高速公路隧道机械化施工技术探讨

官鹏

（广中江高速公路项目管理处 广东江门 529000）

0 引言

随着基础建设热潮到来，工程规模将越来越大，技术难度也越来越高。以隧道施工为例，面对如何提升作业工效、提高安全系数、改善作业环境、降低作业强度，保证工程质量，有效节约资源这些施工中的重点和难点，传统、粗放的“人海战术”已然无法应对，而隧道机械化施工能有效的解决，并已经成为新形式下隧道施工的主流。

近年来，隧道工程建设取得质的发展，主要体现在两个方面：①施工方法的发展。得益于岩土、岩石力学等学科研究的进步，隧道工程建设施工工艺革新迅速，在充分梳理、分析相关工程实践经验及效果的基础上，提出了适用于现代公路隧道施工的新奥法、挪威法和浅埋暗挖法等先进的施工方法，并在山岭隧道施工中广泛应用、效果良好，极大的提升了隧道施工安全保障水平和施工效率。②施工设备的发展。推广先进的施工工艺必须以配套相应的设备为前提和保障，因此在施工方法发展的同时，隧道施工机械设备也在同步革新和提高，利用最新技术研发的TBM掘进机、凿岩台车和盾构机适用于不同地质条件岩层，不仅提高了作业作效率，而且质量可靠、安全有保障；通过研发全液压钻孔台车、液压衬砌台车和一些大型装载机械，极大的提高了掘进速度和施工效率；通过利用新型爆破设备，不仅更好的控制爆破效率和范围，而且大幅提升了施工安全性，同时改善了施工作业环境。

综上，隧道机械化施工具有以下优势：①提高施工作业效率，加快施工进度，降低施工成本；②适应大断面、复杂地质条件等工程技术要求，保障工程质量，提高施工作业安全性，改善施工环境；③节约施工组织设计中的劳动力需求，解放劳动生产力，优化社会资源配置。

目前，国内隧道机械化施工已经形成了多种机械化施工成套技术和设备配套模式，满足超前地质预报、钻爆开挖、喷锚支护、仰拱、防排水、二次衬砌、排水沟电缆沟、空洞检测作业等机械化连续施工。

随着新基建时代的到来，在平安百年品质工程、绿色公路等行业建设要求下，公路隧道建设面临着断面更大、地质条件更复杂、工程质量要求更严格、施工安全与环保要求更高等特点，隧道工程机械化施工既是满足工程进度、质量、安全需要的现实要求，也是符合时代发展趋势的必然技术选择。

此外，随着大数据、物联网、移动互联网等数字技术的发展，隧道机械化施工与数字化管理也逐步有机结合起来。本文通过对公路隧道机械化施工设备配置及数字化管理进行研究，进一步丰富隧道机械化施工内涵，保证施工的安全、质量、工期和效益，并为新装备、新工艺的研究和应用提供理论参考和建议，进而提升隧道施工技术水平。

1 隧道机械化施工

1.1 机械化施工工法

施工设备选配时，应满足设备安全性、生产力要强、稳定性要高的技术要求。隧道机械化施工工法包括用机械钻孔代替人工钻孔，用叉车作业代替人工立架，用二氧化碳爆破代替炸药爆破，用喷膜防水代替传统防水等，极大的提高了施工效率，改善了作业环境，降低了施工风险，提高了工程质量。

1.1.1 挖改钻代替人工钻孔

采用挖改钻机进行钻孔作业，该钻机高频冲击配合超高冲击能大大提高了钻进速度，在开挖作业时仅需两台“挖改钻机”同时作业就可超过传统20人同时开钻的作业速度，使用该钻机可有效减少掌子面的作业人数，降低伤亡风险，提高工作效率。

图1 挖改钻机

1.1.2 叉车替代台车作业

引进叉车进行装药、立架、挂网作业。该叉车具备良好的越野能力，性能稳定，操作性好，相较于传统的台架作业方法，曼尼通叉车能有效减小作业占用空间，减少作业人员数量，在辅助隧道施工方面具有明显优势。

