馬殷軍

（中國鐵路蘭州局集團(tuán)有限公司 蘭州工程建設(shè)指揮部，甘肅蘭州730000）

0 引言

2015年，國務(wù)院頒布《中國制造2025》，提出核心主打“中國裝備”。該項(xiàng)戰(zhàn)略文件為我國鐵路施工智能化機(jī)械化奠定了基礎(chǔ)。王同軍［1-2］系統(tǒng)闡述了隧道智能建造概念與核心技術(shù)，提出BIM+GIS為核心全過程參與勘查設(shè)計(jì)、工程施工和建設(shè)管理，特別是施工中與先進(jìn)設(shè)備相融合以實(shí)現(xiàn)精細(xì)建造。王峰［3］總結(jié)了綠色裝配式智能建造的發(fā)展實(shí)踐。馬建軍等［4］提出了2020—2035年智能建造、智能裝備、智能運(yùn)營關(guān)鍵技術(shù)裝備的發(fā)展路線。王可飛等［5］以京張高鐵為例，詳細(xì)介紹了BIM及管理系統(tǒng)在建造過程中的應(yīng)用。李迎九［6］則從項(xiàng)目管理角度出發(fā)綜合運(yùn)用BIM及多種傳感器技術(shù)完善了中國鐵路上海局集團(tuán)有限公司的跨部門、跨專業(yè)信息共享。在隧道智能化建設(shè)方向，郭自敏［7］系統(tǒng)總結(jié)羅家山隧道機(jī)械化施工的“一洞九線”流水線作業(yè)法。王志偉等［8］報(bào)道了借助BIM完成的鐵路隧道預(yù)制裝配式建造。王志軍等［9-10］將信息化技術(shù)應(yīng)用于鐵路工程施工管理。眾多學(xué)者的研究工作為智能化機(jī)械化施工奠定了基礎(chǔ)。

隨著我國鐵路建設(shè)主戰(zhàn)場從東部逐步向中西部轉(zhuǎn)移，超高風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)、長距離、大埋深隧道占比越來越高，修建難度越來越大，隧道施工裝備與隧道施工工法需求越來越不相適應(yīng)，主要體現(xiàn)在現(xiàn)有成熟技術(shù)和裝備存在可靠性不高、技術(shù)先進(jìn)性較差、地質(zhì)和工況適應(yīng)性弱、智能化程度低等不足，無法滿足超高風(fēng)險(xiǎn)地質(zhì)長大隧道工程建設(shè)需要。因此，山嶺隧道亟須智能化機(jī)械化建造技術(shù)。

1 工程概況

新烏鞘嶺隧道工程為新建蘭州—張掖三、四線鐵路中川機(jī)場—武威段控制性工程，位于甘肅省武威市境內(nèi)，在既有蘭武二線烏鞘嶺特長隧道東側(cè)。該隧道為雙線設(shè)計(jì)，全長17 125 m，最大埋深952 m，共設(shè)置6座輔助坑道。隧道蘭州端洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高2 754.6 m，張掖端洞口設(shè)計(jì)標(biāo)高2 491.6 m，工程處于高海拔地區(qū)，按Ⅰ級風(fēng)險(xiǎn)隧道管理。

隧道洞身通過區(qū)屬于祁連山東北部中高山區(qū)，主要分布地層有第四系、新近系、白堊系及三疊系沉積巖，志留系、奧陶系變質(zhì)巖，并伴有加里東晚期閃長巖侵入體。隧道通過F4～F7共4條區(qū)域性大斷層，斷層破碎，斷裂構(gòu)造發(fā)育，節(jié)理發(fā)育帶可能涌水，斷層破碎帶和志留系千枚巖、板巖地層均會有不同程度的圍巖大變形，施工安全風(fēng)險(xiǎn)大。

2 智能化機(jī)械化應(yīng)用關(guān)鍵技術(shù)

通過調(diào)研和參考鄭萬鐵路［7］、成蘭鐵路經(jīng)驗(yàn)，在新烏鞘嶺隧道開展了高海拔地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)長大隧道施工成套工藝的探索研究，得出山嶺隧道建設(shè)機(jī)械配置情況（見表1）。

