劉飛香
(1. 中國鐵建重工集團(tuán)有限公司, 湖南 長沙 410100; 2. 西南交通大學(xué), 四川 成都 610031)
我國鐵路隧道施工機(jī)械化配套技術(shù)的研究始于20世紀(jì)80年代,建設(shè)衡廣復(fù)線大瑤山隧道時首次從國外引進(jìn)液壓鑿巖臺車、混凝土噴射三聯(lián)機(jī)和模板臺車等大型隧道施工設(shè)備,此后很長一段時期,受國內(nèi)勞動力人工成本低廉和機(jī)械化施工一次性投入費(fèi)用高等因素的影響,國內(nèi)隧道鉆爆法施工機(jī)械化水平一度停滯不前[1-2]。
隨著“一帶一路”倡議和“中國制造2025”國家戰(zhàn)略等的實施,中國鐵路總公司提出了“交通強(qiáng)國、鐵路先行”“2020年率先實現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化”的行業(yè)奮斗目標(biāo)。同時,我國鐵路建設(shè)主戰(zhàn)場正從東部逐步轉(zhuǎn)向中西部,復(fù)雜地質(zhì)條件下的長大隧道占比越來越高,修建難度越來越大[3-5]。“工欲善其事,必先利其器”,通過對隧道施工技術(shù)和施工裝備的引進(jìn)、消化、吸收、創(chuàng)新,以及不斷的施工實踐,研制開發(fā)了全系列隧道智能裝備。本文對隧道鉆爆法施工機(jī)械化成套裝備的智能化及適應(yīng)性進(jìn)行分析,并對智能化隧道施工裝備在鐵路隧道施工中的應(yīng)用進(jìn)行總結(jié)。
以“圍巖是承載的主體、穩(wěn)定超前核心土、圍巖自防水”的隧道建造理念,圍繞隧道施工作業(yè)線,充分總結(jié)施工工法與經(jīng)驗,融合機(jī)、電、液、光一體化、數(shù)字化、智能化等技術(shù),打造鉆爆法隧道關(guān)鍵工序智能裝備體系,涵蓋了超前作業(yè)、開挖、出碴、初期支護(hù)、二次襯砌、溝槽施作、襯砌檢測和洞碴處理等工序的隧道裝備。鉆爆法隧道施工的主要裝備及智能化功能見表1。

表1 鉆爆法隧道施工的主要裝備及智能化功能Table 1 Main equipment and intelligentized functions for drilling and blasting tunnel construction

表1 (續(xù))
鉆爆法隧道智能建造裝備是在機(jī)械化配套的基礎(chǔ)上,通過集成運(yùn)動和環(huán)境感知、3D激光掃描與定位、信號采集、處理與傳輸及機(jī)器人運(yùn)動與動力學(xué)控制等技術(shù)[7-8]為基礎(chǔ)構(gòu)成的支撐技術(shù)系統(tǒng)——“圍巖參數(shù)識別與處理系統(tǒng)、三維空間定位與量測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)、智能控制決策系統(tǒng)”。智能建造裝備支撐技術(shù)系統(tǒng)是相互耦合、相互協(xié)同和互為反饋的閉環(huán)系統(tǒng),是構(gòu)建隧道智能裝備體系的靈魂,也是智能裝備的大腦和五官,更是實現(xiàn)隧道全生命周期智能化的前提和關(guān)鍵。
1.2.1 圍巖參數(shù)判識與處理系統(tǒng)
通過智能鑿巖臺車隨鉆參數(shù)采集與分析系統(tǒng)(MWD)自動采集圍巖數(shù)據(jù),利用鉆孔分析法和圖像分析法(如圖1所示)自動輸出圍巖亞分級結(jié)果,自動判識掌子面前方圍巖地質(zhì)及穩(wěn)定性,并自動實現(xiàn)設(shè)計參數(shù)優(yōu)化。

