軟弱圍巖隧道智能機械化配套施工技術探討與展望

郭光旭 王恩選

(西成鐵路客運專線陜西有限責任公司， 西安 710043)

自第一屆交通運輸工程國際學術會議提出智能化鐵路模型以來，全世界掀起了一場人工智能的風潮，智能掘進、自動化施工等相關信息持續受到關注[1-2]。隨著計算機技術、通信技術、物聯網、云計算技術、3D打印和智能計算技術的快速發展，大數據、信息化和智能化的時代已經到來，機械化逐步轉型為智能化將成為工程機械的發展方向，有效提高工作效率的同時，還可大幅度降低生產成本。國內外學者在智能機械化建造技術方面進行了積極的探索研究，其中具有代表性的有：高文學等人[3]提出隧道施工多元信息智能化監測系統TIS(tunnel intelligentized monitoring system)；Kotenko等人[4]建立了用于鐵路運輸自動化系統信息保護的多級智能信息安全系統的體系結構；王迎超等人[5]開發了一種模擬隧道分部開挖的多功能智能掘進裝置，操作易行、自動化、智能化程度高；鄧銘江等人[6]通過對TBM長距離隧洞(道)試掘進階段工作的總結與分析，對智能化掘進技術進行闡述與展望；劉飛香[7]提出借助通信網絡和智能建造施工協同管理平臺，為隧道智能建造提供裝備保障。

基于前人的研究成果可推測，高速鐵路隧道智能機械化配套施工，乃至無人化施工，是鐵路工程建設的發展趨勢。本文借鑒京張高速鐵路首次采用智能技術建造的成功經驗和鄭萬高速鐵路大斷面隧道機械化施工的研究成果，依托西延高速鐵路建設項目，在已有機械化、數字化、信息化施工技術基礎上，探索人工智能、機器人技術與隧道裝備、礦山法施工技術的高度融合，減少人為主觀因素引起的偏差，提升隧道施工安全性，保證隧道施工質量。同時，探索5G技術與智能機械化的融合，在5G基礎上研究“機群協同、人機協同”智能調度指揮系統[8]，實現西延高速鐵路軟弱圍巖隧道智能機械化配套施工，以期提升軟弱圍巖隧道工程建設質量安全管控水平，進而推動我國鐵路隧道工程智能建造步伐。

1 隧道智能化施工現狀及關鍵問題

1.1 智能機械化施工現狀

1.1.1單工序智能機械設備研發現狀

目前國內隧道施工工序(礦山法)可籠統分為鉆爆、挖裝、運卸、初支、噴錨、仰拱和二襯。針對各工序的單機智能機械化，諸多學者一直在探索研發，部分工序已實現了單工序機械化施工，單機操作數控化、自動化為多機信息互聯協作提供了設備支撐條件。

(1)鑿巖機器人

自19世紀40年代第一臺氣動鑿巖機問世，鑿巖機經歷人工半機械化到機械化再到數控化的發展歷程。我國在2000年前后成功研發了首臺由電腦控制的隧道鑿巖鉆車樣機，使隧道不必要開采量減少10%以上，單次爆破深度能提高10%以上，設備壽命尤其是鉆頭使用壽命提高20%以上，總生產效率提高約20%[9]。2016年，國產全電腦三臂鑿巖臺車(隧道鑿巖機器人)研發成功，可縮短90%以上的施工準備時間，節約物料成本50%以上。

(2)噴射混凝土機器人

混凝土濕噴機現今基本實現自動化噴射，國外隧道已開始使用2～3臂噴射混凝土機械手，實現遙控操作[10]。我國濕噴機在整體化、自動化方面也取得建設性突破，在設備操作、控制混凝土反彈、安全環保、行走控制等方面都得到了很大的提升[11]。為提高隧道施工中混凝土噴射的效率與質量，在機械化操作的基礎上，研發噴射機械手智能化控制系統，根據不同區域的超欠挖情況動態控制噴射參量[12]。

(3)數字化襯砌臺車

二襯施工經歷了人工立模、簡易模板臺架、網架式襯砌臺車、全液壓自動行走襯砌臺車等階段[13]，襯砌臺車的自動化、信息化、智能化也在逐步探索研發之中，各種新型隧道數字化襯砌臺車開始投入使用。張吉懷鐵路研發了一套新型智能襯砌臺車施工自動控制系統，實現了對襯砌澆筑過程中混凝土澆筑量、溫度和壓力等的自動化監測和信息化控制，提高了隧道襯砌施工效率，確保了襯砌施工質量[14]。