Ⅲ級圍巖采用全工序機(jī)械化施工，Ⅳ級圍巖完善臺階法機(jī)械化快速施工，Ⅴ級圍巖采用鉆注錨多功能一體機(jī)及時(shí)進(jìn)行初期支護(hù)施作，實(shí)現(xiàn)快速封閉。機(jī)械化設(shè)備以三臂鑿巖臺車為主，按照超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、開挖、初支、仰拱、防水、襯砌、養(yǎng)護(hù)、水溝電纜槽等8條作業(yè)線進(jìn)行全工序機(jī)械化施工配置。

表1 山嶺隧道機(jī)械配置統(tǒng)計(jì)

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)線

新烏鞘嶺隧道地質(zhì)條件復(fù)雜，存在斷層、中等富水區(qū)。為準(zhǔn)確探明掌子面前方圍巖級別及穩(wěn)定性情況，采用物探法超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前地質(zhì)鉆機(jī)鉆探相結(jié)合的方法。TSP方法探測最大深度100 m，地質(zhì)雷達(dá)最大探測深度20 m。超前地質(zhì)鉆機(jī)鉆探長度最大150 m，并可通過鉆進(jìn)速度、水壓力等反應(yīng)前方地質(zhì)、富水情況，自動生成地質(zhì)鉆探成果。實(shí)際工程中，超前鉆探30 m（耗時(shí)2 h）結(jié)合物探成果即可有效探明前方地質(zhì)情況。

2.2 開挖作業(yè)線

采用全斷面法（仰拱除外）施工，配備三臂鑿巖臺車2臺、出渣車4臺、挖掘機(jī)1臺、裝載機(jī)2臺。三臂鑿巖臺車最快速度可達(dá)3～5 m/min，大斷面施工，180個(gè)炮眼，可1.5 h完成。4 m一循環(huán)平均用時(shí)3.5 h。達(dá)到的有益效果是外插角度統(tǒng)一，光面爆破效果良好。

在采用傳統(tǒng)開挖方式的同時(shí)，針對地質(zhì)破碎、整體性較差的地質(zhì)條件，現(xiàn)場推廣銑挖機(jī)作業(yè)（見圖1），工效為25 m3/h，與礦山法開挖相比，銑挖機(jī)的優(yōu)勢在于對圍巖的擾動較小，安全可靠，同時(shí)超欠挖可得到有效控制，減少混凝土超方量。

圖1 地質(zhì)破碎段采用銑挖機(jī)作業(yè)

2.3 初支作業(yè)線

使用錨桿鉆機(jī)1臺、拱架安裝臺車1臺、濕噴機(jī)械手1臺。錨桿鉆機(jī)全液壓驅(qū)動，鑿巖速度快，打孔定向、定深，保證錨桿孔深度、角度，不僅適用于系統(tǒng)錨桿鉆孔，還可用于超前支護(hù)和鎖腳錨管鉆孔。30 m3/h濕噴機(jī)械手噴射混凝土效率高，工作范圍大，無施工盲區(qū)，操作簡單，操作手遠(yuǎn)離掌子面，確保了人員安全。拱架拼裝機(jī)能夠極大地減少人工勞動強(qiáng)度，提高拱架定位水平，提高安裝質(zhì)量。

針對隧道施工少人化、無人化的發(fā)展趨勢，在軟弱圍巖地段進(jìn)行了“無人化”隧道立拱臺車系統(tǒng)的工藝試驗(yàn)（見圖2）。該方法可實(shí)現(xiàn)減少作業(yè)人員、降低施工安全隱患、降低勞動強(qiáng)度、提高工效及施工質(zhì)量等目標(biāo)。

圖2 “無人化”立拱臺車系統(tǒng)

2.4 仰拱作業(yè)線

配備了24 m自行式液壓仰拱棧橋，可實(shí)現(xiàn)鋼筋綁扎、混凝土澆筑、養(yǎng)護(hù)等多工序同步作業(yè)；中心水溝模板、仰拱曲模與棧橋一體化，并配備止水帶定位夾具、模板液壓定位系統(tǒng)，確保止水帶居中、順直、無變形及褶皺，提升施工質(zhì)量。

與傳統(tǒng)簡易棧橋相比，液壓自行式棧橋在實(shí)際運(yùn)用中具有以下特點(diǎn)：

（1）承載力大，安全穩(wěn)定，可確保重型車輛的通行安全。

（2）配備多功能自動走行裝置，前支架、后橫移機(jī)構(gòu)，液壓自平衡系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)自動縱移、起升降落、自動橫移，無需裝載機(jī)、挖掘機(jī)等外部動力設(shè)備支持，自動化程度高。

