高速鐵路隧道機(jī)械化修建技術(shù)創(chuàng)新與智能化建造展望

——以鄭萬高速鐵路湖北段為例

（見《隧道建設(shè)（中英文）》2018年第3期“專家論壇”，原文為中、英文）

王志堅(jiān)

鄭萬高速鐵路湖北段全長(zhǎng)約287 km， 設(shè)計(jì)行車速度為350 km/h，共有隧道32.5座（香樹灣隧道跨重慶和湖北省界），隧道總長(zhǎng)167.619 km，占本段線路總長(zhǎng)的58.4%，其中有7座隧道的長(zhǎng)度超過10 km。隧道開挖斷面面積約150 ㎡，跨度15 m，屬單洞雙線特大跨度隧道。隧道橫斷面如圖1所示，支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)見表1。隧道埋深為100~1 100 m，主要為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖，其中，隧道橫斷面Ⅳ、Ⅴ級(jí)軟弱破碎圍巖占比超過60%。

圖１  隧道橫斷面

表１  隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)

鄭萬高速鐵路湖北段隧道區(qū)域內(nèi)陸層發(fā)育較為完整，主要巖性有第四系覆蓋層、可溶巖、頁巖和紅層等；區(qū)域內(nèi)構(gòu)造運(yùn)動(dòng)頻繁、強(qiáng)烈，構(gòu)造規(guī)模巨大，多具造山運(yùn)動(dòng)性質(zhì)，褶皺、斷層廣泛發(fā)育；線路跨越漢江流域唐白河水系、長(zhǎng)江流域中下游一級(jí)和二級(jí)支干流，地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水3類；不良地質(zhì)主要為巖溶、順層偏壓、危巖落石和滑坡等。

鄭萬高速鐵路隧道機(jī)械化施工具有配套機(jī)械系統(tǒng)化、規(guī)模大等特點(diǎn)。機(jī)械配置包括常規(guī)型配置和加強(qiáng)型配置。

常規(guī)型配置主要包括風(fēng)動(dòng)鑿巖鉆機(jī)、多功能鉆爆作業(yè)臺(tái)架、混凝土濕噴機(jī)、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車和整體移動(dòng)式溝槽模板等；

加強(qiáng)型配置工作面在常規(guī)型配置的基礎(chǔ)上增設(shè)2臺(tái)三臂鑿巖臺(tái)車、1臺(tái)自行式液壓拱架安裝臺(tái)車、1臺(tái)防水板作業(yè)臺(tái)車、1臺(tái)襯砌模板臺(tái)車和1臺(tái)移動(dòng)式混凝土養(yǎng)生臺(tái)架。

隧道全工序機(jī)械配套圖如圖2所示。湖北段共有15座隧道、24個(gè)工區(qū)采用加強(qiáng)型機(jī)械配置，承擔(dān)著91.135 km的正洞施工任務(wù)；共有6座隧道采用常規(guī)型機(jī)械配置。

圖2  隧道全工序機(jī)械配套圖

采用瑞典安伯格（Amberg）技術(shù)公司生產(chǎn)的TSP203PLUS隧道超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)（如圖3所示）、瑞典MALA公司生產(chǎn)的探地雷達(dá)（如圖4所示）和全電腦三臂鑿巖臺(tái)車（如圖5所示）進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，采用3SNS-A柱塞式注漿泵（如圖6所示）進(jìn)行注漿作業(yè)。

圖３ 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)

圖4  探地雷達(dá)

圖5  全電腦三臂鑿巖臺(tái)車

圖6  3SNS-A柱塞式注漿泵

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作結(jié)合地質(zhì)調(diào)查法、TSP地震波法、地質(zhì)雷達(dá)法、超前鉆孔及加深炮孔法等多種手段，采取長(zhǎng)短結(jié)合、相互驗(yàn)證的綜合預(yù)報(bào)技術(shù)。

其中，超前鉆孔及加深炮孔法主要利用全電腦三臂鑿巖臺(tái)車進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)，進(jìn)行鉆孔作業(yè)時(shí)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)推進(jìn)速度、沖擊壓力、推進(jìn)壓力、回轉(zhuǎn)壓力、水壓力和水流量等參數(shù)，并通過MWD軟件分析復(fù)原地質(zhì)情況（MWD地質(zhì)云圖如圖7所示），形成地質(zhì)報(bào)告，由此可建立隧道大數(shù)據(jù)地質(zhì)庫。