1.1.2多工序智能機械配套施工技術發展現狀

實現施工機械化，特別是隧道施工機械化，不是簡單地用機械代替人工，也不是簡單地在人力難以操作的環境使用機械。它是通過整體有序、合理、安全地實現各種機械的最優化配置，來達到施工過程中一種最高效、最合理、最經濟、最安全的施工狀態。

2016年，鄭萬鐵路硬巖隧道推廣大斷面機械化配套施工技術[15]，結合礦山法、挪威法、新意法及中國長期施工以來施工經驗，首次在隧道大斷面施工中采用大型機械化配套施工，總結出大型機械化配套施工工法。蒙華鐵路隧道工程形成了涵蓋濕噴機械手、自行式仰拱長棧橋、新型二次襯砌臺車工裝、馬蹄形盾構、預切槽設備、懸臂式掘進機等一系列多工序隧道施工機械化配套技術[16]。京張高速鐵路工程數字化是智能京張的先導工程，其本質是以BIM、GIS以及現代信息技術為基礎，實現京張高速鐵路建設過程的全面數字化，即工程實體的數字化、過程管理的數字化、參與要素的數字化[17]。

國內隧道機械化施工，已由局部機械化施工發展到綜合機械化施工，體現了我國隧道機械化施工技術的大幅提高，但仍然存在以下問題：

(1)國外機械設備已開始向智能化、單機機器人化方向發展，國內對智能裝備的研究還處于初級階段，相關的研究也較少。

(2)國內隧道多機種機械化作業模式的理論體系仍有待完善。在隧道施工研究方面，國內對隧道施工技術及工藝的研究較多，而對隧道多機種機械化作業模式的研究較少。多機種機械設備配套只能在圍巖穩定性好的情況下進行機械化作業，且機械設備配套的關鍵技術難題有待解決，從而導致隧道施工機械化程度低。長期以來，我國軟弱圍巖隧道施工主要以人工鉆爆的礦山法為主，Ⅳ級圍巖采用三臺階法，Ⅴ級圍巖采用CD法、CRD法和雙側壁導洞開挖。軟弱圍巖(土質)隧道采用分部開挖工法，施工過程中支護強度和剛度很難控制，施工步驟復雜不易把握，不利于機械化配套施工的發展。

(3)國內隧道綜合信息智能監控技術研究尚處于起步階段，還未在機械化、信息化的基礎上形成系統完善的智能化體系。利用信息化技術以及人工智能對隧道的智能安全監控、隧道災害預警以及救援措施實施等相關技術進行研究，可作為該領域的一個發展方向。

針對以上問題，有必要通過具體工程案例，試行多機種機械化協同作業模式，結合現場施工監控反饋信息對模式理論體系進行研究。對大量采用分部開挖法的軟巖隧道，應研發小型機械化設備，形成完善的隧道機械化作業模式理論體系和綜合信息智能監控系統，以提高隧道施工進度。

1.2 軟弱圍巖隧道智能機械化研究的關鍵問題

結合西延高速鐵路的地質特性，在機械化、信息化、單機智能化施工技術的基礎上，以5G技術為媒介，深度融合物聯網技術，開展軟弱圍巖隧道關鍵工序智能機械化施工研究，實現智能機械化施工裝備協同作業，確保施工安全、環保、快速。通過對現有施工技術與工法的分析，軟弱圍巖隧道智能機械化研究的關鍵問題有：

(1)軟弱圍巖隧道智能機械化施工工法及其地質適應性

智能機械化施工工法在工法設計中充分考慮了智能機械協同施工的需要，根據機械作業半徑優化開挖斷面劃分，根據圍巖地質特性進行設計。充分利用智能機械化設備的優勢對支護工藝進行優化。

(2)軟弱圍巖隧道智能機械化施工裝備數據采集、分析與自主決策等系統開發

基于智能鑿巖臺車鉆進參數、地質素描、TSP和地質雷達超前預報等信息，得到隧道圍巖的堅硬程度、完整程度和地下水發育情況等數據，采用數量化理論，建立現場多信息綜合評價模型。運用專家知識系統，比較分析現場多信息綜合評價模型，快速進行預判，輔助隧道圍巖級別判釋。建立圍巖級別及處理措施對應關系的數據庫，根據判釋隧道圍巖級別，設備自助決策，調整支護措施參數。

