基于信息化技術(shù)的高速公路隧道機(jī)械化施工

摘 要：高速公路作為連接城市與區(qū)域的重要紐帶，其建設(shè)效率與質(zhì)量直接關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與民眾出行的便捷性。隨著信息化技術(shù)的飛速進(jìn)步，將這一高科技手段融入高速公路隧道機(jī)械化施工中，已成為提升施工效率、保障作業(yè)安全、優(yōu)化資源配置的關(guān)鍵路徑。本文首先對高速公路隧道機(jī)械化施工進(jìn)行簡要介紹，接著重點(diǎn)研究信息化技術(shù)在隧道機(jī)械化施工中的應(yīng)用以及具體的施工措施，為推動高速公路隧道建設(shè)行業(yè)的現(xiàn)代化轉(zhuǎn)型提供理論依據(jù)與實(shí)踐指導(dǎo)。

關(guān)鍵詞：信息化技術(shù) 高速公路 隧道施工 機(jī)械化

隨著信息技術(shù)的飛速發(fā)展，其在各行各業(yè)的應(yīng)用日益廣泛，特別是在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域，信息化技術(shù)正逐步成為提升施工效率與質(zhì)量的關(guān)鍵驅(qū)動力。高速公路作為現(xiàn)代交通網(wǎng)絡(luò)的重要組成部分，其建設(shè)質(zhì)量直接關(guān)系到國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與民眾出行的安全便捷。隧道作為高速公路建設(shè)中的難點(diǎn)與重點(diǎn)，其機(jī)械化施工面臨著地質(zhì)復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境惡劣、施工精度要求高等諸多挑戰(zhàn)。因此，探索基于信息化技術(shù)的高速公路隧道機(jī)械化施工模式，對于優(yōu)化施工流程、提高作業(yè)安全性、降低建設(shè)成本具有重要意義。

1 高速公路隧道機(jī)械化施工概述

1.1 機(jī)械化施工設(shè)備

在高速公路隧道機(jī)械化施工中，主要設(shè)備包括鑿巖臺車、濕噴機(jī)、襯砌臺車、裝載機(jī)和運(yùn)輸車等。

鑿巖臺車是隧道開挖作業(yè)中的關(guān)鍵設(shè)備，能夠通過自動定位和鉆孔技術(shù)高效完成巖壁的鉆孔任務(wù)[1]。其自動化系統(tǒng)可以根據(jù)地質(zhì)條件實(shí)時調(diào)整鉆孔參數(shù)，確保作業(yè)精準(zhǔn)且高效，并且具備高效排渣系統(tǒng)，減少了排渣時間，提升了整體施工效率。濕噴機(jī)主要用于通過噴射混凝土對隧道的巖壁進(jìn)行加固。濕噴機(jī)具有噴射效率高、混凝土質(zhì)量均勻、回彈率低等優(yōu)點(diǎn)。襯砌臺車能夠?qū)崿F(xiàn)隧道的二次襯砌作業(yè)，采用先進(jìn)的自動化控制系統(tǒng)，能夠精準(zhǔn)控制襯砌的厚度和均勻性，有效提高襯砌施工的精度，減少人工誤差。此外，襯砌臺車還具備自動化澆筑和振動功能，確保了混凝土襯砌的密實(shí)度和整體質(zhì)量。裝載機(jī)和運(yùn)輸車在隧道施工過程中負(fù)責(zé)廢渣的清理和物料的運(yùn)輸。裝載機(jī)通過高效的裝載系統(tǒng)迅速清除隧道內(nèi)的廢渣，運(yùn)輸車則將其運(yùn)送至隧道出口，為后續(xù)施工提供了順暢的作業(yè)環(huán)境。