圖1 鉆孔分析法和圖像分析法Fig. 1 Drilling analysis and image analysis
1.2.2 三維空間定位與量測系統(tǒng)
三維空間定位與量測系統(tǒng)(如圖2所示)是指利用隧道BIM三維坐標(biāo)基準(zhǔn),通過激光掃描定位、空間坐標(biāo)變換和實時位姿測控系統(tǒng)等技術(shù),構(gòu)建隧道智能裝備的空間定位、工程量測、目標(biāo)路徑規(guī)劃和機(jī)器人控制等智能裝備自身功能需求的系統(tǒng)。可以實現(xiàn)隧道智能裝備的精準(zhǔn)定位、精準(zhǔn)操作、遠(yuǎn)程控制和工作量計算,如鑿巖臺車鉆孔和錨桿作業(yè),混凝土自動噴射、自動找平和方量計算等,超欠挖、錨桿、拱架、噴射混凝土、防水板、襯砌混凝土、養(yǎng)護(hù)等隧道構(gòu)筑物的精準(zhǔn)量測和數(shù)字化檔案建立。

圖2 三維空間定位與量測系統(tǒng)Fig. 2 Three-dimensional spatial positioning and measurement system
1.2.3 大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)
大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)(見圖3)是通過隧道智能裝備自身具備的全通道、多物理量數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng),集中監(jiān)測、采集和反饋施工過程、施工狀態(tài)、圍巖參數(shù)、環(huán)境感知等數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)應(yīng)用到隧道智能裝備體系本身,并通過后臺大數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)處理后,實時應(yīng)用到工程建設(shè)單位、設(shè)計院和施工單位的信息化管理系統(tǒng)。

圖3 大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)Fig. 3 Big data processing and sharing system
1.2.4 智能控制決策系統(tǒng)
在隧道智能裝備體系中,充分應(yīng)用智能控制技術(shù),實現(xiàn)隧道智能裝備施工環(huán)境自感知、目標(biāo)導(dǎo)向定位自執(zhí)行、施工狀態(tài)與反饋自學(xué)習(xí)、施工效果自評估、施工組織自決策、施工過程自管理,打造更實用、更智能、更經(jīng)濟(jì)、全系列的鐵路隧道智能裝備。
1)智能判識。智能型鑿巖臺車以鉆進(jìn)參數(shù)為輸入層,通過智能學(xué)習(xí)規(guī)則實現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)對訓(xùn)練和系統(tǒng)模型參數(shù)辨識,結(jié)合地質(zhì)圖像樣本庫進(jìn)行比對,形成圍巖智能判識與分級方法 (如圖4和圖5所示),并不斷自主學(xué)習(xí)與完善。

圖4 圍巖智能分級BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 4 BP neural network model for surrounding rock intelligent classification

圖5 掌子面智能分級BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型Fig. 5 BP neural network model for excavation face intelligent classification
2)智能感知與運(yùn)動規(guī)劃。隧道智能裝備能實時感知施工過程、施工狀態(tài)和施工環(huán)境,結(jié)合目標(biāo)約束條件下的大數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)智能規(guī)劃目標(biāo)路徑與軌跡。比如,實現(xiàn)復(fù)雜隧道環(huán)境的裝備無人駕駛、智能型濕噴臺車自動平整化噴射、智能型拱架臺車拼接軌跡規(guī)劃、智能型鑿巖臺車多臂架姿態(tài)防干涉等。
3)自主決策與動態(tài)優(yōu)化設(shè)計。隧道智能裝備利用人工智能學(xué)習(xí)方法,結(jié)合數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng),實現(xiàn)隧道建造過程由人工經(jīng)驗決策向計算機(jī)自主決策和大數(shù)據(jù)交互處理系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設(shè)計轉(zhuǎn)變。
在隧道施工領(lǐng)域,隧道智能機(jī)械化施工不僅能提升作業(yè)工效、提高安全系數(shù)、改善作業(yè)環(huán)境、降低作業(yè)強(qiáng)度,還能保證工程質(zhì)量,有效節(jié)約資源。智能機(jī)械化配套正逐步取代傳統(tǒng)、粗放的“人海戰(zhàn)術(shù)”[9]。
相比傳統(tǒng)手持風(fēng)鉆施工,鑿巖臺車施工具有自動化程度高、工作效率高、勞動強(qiáng)度低、安全環(huán)保等優(yōu)點(diǎn),并能提高施工質(zhì)量和效益[10]。智能化鑿巖臺車不僅可進(jìn)行MWD地質(zhì)分析,還可通過獲取隧道鉆爆設(shè)計參數(shù),開展臺車智能定位、鉆爆孔定位、鉆孔、輪廓掃描等作業(yè),并利用隧道內(nèi)的通訊網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)隧道鉆進(jìn)日志、掃描日志自動上傳。圖6示出ZYS113全智能鑿巖臺車施工現(xiàn)場。