图2 叉车

1.1.3 二氧化碳爆破

在公路隧道施工中引入二氧化碳爆破。该方法利用液态二氧化碳吸热膨胀压力迅速增大的原理对围岩致裂，避免了传统化学炸药爆破时震动大、危险性高、产生大量有害气体的缺点，具有安全环保经济快速的特点，能起到保护围岩、改善施工环境的作用。

图3 二氧化碳爆破

1.1.4 喷膜防水替代传统防水板

公路隧道渗漏水是隧道工程的质量通病之一，隧道的复合式衬砌防水大多采用防水卷材，但效果并不乐观。近年来部公路院、西南交大、山东大学一些学者对隧道喷膜防水技术进行研究和工程应用。

强粘合性隧道喷膜防水技术采用合成胶乳作为喷涂成型胶膜主材，热塑型橡胶改性乳化沥青作为辅材，通过喷涂工艺在表面瞬间凝结，实现对异型结构的全无缝整体防水。该技术喷涂膜厚度1～4mm，一次成膜，省时、省力、高效，并保持胶膜良好的均匀性、现场适应性强，基层条件要求宽泛，施工条件不苛刻，适合各种异型基面。

该技术在实际应用过程中，会遇到冬季施工的问题，由于材料配方中含有乳化沥青，因此，当施工环境温度低于5℃以下时就不能进行施工，为了克服冬季施工的问题，需要尝试采用部分冰点较低的物质作为溶剂，这将在以后的后续研发过程中进行深入研究。

图4 喷膜施工

1.1.5 分离式二衬台车施工

采用分离式二衬台车进行机械化施工，优化了施工工艺，确保了施工质量，增加了安全系数。应用分离式二衬台车，如图5所示。采用增设附着振捣器-排气孔的工艺，确保二次衬砌混凝土浇筑密实，防止二衬脱空，如图6所示。采用二衬喷雾养生工艺，确保混凝土质量，同时改进了隧道二衬混凝土养护喷雾台车。

图5 分离式二衬台车

图6 二衬防脱空工艺（增设附着振捣器-排气孔）

1.2 数字化施工管理模式

数字化施工管理的合理性及有效性是机械化施工的安全、质量、效率的有力保证。充分依托互联网+、物联网、大数据、BIM等技术打造数字化隧道施工平台，完善机电系统（包括监控系统、火灾报警与消防系统、通风排烟系统等）保障隧道运营安全，实现数字化隧道施工管理模式。

1.2.1 隧道进洞“ETC”管理

人员进洞采用地铁进站式管理，该门禁监控系统会在人员刷卡的同时进行人脸识别拍照存储该条进洞信息，最后以图文结合的方式反应人员进出信息，实现无纸化登记。采用高速公路ETC模式对进出洞车辆进行登记管理，提高管理效率。

1.2.2 隧道视频监控

通过建立隧道监控视频系统，实现施工管理管空间全面覆盖、时间全部天候、既分门别类、又有所侧重。视频监控系统可随时动态掌握隧道掌子面作业人数、作业时间、通风量、氧气含量及CO等有害气体分布等关键信息。信息化管理上建立基于物联网系统的施工设备机具协同远程调度系统。施工作业各要素高度集成、远程控制、协同配合、提高工效、节约能源。

图7 隧道信息全数字化显示

1.2.3 人员定位系统

通过BIM技术的运用，实现了人员、设备实时精准定位，在紧急情况发生时准确掌握人员设备位置和数量。

图8 隧道人员定位系统

1.2.4 洞内设备远程控制平台

隧道视频监控不仅能实现监控功能，还能实现远程控制。通过洞内设备远程控制平台，实现了隧道空压机、轴流风机、射流风机等大型设备的远程无线控制。

2 结论

通过机械化施工和数字化管理不仅确保施工作业质量，而且大幅提高了施工作业效率，加快了施工进度，同时有效保障了施工的安全性，并显著改善了隧道内施工作业环境条件，保护现场作业人员身心健康。