(3)軟弱圍巖隧道智能機械化施工裝備數據高效處理、交互與上傳技術

基于建筑信息模型(BIM)、大數據、移動互聯網、云計算、物聯網(IOT)等技術，結合隧道施工工法，實現智能機械化施工裝備的信息交互上傳，建立隧道智能機械化管理云平臺，實現各類施工裝備的有序銜接和高效作業。

(4)軟弱圍巖隧道智能機械化施工裝備協同控制作業智能調度系統開發

在智能機械化施工裝備數據高效處理、交互基礎上，運用專家知識系統，建立現場多信息綜合評價模型，建立觸發條件與協同命令對應數據庫，從而實現智能多方協同施工調度。

2 隧道智能配套施工技術開發

2.1 依托工程概況

新建西安至延安高速鐵路位于陜西關中及陜北地區，是國家《中長期鐵路網規劃》(2016年)中規劃“八縱八橫”高速鐵路主通道包(銀)海通道的重要組成部分，速度目標值350 km/h。新建正線全長287.1 km，其中隧道43座，總長165.751 km，占新建線路長度的58.8%。

線路主要位于渭河沖積平原區、黃土臺塬區、黃土梁峁溝壑區及子午嶺低中山區，屬中朝準地臺一級構造單元，跨越汾渭斷陷及陜甘寧臺坳兩個二級構造單元。其中，西安至銅川段位于汾渭斷陷的三級構造單元渭河斷凹。共跨越11條斷層破裂段，隧道工程均以大角度通過。

區域內隧道工程圍巖巖性主要以第四系黃土、第三系泥巖、侏羅系、三疊系頁巖、泥巖為主。隧道最大埋深250 m，其中Ⅳ級圍巖占比61.8%，Ⅴ級圍巖占比12.7%。本文選擇太康隧道作為科研試驗依托工點，隧道長 13 600.70 m，為單洞雙線隧道，隧道最大埋深237 m，最小埋深29.6 m，隧道洞身主要地層為Ⅳ～Ⅴ級的第四系全新統滑坡堆積、沖積層、洪積層及坡積層，上更新統沖積層、坡積層及風積層，下伏三疊系上統頁巖、砂巖，屬于Ⅰ級高風險隧道，共設3座斜井輔助施工。洞身穿越區圍巖變形量大，速度快，持續時間長，圍巖破壞范圍大，壓力增長快，變形破壞形式多樣，且受工程擾動極其敏感，在受拉或受壓條件下將產生塑性區，使圍巖和支護發生變形，極易發生初期支護變形侵限和隧道坍塌等工程災害。修建如此軟弱圍巖的高風險隧道，有必要提升工程的智能機械化水平。太康隧道進口、1號斜井工區、出口工區擬采用智能機械化配套施工，亟待開展軟弱圍巖隧道智能機械化施工技術研究。

2.2 隧道智能機械化施工配套技術

太康隧道計劃工期為33.8個月，2號斜井～3號斜井之間為關鍵線路，如圖1所示。

圖1 太康隧道施工工期計劃圖

針對太康隧道工程特點，結合高速鐵路隧道施工的機械設備現狀、工藝工法水平和安全質量要求，在機械化、數字化、信息化的基礎上，對“超前探測、注漿加固、開挖、初期支護、襯砌”等五大關鍵工序，利用(研發)單工序智能機械裝備，開發智能調度指揮系統，提升“機群協同”功能。通過智能鑿巖臺車、注漿裝備、臺車等設備的信息交互、反饋、智能決策與控制，逐步實現軟弱圍巖隧道智能機械化配套施工技術。研究內容包括隧道軟弱圍巖智能機械化裝備及配套技術研究、隧道圍巖智能判識及BIM技術、隧道關鍵工序智能機械化施工綜合技術研究、隧道智能機械化管理平臺、隧道智能機械化施工工效及定額測定和軟弱圍巖隧道非爆智能機械化配套研究。選取太康隧道進、出口工區作為試驗研究區段，關鍵線路外1號斜井往進、出口區段作為科研成果驗證區段。

