shè)要求，有減少了接縫；通過防水板自動提升鋪展，降低了勞動強(qiáng)度，提高了鋪設(shè)率，同時便于熱熔墊片焊接固定，保證了施工質(zhì)量。

圖10  防水板作業(yè)臺車

2.6智能襯砌臺車

在無骨架襯砌臺車的基礎(chǔ)上，研制了新型智能化襯砌臺車，其點(diǎn)如下：

1）襯砌臺車智能化及信息化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動計(jì)算襯砌斷面澆注混凝土理論所需方量，實(shí)時監(jiān)測襯砌混凝土灌注量、溫度和壓力；采用紅外線視頻實(shí)時監(jiān)視襯砌混凝土灌注情況，實(shí)現(xiàn)臺車搭接限位自動報(bào)警；采用本地及遠(yuǎn)程無線遙控液壓定位系統(tǒng)，自動生成每個襯砌循環(huán)的數(shù)據(jù)報(bào)表。

2）自動布料系統(tǒng)優(yōu)化。自動布料系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過電機(jī)控制定位，采用PLC和無線遙控布管換位，實(shí)現(xiàn)了混凝土帶壓入模。

3）襯砌臺車振搗系統(tǒng)優(yōu)化。在襯砌臺車拱頂縱向設(shè)置4組自動插入式振搗系統(tǒng)，保證了拱頂混凝土的密實(shí)度。

4）襯砌臺車作業(yè)平臺優(yōu)化。主要優(yōu)化措施為增大爬梯安裝角度、爬梯寬度和平臺有寬度，使施工作業(yè)更加便利。智能襯砌臺車作業(yè)平臺優(yōu)化圖如圖11所示。

圖11  智能襯砌臺車作業(yè)平臺優(yōu)化圖

3

基于機(jī)械化施工的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

3.1隧道圍巖分

隧道圍巖分為洞身段和掌子面2部分。洞身段圍巖亞分采用定性和定量2種方法，定性指標(biāo)為巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度，定量指標(biāo)為圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ。

運(yùn)用掌子面地質(zhì)素描、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及數(shù)碼成像技術(shù)，獲取掌子面巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度和地下水狀態(tài)3個指標(biāo)，將隧道掌子面穩(wěn)定性分為穩(wěn)定、較穩(wěn)定和不穩(wěn)定3類，形成掌子面穩(wěn)定性分類方法，見表4。

表4 掌子面穩(wěn)定性分類方法

3.2隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化

基于新奧法理念，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將圍巖和初期支護(hù)作為承載主體，承擔(dān)部圍巖荷載，二次襯砌作為安儲備。

通過隧道機(jī)械化和斷面施工的現(xiàn)場測試，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力有如下點(diǎn)： 

1）錨桿、型鋼鋼架、型鋼鋼架與噴射混凝土組合結(jié)構(gòu)以及格柵鋼架與噴射混凝土組合結(jié)構(gòu)均處于安可控狀態(tài)。

2）圍巖接觸壓力值小于規(guī)范值，深埋條件下，豎向荷載約為規(guī)范值的20%；Ⅳ圍巖時水平荷載約為規(guī)范值的80%，Ⅴ圍巖時水平荷載約為規(guī)范值的30%；實(shí)測側(cè)壓力系數(shù)為0.8~1.0。由此表明，在機(jī)械化和斷面施工條件下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化空間。

通過數(shù)值模擬，計(jì)算隧道初期支護(hù)和二次襯砌優(yōu)化后Ⅳ、Ⅴ圍巖的安性，結(jié)果滿足規(guī)范要求。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)見表5。

表5 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)

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隧道信息化施工管理

4.1施工管理系統(tǒng)

為解決驗(yàn)工計(jì)價數(shù)據(jù)追蹤與工程實(shí)體形象、檢驗(yàn)批的關(guān)聯(lián)以及超計(jì)、超付難以控制等問題，鄭萬高鐵建設(shè)單位提出了驗(yàn)工計(jì)價的過程控制方法，其核心思想為： 依靠互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、BIM模型和精細(xì)化管理，將項(xiàng)目細(xì)分為各個過程控制單元，把每個過程控制單元與施工圖數(shù)量、工程量清單項(xiàng)、質(zhì)量檢驗(yàn)批和工程形象關(guān)聯(lián)起來。施工管理系統(tǒng)具體流程如圖12所示。

圖12  施工管理系統(tǒng)具體流程

4.2施工信息采集系統(tǒng)

施工信息主要包括電子工程地質(zhì)圖、鉆孔及錨桿信息、高壓注漿記錄和開挖斷面凈空測量數(shù)據(jù)等。

隧道施工數(shù)據(jù)具有采集點(diǎn)多、信息量大和實(shí)時性要求高的點(diǎn)，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，建立隧道施工信息數(shù)據(jù)庫，按數(shù)據(jù)來源分類進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲，通過網(wǎng)頁表格、圖形和曲線展示施工數(shù)據(jù)信息。施工信息采集系統(tǒng)如圖13所示。

