馬偉斌，王志偉

(中國(guó)鐵道科學(xué)研究院集團(tuán)有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

0 引言

我國(guó)鐵路隧道建設(shè)規(guī)模舉世矚目。改革開(kāi)放40年間，我國(guó)建成鐵路隧道12 412座，總長(zhǎng)17 621 km?！笆濉逼陂g建成鐵路隧道3 387座，總長(zhǎng)約6 592 km[1]。建國(guó)以來(lái)，我國(guó)隧道建造水平經(jīng)歷了起步、初步發(fā)展、快速發(fā)展和引領(lǐng)世界4個(gè)階段[2]。社會(huì)生產(chǎn)力水平整體提升、不斷飛躍的同時(shí)，生產(chǎn)關(guān)系不斷演進(jìn)，促進(jìn)了隧道建造技術(shù)快速發(fā)展，鋼釬大錘，肩挑手推，人工挖掘下碎片化、粗放式的建造方式已經(jīng)遭到摒棄，新時(shí)期隧道建造已經(jīng)逐步從機(jī)械化向智能化過(guò)渡。改革開(kāi)放至今，我國(guó)隧道建設(shè)快速發(fā)展，在機(jī)械化、信息化、電子化各方面進(jìn)步突出。工程建造與機(jī)械裝備制造業(yè)深度融合，鉆爆法技術(shù)領(lǐng)域已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了全斷面、臺(tái)階法開(kāi)挖方式下硬巖、軟巖條件下在超前鉆探、開(kāi)挖作業(yè)、支護(hù)作業(yè)、仰拱作業(yè)、防(排)水板作業(yè)、二次襯砌作業(yè)及水溝電纜槽7條作業(yè)生產(chǎn)線大機(jī)裝備的配套應(yīng)用[3]，機(jī)械化深度融合信息化，推動(dòng)隧道建造向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。近年來(lái)，在京張、鄭萬(wàn)等線路隧道建造過(guò)程中，參建各方積極探索并實(shí)踐鉆爆法鐵路隧道智能建造，初步形成了智能建造總體技術(shù)架構(gòu)[2]，采用鉆爆法實(shí)現(xiàn)了整體技術(shù)水平的較大升級(jí)。然而，不同于鐵路橋梁建設(shè)工程中的模塊化、工廠化的裝配式建造，隧道建造中的支護(hù)結(jié)構(gòu)施工仍然是以混凝土現(xiàn)澆工藝為主。

相對(duì)于傳統(tǒng)的隧道建造方法，裝配式隧道在節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動(dòng)生產(chǎn)效率和質(zhì)量安全水平等方面已經(jīng)在城市軌道交通等行業(yè)的盾構(gòu)隧道建設(shè)中得到驗(yàn)證。在節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水和環(huán)保要求以及解決工程場(chǎng)地受限、材料制備復(fù)雜、人員需求量大等方面優(yōu)勢(shì)明顯。作為一種新型隧道建造方式，裝配式隧道已經(jīng)開(kāi)始了工程實(shí)踐[4]。裝配化建造方式在信息化、工廠化、機(jī)械化等方面更有利于隧道智能建造理念和技術(shù)的落地、實(shí)踐。

在隧道裝配化、智能化研究方面，王同軍[2]、韓自力[3]、趙有明等[4]、何華武等[5]、王峰[6]、王志堅(jiān)[7]在政策制定、工程建設(shè)與管理、單一領(lǐng)域?qū)嵺`應(yīng)用方面進(jìn)行了闡述，但關(guān)于鉆爆法鐵路隧道裝配化、智能化建造方面的體系架構(gòu)、關(guān)鍵技術(shù)尚未有學(xué)者進(jìn)行系統(tǒng)的梳理。本文針對(duì)隧道工程建設(shè)和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，概述鉆爆法鐵路隧道建造技術(shù)沿革，厘清裝配化與工業(yè)化的內(nèi)在聯(lián)系，分析鉆爆法裝配式鐵路隧道的技術(shù)體系和關(guān)鍵技術(shù)，并提出鉆爆法鐵路隧道裝配式智能建造實(shí)現(xiàn)路徑，在概念定義、體系架構(gòu)、實(shí)現(xiàn)方法等方面進(jìn)行較為系統(tǒng)的總結(jié)和分析，以期為鐵路隧道裝配化建造和智能建造提供一些參考。

1 鉆爆法鐵路隧道預(yù)制裝配式建造方案研究

1.1 隧道建造技術(shù)概述

根據(jù)施工工法，可將隧道分為鉆爆法隧道(礦山法隧道)和掘進(jìn)機(jī)法隧道。根據(jù)適用的軟硬地層又將掘進(jìn)機(jī)法隧道分為盾構(gòu)法隧道和TBM法隧道。掘進(jìn)機(jī)法隧道在機(jī)械裝備、支護(hù)技術(shù)和信息化管控方面具有一定的優(yōu)勢(shì)和便利性，一直踐行著工業(yè)化建造。然而，由于地質(zhì)適應(yīng)性較差、不適宜中短距離隧道施工、斷面適應(yīng)性差等原因，采用掘進(jìn)機(jī)法建設(shè)的鐵路隧道較少，當(dāng)前鐵路隧道主要采用鉆爆法施工[2]。