1.2 機(jī)械化施工流程

地質(zhì)勘探是隧道施工的基礎(chǔ)，通過地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔取樣等手段，全面分析巖層結(jié)構(gòu)、地下水分布及地震活躍度，為后續(xù)施工提供詳實(shí)的數(shù)據(jù)支持，確保施工過程中的安全性與穩(wěn)定性。進(jìn)入開挖作業(yè)階段，隧道開挖采用鑿巖臺車、爆破作業(yè)及后續(xù)清渣設(shè)備相結(jié)合的方式。鑿巖臺車通過高效的鉆孔作業(yè)為爆破提供精準(zhǔn)的孔位，爆破作業(yè)精確控制爆破參數(shù)，減少巖體破壞，確保隧道開挖的精準(zhǔn)度和安全性。開挖過程中，裝載機(jī)和運(yùn)輸車高效配合，確保隧道內(nèi)部的廢渣及時清除，為后續(xù)支護(hù)作業(yè)提供暢通的作業(yè)空間。支護(hù)作業(yè)通常通過濕噴機(jī)進(jìn)行噴射混凝土支護(hù)，形成穩(wěn)定的巖壁支護(hù)結(jié)構(gòu)。在此過程中，根據(jù)巖體類型、地下水情況等進(jìn)行支護(hù)設(shè)計，保證支護(hù)強(qiáng)度與穩(wěn)定性，防止開挖后的巖壁坍塌和水流滲漏。機(jī)械化操作大大提高了噴射混凝土的均勻性和施工速度。襯砌作業(yè)通過襯砌臺車進(jìn)行精準(zhǔn)的二次襯砌施工。襯砌臺車具備自動化澆筑、振動和切割等功能，確保襯砌層的均勻性和堅固性，為隧道提供長久的穩(wěn)定性和防護(hù)。襯砌作業(yè)需嚴(yán)格控制混凝土澆筑的厚度和密實(shí)度，以應(yīng)對長時間的使用過程中可能遭遇的壓力和外力，確保隧道結(jié)構(gòu)的安全和耐久性。

2 信息化技術(shù)在高速公路隧道機(jī)械化施工中的應(yīng)用

2.1 地質(zhì)勘探信息化

信息化技術(shù)的引入，尤其是地質(zhì)雷達(dá)和TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)，極大地改善了傳統(tǒng)勘探手段的局限性。地質(zhì)雷達(dá)作為一種無損檢測技術(shù)，通過電磁波探測地下巖層結(jié)構(gòu)，能夠?qū)Φ刭|(zhì)層的密實(shí)度、裂隙、地下水等進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測。與傳統(tǒng)的鉆探方法相比，地質(zhì)雷達(dá)能夠在不破壞地下結(jié)構(gòu)的情況下，快速獲取周邊地質(zhì)的詳細(xì)數(shù)據(jù)，并且其實(shí)時性使得施工人員能夠及時掌握地質(zhì)變化的情況，提前采取應(yīng)對措施。TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)則通過監(jiān)測隧道開挖過程中地質(zhì)體的應(yīng)力變化，提前預(yù)警可能出現(xiàn)的巖爆、塌方等危險情況，為施工提供實(shí)時動態(tài)的地質(zhì)預(yù)報。這些信息化技術(shù)通過精確探測、動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，為施工方案的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。與此同時，信息化技術(shù)的應(yīng)用不僅提高了勘探數(shù)據(jù)的處理效率，還降低了人為誤差的可能性，確保了地質(zhì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。通過先進(jìn)的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)對大量勘探數(shù)據(jù)的自動化整理、分析和可視化展示，為工程技術(shù)人員提供直觀、可靠的地質(zhì)信息。

2.2 施工監(jiān)控信息化

隧道施工機(jī)械化設(shè)備配備的監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r采集設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括機(jī)械負(fù)荷、動力輸出、振動強(qiáng)度、溫度變化等信息。這些數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)傳輸至集中監(jiān)控平臺，為工程管理人員提供了全面的設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)，確保設(shè)備在最佳工況下運(yùn)行，減少了因設(shè)備故障或超負(fù)荷工作而導(dǎo)致的停工風(fēng)險。此外，通過對施工環(huán)境的實(shí)時監(jiān)控，信息化系統(tǒng)能夠及時獲取隧道內(nèi)的溫濕度、氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，確保施工區(qū)域的安全性。例如，在隧道掘進(jìn)過程中，信息化技術(shù)能夠?qū)崟r監(jiān)測隧道內(nèi)是否存在有害氣體，并及時提醒操作人員進(jìn)行通風(fēng)處理，從而有效避免中毒事件的發(fā)生。其次，施工監(jiān)控信息化通過結(jié)合GPS、激光掃描和無人機(jī)等技術(shù)，能夠?qū)λ淼篱_挖的進(jìn)度和地質(zhì)變化進(jìn)行精確測量，生成實(shí)時的三維模型和工程進(jìn)度圖。通過數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)能夠?yàn)槭┕し桨傅膬?yōu)化提供決策支持，實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)的資源調(diào)度與人員管理，提高了整體施工的科學(xué)性和精確性。同時，施工監(jiān)控信息化還為工程質(zhì)量控制提供了有力保障，施工過程中每一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)都能夠?qū)崟r記錄并存檔，形成完整的施工數(shù)據(jù)鏈條，為后期的質(zhì)量驗(yàn)收與維護(hù)提供可靠依據(jù)[2]。