圖7  MWD地質(zhì)云圖

掌子面超前預(yù)加固方法包括掌子面噴射混凝土封閉、掌子面玻璃纖維錨桿注漿加固、超前管棚支護(hù)和超前注漿加固等。

其中，采用高壓劈裂注漿法對(duì)V級(jí)軟弱圍巖進(jìn)行預(yù)加固時(shí)，所用機(jī)械3SNS-A柱塞式注漿泵的最大注漿壓力可達(dá)10 MPa，通過漿脈形成骨架結(jié)構(gòu)，擠密土體，有效加固了掌子面前方的軟弱圍巖。高壓劈裂注漿預(yù)加固前后效果對(duì)比如圖8所示。

(a)注漿前掌子面不穩(wěn)定

(b)注漿后掌子面穩(wěn)定

圖8  高壓劈裂注漿預(yù)加固前后效果對(duì)比圖

在機(jī)械化配置條件下，在鄭萬高速鐵路隧道施工過程中形成了全斷面（帶仰拱）、大斷面（不帶仰拱）和微臺(tái)階等新的施工工法，其特點(diǎn)及適用圍巖見表2。

表2 ３套施工工法的特點(diǎn)及適用圍巖

通過以上新工法的應(yīng)用，施工進(jìn)度比采用傳統(tǒng)分部開挖工法的計(jì)劃進(jìn)度有較大提高。新工法平均月進(jìn)尺與計(jì)劃月進(jìn)尺對(duì)比見表3。

表3  新工法平均月進(jìn)尺與計(jì)劃月進(jìn)尺對(duì)比

錨桿采用三臂鑿巖臺(tái)車或錨桿鉆注一體機(jī)施作，噴射混凝土采用濕噴機(jī)械手施作，型鋼鋼架采用自行式液壓拱架安裝臺(tái)車施作，已施作錨桿的注漿飽滿度采用LX-10M型錨桿錨固質(zhì)量檢測(cè)儀進(jìn)行檢測(cè)。

其中，預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿通過錨桿的初始張拉力飽滿注漿，有效保證了錨桿的主動(dòng)支護(hù)效果，充分發(fā)揮了圍巖的自承作用，單根錨桿所有工序用時(shí)約5 min，是傳統(tǒng)錨桿用時(shí)的1/3，大大節(jié)約了工序時(shí)間。預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿施作質(zhì)量測(cè)試如圖9所示。

(a)應(yīng)力測(cè)試

(b)注漿飽滿度測(cè)試

圖9  預(yù)應(yīng)力中空注漿錨桿施作質(zhì)量測(cè)試

寬幅防水板（寬6 m）采用長(zhǎng)12 m的防水板作業(yè)臺(tái)車（如圖10所示）進(jìn)行鋪裝，滿足了防水板寬幅鋪設(shè)要求，有效減少了接縫；通過防水板自動(dòng)提升鋪展，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了鋪設(shè)效率，同時(shí)便于熱熔墊片焊接固定，保證了施工質(zhì)量。

圖10  防水板作業(yè)臺(tái)車

在無骨架襯砌臺(tái)車的基礎(chǔ)上，研制了新型智能化襯砌臺(tái)車，其特點(diǎn)如下：

1）襯砌臺(tái)車智能化及信息化系統(tǒng)。該系統(tǒng)可自動(dòng)計(jì)算襯砌斷面澆注混凝土理論所需方量，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)襯砌混凝土灌注量、溫度和壓力；采用紅外線視頻實(shí)時(shí)監(jiān)視襯砌混凝土灌注情況，實(shí)現(xiàn)臺(tái)車搭接端限位自動(dòng)報(bào)警；采用本地及遠(yuǎn)程無線遙控液壓定位系統(tǒng)，自動(dòng)生成每個(gè)襯砌循環(huán)的數(shù)據(jù)報(bào)表。

2）自動(dòng)布料系統(tǒng)優(yōu)化。自動(dòng)布料系統(tǒng)采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)通過電機(jī)控制定位，采用PLC和無線遙控布管換位，實(shí)現(xiàn)了混凝土帶壓入模。