我國(guó)鉆爆法鐵路隧道發(fā)展簡(jiǎn)況如表1所示。鉆爆法技術(shù)發(fā)展至今，我國(guó)已經(jīng)形成了以機(jī)械化工裝為基礎(chǔ)，借助信息化手段，構(gòu)建“洞口制造工廠、洞內(nèi)裝配車間”的建造模式，其涵蓋超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、預(yù)加固、鉆爆開(kāi)挖、初期支護(hù)、仰拱作業(yè)、防排水作業(yè)、二次襯砌和養(yǎng)護(hù)作業(yè)、溝槽作業(yè)、工后檢測(cè)生產(chǎn)線在內(nèi)的“一洞九線”作業(yè)模式。

表1 我國(guó)鉆爆法鐵路隧道發(fā)展簡(jiǎn)況

由于鉆爆法長(zhǎng)期內(nèi)仍然是鐵路隧道建造的主要工法，因此高度機(jī)械化應(yīng)用是當(dāng)前隧道技術(shù)進(jìn)步的主要推進(jìn)力量。多年來(lái)科研攻關(guān)的重點(diǎn)也圍繞機(jī)械裝備技術(shù)提升、信息化應(yīng)用、施工材料性能提升等方面進(jìn)行，研究與實(shí)踐已經(jīng)為鉆爆法鐵路隧道工業(yè)化的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

隧道工業(yè)化的內(nèi)涵是通過(guò)現(xiàn)代化的設(shè)計(jì)、施工、管理等高效生產(chǎn)方式，將工廠化先進(jìn)的制造理念和方式應(yīng)用至隧道內(nèi)，代替隧道工程傳統(tǒng)建造中分散、低效的生產(chǎn)方式，視工程為工廠，將制造復(fù)雜機(jī)器的過(guò)程演變?yōu)榻ㄔ焱暾淼赖倪^(guò)程，秉承“安全、優(yōu)質(zhì)、高效、綠色、環(huán)?！钡睦砟?，加強(qiáng)施工機(jī)械化、工廠化、信息化融合，建造“高效、經(jīng)濟(jì)、綠色、美觀”的精品工程。其標(biāo)志是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工廠化生產(chǎn)、機(jī)械化施工和科學(xué)化管理。隧道工業(yè)化可解決隧道工程傳統(tǒng)建造方式中所面臨的勞動(dòng)生產(chǎn)率較低、資源消耗較大、作業(yè)環(huán)境較差、工程品質(zhì)不高等問(wèn)題，隨著隧道建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大和施工要求的日益提高，鐵路隧道工業(yè)化建造全面推廣與應(yīng)用將是必然趨勢(shì)。

1.2 鉆爆法鐵路隧道裝配化建造

標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)和工廠化生產(chǎn)是隧道裝配化建造的重要標(biāo)志。受制于每個(gè)鐵路隧道特殊的地質(zhì)條件，隧道初期支護(hù)標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)難度極大，預(yù)制裝配式鐵路隧道主要針對(duì)二次襯砌及附屬結(jié)構(gòu)，將隧道拱墻、軌下結(jié)構(gòu)、溝槽蓋板等分模預(yù)制、分塊安裝，并將關(guān)鍵接頭部件可靠連接的一種新型結(jié)構(gòu)體系，其結(jié)構(gòu)示意如圖1所示[8]。隧道裝配化建設(shè)有利于進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、規(guī)?；a(chǎn)、運(yùn)輸裝配的物流化調(diào)度、高質(zhì)量的快速建造、信息化集成管控。隨著技術(shù)發(fā)展，裝配化建造已經(jīng)引起關(guān)注，在國(guó)內(nèi)外軌道交通領(lǐng)域已經(jīng)開(kāi)始大范圍的實(shí)踐[9]。

圖1 鐵路隧道預(yù)制裝配式結(jié)構(gòu)示意圖[8]

隧道裝配化作為一種建設(shè)理念和建造方式在隧道工程單一領(lǐng)域運(yùn)用與實(shí)施，其涵蓋建設(shè)過(guò)程的各個(gè)要素，在科研與實(shí)踐方面組成一個(gè)完整的技術(shù)體系。

2 鉆爆法鐵路隧道預(yù)制裝配式建造技術(shù)體系

2016年以來(lái)，針對(duì)當(dāng)前鉆爆法鐵路隧道設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展新技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，并依照國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)[2016]71號(hào))文件要求，立項(xiàng)了多項(xiàng)科研課題，在國(guó)內(nèi)首次針對(duì)鉆爆法山嶺隧道預(yù)制裝配化建造開(kāi)展了系統(tǒng)的研究與工程試驗(yàn)，并提出了鉆爆法裝配式鐵路隧道技術(shù)體系，如圖2所示。該技術(shù)體系包括理論研究、設(shè)計(jì)方法、施工方法、工程管理4個(gè)方面，每個(gè)方面涵蓋2層內(nèi)容，每個(gè)內(nèi)容涵蓋5個(gè)分支。

