新烏鞘嶺隧道智能化機械化施工關鍵技術研究與應用

馬殷軍

（中國鐵路蘭州局集團有限公司 蘭州工程建設指揮部，甘肅蘭州730000）

0 引言

2015年，國務院頒布《中國制造2025》，提出核心主打“中國裝備”。該項戰略文件為我國鐵路施工智能化機械化奠定了基礎。王同軍［1-2］系統闡述了隧道智能建造概念與核心技術，提出BIM+GIS為核心全過程參與勘查設計、工程施工和建設管理，特別是施工中與先進設備相融合以實現精細建造。王峰［3］總結了綠色裝配式智能建造的發展實踐。馬建軍等［4］提出了2020—2035年智能建造、智能裝備、智能運營關鍵技術裝備的發展路線。王可飛等［5］以京張高鐵為例，詳細介紹了BIM及管理系統在建造過程中的應用。李迎九［6］則從項目管理角度出發綜合運用BIM及多種傳感器技術完善了中國鐵路上海局集團有限公司的跨部門、跨專業信息共享。在隧道智能化建設方向，郭自敏［7］系統總結羅家山隧道機械化施工的“一洞九線”流水線作業法。王志偉等［8］報道了借助BIM完成的鐵路隧道預制裝配式建造。王志軍等［9-10］將信息化技術應用于鐵路工程施工管理。眾多學者的研究工作為智能化機械化施工奠定了基礎。

隨著我國鐵路建設主戰場從東部逐步向中西部轉移，超高風險地質、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，主要體現在現有成熟技術和裝備存在可靠性不高、技術先進性較差、地質和工況適應性弱、智能化程度低等不足，無法滿足超高風險地質長大隧道工程建設需要。因此，山嶺隧道亟須智能化機械化建造技術。

1 工程概況

新烏鞘嶺隧道工程為新建蘭州—張掖三、四線鐵路中川機場—武威段控制性工程，位于甘肅省武威市境內，在既有蘭武二線烏鞘嶺特長隧道東側。該隧道為雙線設計，全長17 125 m，最大埋深952 m，共設置6座輔助坑道。隧道蘭州端洞口設計標高2 754.6 m，張掖端洞口設計標高2 491.6 m，工程處于高海拔地區，按Ⅰ級風險隧道管理。

隧道洞身通過區屬于祁連山東北部中高山區，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條區域性大斷層，斷層破碎，斷裂構造發育，節理發育帶可能涌水，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，施工安全風險大。

2 智能化機械化應用關鍵技術

通過調研和參考鄭萬鐵路［7］、成蘭鐵路經驗，在新烏鞘嶺隧道開展了高海拔地區高風險長大隧道施工成套工藝的探索研究，得出山嶺隧道建設機械配置情況（見表1）。

Ⅲ級圍巖采用全工序機械化施工，Ⅳ級圍巖完善臺階法機械化快速施工，Ⅴ級圍巖采用鉆注錨多功能一體機及時進行初期支護施作，實現快速封閉。機械化設備以三臂鑿巖臺車為主，按照超前地質預報、開挖、初支、仰拱、防水、襯砌、養護、水溝電纜槽等8條作業線進行全工序機械化施工配置。

表1 山嶺隧道機械配置統計

2.1 超前地質預報線

新烏鞘嶺隧道地質條件復雜，存在斷層、中等富水區。為準確探明掌子面前方圍巖級別及穩定性情況，采用物探法超前地質預報與超前地質鉆機鉆探相結合的方法。TSP方法探測最大深度100 m，地質雷達最大探測深度20 m。超前地質鉆機鉆探長度最大150 m，并可通過鉆進速度、水壓力等反應前方地質、富水情況，自動生成地質鉆探成果。實際工程中，超前鉆探30 m（耗時2 h）結合物探成果即可有效探明前方地質情況。

2.2 開挖作業線

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1臺、裝載機2臺。三臂鑿巖臺車最快速度可達3～5 m/min，大斷面施工，180個炮眼，可1.5 h完成。4 m一循環平均用時3.5 h。達到的有益效果是外插角度統一，光面爆破效果良好。