2.3 施工管理信息化

通過搭建集成化的管理平臺，信息化技術(shù)將隧道施工過程中的各個環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了全面的數(shù)字化和自動化管理。具體應(yīng)用體現(xiàn)在施工現(xiàn)場資源調(diào)度、進(jìn)度控制、質(zhì)量監(jiān)控和安全管理等多個方面。

施工管理信息化平臺能夠?qū)崟r監(jiān)控工程進(jìn)度。借助物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)與無線傳感器，平臺對施工機(jī)械、人員以及材料的實(shí)時位置和狀態(tài)進(jìn)行跟蹤，確保各項(xiàng)工作有序進(jìn)行。系統(tǒng)通過GPS定位與GIS地圖結(jié)合，精準(zhǔn)獲取機(jī)械設(shè)備、材料運(yùn)輸車和施工人員的實(shí)時位置，從而實(shí)現(xiàn)高效的調(diào)度與資源配置。通過對施工計劃與實(shí)際進(jìn)度的比對，管理人員可以及時調(diào)整施工方案，避免延誤和資源浪費(fèi)。

信息化平臺在質(zhì)量管理中的應(yīng)用，主要體現(xiàn)在通過傳感器采集機(jī)械設(shè)備運(yùn)行參數(shù)和施工環(huán)境數(shù)據(jù)，實(shí)時監(jiān)測施工過程中的關(guān)鍵質(zhì)量指標(biāo)。例如，混凝土噴射質(zhì)量、隧道支護(hù)效果等重要數(shù)據(jù)通過實(shí)時反饋，幫助施工團(tuán)隊(duì)及時發(fā)現(xiàn)問題并調(diào)整作業(yè)方式，確保工程質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)。

此外，信息化系統(tǒng)還可將質(zhì)量數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，利用大數(shù)據(jù)技術(shù)發(fā)現(xiàn)潛在的質(zhì)量風(fēng)險，進(jìn)行智能預(yù)警，避免工程中途出現(xiàn)質(zhì)量問題。安全管理方面，信息化技術(shù)通過在機(jī)械設(shè)備和作業(yè)區(qū)域內(nèi)布設(shè)傳感器，監(jiān)控施工環(huán)境中的溫濕度、氣體濃度等重要指標(biāo)，實(shí)時預(yù)警施工現(xiàn)場可能發(fā)生的安全隱患。

3 基于信息化技術(shù)的高速公路隧道機(jī)械化施工措施

3.1 超前地質(zhì)預(yù)報與信息化監(jiān)測

施工過程中，超前地質(zhì)預(yù)報主要依托地質(zhì)雷達(dá)、鉆孔取樣、遙感技術(shù)、三維建模等多種技術(shù)手段，進(jìn)行隧道前方地質(zhì)條件的實(shí)時監(jiān)測與預(yù)測。通過地質(zhì)雷達(dá)探測隧道前方巖體的結(jié)構(gòu)和構(gòu)造，結(jié)合鉆孔取樣數(shù)據(jù)，能夠準(zhǔn)確判斷地下的巖土性質(zhì)、含水層分布以及可能的破碎帶或不良地質(zhì)體。遙感技術(shù)則通過對隧道周邊區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測，獲取更大范圍的地質(zhì)信息，為施工決策提供有力支持。此外，三維地質(zhì)建模技術(shù)可以將采集到的地質(zhì)數(shù)據(jù)進(jìn)行可視化處理，生成精確的三維地質(zhì)模型，施工人員可以在施工前進(jìn)行虛擬仿真與風(fēng)險分析，提前識別潛在的危險區(qū)域，從而優(yōu)化施工方案和進(jìn)度安排。