圖2 鉆爆法裝配式鐵路隧道技術(shù)體系

2.1 理論研究

理論研究范圍如圖3所示。適用性研究需要以計(jì)算模型研究作為基礎(chǔ)，計(jì)算模型研究包括數(shù)值分析中的結(jié)構(gòu)梁彈簧或殼單元模擬、結(jié)構(gòu)分塊方式、環(huán)向/縱向接頭模型、地層模型化以及連接件的非線性特性處理。其中，接頭模型、連接件非線性特性所包含的接觸面處理與連接件的選型是關(guān)鍵點(diǎn)，也是難點(diǎn)。

圖3 理論研究范圍

裝配式地下工程中，常用干式接頭，其包括鉸接頭、螺栓接頭、榫槽接頭、榫槽曲螺栓接頭(如圖4所示)。近年來(lái)，日本開(kāi)始試驗(yàn)推壓緊固式快速銷插接頭(如圖5所示)，但尚未大范圍應(yīng)用[10]。接頭作為結(jié)構(gòu)斷開(kāi)處的連接部位，存在力學(xué)上的斷續(xù)，因此，結(jié)構(gòu)與接頭連接或含有接頭的整體結(jié)構(gòu)應(yīng)采取合理的計(jì)算模型進(jìn)行受力驗(yàn)算。圖6示出結(jié)構(gòu)-接頭計(jì)算模型種類。其中，梁-彈簧模型(見(jiàn)圖7[10])應(yīng)用最廣，該模型中預(yù)制結(jié)構(gòu)用梁?jiǎn)卧M，接頭部位用3個(gè)自由度的彈簧單元模擬，效果很好。

圖4 榫槽曲螺栓接頭

圖5 推壓緊固式快速銷插接頭

圖6 結(jié)構(gòu)-接頭計(jì)算模型種類

圖7 梁-彈簧模型[10]

圖4中所示榫槽結(jié)構(gòu)，由于實(shí)際工程中結(jié)構(gòu)拼裝完成后，榫槽部位多填充環(huán)氧樹(shù)脂等材料，等于人為制造了1層軟硬交界面，因此涉及到接觸面?zhèn)髁臀灰茊?wèn)題，需要專門考慮。參照樁土耦合基礎(chǔ)面的處理方式，榫槽結(jié)構(gòu)之間的接觸面可采用有限元分析中的界面模型模擬，如圖8所示。該模型遵循界面摩擦力與界面摩擦因數(shù)和作用于界面的法向約束力成比例的假設(shè)，其分線性參數(shù)包括法向剛度模量、剪切剛度模量。1)法向剛度模量是界面單元在法線方向接合及非接合行為的彈性模量，有限元軟件計(jì)算中，其取值范圍一般是相鄰單元較小彈性模量的10～100倍；2)剪切剛度模量是界面單元在切線方向滑動(dòng)行為的彈性模量，在有限元軟件中，其取值范圍一般為相鄰單元較小剪切模量的10～100倍。

圖8 裝配式基底結(jié)構(gòu)中的接觸面單元

螺栓與榫槽有多種組合方式，如圖9所示。張勝龍[10]通過(guò)試驗(yàn)與數(shù)值分析系統(tǒng)研究了不同軸力和彎矩作用下各接頭型式的力學(xué)行為，給出了可應(yīng)用于實(shí)際工程中的抗彎剛度經(jīng)驗(yàn)公式。

(a)無(wú)螺栓 (b)直螺栓

2.2 設(shè)計(jì)方法

針對(duì)裝配式地下結(jié)構(gòu)，當(dāng)前鐵路行業(yè)尚未制定設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。近年來(lái)，越來(lái)越多的研究者開(kāi)始重視極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法在地下工程中的應(yīng)用。得益于已經(jīng)建立了地層及地層支撐的隧道結(jié)構(gòu)相互作用的基本概念，在構(gòu)建鉆爆法裝配式隧道設(shè)計(jì)方法時(shí)，提出了極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法與容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法平行設(shè)計(jì)的框架。

2.2.1 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法

包括荷載計(jì)算、材料與容許應(yīng)力、結(jié)構(gòu)形狀與接頭類型、橫斷面與縱斷面結(jié)構(gòu)計(jì)算、結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)與耐久性5個(gè)方面的內(nèi)容。

1)荷載計(jì)算包括圍巖壓力、施工荷載、地震荷載、臨近施工影響、平行隧道影響以及極端情況如滑坡等引起的沉降/隆起影響。

2)材料與容許應(yīng)力包括材料的類別與規(guī)格、機(jī)械性能與尺寸、彈性模量與泊松比以及本身的容許應(yīng)力。

3)結(jié)構(gòu)形狀與接頭類型，主要涉及輪廓半徑、結(jié)構(gòu)分塊與接頭類型，其中，接頭類型可優(yōu)選2.2節(jié)所述的榫槽曲螺栓接頭；結(jié)構(gòu)分塊遵循減少對(duì)襯砌受力的擾動(dòng)和主動(dòng)調(diào)整襯砌受力2種理念，可進(jìn)行比選后確定[4]。

