高速鐵路隧道機械化修建技術創(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（中英文）》2018年3期“家論壇”，原文為中、英文）

王志堅

導語

為實現(xiàn)鄭萬高速鐵路湖北段隧道安、快速、高質(zhì)量修建，開展工序大型機械配套條件下的施工技術、結(jié)構設計和信息化管理等系列探索和創(chuàng)新： 

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

2）基于機械化施工技術，建立隧道圍巖穩(wěn)定性分方法，并在新奧法理念指導下，優(yōu)化隧道支護結(jié)構設計參數(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，以對隧道施工進行信息化管理。

后，在隧道機械化、信息化修建技術的基礎上，從隧道支護體系智能動態(tài)設計系統(tǒng)、隧道支護體系智能機器人施工技術和隧道結(jié)構智能化監(jiān)測系統(tǒng)等方面對隧道智能化修建技術進行探索和展望，以期將我隧道建設水平推向新高度。

引言

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

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

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

針對我隧道建設機械化、信息化水平不高的問題，鄭萬高速鐵路隧道建設開展了工序大型機械配套條件下的施工技術、結(jié)構設計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， 設計行車速度為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，支護結(jié)構設計參數(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  隧道支護結(jié)構設計參數(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)構造運動頻繁、強烈，構造規(guī)模巨大，多具造山運動性質(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。

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隧道斷面機械化施工技術

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

常規(guī)型配置主要包括風動鑿巖鉆機、多功能鉆爆作業(yè)臺架、混凝土濕噴機、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；

加強型配置工作面在常規(guī)型配置的基礎上增設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)采用加強型機械配置，承擔著91.135 km的正洞施工任務；共有6座隧道采用常規(guī)型機械配置。

圖2  隧道工序機械配套圖

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

圖３ 超前地質(zhì)預報系統(tǒng)

圖4  探地雷達

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)預報技術——綜合預報＋鉆進參數(shù)自動分析預報

超前地質(zhì)預報工作結(jié)合地質(zhì)調(diào)查法、TSP地震波法、地質(zhì)雷達法、超前鉆孔及加深炮孔法等多種手段，采取長短結(jié)合、相互驗證的綜合預報技術。

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行超前地質(zhì)預報，進行鉆孔作業(yè)時，實時監(jiān)測推進速度、沖擊壓力、推進壓力、回轉(zhuǎn)壓力、水壓力和水流量等參數(shù)，并通過MWD軟件分析復原地質(zhì)情況（MWD地質(zhì)云圖如圖7所示），形成地質(zhì)報告，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掌子面超前預加固技術——常規(guī)加固＋Ｖ圍巖高壓劈裂注漿

掌子面超前預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軟弱圍巖進行預加固時，所用機械3SNS-A柱塞式注漿泵的大注漿壓力可達10 MPa，通過漿脈形成骨架結(jié)構，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  高壓劈裂注漿預加固前后果對比圖

2.3隧道斷面機械開挖工法

在機械化配置條件下，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，其點及適用圍巖見表2。

表2 ３套施工工法的點及適用圍巖

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

表3  新工法平均月進尺與計劃月進尺對比

2.4初期支護機械化施工

錨桿采用三臂鑿巖臺車或錨桿鉆注體機施作，噴射混凝土采用濕噴機械手施作，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)量檢測儀進行檢測。

其中，預應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。預應力中空注漿錨桿施作質(zhì)量測試如圖9所示。

(a)應力測試

(b)注漿飽滿度測試

圖9  預應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）進行鋪裝，滿足了防水板寬幅鋪設要求，有減少了接縫；通過防水板自動提升鋪展，降低了勞動強度，提高了鋪設率，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上，研制了新型智能化襯砌臺車，其點如下：

1）襯砌臺車智能化及信息化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動計算襯砌斷面澆注混凝土理論所需方量，實時監(jiān)測襯砌混凝土灌注量、溫度和壓力；采用紅外線視頻實時監(jiān)視襯砌混凝土灌注情況，實現(xiàn)臺車搭接限位自動報警；采用本地及遠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)機構通過電機控制定位，采用PLC和無線遙控布管換位，實現(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置4組自動插入式振搗系統(tǒng)，保證了拱頂混凝土的密實度。

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

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基于機械化施工的隧道結(jié)構設計

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，定性指標為巖石堅硬程度和巖體完整程度，定量指標為圍巖基本質(zhì)量指標BQ。