信息化監(jiān)測則通過構(gòu)建完善的傳感器網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時采集并傳輸隧道施工過程中的各類數(shù)據(jù)，為施工提供動態(tài)的監(jiān)控與決策支持。隧道壁、支護(hù)結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵作業(yè)區(qū)域布設(shè)的傳感器能夠?qū)崟r監(jiān)測巖體變形、氣體濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，保證施工過程中的數(shù)據(jù)采集完整與準(zhǔn)確。通過數(shù)據(jù)融合與大數(shù)據(jù)分析，信息化監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以對施工環(huán)境進(jìn)行實(shí)時分析，還能夠基于歷史數(shù)據(jù)進(jìn)行趨勢預(yù)測，提前識別潛在的地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險。智能算法在處理監(jiān)測數(shù)據(jù)時，可以分析地下水位波動、巖體變形、支護(hù)結(jié)構(gòu)應(yīng)力等因素，綜合評估施工過程中的安全風(fēng)險，確保提前預(yù)警和及時干預(yù)。例如，在遇到高壓水層或軟弱巖層時，信息化系統(tǒng)能夠通過實(shí)時數(shù)據(jù)與預(yù)測模型，調(diào)整施工方法，優(yōu)化機(jī)械配置，確保安全作業(yè)并減少機(jī)械故障的發(fā)生[3]。

3.2 開挖作業(yè)機(jī)械化與智能化控制

采用隧道掘進(jìn)機(jī)（TBM）作為主力設(shè)備，通過精準(zhǔn)控制機(jī)械刀盤的轉(zhuǎn)速與切削深度，能夠在復(fù)雜地質(zhì)條件下保持高效穩(wěn)定的開挖速度，避免因地質(zhì)突變而導(dǎo)致的施工中斷。此外，采用頂管機(jī)、盾構(gòu)機(jī)等專用機(jī)械設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)大斷面、深埋深度的隧道施工，確保隧道內(nèi)外環(huán)境不受影響，同時提升施工的連續(xù)性與穩(wěn)定性。智能化控制則通過信息技術(shù)實(shí)時監(jiān)控機(jī)械設(shè)備的狀態(tài)與施工環(huán)境，自動調(diào)節(jié)設(shè)備運(yùn)行參數(shù)，從而優(yōu)化施工過程。具體措施包括利用地質(zhì)雷達(dá)、激光掃描、傳感器等設(shè)備實(shí)時采集施工區(qū)域的地質(zhì)信息與設(shè)備狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析預(yù)測施工進(jìn)度與潛在風(fēng)險。通過與施工設(shè)備的智能控制系統(tǒng)聯(lián)動，能夠自動調(diào)整開挖機(jī)械的切削速度、刀盤角度以及推進(jìn)力等關(guān)鍵參數(shù)，適應(yīng)不同地質(zhì)條件的變化，保證開挖作業(yè)在最優(yōu)參數(shù)下運(yùn)行，從而提高施工效率與精度。在高風(fēng)險區(qū)域，如軟弱地層或涌水地區(qū)，智能化系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)測到不良地質(zhì)體的出現(xiàn)，通過調(diào)整施工方案、優(yōu)化開挖路徑，確保隧道的開挖作業(yè)不受影響。此外，智能化控制系統(tǒng)還可通過人工智能算法分析地質(zhì)數(shù)據(jù)與施工環(huán)境信息，自動預(yù)警潛在的風(fēng)險點(diǎn)，如巖體變形、氣體泄漏等異常情況，提供決策支持，指導(dǎo)現(xiàn)場操作人員進(jìn)行及時干預(yù)。與此同時，信息化技術(shù)的應(yīng)用使得遠(yuǎn)程控制成為可能，在惡劣或危險的環(huán)境中，施工人員無需直接參與危險作業(yè)，可通過遠(yuǎn)程終端實(shí)時監(jiān)控設(shè)備狀態(tài)，進(jìn)行操作控制。

3.3 支護(hù)作業(yè)自動化與高效噴射技術(shù)