4)橫斷面與縱斷面結(jié)構(gòu)計(jì)算可采用盾構(gòu)設(shè)計(jì)中的慣用計(jì)算法和修正慣用計(jì)算法，若計(jì)算模型為荷載-結(jié)構(gòu)模型，則可采用2.2節(jié)所述的梁-彈簧接頭模型。

5)結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)與耐久性主要涉及結(jié)構(gòu)環(huán)向/縱向的連接、防排水設(shè)計(jì)、裂縫驗(yàn)算以及防腐防銹設(shè)計(jì)。容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖10。

圖10 容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)流程

2.2.2 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法

包括安全系數(shù)與修正系數(shù)確定、荷載計(jì)算、荷載效應(yīng)分析、材料設(shè)計(jì)值確定以及結(jié)構(gòu)抗力計(jì)算與校核。

1)安全系數(shù)主要包括材料、構(gòu)件、荷載、結(jié)構(gòu)計(jì)算、結(jié)構(gòu)重要性及地震6個(gè)方面的安全系數(shù)，可直接考慮荷載及材料強(qiáng)度的不統(tǒng)一性和不確定性。

2)荷載計(jì)算主要包括設(shè)計(jì)荷載的種類、標(biāo)準(zhǔn)值的計(jì)算及設(shè)計(jì)荷載的組合。

3)荷載效應(yīng)分析是在荷載計(jì)算的基礎(chǔ)上，細(xì)化計(jì)算方法，圍繞結(jié)構(gòu)抗力、結(jié)構(gòu)斷面、環(huán)向及縱向接頭等方面進(jìn)行分析。

4)材料設(shè)計(jì)值確定主要考慮強(qiáng)度、剛度、本構(gòu)關(guān)系。

5)結(jié)構(gòu)抗力計(jì)算與校核包括對(duì)承載力極限狀態(tài)的驗(yàn)算以及使用極限狀態(tài)的驗(yàn)算。極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)流程見(jiàn)圖11。

圖11 極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法設(shè)計(jì)流程

近年來(lái)，隧道工程設(shè)計(jì)理念已經(jīng)開(kāi)始由容許應(yīng)力設(shè)計(jì)法向極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法轉(zhuǎn)變。在極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法中，對(duì)結(jié)構(gòu)物的承載力、耐久性等使用功能分別設(shè)定安全系數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算，可以明確結(jié)構(gòu)的承載能力富裕程度。該方法得以推廣應(yīng)用的前提是正確把握結(jié)構(gòu)的破壞機(jī)制，并對(duì)極限狀態(tài)進(jìn)行明確定義。目前極限狀態(tài)設(shè)計(jì)法應(yīng)用還很少，有待于進(jìn)一步研究和實(shí)踐。

2.3 施工方法

與盾構(gòu)隧道等行業(yè)的裝配式建筑施工方法類似，鉆爆法裝配式隧道施工方法流程包括生產(chǎn)制備、運(yùn)輸以及拼裝施工2個(gè)方面，如圖12所示。

圖12 鉆爆法裝配式隧道施工方法流程

1)生產(chǎn)制備包括材料選型、連接件選型、模具制備和構(gòu)件養(yǎng)護(hù)、工廠化制備、洞外運(yùn)輸及洞內(nèi)搬運(yùn)。其中，工廠化制備的控制要點(diǎn)包括模板安裝、骨架及預(yù)埋件安裝、混凝土生產(chǎn)及吊運(yùn)灌注、脫模及養(yǎng)護(hù)、冬季施工和精準(zhǔn)安裝，如圖13所示。

圖13 裝配式構(gòu)件工廠化制備的控制要點(diǎn)

2)拼裝施工包括拼裝機(jī)械、拼裝精度及公差控制、防排水工藝、注漿工藝及預(yù)應(yīng)力工藝，其中，在相關(guān)工點(diǎn)的試驗(yàn)過(guò)程中獨(dú)立開(kāi)發(fā)了施工裝備，如基底結(jié)構(gòu)拼裝裝備和拱墻結(jié)構(gòu)拼裝裝備(分別如圖14與圖15所示)。

2.4 工程管理

隧道工程建造與管理方面的一個(gè)趨勢(shì)是建造平臺(tái)化，其與建造服務(wù)化有著密切的聯(lián)系。工程經(jīng)濟(jì)管理與信息化管理共同組成工程管理技術(shù)體系，如圖16所示。