（3）多功能自動走行裝置能快速牽引配套的整體式仰拱模板、仰拱填充封端及中心水溝模板前移和定位，并且此裝置與棧橋主橋可分開移動，便于仰拱鋼筋先綁扎，后移動仰拱模架及定位，大大提高施工效率、節(jié)省勞動力及降低工人的勞動強(qiáng)度。

2.5 防水板作業(yè)線

配備全自動防水板鋪掛臺車1臺，可實(shí)現(xiàn)防水板自動提升及鋼筋精準(zhǔn)定位。防水板鋪設(shè)利用環(huán)向滾軸帶動整卷防水板運(yùn)動鋪設(shè)，滿足寬幅防水板鋪設(shè)需要，松弛度易控制，有效提高了防水板防水質(zhì)量。同時(shí)可鋪設(shè)防水板幅寬放大至6 m，減少防水板焊縫，提高防水效果。防水板鋪設(shè)與襯砌鋼筋綁扎合二為一，可實(shí)現(xiàn)防水板鋪設(shè)與鋼筋綁扎平行作業(yè)，提高施工速度；設(shè)置了鋼筋精準(zhǔn)定位裝置，提高了鋼筋綁扎精度。

2.6 襯砌作業(yè)線

配備襯砌臺車1臺、帶模注漿機(jī)1臺?；炷镣ㄟ^自動布料小車，分層分窗入模，逐窗振搗，確保襯砌質(zhì)量；對襯砌臺車拱頂開孔，安裝PRC注漿管，使用帶模注漿機(jī)注漿，同時(shí)配置防脫空報(bào)警系統(tǒng)，解決拱頂脫空問題；安裝二次襯砌澆筑可視化系統(tǒng)，對沖頂過程進(jìn)行全過程監(jiān)控，確保沖頂密實(shí)。

自動布料帶壓分倉澆筑工藝，具有“結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、效果優(yōu)良、安全可靠”的特點(diǎn)，自動布料系統(tǒng)1次換管時(shí)間僅為3～4 min，有效降低因換管時(shí)間長可能產(chǎn)生砼冷縫的情況。為減少二次襯砌搭接處的閉合裂紋，在臺車端頭設(shè)置了10 cm軟搭接。為減少施工縫處的蜂窩松散現(xiàn)象，在模板端頭設(shè)置V形槽，減少了后期在施工縫打磨的工序。

2.7 養(yǎng)護(hù)作業(yè)線

配備多功能養(yǎng)護(hù)臺車1臺，噴淋養(yǎng)護(hù)臺車配置水箱、水管、噴淋、電纜卷筒等裝置，可實(shí)現(xiàn)長距離、不間斷往返養(yǎng)護(hù)，同時(shí)作為敲擊檢測臺車使用，及時(shí)進(jìn)行襯砌缺陷處理。養(yǎng)護(hù)臺車具備電纜自動收放和自動導(dǎo)向行走系統(tǒng)，移動靈活，操作方便。采用噴淋及霧炮2組養(yǎng)護(hù)系統(tǒng)，養(yǎng)護(hù)范圍全環(huán)無死角，使隧道襯砌得到了較好的養(yǎng)生效果，對混凝土強(qiáng)度增長起到了積極的促進(jìn)作用。

2.8 水溝電纜槽作業(yè)線

配備移動模架臺車，每次澆筑可實(shí)現(xiàn)左右側(cè)三溝同時(shí)一次成型，與傳統(tǒng)組合式模版相比，人員減少50%，工效提高2倍，且外觀質(zhì)量得到了有效保證。

2.9 施工組織設(shè)計(jì)

針對新烏鞘嶺隧道地質(zhì)條件及智能化機(jī)械化施工需要，對施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化，施工過程中盡可能采用新工藝工法，積極開展技術(shù)創(chuàng)新，將創(chuàng)新成果全面應(yīng)用到工程實(shí)踐中，提升工效，保證工期。具體包括以下9個(gè)方面：

（1）優(yōu)化開挖方案。從施工效應(yīng)出發(fā)，為加快施工進(jìn)度，隧道軟弱圍巖大變形段可選用三臺階法或微臺階法，通過紅外線裝備等設(shè)備監(jiān)測圍巖狀態(tài)，各臺階初期支護(hù)均應(yīng)及時(shí)封閉，隧道二次襯砌仰拱緊跟開挖面。

（2）增大預(yù)留變形量。在進(jìn)入軟巖大變形地段，隧道開挖后，周邊收斂和拱頂下沉較大，為保證隧道凈空斷面和二次襯砌厚度，需將初支開挖斷面調(diào)大。