3）襯砌臺(tái)車振搗系統(tǒng)優(yōu)化。在襯砌臺(tái)車拱頂縱向設(shè)置4組自動(dòng)插入式振搗系統(tǒng)，保證了拱頂混凝土的密實(shí)度。

4）襯砌臺(tái)車作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化。主要優(yōu)化措施為增大爬梯安裝角度、爬梯寬度和平臺(tái)有效寬度，使施工作業(yè)更加便利。智能襯砌臺(tái)車作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化圖如圖11所示。

圖11  智能襯砌臺(tái)車作業(yè)平臺(tái)優(yōu)化圖

隧道圍巖分為洞身段和掌子面2部分。洞身段圍巖亞分級(jí)采用定性和定量2種方法，定性指標(biāo)為巖石堅(jiān)硬程度和巖體完整程度，定量指標(biāo)為圍巖基本質(zhì)量指標(biāo)BQ。

運(yùn)用掌子面地質(zhì)素描、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)以及數(shù)碼成像技術(shù)，獲取掌子面巖石堅(jiān)硬程度、巖體完整程度和地下水狀態(tài)3個(gè)指標(biāo)，將隧道掌子面穩(wěn)定性分為穩(wěn)定、較穩(wěn)定和不穩(wěn)定3類，形成掌子面穩(wěn)定性分類方法，見表4。

表4 掌子面穩(wěn)定性分類方法

基于新奧法理念，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中將圍巖和初期支護(hù)作為承載主體，承擔(dān)全部圍巖荷載，二次襯砌作為安全儲(chǔ)備。

通過隧道機(jī)械化和全斷面施工的現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)受力有如下特點(diǎn)： 

1）錨桿、型鋼鋼架、型鋼鋼架與噴射混凝土組合結(jié)構(gòu)以及格柵鋼架與噴射混凝土組合結(jié)構(gòu)均處于安全可控狀態(tài)。

2）圍巖接觸壓力值小于規(guī)范值，深埋條件下，豎向荷載約為規(guī)范值的20%；Ⅳ級(jí)圍巖時(shí)水平荷載約為規(guī)范值的80%，Ⅴ級(jí)圍巖時(shí)水平荷載約為規(guī)范值的30%；實(shí)測(cè)側(cè)壓力系數(shù)為0.8~1.0。由此表明，在機(jī)械化和全斷面施工條件下，隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)存在優(yōu)化空間。

通過數(shù)值模擬，計(jì)算隧道初期支護(hù)和二次襯砌優(yōu)化后Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖的安全性，結(jié)果滿足規(guī)范要求。隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)見表5。

表5 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)

為解決驗(yàn)工計(jì)價(jià)數(shù)據(jù)追蹤與工程實(shí)體形象、檢驗(yàn)批的關(guān)聯(lián)以及超計(jì)、超付難以控制等問題，鄭萬高鐵建設(shè)單位提出了驗(yàn)工計(jì)價(jià)的過程控制方法，其核心思想為： 依靠互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、BIM模型和精細(xì)化管理，將項(xiàng)目細(xì)分為各個(gè)過程控制單元，把每個(gè)過程控制單元與施工圖數(shù)量、工程量清單項(xiàng)、質(zhì)量檢驗(yàn)批和工程形象關(guān)聯(lián)起來。施工管理系統(tǒng)具體流程如圖12所示。

圖12  施工管理系統(tǒng)具體流程

施工信息主要包括電子工程地質(zhì)圖、鉆孔及錨桿信息、高壓注漿記錄和開挖斷面凈空測(cè)量數(shù)據(jù)等。

隧道施工數(shù)據(jù)具有采集點(diǎn)多、信息量大和實(shí)時(shí)性要求高的特點(diǎn)，通過互聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，建立隧道施工信息數(shù)據(jù)庫，按數(shù)據(jù)來源分類進(jìn)行數(shù)據(jù)存儲(chǔ)，通過網(wǎng)頁表格、圖形和曲線展示施工數(shù)據(jù)信息。施工信息采集系統(tǒng)如圖13所示。

圖13  施工信息采集系統(tǒng)

依靠施工信息采集系統(tǒng)中快速采集的超前地質(zhì)數(shù)據(jù)、圍巖收斂量測(cè)數(shù)據(jù)和隧道位移應(yīng)力數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)信息共享和預(yù)警，有利于施工方、監(jiān)理方、設(shè)計(jì)方和業(yè)主方及時(shí)了解隧道施工動(dòng)態(tài)，并采取應(yīng)對(duì)措施。