無論是試驗研究區段還是科研成果驗證區段，在研究過程中，都應注意以下幾點：

(1)智能機械化與圍巖地質配套

西延高速鐵路陜北地區以砂巖、頁巖和黃土為主，巖石含水量偏低。白堊系砂巖巖層傾角平緩。區域內黃土滑坡、溜塌、堆塌較發育，且受降雨量影響較大。因此，西延高速鐵路隧道機械化配套方案的制定原則為：基于設計要求，對土質、石質兩大類圍巖，分別按照圍巖級別確定隧道機械化作業線機械設備配置方案。確定巖石隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖和土質隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖機械化配套設備配置方案和配套施工技術。

利用新技術、新材料，同步研發高速鐵路大斷面軟弱圍巖隧道(礦山法)分部開挖施工的小型自動機械化設備，使設備能夠同時滿足超前小導管支護、隧道開挖及立拱機械的作業要求。并針對超前探測、注漿加固、開挖、初期支護、二次襯砌五大關鍵工序，提升智能機械化配套施工技術。

(2)智能機械化與施工工法配套

西延高速鐵路隧道施工工法主要有雙側壁導坑法、交叉中隔壁(CRD)法、三臺階臨時仰拱法、三臺階預留核心土法、三臺階法。基于工程施工工法的隧道作業線的機械配置方案，形成對應工法的機械化配套施工作業標準、管理體系等，并研制適應于隧道分部開挖施工工法的開挖、初支等工序的小型工裝設備。

(3)智能機械化與施工裝備配套

研究制定主要智能裝備的單機技術條件，按照技術條件進行選擇或研發完善主要智能機械工裝，在廣泛調研的基礎上，選擇與主要智能裝備相匹配的配套機械裝備。機械化施工裝備配套應考慮以下要求：

①機械化配套應對隧道圍巖地質條件具有針對性，達到快速施工的目的。

②充分發揮單機功效，減少設備閑置及窩工現象。

③多工序平行作業，實現工序“零”銜接，加快作業循環。

④滿足安全質量管控要求，探索機械化配套施工的安全質量體系標準。

(4)智能機械化與數據結構傳輸及協同作業

將現有單機設備數據進行規范、統一，建立一套規范化的作業機械數據結構規范，主要智能機械裝備搭載5G收發端子，引進5G移動網絡，通過無線發射接收技術，對設備數據進行收集、交互。以智能化單機裝備和多機協同化為依托，實時采集建造過程數據，通過互聯網和物聯網實時傳輸，利用大數據、云計算進行數據分析、整理、存儲、挖掘和反饋，實現智能化機群的自監控、自學習、自管理，建立智慧隧道云平臺，形成智能調度指揮系統，完成各智能工裝設備之間的“協同作業”，進而實現“機群協同”，達到隧道智能化建造與管理的目的。

通過設備(鑿巖臺車、懸臂掘進機、濕噴臺車)鉆進技術、掃描技術、成像技術實現圍巖信息實時采集，預期結果自動比對，設備狀態及時調整，監測數據及時傳輸。智能機械化在隧道掘進各工序信息收集、交互聯系示意如圖2所示。通過巖機互動，提升設備自適應能力，同時超前掌握更多地層信息。

圖2 智能機械化在隧道掘進各工序信息收集、交互聯系示意圖

3 隧道智能機械化應用前景

3.1 隧道智能機械化構想

隧道智能機械化將人工智能、機器人和視覺識別技術與高速鐵路隧道礦山法施工技術高度融合，施工機械通過主動感知、分析，自主操控完成工序作業，利用智聯網、云計算、5G等先進技術，信息實時傳輸共享，機群協同，人機協同，遠程智能監控，實現高速鐵路隧道(礦山法)施工由數字化、信息化再升級改造為智能化施工機械，到軟弱圍巖隧道施工綜合智能機械化配套作業，從而達到智能建造的目的。

3.2 隧道智能機械化階段分析

鐵道工程智能建設分為三個發展階段，即初級(知覺)，中級(替代)和高級(智能)。為促進隧道智能機械化的實現，進一步將其細化。

(1)初級階段

關鍵工序，施工裝備單機主動感知、分析，自主操控作業；信息實時傳輸，機群協同，信息共享，輔助人工決策；全工序、全過程機械化配套施工。

(2)中級階段

在初級階段基礎之上，通過互聯網和物聯網實時傳輸，利用大數據、云計算進行數據分析、整理、存儲、挖掘和反饋，建立智慧隧道云平臺，形成智能調度指揮系統，完成各智能工裝設備之間的“協同作業”，進而實現“機群協同”作業。