（3）加強(qiáng)超前支護(hù)。在隧道軟巖大變形地段、斷層破碎帶采用大管棚或雙層小導(dǎo)管注漿進(jìn)行超前支護(hù)。無水段采用水泥漿，滲水段采用水泥水玻璃雙液漿。

（4）加強(qiáng)初期支護(hù)。在軟弱圍巖段，采用加大斷面的型鋼拱架代替原設(shè)計(jì)拱架、減少拱架間距、加強(qiáng)拱架之間的連接、加長鎖腳及徑向錨桿長度、鎖腳錨桿更換成鎖腳錨管、增大噴射厚度等措施加強(qiáng)初期支護(hù)。

（5）采用雙拱支護(hù)。軟巖大變形地段，圍巖自穩(wěn)能力差、松散荷載較大，柔性體系的初期支護(hù)在施工后即發(fā)生較大變形，單層支護(hù)的剛度和強(qiáng)度已經(jīng)不能控制圍巖有害變形，初期支護(hù)采用雙層拱架支護(hù)，增加支護(hù)剛度和強(qiáng)度，以抵抗圍巖的變形。

（6）增加臨時(shí)仰拱。采用臨時(shí)仰拱，使各分步開挖斷面初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)。

（7）加強(qiáng)二次襯砌。為保證后期運(yùn)營安全，對出現(xiàn)變形的地段，二次襯砌厚度加厚。針對仰拱隆起和中心水溝存在薄弱點(diǎn)的情況，在此段采用加密鋼筋間距。

（8）對于軟巖施工，首先應(yīng)從掌子面開挖控制，控制開挖進(jìn)尺，縮小鋼拱架間距，連接筋加密，拱腳墊實(shí)，增加鎖腳錨管和超前小導(dǎo)管的根數(shù)及有效長度，單工序進(jìn)行施工，必要時(shí)采用擴(kuò)大拱腳和加設(shè)鎖腳錨管來控制。在加強(qiáng)初期支護(hù)質(zhì)量的同時(shí)，仰拱的盡早成環(huán)、仰拱和二次襯砌的步距緊跟也是有效控制變形的方法。

（9）在施工組織方面引入信息化管理手段輔助日常管理。施工過程中結(jié)合項(xiàng)目工期、圍巖狀態(tài)，采用信息化技術(shù)對施工工效、資源配置狀態(tài)、成本控制等方面數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，為現(xiàn)場施工組織提供科學(xué)支撐，以便管理人員及時(shí)對現(xiàn)場施工進(jìn)行調(diào)整和優(yōu)化。

3 工程管理信息化技術(shù)應(yīng)用

3.1 二維碼技術(shù)應(yīng)用

在新烏鞘嶺隧道施工中，管理人員在對施工人員進(jìn)行“面對面”交底的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化創(chuàng)新，將技術(shù)交底以二維碼形式張貼在隧道洞內(nèi)，所有人員通過手機(jī)微信掃描即可查看，極大方便了作業(yè)人員，同時(shí)也提高了現(xiàn)場技術(shù)人員的工作效率，易于把控質(zhì)量。

對管理人員現(xiàn)場檢查應(yīng)用二維碼技術(shù)進(jìn)行管控，人員檢查現(xiàn)場情況納入云平臺管理，確保了管理人員管控現(xiàn)場質(zhì)量。

3.2 智慧工地系統(tǒng)建設(shè)

綜合運(yùn)用項(xiàng)目已建立的BIM、GIS、監(jiān)控系統(tǒng)等，與一線施工生產(chǎn)過程融合，對施工生產(chǎn)、項(xiàng)目管理、技術(shù)等管理過程加以改造，提高工地現(xiàn)場的生產(chǎn)效率、管理效率和決策能力，實(shí)現(xiàn)工程項(xiàng)目全過程智慧化管理（見圖3）。

打造BIM+GIS信息化管理平臺是結(jié)合隧道工程建設(shè)相關(guān)的國家、行業(yè)、地方標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范而開發(fā)的綜合管理平臺。平臺依托信息技術(shù)手段，提高建設(shè)管理效率與管理水平，充分發(fā)揮BIM在隧道工程建設(shè)施工管理過程中的效能，為項(xiàng)目管理部門開展管理工作提供多元、動態(tài)、可視化聯(lián)動的協(xié)同智慧應(yīng)用，有效改變傳統(tǒng)的管理模式，實(shí)現(xiàn)建設(shè)施工管理全部數(shù)據(jù)的終端存儲，達(dá)到數(shù)據(jù)共享的目的，進(jìn)一步提高建設(shè)、管理水平（見圖4）。