運(yùn)用混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)（如圖14所示），實(shí)現(xiàn)混凝土從原材料進(jìn)場(chǎng)到拌合站生產(chǎn)再到施工現(xiàn)場(chǎng)的全過程監(jiān)控，有效保證了混凝土質(zhì)量。

圖14  混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)

鄭萬高鐵隧道按照開挖、初期支護(hù)、襯砌和四電接口等以工序質(zhì)量為主建立評(píng)價(jià)模型，運(yùn)用施工過程檢測(cè)、工序質(zhì)量驗(yàn)收數(shù)據(jù)和第三方檢測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)工程質(zhì)量進(jìn)行定量化評(píng)價(jià)。通過將施工單位的質(zhì)量信譽(yù)評(píng)價(jià)分解到原材料質(zhì)量、實(shí)體質(zhì)量和過程控制上，運(yùn)用數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)價(jià)，使信用評(píng)價(jià)工作更加科學(xué)、公正、公開、透明。質(zhì)量信譽(yù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)具體流程如圖15所示。

圖15  質(zhì)量信譽(yù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)具體流程

根據(jù)信息管理平臺(tái)中的隧道設(shè)計(jì)、地質(zhì)預(yù)報(bào)、掌子面預(yù)加固、光面爆破、初期支護(hù)質(zhì)量和監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)等信息進(jìn)行評(píng)估后，將隧道作業(yè)面分為可控、基本可控和不可控3個(gè)類別進(jìn)行管理。施工動(dòng)態(tài)管理分類評(píng)價(jià)方法如表6所示。

表6 隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的設(shè)計(jì)參數(shù)

基于掌子面數(shù)碼成像技術(shù)和鉆孔臺(tái)車鉆進(jìn)參數(shù)等，自動(dòng)獲取隧道掌子面及超前地質(zhì)信息，據(jù)此對(duì)設(shè)計(jì)階段圍巖分級(jí)進(jìn)行驗(yàn)證，并自動(dòng)進(jìn)行施工階段圍巖亞分級(jí)；

然后，根據(jù)圍巖亞分級(jí)，自動(dòng)判定掌子面穩(wěn)定性和超前支護(hù)設(shè)計(jì)，自動(dòng)進(jìn)行爆破設(shè)計(jì)，自動(dòng)調(diào)整支護(hù)結(jié)構(gòu)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)隧道智能化、精細(xì)化動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

以機(jī)械化、信息化施工技術(shù)為基礎(chǔ)，深度融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，研發(fā)智能機(jī)器人施工技術(shù)，包括研發(fā)智能鑿巖機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)掌子面爆破孔的自動(dòng)布設(shè)、定位和鉆孔；

研發(fā)智能錨桿機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)錨桿自動(dòng)定位、自動(dòng)鉆孔、自動(dòng)安裝、自動(dòng)注漿、自動(dòng)鎖螺母和施加預(yù)應(yīng)力，并對(duì)錨桿位置和參數(shù)進(jìn)行物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)識(shí)；

研發(fā)智能噴射混凝土機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)定位、自動(dòng)3D輪廓掃描、自動(dòng)噴射混凝土、自動(dòng)噴射方量計(jì)算和自動(dòng)噴漿輪廓監(jiān)測(cè)與對(duì)比，直至滿足設(shè)計(jì)要求；

研發(fā)智能拱架安裝機(jī)器人，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)智能定位、自動(dòng)3D輪廓掃描識(shí)別欠挖、自動(dòng)拱架抓取和定位以及自動(dòng)連接鋼筋施工。

針對(duì)施工階段結(jié)構(gòu)的安全問題，開展施工階段隧道支護(hù)應(yīng)力實(shí)時(shí)自動(dòng)化監(jiān)測(cè)。

建立施工階段隧道支護(hù)三維模型，通過大數(shù)據(jù)智能化分析方法，自動(dòng)判別隧道支護(hù)的穩(wěn)定性，據(jù)此給出相應(yīng)的工程措施。

專家簡(jiǎn)介

王志堅(jiān)，教授級(jí)高級(jí)工程師，武九鐵路客運(yùn)專線湖北有限責(zé)任公司董事長(zhǎng)、總經(jīng)理。