在具體施工中，支護(hù)作業(yè)通常采用了液壓支架、鋼拱架等設(shè)備，通過智能控制系統(tǒng)進(jìn)行自動調(diào)節(jié)，確保支護(hù)力與開挖進(jìn)度匹配，避免因人為操作導(dǎo)致的施工誤差和時間延誤。通過集成傳感器技術(shù)，可以實(shí)時監(jiān)測隧道內(nèi)的地質(zhì)變化、支護(hù)力的分布及其變化情況，從而自動調(diào)整支架位置、支護(hù)力大小和支撐時間，最大程度地提高支護(hù)效果并減少人工干預(yù)[4]。支護(hù)系統(tǒng)的自動化還能夠有效應(yīng)對不良地質(zhì)條件，在軟弱地層或破碎巖體中，自動化支護(hù)系統(tǒng)通過快速響應(yīng)與實(shí)時反饋機(jī)制，調(diào)整支護(hù)方案，確保隧道施工的安全性與穩(wěn)定性。與支護(hù)作業(yè)密切相關(guān)的是噴射技術(shù)，噴射混凝土（即噴漿）技術(shù)在高速公路隧道施工中得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在隧道開挖初期，噴射混凝土能夠?yàn)樗淼捞峁┡R時支護(hù)，防止圍巖變形和塌方。高效噴射技術(shù)在施工過程中，通過采用高壓噴射設(shè)備和自動化噴漿機(jī)器人，能夠?qū)崿F(xiàn)精準(zhǔn)的噴射量與噴射角度控制，從而大大提高噴射效果與效率。自動化噴射系統(tǒng)通過集成傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)圍巖的實(shí)際情況自動調(diào)節(jié)噴射壓力、噴射速率和混凝土配比，確保噴射作業(yè)的均勻性和穩(wěn)定性。此技術(shù)不僅可以減少人工操作的風(fēng)險，還能夠提高施工速度，縮短施工周期，降低施工成本。此外，噴射作業(yè)過程中，智能化監(jiān)測系統(tǒng)能夠?qū)崟r監(jiān)控噴射層的質(zhì)量，通過圖像識別技術(shù)和厚度檢測系統(tǒng)，自動評估噴射層的均勻性與厚度，確保噴漿質(zhì)量達(dá)到設(shè)計要求。

3.4 施工資源配置與信息化管理

在施工資源配置方面，信息化技術(shù)為各類施工設(shè)備的調(diào)度和管理提供了精準(zhǔn)的數(shù)據(jù)支持。通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，將隧道施工設(shè)備、機(jī)械、材料、人員等資源進(jìn)行數(shù)字化管理，實(shí)現(xiàn)資源的實(shí)時監(jiān)控和動態(tài)調(diào)配。例如，可以通過信息化系統(tǒng)實(shí)時獲取隧道掘進(jìn)機(jī)的位置、掘進(jìn)進(jìn)度、刀盤磨損情況等數(shù)據(jù)，為機(jī)械設(shè)備的維護(hù)保養(yǎng)和資源調(diào)度提供依據(jù)。此外，信息化技術(shù)還可以對施工現(xiàn)場的物料進(jìn)行自動化管理，結(jié)合物料追蹤系統(tǒng)，能夠?qū)崟r掌握各類施工材料的庫存情況、使用進(jìn)度以及施工現(xiàn)場的物料需求，避免物資浪費(fèi)或供應(yīng)不足，確保施工過程的順暢進(jìn)行。施工人員的管理同樣是信息化技術(shù)應(yīng)用的重要組成部分。通過信息化手段，可以實(shí)現(xiàn)施工人員的實(shí)時定位、考勤管理、工作任務(wù)安排等，為施工隊(duì)伍的高效協(xié)作提供保障[5]。

信息化技術(shù)在隧道施工中的具體應(yīng)用也涵蓋了多個方面。例如，在隧道開挖階段，可以通過BIM（建筑信息模型）技術(shù)建立三維施工模型，對隧道結(jié)構(gòu)進(jìn)行虛擬仿真，預(yù)測施工過程中可能出現(xiàn)的問題，從而采取相應(yīng)的預(yù)防措施。BIM技術(shù)還能在施工過程中提供實(shí)時數(shù)據(jù)支持，幫助施工人員快速定位問題并進(jìn)行調(diào)整。在隧道內(nèi)的通風(fēng)、排水、電力等系統(tǒng)施工中，信息化技術(shù)通過建立施工管理平臺，可以對施工進(jìn)度、資源消耗、人員安全等信息進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控和分析。通過集成系統(tǒng)，施工人員可以即時獲取各類參數(shù)，做出快速響應(yīng)，避免了傳統(tǒng)施工方法中由于信息滯后而造成的施工問題。

4 結(jié)語

綜上所述，基于信息化技術(shù)的高速公路隧道機(jī)械化施工，不僅是對傳統(tǒng)施工模式的革新，更是對未來智慧交通建設(shè)的一次重要探索。通過本文的研究，我們深刻認(rèn)識到信息化技術(shù)在提升施工效率、優(yōu)化資源配置、保障作業(yè)安全等方面的巨大潛力。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步與應(yīng)用的深化，高速公路隧道施工將變得更加智能化、高效化，為建設(shè)更加安全、便捷、綠色的交通網(wǎng)絡(luò)奠定堅實(shí)基礎(chǔ)。

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