(3)高級階段

在中級階段基礎之上，實現智能化機群的自監控、自學習；設計信息納入智能控制系統，機群協同，人機協同，深度學習，設計與施工深度融合，根據地質情況，從設計層面根據大數據分析、挖掘，系統智能決策開挖支護、襯砌參數，并驅動智能設備按照系統的決策自主作業，實現從設計到施工的全工序、全過程無人化施工，實現隧道智能建造與管理。

3.3 隧道智能機械化施工預期目標

(1)以西延高速鐵路工程隧道設計及礦山法為理論基礎，結合智能機械化配套施工，對軟弱水平層圍巖隧道施工工法、支護體系、技術參數進行優化。通過變形監測、內力監測等手段，收集試驗數據及相關資料，對試驗結果進行總結，形成軟弱水平圍巖隧道智能機械化配套施工工法、隧道支護體系、技術參數等。

(2)通過智能機械化施工及協同管理技術，對各工序施工質量進行管控，目標實現情況如下：

①超欠挖質量控制

施工過程中通過鉆孔參數和MWD地質云圖采集，對爆破設計圖進行自動動態優化，對超欠挖進行控制，進一步提升隧道爆破開挖質量。

②噴混凝土施工質量控制

實現噴混凝土方量的自動計算，噴混凝土厚度、噴混凝土平整度的精準控制，保證噴混凝土效果與質量。

③拱架安裝質量控制

實現初期支護拱架安裝的數量、位置、間距的精準控制，保證隧道鋼拱架施工的效果與質量。

④錨桿施工質量控制

實現錨桿鉆進深度控制、預應力標準化控制、注漿過程參數控制，保證錨桿施工的效果與質量。

⑤注漿施工質量控制

實現注漿參數的動態匹配和精準控制，并通過注漿設備的漿液自動拌合、注漿方量、注漿時間、注漿壓力監測等功能，保證注漿效果與質量。

⑥混凝土施工質量控制

實現二次襯砌360°無死角的混凝土密實控制；實現灌筑方量、入模溫度、灌筑壓力的實時監控；避免了拱頂脫空、整體密實性差等常見質量問題；通過采用智能養護，實現對封閉式養護空間溫度、濕度、養護周期的精準控制和養護過程中狀態的閉環監控，保證襯砌的養護質量；最大程度地保證混凝土施工質量，減少或杜絕襯砌裂紋、掉塊等病害。

(3)建設投資可控，工程施工成本大幅降低。

(4)研究提煉一系列與智能機械化施工相適應的安全、質量、進度、投資、環保等建設管理方面具有可推廣價值的經驗。

4 結論與展望

本文對智能機械化配套施工技術的探討，將人工智能、圖像識別、機器人技術與鐵路隧道工程裝備、施工技術深度融合，利用云計算、物聯網、5G等先進技術，實現智能設備自主操控、自動學習修復、機群協同、人機協同、智能決策，全面實現鐵路隧道智能機械化配套施工，推動高速鐵路隧道建設“去人化”、“少人化”、“無人化”的進程，通過對西延高速鐵路軟弱圍巖隧道全工序全過程智能機械化配套施工技術的分析，得出結論如下：

(1)采用智能化技術，隧道工期預期縮短，大幅減少勞動力和勞動強度，工序銜接和工序作業質量得以精準控制，實現了西延高速鐵路隧道發安全、快速、高效施工。

(2)實現西延高速鐵路軟弱圍巖隧道預支護等關鍵工序自動化、智能化，多工序、多機種機群協同作業，輔助人工決策的預期效果。

隨著計算機技術、數據庫技術、GIS技術、空間信息技術、BIM、三維仿真與模擬技術和數控技術等高新技術在鐵路工程研究與應用中的不斷深入，以及物聯網技術和云計算技術的逐步引入，“BIM+”融合趨勢明顯。利用信息化手段對高速鐵路建設過程中的勘察、設計、施工和監測等方面的數據進行集中、高效管理，借助于虛擬現實、地理信息空間分析等技術手段為高速鐵路建設、管理、運營和維護等提供信息共享方式，將高速鐵路建設和運營的全生命周期運用信息化、數字化、智能化手段進行管理是必然發展趨勢。