圖16 工程管理技術(shù)體系

1)建設(shè)投資、資金籌措、運(yùn)維管理投資、效益分析和技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析是工程經(jīng)濟(jì)管理的5個(gè)核心，尤其是技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，裝配式建造技術(shù)作為一種新型隧道建造方式，將其與傳統(tǒng)的鉆爆法建造技術(shù)進(jìn)行技術(shù)性分析和經(jīng)濟(jì)性比對(duì)是繞不開(kāi)的一個(gè)問(wèn)題。鑒于隧道長(zhǎng)至百年的設(shè)計(jì)服役年限，其經(jīng)濟(jì)性應(yīng)該從施工期的前期投入和運(yùn)維期的維護(hù)投入2個(gè)方面綜合測(cè)算。

2)信息化管理包括設(shè)計(jì)方面的BIM與虛擬建造、構(gòu)件生產(chǎn)方面的構(gòu)件身份識(shí)別與追蹤以及生產(chǎn)管理方面的ERP、APS、MES等相關(guān)系統(tǒng)，獨(dú)立開(kāi)發(fā)了基于BIM、RFID技術(shù)與ERP融合的設(shè)計(jì)生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)(如圖17所示)[4]，一定程度上將裝配式結(jié)構(gòu)構(gòu)件設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)輸、拼裝、質(zhì)量管控串聯(lián)起來(lái)，提高了該領(lǐng)域的信息化建造與管理水平。

圖17 基于BIM、RFID技術(shù)與ERP融合的設(shè)計(jì)生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)[4]

3 預(yù)制裝配式鉆爆法鐵路隧道智能建造展望

3.1 智能建造在鉆爆法鐵路隧道裝配式建造中的應(yīng)用研究

隧道技術(shù)發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)建造與制造融合的同時(shí)正在朝著智能化建造方向發(fā)展。2011年，德國(guó)公布《德國(guó)2020高技術(shù)戰(zhàn)略》；2013年，德國(guó)提出“工業(yè)4.0”，旨在支持工業(yè)領(lǐng)域新一代革命性技術(shù)的研發(fā)與創(chuàng)新。在美國(guó)，“工業(yè)4.0”的概念更多地被“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”所取代，其將虛擬網(wǎng)絡(luò)與實(shí)體連接，形成更具有效率的生產(chǎn)系統(tǒng)。2015年，我國(guó)發(fā)布《中國(guó)制造2025》行動(dòng)綱領(lǐng)，其中，在軌道交通領(lǐng)域提出了綠色智能等概念和要求。在“交通強(qiáng)國(guó)、鐵路先行”的行業(yè)戰(zhàn)略指導(dǎo)下，近年來(lái)鐵路行業(yè)智能建造技術(shù)取得了很大的進(jìn)步。

隧道智能建造技術(shù)作為中國(guó)“智能鐵路”的一個(gè)重要組成部分，代表了未來(lái)隧道修建技術(shù)的發(fā)展方向與趨勢(shì)[3]。未來(lái)已來(lái)，針對(duì)京張、鄭萬(wàn)等鐵路線路中的隧道工程在該領(lǐng)域的研究與實(shí)踐很大程度上推進(jìn)了隧道智能建造的落地生根。作為面向勘察設(shè)計(jì)、施工及質(zhì)量管控、建設(shè)管理等方面的技術(shù)體系，其技術(shù)架構(gòu)中所涵蓋的智能裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策、智能管控5個(gè)方面(見(jiàn)圖18)[11]，同樣適用于鉆爆法裝配式隧道。

圖18 隧道智能化建造技術(shù)架構(gòu)[11]

第2章節(jié)所述的鉆爆法裝配式隧道關(guān)鍵技術(shù)可對(duì)應(yīng)融合于隧道智能建造技術(shù)體系相關(guān)內(nèi)容中。裝配式隧道目前的研究重點(diǎn)僅在二次襯砌支護(hù)方面，局部施工工藝的改變對(duì)于其余工序并無(wú)大的改變，對(duì)掌子面開(kāi)挖、初期支護(hù)施作等作業(yè)線的智能化作業(yè)方式與控制手段并無(wú)影響，即裝配式建造方式為智能建造的一個(gè)實(shí)踐領(lǐng)域和發(fā)展方向。作為前沿發(fā)展方向，發(fā)展裝配式建造在智能建造領(lǐng)域中的應(yīng)用可拓展智能建造的范疇與深度，為隧道技術(shù)創(chuàng)新開(kāi)辟新的方向。

3.2 鉆爆法裝配式隧道實(shí)現(xiàn)智能建造的路徑分析

3.2.1 預(yù)制構(gòu)件設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化

作為“制造”與“建造”銜接的基礎(chǔ)與前提，標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)有利于產(chǎn)生模塊化的構(gòu)件，從而進(jìn)行模塊化拼裝，如圖19所示。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、模塊化生產(chǎn)包含標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性、組合協(xié)同性、結(jié)構(gòu)可靠性、運(yùn)輸條件及經(jīng)濟(jì)性4個(gè)方面的原則。