圖6 ZYS113全智能鑿巖臺車施工現(xiàn)場Fig. 6 ZYS113 intelligent drilling jumbo
ZYS113全智能鑿巖臺車具有較強(qiáng)的鉆孔能力,可輕松鉆進(jìn)超前探孔和注漿孔等各種深長孔。經(jīng)測算,在Ⅱ級圍巖條件下鉆進(jìn)1個25 m深的孔僅需15 min。
ZYS113全智能鑿巖臺車與傳統(tǒng)手持風(fēng)鉆施工的工效對比如表2所示。
智能化注漿裝備通過高壓注漿泵將漿液注入巖層,完成隧道圍巖的止水和加固。ZJS410智能化注漿裝備(如圖7所示)具有“自動化、可視化、信息化”的特征,該設(shè)備既具備注漿施工過程的自感知、自決策、自執(zhí)行功能,也使注漿過程、注漿結(jié)果可視化,同時還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集、存儲、傳輸、分析、交互等大數(shù)據(jù)信息化管理。

表2 ZYS113全智能鑿巖臺車與傳統(tǒng)手持風(fēng)鉆施工工效對比Table 2 Efficiency comparison between ZYS113 intelligent drilling jumbo and traditional pneumatic drill

圖7 ZJS410智能化注漿裝備Fig. 7 ZJS410 grouting equipment
在某巖層為砂礫地層的隧道施工中,應(yīng)用ZJS410智能化注漿裝備通過高壓注漿進(jìn)行開挖前地層加固,可有效防止開挖時周邊地層坍塌,同時通過注漿進(jìn)行止水。
注漿實施方案如圖8所示。采用?110 mm套管鉆進(jìn),鉆孔深度8 m,成孔后放?50 mm花鋼管,鋼管底部2 m以下部分按照間距30~50 mm布置出漿孔。采取純壓式全孔一次性注漿方式,鋼管與孔壁間孔口段采用水泥漿加速凝劑快速封閉,封堵深度加深3 m左右。管口采用高壓灌漿塞封孔灌漿,注漿壓力0.7~2 MPa,最大劈裂壓力不超過4 MPa,注漿材料為普通硅酸鹽水泥。

圖8 注漿實施方案示意圖Fig. 8 Schematic diagram of grouting scheme
注漿結(jié)束后,通過爆破后的巖層斷面觀察水泥固結(jié)的紋路。結(jié)果表明,固結(jié)效果良好,周邊無滲漏。
MT55智能錨桿臺車通過獲取隧道錨桿設(shè)計參數(shù),開展臺車智能定位、鉆孔、錨桿安裝、注漿、鎖螺母、施加預(yù)應(yīng)力等作業(yè),并利用隧道內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)隧道錨桿日志(包括鉆孔數(shù)量、鉆孔深度、鉆孔時長、錨桿數(shù)量、錨桿長度、鉆進(jìn)參數(shù)、安裝參數(shù)、注漿參數(shù)等)自動上傳。MT55智能錨桿臺車已在鄭萬高鐵楊家坪隧道、杏橋坪隧道、五盤山隧道等多個隧道內(nèi)進(jìn)行了施工應(yīng)用。圖9所示為人工錨桿和MT55錨桿臺車在隧洞內(nèi)的施工現(xiàn)場,對應(yīng)的單個開挖循環(huán)錨桿施工對比見表3。