運用掌子面地質(zhì)素描、超前地質(zhì)預報以及數(shù)碼成像技術，獲取掌子面巖石堅硬程度、巖體完整程度和地下水狀態(tài)3個指標，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隧道支護結(jié)構設計參數(shù)優(yōu)化

基于新奧法理念，隧道支護結(jié)構設計中將圍巖和初期支護作為承載主體，承擔部圍巖荷載，二次襯砌作為安儲備。

通過隧道機械化和斷面施工的現(xiàn)場測試，隧道支護結(jié)構受力有如下點： 

1）錨桿、型鋼鋼架、型鋼鋼架與噴射混凝土組合結(jié)構以及格柵鋼架與噴射混凝土組合結(jié)構均處于安可控狀態(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%；實測側(cè)壓力系數(shù)為0.8~1.0。由此表明，在機械化和斷面施工條件下，隧道支護結(jié)構存在優(yōu)化空間。

通過數(shù)值模擬，計算隧道初期支護和二次襯砌優(yōu)化后Ⅳ、Ⅴ圍巖的安性，結(jié)果滿足規(guī)范要求。隧道支護結(jié)構優(yōu)化后的設計參數(shù)見表5。

表5 隧道支護結(jié)構優(yōu)化后的設計參數(shù)

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隧道信息化施工管理

4.1施工管理系統(tǒng)

為解決驗工計價數(shù)據(jù)追蹤與工程實體形象、檢驗批的關聯(lián)以及超計、超付難以控制等問題，鄭萬高鐵建設單位提出了驗工計價的過程控制方法，其核心思想為： 依靠互聯(lián)網(wǎng)技術、BIM模型和精細化管理，將項目細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、質(zhì)量檢驗批和工程形象關聯(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)具有采集點多、信息量大和實時性要求高的點，通過互聯(lián)網(wǎng)進行數(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)和隧道位移應力數(shù)據(jù)，實現(xiàn)信息共享和預警，有利于施工方、監(jiān)理方、設計方和業(yè)主方及時了解隧道施工動態(tài)，并采取應對措施。

4.4混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)

運用混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)（如圖14所示），實現(xiàn)混凝土從原材料進場到拌合站生產(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)量信譽評價系統(tǒng)

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

圖15  質(zhì)量信譽評價系統(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計、地質(zhì)預報、掌子面預加固、光面爆破、初期支護質(zhì)量和監(jiān)控量測數(shù)據(jù)等信息進行評估后，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 隧道支護結(jié)構優(yōu)化后的設計參數(shù)

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隧道智能化修建技術展望

5.1隧道支護體系智能動態(tài)設計系統(tǒng)

基于掌子面數(shù)碼成像技術和鉆孔臺車鉆進參數(shù)等，自動獲取隧道掌子面及超前地質(zhì)信息，據(jù)此對設計階段圍巖分進行驗證，并自動進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)定性和超前支護設計，自動進行爆破設計，自動調(diào)整支護結(jié)構參數(shù)，實現(xiàn)隧道智能化、精細化動態(tài)設計。

5.2隧道支護體系智能機器人施工技術

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

研發(fā)智能錨桿機器人，實現(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應力，并對錨桿位置和參數(shù)進行物聯(lián)網(wǎng)標識；

研發(fā)智能噴射混凝土機器人，實現(xiàn)自動定位、自動3D輪廓掃描、自動噴射混凝土、自動噴射方量計算和自動噴漿輪廓監(jiān)測與對比，直至滿足設計要求；

研發(fā)智能拱架安裝機器人，實現(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)構智能化監(jiān)測系統(tǒng)

針對施工階段結(jié)構的安問題，開展施工階段隧道支護應力實時自動化監(jiān)測。

建立施工階段隧道支護三維模型，通過大數(shù)據(jù)智能化分析方法，自動判別隧道支護的穩(wěn)定性，據(jù)此給出相應的工程措施。

結(jié)語

通過持續(xù)的實踐探索和科技創(chuàng)新，鄭萬高鐵隧道建設已經(jīng)基本實現(xiàn)了工序、地質(zhì)機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和優(yōu)勢。

今后，將結(jié)合信息網(wǎng)絡技術和大數(shù)據(jù)等分析方法，通過隧道設計、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，真正實現(xiàn)隧道無人、自動、智能修建的美好愿景。

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