圖3 新烏鞘嶺隧道智慧工地系統(tǒng)

圖4 隧道施工BIM管理平臺

3.3 視頻對講系統(tǒng)

針對斜井及主洞內(nèi)網(wǎng)絡(luò)信號無法全部覆蓋的實(shí)際情況，施工單位在洞內(nèi)每隔300 m設(shè)置了視頻對講系統(tǒng)，可實(shí)現(xiàn)通訊對講、播放音樂、定時(shí)安全提醒等功能，以達(dá)到緩解工人工作壓力、改善洞內(nèi)工作環(huán)境、體現(xiàn)人文關(guān)懷的目的。

3.4 人員及車輛定位信息化

通過人員及車輛位置定位設(shè)備對隧道內(nèi)施工人員和車輛進(jìn)行實(shí)時(shí)定位，能夠準(zhǔn)確反映隧道內(nèi)人員和車輛的數(shù)量、活動軌跡及分布情況。能夠準(zhǔn)確統(tǒng)計(jì)全隧道或某個(gè)區(qū)域的人員和車輛，并且將采集到的數(shù)據(jù)及時(shí)上傳到管理平臺，便于人員及車輛的日常管理（見圖5）。

在施工人員管理方面，落實(shí)建筑工人實(shí)名制管理辦法，所有進(jìn)洞人員按一人一檔進(jìn)行電子建檔，配備專用定位設(shè)備，做到實(shí)時(shí)、實(shí)名制管理。

圖5 人員及車輛定位系統(tǒng)

3.5 隧道門禁管理系統(tǒng)

常規(guī)的門禁系統(tǒng)僅具有人臉識別功能，為加強(qiáng)施工及管理人員的日常安全教育培訓(xùn)，對門禁系統(tǒng)進(jìn)行了創(chuàng)新改造，開發(fā)安裝了信息化、智慧化的“闖關(guān)答題”安全管理系統(tǒng)，所有施工及管理人員的信息提前錄入電腦，建立隧道施工作業(yè)人員數(shù)據(jù)庫，每人須答對3道題才能進(jìn)入，答題周期為24 h，闖關(guān)成功后24 h內(nèi)只需面部識別即可進(jìn)入，超過24 h后開啟新一輪的答題闖關(guān)；該系統(tǒng)還實(shí)行積分制，每答對1題積2分，月積分超過規(guī)定積分的，給予一定現(xiàn)金或物品獎(jiǎng)勵(lì)。

4 結(jié)論

結(jié)合新烏鞘嶺隧道工程，開展高海拔地區(qū)高風(fēng)險(xiǎn)長大隧道施工成套工藝的探索與實(shí)踐，對施工組織設(shè)計(jì)進(jìn)行了針對性優(yōu)化，大量采用新技術(shù)、新工藝、新工法，實(shí)現(xiàn)了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、開挖、初支、仰拱、防水、襯砌、養(yǎng)護(hù)、水溝電纜槽等8條作業(yè)線的全工序機(jī)械化、智能化施工，結(jié)合全面信息化的工程管理系統(tǒng)應(yīng)用，可有效提高對施工進(jìn)度和施工質(zhì)量的控制能力，減少施工人員數(shù)量、降低施工人員勞動強(qiáng)度、降低施工和維護(hù)成本，提高施工安全性、環(huán)保性。

（1）結(jié)合現(xiàn)有機(jī)械化設(shè)備和人員配套，臺階法施工是山嶺隧道軟弱圍巖段的最優(yōu)化選擇。

（2）研發(fā)了“無人化”立拱臺車，進(jìn)行了軟弱圍巖地段“無人化”施工新工法、新工藝試驗(yàn)。該工法可實(shí)現(xiàn)減少作業(yè)人員、降低施工安全隱患、降低勞動強(qiáng)度、提高工效以及提高施工質(zhì)量等目標(biāo)。

（3）與傳統(tǒng)施工相比，開展隧道建造信息化、智能化的應(yīng)用有利于控制施工進(jìn)度和施工質(zhì)量，減少施工人員數(shù)量，有效降低施工人員勞動強(qiáng)度，降低施工和維護(hù)成本，提高施工安全性、環(huán)保性。