圖19 隧道底部結(jié)構(gòu)模塊化拼裝流程示意圖

3.2.1.1 標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性

當(dāng)前鉆爆法鐵路隧道二次襯砌結(jié)構(gòu)依據(jù)通用標(biāo)準(zhǔn)圖或參考圖進(jìn)行設(shè)計(jì)[12-14]，盡管不同隧道工程地質(zhì)參數(shù)不同，但是以通用圖為基準(zhǔn)，隧道建設(shè)完成后，二次襯砌外觀尺寸上實(shí)際具有統(tǒng)一化特征，這就為二次襯砌裝配式結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)統(tǒng)一性提供了便利。

標(biāo)準(zhǔn)統(tǒng)一性涉及結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的標(biāo)準(zhǔn)化和接口的標(biāo)準(zhǔn)化2個(gè)方面內(nèi)容。1)結(jié)構(gòu)構(gòu)件本身的標(biāo)準(zhǔn)化，一方面，可以統(tǒng)一生產(chǎn)流程，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)過(guò)程的集約化管理，并促進(jìn)市場(chǎng)化行為；另一方面，容易建立數(shù)據(jù)庫(kù)或者“構(gòu)件設(shè)計(jì)庫(kù)”，利于智能化設(shè)計(jì)。2)接口的標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)既要求減少類型，又要求滿足多種結(jié)構(gòu)的排列組合拼裝，這就要求在設(shè)計(jì)上綜合調(diào)研掌握需求、考慮功能互換和幾何互換，同時(shí)進(jìn)行多專業(yè)的協(xié)同，滿足自洽性和多樣性。

3.2.1.2 組合協(xié)同性

為了保證參建各方之間的信息交流與協(xié)同作業(yè)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)需要遵循協(xié)同性原則。協(xié)同性涵蓋2個(gè)方面的內(nèi)容：設(shè)計(jì)圖紙的碰撞檢查；連接接頭(點(diǎn))的深化設(shè)計(jì)。

1)碰撞檢查有利于將建筑專業(yè)、結(jié)構(gòu)專業(yè)、設(shè)計(jì)專業(yè)、四電專業(yè)(通信工程、信號(hào)工程、電力工程和電氣化工程)的圖紙進(jìn)行匯總，借助BIM、三維設(shè)計(jì)(見(jiàn)圖20)等技術(shù)進(jìn)行直觀地展示與更改，減少錯(cuò)、漏、碰、缺等問(wèn)題，提高設(shè)計(jì)效率與質(zhì)量。

圖20 全斷面裝配式隧道襯砌結(jié)構(gòu)三維設(shè)計(jì)示意圖

2)連接接頭(點(diǎn))的深化設(shè)計(jì)是為了保證施工過(guò)程中構(gòu)件較好地對(duì)接，避免單個(gè)構(gòu)件組合后累計(jì)公差和誤差的影響，一方面進(jìn)行打磨或拼接，另一方面避免時(shí)序沖突，從而更好地按照?qǐng)D紙施工。

3.2.1.3 結(jié)構(gòu)可靠性

結(jié)構(gòu)可靠性是有效保障隧道服役性能的前提，可靠性設(shè)計(jì)需考慮圍巖荷載及施工期和運(yùn)維期承受的各類荷載，對(duì)于不良工程地質(zhì)，還需進(jìn)行專門性驗(yàn)算。鉆爆法裝配式鐵路隧道結(jié)構(gòu)可靠性分析應(yīng)進(jìn)行的力學(xué)驗(yàn)算如圖21所示。

圖21 鉆爆法裝配式鐵路隧道結(jié)構(gòu)可靠性分析應(yīng)進(jìn)行的力學(xué)驗(yàn)算

3.2.1.4 運(yùn)輸條件及經(jīng)濟(jì)性

運(yùn)輸條件包含洞外運(yùn)輸條件和洞內(nèi)搬運(yùn)條件2個(gè)方面。1)鐵路隧道多位于遠(yuǎn)離大城市的偏遠(yuǎn)山區(qū)，道路狹窄或不通暢，物流條件較差，因此在構(gòu)件標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮運(yùn)輸?shù)目尚行院瓦\(yùn)輸成本，構(gòu)件生產(chǎn)場(chǎng)地優(yōu)選同線路同標(biāo)段的橋梁箱梁或無(wú)砟軌道制備廠。2)洞內(nèi)搬運(yùn)主要受隧道開(kāi)挖斷面的影響，在總尺寸限定的條件下，拼裝構(gòu)件的大小受制于拼裝機(jī)械的吊裝或舉升能力，此時(shí)，構(gòu)件質(zhì)量是制約洞內(nèi)搬運(yùn)是否方便的主要因素?？v向分塊魚(yú)腹式整體結(jié)構(gòu)與底部分塊裝配式結(jié)構(gòu)(如圖22所示)質(zhì)量差距很大，顯然小構(gòu)件更易拼裝和搬運(yùn)。值得注意的是，便于拼裝絕不是工程應(yīng)用中的首要和決定性因素，整體式結(jié)構(gòu)在穩(wěn)定性、受力等方面的優(yōu)勢(shì)均較明顯，若采用分塊式結(jié)構(gòu)拼裝，承載力、受力穩(wěn)定性、耐久性等都是需要優(yōu)先考慮的。