圖13  施工信息采集系統(tǒng)

4.3施工安管理系統(tǒng)

依靠施工信息采集系統(tǒng)中快速采集的超前地質(zhì)數(shù)據(jù)、圍巖收斂量測數(shù)據(jù)和隧道位移應(yīng)力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享和預(yù)警，有利于施工方、監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方和業(yè)主方及時了解隧道施工動態(tài)，并采取應(yīng)對措施。

4.4混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)

運(yùn)用混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)（如圖14所示），實(shí)現(xiàn)混凝土從原材料進(jìn)場到拌合站生產(chǎn)再到施工現(xiàn)場的過程監(jiān)控，有保證了混凝土質(zhì)量。

圖14  混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)

4.5質(zhì)量信譽(yù)評價系統(tǒng)

鄭萬高鐵隧道按照開挖、初期支護(hù)、襯砌和四電接口等以工序質(zhì)量為主建立評價模型，運(yùn)用施工過程檢測、工序質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)和三方檢測數(shù)據(jù)，對工程質(zhì)量進(jìn)行定量化評價。通過將施工單位的質(zhì)量信譽(yù)評價分解到原材料質(zhì)量、實(shí)體質(zhì)量和過程控制上，運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行評價，使信用評價工作更加科學(xué)、公正、公開、透明。質(zhì)量信譽(yù)評價系統(tǒng)具體流程如圖15所示。

圖15  質(zhì)量信譽(yù)評價系統(tǒng)具體流程

4.6施工動態(tài)管理系統(tǒng)

根據(jù)信息管理平臺中的隧道設(shè)計(jì)、地質(zhì)預(yù)報(bào)、掌子面預(yù)加固、光面爆破、初期支護(hù)質(zhì)量和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行評估后，將隧道作業(yè)面分為可控、基本可控和不可控3個類別進(jìn)行管理。施工動態(tài)管理分類評價方法如表6所示。

表6 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)

5

隧道智能化修建技術(shù)展望

5.1隧道支護(hù)體系智能動態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)

基于掌子面數(shù)碼成像技術(shù)和鉆孔臺車鉆進(jìn)參數(shù)等，自動獲取隧道掌子面及超前地質(zhì)信息，據(jù)此對設(shè)計(jì)階段圍巖分進(jìn)行驗(yàn)證，并自動進(jìn)行施工階段圍巖亞分；

然后，根據(jù)圍巖亞分，自動判定掌子面穩(wěn)定性和超前支護(hù)設(shè)計(jì)，自動進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，自動調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道智能化、精細(xì)化動態(tài)設(shè)計(jì)。

5.2隧道支護(hù)體系智能機(jī)器人施工技術(shù)

以機(jī)械化、信息化施工技術(shù)為基礎(chǔ)，深度融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)智能機(jī)器人施工技術(shù)，包括研發(fā)智能鑿巖機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)掌子面爆破孔的自動布設(shè)、定位和鉆孔；

研發(fā)智能錨桿機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)錨桿自動定位、自動鉆孔、自動安裝、自動注漿、自動鎖螺母和施加預(yù)應(yīng)力，并對錨桿位置和參數(shù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識；

研發(fā)智能噴射混凝土機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自動定位、自動3D輪廓掃描、自動噴射混凝土、自動噴射方量計(jì)算和自動噴漿輪廓監(jiān)測與對比，直至滿足設(shè)計(jì)要求；

研發(fā)智能拱架安裝機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自動智能定位、自動3D輪廓掃描識別欠挖、自動拱架抓取和定位以及自動連接鋼筋施工。

5.3隧道結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測系統(tǒng)

針對施工階段結(jié)構(gòu)的安問題，開展施工階段隧道支護(hù)應(yīng)力實(shí)時自動化監(jiān)測。

建立施工階段隧道支護(hù)三維模型，通過大數(shù)據(jù)智能化分析方法，自動判別隧道支護(hù)的穩(wěn)定性，據(jù)此給出相應(yīng)的工程措施。

結(jié)語

通過持續(xù)的實(shí)踐探索和科技創(chuàng)新，鄭萬高鐵隧道建設(shè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了工序、地質(zhì)機(jī)械化斷面施工和過程、方位施工信息化管理，具備了隧道智能化建造的基礎(chǔ)和優(yōu)勢。

今后，將結(jié)合信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)等分析方法，通過隧道設(shè)計(jì)、施工和管理智能化系統(tǒng)，終集成為高速鐵路隧道智能化建造平臺，真正實(shí)現(xiàn)隧道無人、自動、智能修建的美好愿景。

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