圖9 人工錨桿施工與MT55錨桿臺車施工Fig. 9 Artificial anchor construction and MT55 bolting trolley construction
多功能作業(yè)臺車不僅適用于鋼拱架安裝,同時還可用于錨桿錨網(wǎng)安裝、輔助撬毛、通風(fēng)管安裝、炸藥裝填等隧道高空作業(yè)。通過獲取隧道鋼架設(shè)計參數(shù),開展臺車智能定位、輪廓掃描、鋼架布設(shè)、鋼架抓取與定位等作業(yè),完成隧道鋼架安裝日志(包括安裝位置、榀數(shù)、節(jié)數(shù)、作業(yè)時間等)、掃描日志自動上傳。圖10和圖11分別為人工和多功能作業(yè)臺車在鄭萬高鐵ZWZQ-5標(biāo)高家坪隧洞內(nèi)的立拱作業(yè)圖,工效對比見表4。

表3 單個開挖循環(huán)錨桿施工對比Table 3 Construction comparison for single excavation cycle anchor

圖10 人工安裝鋼拱架 Fig. 10 Manual installation of steel arches

圖11 多功能作業(yè)臺車安裝鋼拱架Fig. 11 Steel arches installation by multifunctional jumbo

表4 隧道多功能作業(yè)臺車立拱作業(yè)與人工立拱作業(yè)工效對比Table 4 Efficiency comparison between multifunctional jumbo and artificial operation
混凝土噴射臺車(如圖12所示)通過獲取隧道噴混凝土設(shè)計參數(shù),開展臺車智能定位、輪廓掃描、噴射混凝土等作業(yè),并利用隧道內(nèi)通訊網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)隧道濕噴日志(包括泵送方量、速凝劑百分比、理論總噴射方量、實際總噴射方量、耗時等)、掃描日志自動上傳。

圖12 HPS3016S濕噴臺車及其施工效果Fig. 12 HPS3016S wet spraying trolley and its construction effect
HPS3016S混凝土噴射臺車的適應(yīng)性較好,在鄭萬高鐵隧道施工中取得了良好的效果。以杏橋坪隧道為例,隧道范圍內(nèi)巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,巖層積壓嚴(yán)重,最大噴射量達(dá)30 m3/h,噴射一車8 m3混凝土僅需20 min,極大地提高了支護(hù)施工效率。
經(jīng)推算,混凝土噴射臺車作業(yè)與之前人工作業(yè)的工效對比見表5。

表5 混凝土噴射臺車作業(yè)與之前人工作業(yè)的工效對比Table 5 Efficiency comparison between concrete spouting trolley and traditional manual operation
新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺車(如圖13所示),具有雙澆筑、帶壓入模、高頻振搗、軟搭接以及信息集成傳輸系統(tǒng)和數(shù)字化控制功能,可解決傳統(tǒng)襯砌臺車在隧道襯砌施工中存在的跑模、振搗強(qiáng)度大、搭接部易損壞等問題,以及減少襯砌空洞、裂縫、掉塊等病害[11]。