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

圖1 地質破碎段采用銑挖機作業

2.3 初支作業線

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

針對隧道施工少人化、無人化的發展趨勢，在軟弱圍巖地段進行了“無人化”隧道立拱臺車系統的工藝試驗（見圖2）。該方法可實現減少作業人員、降低施工安全隱患、降低勞動強度、提高工效及施工質量等目標。

圖2 “無人化”立拱臺車系統

2.4 仰拱作業線

配備了24 m自行式液壓仰拱棧橋，可實現鋼筋綁扎、混凝土澆筑、養護等多工序同步作業；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，確保止水帶居中、順直、無變形及褶皺，提升施工質量。

與傳統簡易棧橋相比，液壓自行式棧橋在實際運用中具有以下特點：

（1）承載力大，安全穩定，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、后橫移機構，液壓自平衡系統，能夠實現自動縱移、起升降落、自動橫移，無需裝載機、挖掘機等外部動力設備支持，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、節省勞動力及降低工人的勞動強度。

2.5 防水板作業線

配備全自動防水板鋪掛臺車1臺，可實現防水板自動提升及鋼筋精準定位。防水板鋪設利用環向滾軸帶動整卷防水板運動鋪設，滿足寬幅防水板鋪設需要，松弛度易控制，有效提高了防水板防水質量。同時可鋪設防水板幅寬放大至6 m，減少防水板焊縫，提高防水效果。防水板鋪設與襯砌鋼筋綁扎合二為一，可實現防水板鋪設與鋼筋綁扎平行作業，提高施工速度；設置了鋼筋精準定位裝置，提高了鋼筋綁扎精度。

2.6 襯砌作業線

配備襯砌臺車1臺、帶模注漿機1臺。混凝土通過自動布料小車，分層分窗入模，逐窗振搗，確保襯砌質量；對襯砌臺車拱頂開孔，安裝PRC注漿管，使用帶模注漿機注漿，同時配置防脫空報警系統，解決拱頂脫空問題；安裝二次襯砌澆筑可視化系統，對沖頂過程進行全過程監控，確保沖頂密實。

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

2.7 養護作業線

配備多功能養護臺車1臺，噴淋養護臺車配置水箱、水管、噴淋、電纜卷筒等裝置，可實現長距離、不間斷往返養護，同時作為敲擊檢測臺車使用，及時進行襯砌缺陷處理。養護臺車具備電纜自動收放和自動導向行走系統，移動靈活，操作方便。采用噴淋及霧炮2組養護系統，養護范圍全環無死角，使隧道襯砌得到了較好的養生效果，對混凝土強度增長起到了積極的促進作用。

2.8 水溝電纜槽作業線

配備移動模架臺車，每次澆筑可實現左右側三溝同時一次成型，與傳統組合式模版相比，人員減少50%，工效提高2倍，且外觀質量得到了有效保證。

2.9 施工組織設計

針對新烏鞘嶺隧道地質條件及智能化機械化施工需要，對施工組織設計進行優化，施工過程中盡可能采用新工藝工法，積極開展技術創新，將創新成果全面應用到工程實踐中，提升工效，保證工期。具體包括以下9個方面：

（1）優化開挖方案。從施工效應出發，為加快施工進度，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備監測圍巖狀態，各臺階初期支護均應及時封閉，隧道二次襯砌仰拱緊跟開挖面。

（2）增大預留變形量。在進入軟巖大變形地段，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大。

（3）加強超前支護。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管注漿進行超前支護。無水段采用水泥漿，滲水段采用水泥水玻璃雙液漿。

（4）加強初期支護。在軟弱圍巖段，采用加大斷面的型鋼拱架代替原設計拱架、減少拱架間距、加強拱架之間的連接、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初期支護。

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

（6）增加臨時仰拱。采用臨時仰拱，使各分步開挖斷面初期支護及時封閉成環。

（7）加強二次襯砌。為保證后期運營安全，對出現變形的地段，二次襯砌厚度加厚。針對仰拱隆起和中心水溝存在薄弱點的情況，在此段采用加密鋼筋間距。

（8）對于軟巖施工，首先應從掌子面開挖控制，控制開挖進尺，縮小鋼拱架間距，連接筋加密，拱腳墊實，增加鎖腳錨管和超前小導管的根數及有效長度，單工序進行施工，必要時采用擴大拱腳和加設鎖腳錨管來控制。在加強初期支護質量的同時，仰拱的盡早成環、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。施工過程中結合項目工期、圍巖狀態，采用信息化技術對施工工效、資源配置狀態、成本控制等方面數據進行綜合分析，為現場施工組織提供科學支撐，以便管理人員及時對現場施工進行調整和優化。