(a)魚(yú)腹式整體結(jié)構(gòu)

3.2.2 預(yù)制構(gòu)件工廠化生產(chǎn)

在建立了完善的設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)化體系的基礎(chǔ)上，可進(jìn)行預(yù)制構(gòu)件的工廠化生產(chǎn)，其可借鑒工業(yè)與民用建筑裝配式建造領(lǐng)域推行的柔性生產(chǎn)技術(shù)。柔性管理體系如圖23所示。

圖23 柔性管理體系

生產(chǎn)過(guò)程中，強(qiáng)調(diào)應(yīng)對(duì)變化的能力和特征，客觀上要求具備多樣性生產(chǎn)能力，同時(shí)要求實(shí)現(xiàn)用戶(設(shè)計(jì)單位、施工單位)價(jià)值最大化，供應(yīng)商(預(yù)制構(gòu)件生產(chǎn)制造方)浪費(fèi)最小化。圖24為隧道預(yù)制構(gòu)件典型生產(chǎn)設(shè)備。在預(yù)制結(jié)構(gòu)構(gòu)件生產(chǎn)過(guò)程中，生產(chǎn)設(shè)備應(yīng)具有多樣性和可組合性。

圖24 隧道預(yù)制構(gòu)件典型生產(chǎn)設(shè)備

生產(chǎn)過(guò)程中，可基于輕量化BIM與RFID技術(shù)，結(jié)合企業(yè)生產(chǎn)管理ERP系統(tǒng)，推動(dòng)預(yù)制裝配式隧道結(jié)構(gòu)全生命周期智能建造，其主要功能框架如圖25所示。

圖25 輕量化BIM、RFID技術(shù)與ERP系統(tǒng)主要功能框架

3.2.3 工程建造機(jī)器人

工業(yè)化發(fā)展推動(dòng)裝配化進(jìn)步，裝配化催生出各類建造機(jī)械，建造機(jī)械分為生產(chǎn)機(jī)械、拼裝機(jī)械和監(jiān)測(cè)檢測(cè)機(jī)械。隨著人工智能、計(jì)算機(jī)、大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展，建造機(jī)械最終發(fā)展為建造機(jī)器人。工程建造機(jī)器人應(yīng)具備以下5種核心能力：1)機(jī)械作業(yè)能力；2)復(fù)雜環(huán)境感知能力；3)遠(yuǎn)程管控能力；4)自主適應(yīng)和學(xué)習(xí)能力；5)人機(jī)交互能力。近年來(lái)，在裝配式建造領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外已經(jīng)有多種類型建造機(jī)器人得到應(yīng)用，例如：3D打印機(jī)器人用于構(gòu)件生產(chǎn)[15]、工程檢測(cè)機(jī)器人用于結(jié)構(gòu)病害掃描[16]、群體建造機(jī)器人用于構(gòu)件拼裝(如圖26所示[17])。

(a)堡壘式結(jié)構(gòu)

值得說(shuō)明的是，當(dāng)前隧道裝配式領(lǐng)域建造機(jī)械還遠(yuǎn)未達(dá)到建造機(jī)器人的技術(shù)水平，滿足功能所需的機(jī)械仍是當(dāng)前應(yīng)用研發(fā)的主流。該項(xiàng)技術(shù)發(fā)展需要裝配式技術(shù)大范圍的應(yīng)用，以市場(chǎng)促進(jìn)創(chuàng)新，多領(lǐng)域科研的協(xié)同創(chuàng)新是發(fā)展的關(guān)鍵。

3.2.4 建造服務(wù)化

鉆爆法裝配式隧道建造過(guò)程不僅包含勘察、設(shè)計(jì)、施工期，還包括運(yùn)維期。工業(yè)化的生產(chǎn)體系客觀上允許實(shí)現(xiàn)上述全生命周期建造的服務(wù)化，其組成如圖27所示。其中，運(yùn)維過(guò)程服務(wù)化中個(gè)性化服務(wù)包括BIM虛擬建造、VR場(chǎng)景再現(xiàn)等；專業(yè)化運(yùn)維服務(wù)即委托有資質(zhì)的相關(guān)單位面向結(jié)構(gòu)、設(shè)備進(jìn)行定期的一般巡檢、重點(diǎn)巡檢；智能軟硬件解決方案包括基于物聯(lián)網(wǎng)的各類傳感器采集信息匯集及展示等，可最大程度提高運(yùn)維效率。