圖13 數(shù)字化襯砌臺車Fig. 13 Digital lining trolley
新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺車已在湖北羅家山隧道進(jìn)行初次使用,取得了良好的施工效果。雙澆筑系統(tǒng)將混凝土澆筑時間由12 h縮短至8 h,高頻振搗使混凝土充分搗固,氣泡數(shù)量明顯減少,有效地解決了襯砌質(zhì)量問題,降低了人員勞動強(qiáng)度。同時,信息集成傳輸系統(tǒng)的應(yīng)用在一定程度上實現(xiàn)了襯砌施工的機(jī)械化、信息化和智能化。
針對目前鉆爆法施工機(jī)械化、信息化、智能化水平相對較低的現(xiàn)狀,結(jié)合隧道施工作業(yè)線,機(jī)械化配套的設(shè)備和工裝有利于實現(xiàn)隧道施工的信息化、智能化建造,設(shè)備涵蓋了超前作業(yè)、開挖、初期支護(hù)及二次襯砌等施工工序。隧道關(guān)鍵工序機(jī)械化施工如圖14所示。
為了更好地對隧道施工全生命周期進(jìn)行管理,結(jié)合新奧法、新意法、挪威法對隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺進(jìn)行研究。隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺總體框架如圖15所示。研究了隧道智能建造數(shù)據(jù)流的交互模式,制定了數(shù)據(jù)在裝備與裝備、裝備與環(huán)境、裝備與圍巖之間的交互與銜接流程,為服務(wù)隧道施工全生命周期管控提供技術(shù)保障。

圖14 隧道關(guān)鍵工序機(jī)械化施工Fig. 14 Mechanized construction for key processes in tunnel

圖15 隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺總體框架Fig. 15 Overall framework of cooperative management platform for tunnel intelligent construction equipment
隧道智能裝備的信息流主要在5個節(jié)點(diǎn)和2個方向間傳輸,如圖16所示。5個節(jié)點(diǎn)是指設(shè)計院、建設(shè)單位隧道智能建造協(xié)同管理平臺、施工單位、隧道智能裝備大數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)和智能裝備終端。2個方向是指隧道智能裝備采集、監(jiān)測并處理后的信息實時輸出反饋給業(yè)主(或設(shè)計院、施工單位),業(yè)主(或設(shè)計院、施工單位)的設(shè)計數(shù)據(jù)、施工指令實時輸入給隧道智能裝備終端。數(shù)據(jù)流是通過5個節(jié)點(diǎn)的數(shù)據(jù)交互來實現(xiàn)2個方向的數(shù)據(jù)傳遞。

圖16 隧道智能裝備信息流的輸入與輸出Fig. 16 Input and output of information flow for tunnel intelligent equipment
應(yīng)用包括云計算在內(nèi)的新一代技術(shù),通過覆蓋隧道全程并連接地面“隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺”的互聯(lián)網(wǎng)絡(luò),實現(xiàn)施工裝備機(jī)群之間,施工裝備機(jī)群、特殊裝備(激光掃描儀、鉆機(jī)攝像頭等)與協(xié)同管理平臺(如圖17所示)之間信息數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)處理的無縫集成[12]。設(shè)備間采用多對多通訊模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,即同一施工設(shè)備既能作為數(shù)據(jù)發(fā)送端,又能作為數(shù)據(jù)接收端,并能識別網(wǎng)絡(luò)故障和實現(xiàn)預(yù)警功能。如: 鑿巖臺車將施工里程信息共享給其他臺車,以此確定其工作區(qū)段;注漿臺車依據(jù)鑿巖臺車發(fā)送鉆孔日志中的圍巖信息,自動規(guī)劃注漿策略等。