3 工程管理信息化技術應用

3.1 二維碼技術應用

在新烏鞘嶺隧道施工中，管理人員在對施工人員進行“面對面”交底的基礎上，進一步優化創新，將技術交底以二維碼形式張貼在隧道洞內，所有人員通過手機微信掃描即可查看，極大方便了作業人員，同時也提高了現場技術人員的工作效率，易于把控質量。

對管理人員現場檢查應用二維碼技術進行管控，人員檢查現場情況納入云平臺管理，確保了管理人員管控現場質量。

3.2 智慧工地系統建設

綜合運用項目已建立的BIM、GIS、監控系統等，與一線施工生產過程融合，對施工生產、項目管理、技術等管理過程加以改造，提高工地現場的生產效率、管理效率和決策能力，實現工程項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合隧道工程建設相關的國家、行業、地方標準、規范而開發的綜合管理平臺。平臺依托信息技術手段，提高建設管理效率與管理水平，充分發揮BIM在隧道工程建設施工管理過程中的效能，為項目管理部門開展管理工作提供多元、動態、可視化聯動的協同智慧應用，有效改變傳統的管理模式，實現建設施工管理全部數據的終端存儲，達到數據共享的目的，進一步提高建設、管理水平（見圖4）。

圖3 新烏鞘嶺隧道智慧工地系統

圖4 隧道施工BIM管理平臺

3.3 視頻對講系統

針對斜井及主洞內網絡信號無法全部覆蓋的實際情況，施工單位在洞內每隔300 m設置了視頻對講系統，可實現通訊對講、播放音樂、定時安全提醒等功能，以達到緩解工人工作壓力、改善洞內工作環境、體現人文關懷的目的。

3.4 人員及車輛定位信息化

通過人員及車輛位置定位設備對隧道內施工人員和車輛進行實時定位，能夠準確反映隧道內人員和車輛的數量、活動軌跡及分布情況。能夠準確統計全隧道或某個區域的人員和車輛，并且將采集到的數據及時上傳到管理平臺，便于人員及車輛的日常管理（見圖5）。

在施工人員管理方面，落實建筑工人實名制管理辦法，所有進洞人員按一人一檔進行電子建檔，配備專用定位設備，做到實時、實名制管理。

圖5 人員及車輛定位系統

3.5 隧道門禁管理系統

常規的門禁系統僅具有人臉識別功能，為加強施工及管理人員的日常安全教育培訓，對門禁系統進行了創新改造，開發安裝了信息化、智慧化的“闖關答題”安全管理系統，所有施工及管理人員的信息提前錄入電腦，建立隧道施工作業人員數據庫，每人須答對3道題才能進入，答題周期為24 h，闖關成功后24 h內只需面部識別即可進入，超過24 h后開啟新一輪的答題闖關；該系統還實行積分制，每答對1題積2分，月積分超過規定積分的，給予一定現金或物品獎勵。

4 結論

結合新烏鞘嶺隧道工程，開展高海拔地區高風險長大隧道施工成套工藝的探索與實踐，對施工組織設計進行了針對性優化，大量采用新技術、新工藝、新工法，實現了超前地質預報、開挖、初支、仰拱、防水、襯砌、養護、水溝電纜槽等8條作業線的全工序機械化、智能化施工，結合全面信息化的工程管理系統應用，可有效提高對施工進度和施工質量的控制能力，減少施工人員數量、降低施工人員勞動強度、降低施工和維護成本，提高施工安全性、環保性。

（1）結合現有機械化設備和人員配套，臺階法施工是山嶺隧道軟弱圍巖段的最優化選擇。

（2）研發了“無人化”立拱臺車，進行了軟弱圍巖地段“無人化”施工新工法、新工藝試驗。該工法可實現減少作業人員、降低施工安全隱患、降低勞動強度、提高工效以及提高施工質量等目標。

（3）與傳統施工相比，開展隧道建造信息化、智能化的應用有利于控制施工進度和施工質量，減少施工人員數量，有效降低施工人員勞動強度，降低施工和維護成本，提高施工安全性、環保性。