圖27 建造服務(wù)化組成

3.3 鉆爆法裝配式鐵路隧道智能建造愿景

鉆爆法裝配式鐵路隧道智能建造的愿景包括發(fā)展目標(biāo)與未來(lái)期許。

作為建造方式的重大變革以及新型工業(yè)化建造方式的轉(zhuǎn)變，裝配式不是唯裝配，其建造過(guò)程中將包括生產(chǎn)資料、勞動(dòng)力、生產(chǎn)技術(shù)、組織管理、信息資源等在內(nèi)的各個(gè)生產(chǎn)要素在生產(chǎn)方式上充分體現(xiàn)專業(yè)化、集約化和社會(huì)化。鉆爆法裝配式鐵路隧道智能建造發(fā)展的目標(biāo)包括標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理，通過(guò)設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、施工與管理的全方位融合，實(shí)現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈更新改造和升級(jí)，從而全面提高隧道工程的質(zhì)量、效率與效益。

鉆爆法裝配式隧道有望在一定程度上解決隧道工程全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期的發(fā)展問(wèn)題，建造過(guò)程中實(shí)現(xiàn)智能化建造與精益建造融合。事實(shí)上，智能建造的目的與精益建造的導(dǎo)向都是以運(yùn)維管理單位等隧道使用方需求為中心的，隧道同所有的工業(yè)化產(chǎn)品一樣，通過(guò)構(gòu)建工程建造價(jià)值鏈，持續(xù)消除該鏈條上的投資浪費(fèi)，減少養(yǎng)護(hù)費(fèi)用，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)工程價(jià)值的最大化。與此同時(shí)，建立先進(jìn)的技術(shù)體系、建立現(xiàn)代化的產(chǎn)業(yè)體系、建立高效的管理體系，邁上數(shù)字化、智能化、社會(huì)化的發(fā)展之路，這既是未來(lái)的努力方向，也是該領(lǐng)域發(fā)展的期許。

4 結(jié)論與展望

2016年以來(lái)，針對(duì)當(dāng)前鉆爆法鐵路隧道設(shè)計(jì)、施工及運(yùn)營(yíng)過(guò)程中存在的一些問(wèn)題，國(guó)內(nèi)研究機(jī)構(gòu)積極開(kāi)展新技術(shù)的開(kāi)發(fā)及應(yīng)用，并依照國(guó)務(wù)院辦公廳印發(fā)的《關(guān)于大力發(fā)展裝配式建筑的指導(dǎo)意見(jiàn)》(國(guó)辦發(fā)[2016]71號(hào))文件要求，立項(xiàng)了多項(xiàng)科研課題，在國(guó)內(nèi)首次針對(duì)鉆爆法山嶺隧道預(yù)制裝配化建造開(kāi)展了系統(tǒng)的研究與工程試驗(yàn)。由于當(dāng)前尚未有暗挖鐵路隧道采用全斷面裝配式結(jié)構(gòu)的工程設(shè)計(jì)及建造案例，因此所做研究及實(shí)踐可一定程度上代表當(dāng)前該領(lǐng)域的設(shè)計(jì)水平。

本文從鉆爆法鐵路隧道預(yù)制裝配式建造方案引入，分析了鉆爆法鐵路隧道建造技術(shù)沿革，闡明了裝配化作為工業(yè)化的一個(gè)表現(xiàn)方式在隧道工程領(lǐng)域的發(fā)展，重點(diǎn)針對(duì)鉆爆法裝配式鐵路隧道在理論研究、設(shè)計(jì)方法、施工方法、工程管理技術(shù)4個(gè)方面的技術(shù)體系及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了闡述，分析了裝配式建造方式與智能建造之間的關(guān)系，并給出了以裝配式建造方式實(shí)現(xiàn)智能建造的技術(shù)路徑，最后提出了愿景。

裝配式建造技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用及進(jìn)一步向智能建造方向的發(fā)展會(huì)是一個(gè)長(zhǎng)期的、艱苦的、全方位的創(chuàng)新過(guò)程，涉及到政策導(dǎo)向、財(cái)政審批、建設(shè)管理、勘察設(shè)計(jì)、施工等多方面的內(nèi)容，需要工程參建各方積極參與，文中所述并不能將建造要點(diǎn)全覆蓋，但所做總結(jié)或闡述可為該項(xiàng)技術(shù)推廣及類似工程實(shí)施提供有益借鑒。

此外，鉆爆法裝配式隧道建造技術(shù)一定是現(xiàn)在和未來(lái)隧道建造方式的一個(gè)重要組成部分，如何將關(guān)鍵工序如隧道二次襯砌的預(yù)制拼裝技術(shù)與當(dāng)前傳統(tǒng)的作業(yè)線融合是擺在科研和設(shè)計(jì)人員面前的首要問(wèn)題和難題，值得開(kāi)展持續(xù)性的科研與技術(shù)攻關(guān)。每一個(gè)科學(xué)問(wèn)題的突破都是始于一個(gè)問(wèn)題，隧道裝配化、智能化建造技術(shù)如何發(fā)展并得以應(yīng)用，是時(shí)代擺在隧道從業(yè)者面前的一個(gè)難題，當(dāng)無(wú)法提供所有答案時(shí)，共享問(wèn)題并與同領(lǐng)域?qū)W者分享，也是一個(gè)很好的起點(diǎn)。