圖17 機(jī)群協(xié)同管理作業(yè)平臺Fig. 17 Cluster collaborative management platform
機(jī)器人化施工裝備維護(hù)保養(yǎng)智能化,運(yùn)用施工裝備狀態(tài)監(jiān)測與健康管理技術(shù),根據(jù)施工裝備的車載狀態(tài)監(jiān)測儀器采集系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)信息(在線油液、振動、電流頻譜等),并將采集數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)反饋至隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺,通過互聯(lián)網(wǎng)+隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺,將施工裝備狀態(tài)監(jiān)測儀器及技術(shù)、管理、維修人員等納入統(tǒng)一的協(xié)同管理平臺,構(gòu)建狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷知識庫,逐步實現(xiàn)隧道施工裝備的智能化維護(hù)與保養(yǎng),為鉆爆法隧道施工裝備的維護(hù)保養(yǎng)與健康管理提供科學(xué)管理。
施工過程中對環(huán)境狀態(tài)進(jìn)行實時監(jiān)控,包括圍繞隧道施工的人、機(jī)、料、法、環(huán)等相關(guān)信息,實時監(jiān)測施工活動對圍巖及已成型隧道產(chǎn)生的地層擾動,如拱頂沉降、圍巖收斂、圍巖壓力、初期支護(hù)拱架壓力、掌子面擠出變形、地層位移、錨桿軸力、初期支護(hù)噴混凝土內(nèi)力、初期支護(hù)和二次襯砌接觸壓力、二次襯砌內(nèi)力、二次襯砌拱頂注漿壓力、拱頂混凝土澆筑溫度等信息[13-16],并將監(jiān)測信息反饋給隧道信息智能集中管理平臺; 管理平臺對所反饋的環(huán)境狀態(tài)信息進(jìn)行存儲記錄和分析處理,為進(jìn)行安全、經(jīng)濟(jì)、高效的施工管理和運(yùn)營階段隧道保養(yǎng)維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)。
利用傳感技術(shù)與監(jiān)控技術(shù),對隧道內(nèi)的人、機(jī)、料、法、環(huán)的狀態(tài)信息向隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺進(jìn)行實時反饋,各隧道施工裝備均在隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺上進(jìn)行規(guī)劃和文件管理。同時,機(jī)器人化施工裝備機(jī)群、攝像系統(tǒng)、激光和導(dǎo)航設(shè)備均可從單一平臺入口進(jìn)行有效管理,施工人員可在遠(yuǎn)處辦公地區(qū)對施工組織進(jìn)行有效的管理與技術(shù)支持,輔助操控人員實現(xiàn)各種資源的合理調(diào)配和安全管理。
隨著國內(nèi)隧道施工技術(shù)的不斷進(jìn)步,機(jī)械化配套必然會成為隧道鉆爆法施工的主流。系列隧道智能化施工裝備在鐵路隧道施工中經(jīng)受了惡劣環(huán)境的考驗,得到了廣泛的應(yīng)用,將推動隧道裝備行業(yè)向信息化、數(shù)字化及智能化方向發(fā)展。
1)通過參與鄭萬高鐵大型機(jī)械化施工配套實踐,結(jié)合目前施工實際,融入智能化綠色施工理念,打造了鉆爆法隧道關(guān)鍵工序智能裝備產(chǎn)品體系,涵蓋了超前作業(yè)、開挖、出碴、初期支護(hù)、二次襯砌、溝槽施作、襯砌檢測和洞碴處理等工序的系列化隧道裝備。
2)結(jié)合新奧法、新意法、挪威法等工法的優(yōu)勢,深入研究和發(fā)展了以4大技術(shù)為支撐的鉆爆法隧道智能建造裝備技術(shù)體系,即: 圍巖參數(shù)識別與處理系統(tǒng)、三維空間定位與量測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)、智能控制決策系統(tǒng),并通過大數(shù)據(jù)、云計算等技術(shù)進(jìn)一步完善隧道施工裝備的智能化功能。
3)通過對隧道智能建造數(shù)據(jù)流交互模式的研究,制定了數(shù)據(jù)在裝備與裝備、裝備與環(huán)境、裝備與圍巖之間的交互與銜接流程,為服務(wù)于隧道施工全生命周期管控提供技術(shù)保障。
未來,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術(shù)將進(jìn)一步融合,結(jié)合圍巖智能判識、智能設(shè)計、智能裝備、智能施工、智能監(jiān)測及質(zhì)量管控、智能協(xié)同管理平臺等隧道智能化建造技術(shù)的深入研究和工程應(yīng)用,隧道智能建造愿景定將全面實現(xiàn)。