新乌鞘岭隧道智能化机械化施工关键技术研究与应用

马殷军

（中国铁路兰州局集团有限公司 兰州工程建设指挥部，甘肃兰州730000）

0 引言

2015年，国务院颁布《中国制造2025》，提出核心主打“中国装备”。该项战略文件为我国铁路施工智能化机械化奠定了基础。王同军［1-2］系统阐述了隧道智能建造概念与核心技术，提出BIM+GIS为核心全过程参与勘查设计、工程施工和建设管理，特别是施工中与先进设备相融合以实现精细建造。王峰［3］总结了绿色装配式智能建造的发展实践。马建军等［4］提出了2020—2035年智能建造、智能装备、智能运营关键技术装备的发展路线。王可飞等［5］以京张高铁为例，详细介绍了BIM及管理系统在建造过程中的应用。李迎九［6］则从项目管理角度出发综合运用BIM及多种传感器技术完善了中国铁路上海局集团有限公司的跨部门、跨专业信息共享。在隧道智能化建设方向，郭自敏［7］系统总结罗家山隧道机械化施工的“一洞九线”流水线作业法。王志伟等［8］报道了借助BIM完成的铁路隧道预制装配式建造。王志军等［9-10］将信息化技术应用于铁路工程施工管理。众多学者的研究工作为智能化机械化施工奠定了基础。

随着我国铁路建设主战场从东部逐步向中西部转移，超高风险地质、长距离、大埋深隧道占比越来越高，修建难度越来越大，隧道施工装备与隧道施工工法需求越来越不相适应，主要体现在现有成熟技术和装备存在可靠性不高、技术先进性较差、地质和工况适应性弱、智能化程度低等不足，无法满足超高风险地质长大隧道工程建设需要。因此，山岭隧道亟须智能化机械化建造技术。

1 工程概况

新乌鞘岭隧道工程为新建兰州—张掖三、四线铁路中川机场—武威段控制性工程，位于甘肃省武威市境内，在既有兰武二线乌鞘岭特长隧道东侧。该隧道为双线设计，全长17 125 m，最大埋深952 m，共设置6座辅助坑道。隧道兰州端洞口设计标高2 754.6 m，张掖端洞口设计标高2 491.6 m，工程处于高海拔地区，按Ⅰ级风险隧道管理。

隧道洞身通过区属于祁连山东北部中高山区，主要分布地层有第四系、新近系、白垩系及三叠系沉积岩，志留系、奥陶系变质岩，并伴有加里东晚期闪长岩侵入体。隧道通过F4～F7共4条区域性大断层，断层破碎，断裂构造发育，节理发育带可能涌水，断层破碎带和志留系千枚岩、板岩地层均会有不同程度的围岩大变形，施工安全风险大。

2 智能化机械化应用关键技术

通过调研和参考郑万铁路［7］、成兰铁路经验，在新乌鞘岭隧道开展了高海拔地区高风险长大隧道施工成套工艺的探索研究，得出山岭隧道建设机械配置情况（见表1）。

Ⅲ级围岩采用全工序机械化施工，Ⅳ级围岩完善台阶法机械化快速施工，Ⅴ级围岩采用钻注锚多功能一体机及时进行初期支护施作，实现快速封闭。机械化设备以三臂凿岩台车为主，按照超前地质预报、开挖、初支、仰拱、防水、衬砌、养护、水沟电缆槽等8条作业线进行全工序机械化施工配置。

表1 山岭隧道机械配置统计

2.1 超前地质预报线

新乌鞘岭隧道地质条件复杂，存在断层、中等富水区。为准确探明掌子面前方围岩级别及稳定性情况，采用物探法超前地质预报与超前地质钻机钻探相结合的方法。TSP方法探测最大深度100 m，地质雷达最大探测深度20 m。超前地质钻机钻探长度最大150 m，并可通过钻进速度、水压力等反应前方地质、富水情况，自动生成地质钻探成果。实际工程中，超前钻探30 m（耗时2 h）结合物探成果即可有效探明前方地质情况。

2.2 开挖作业线

采用全断面法（仰拱除外）施工，配备三臂凿岩台车2台、出渣车4台、挖掘机1台、装载机2台。三臂凿岩台车最快速度可达3～5 m/min，大断面施工，180个炮眼，可1.5 h完成。4 m一循环平均用时3.5 h。达到的有益效果是外插角度统一，光面爆破效果良好。

在采用传统开挖方式的同时，针对地质破碎、整体性较差的地质条件，现场推广铣挖机作业（见图1），工效为25 m³/h，与矿山法开挖相比，铣挖机的优势在于对围岩的扰动较小，安全可靠，同时超欠挖可得到有效控制，减少混凝土超方量。

图1 地质破碎段采用铣挖机作业

2.3 初支作业线

使用锚杆钻机1台、拱架安装台车1台、湿喷机械手1台。锚杆钻机全液压驱动，凿岩速度快，打孔定向、定深，保证锚杆孔深度、角度，不仅适用于系统锚杆钻孔，还可用于超前支护和锁脚锚管钻孔。30 m3/h湿喷机械手喷射混凝土效率高，工作范围大，无施工盲区，操作简单，操作手远离掌子面，确保了人员安全。拱架拼装机能够极大地减少人工劳动强度，提高拱架定位水平，提高安装质量。

针对隧道施工少人化、无人化的发展趋势，在软弱围岩地段进行了“无人化”隧道立拱台车系统的工艺试验（见图2）。该方法可实现减少作业人员、降低施工安全隐患、降低劳动强度、提高工效及施工质量等目标。

图2 “无人化”立拱台车系统

2.4 仰拱作业线

配备了24 m自行式液压仰拱栈桥，可实现钢筋绑扎、混凝土浇筑、养护等多工序同步作业；中心水沟模板、仰拱曲模与栈桥一体化，并配备止水带定位夹具、模板液压定位系统，确保止水带居中、顺直、无变形及褶皱，提升施工质量。

与传统简易栈桥相比，液压自行式栈桥在实际运用中具有以下特点：

（1）承载力大，安全稳定，可确保重型车辆的通行安全。

（2）配备多功能自动走行装置，前支架、后横移机构，液压自平衡系统，能够实现自动纵移、起升降落、自动横移，无需装载机、挖掘机等外部动力设备支持，自动化程度高。

（3）多功能自动走行装置能快速牵引配套的整体式仰拱模板、仰拱填充封端及中心水沟模板前移和定位，并且此装置与栈桥主桥可分开移动，便于仰拱钢筋先绑扎，后移动仰拱模架及定位，大大提高施工效率、节省劳动力及降低工人的劳动强度。

2.5 防水板作业线

配备全自动防水板铺挂台车1台，可实现防水板自动提升及钢筋精准定位。防水板铺设利用环向滚轴带动整卷防水板运动铺设，满足宽幅防水板铺设需要，松弛度易控制，有效提高了防水板防水质量。同时可铺设防水板幅宽放大至6 m，减少防水板焊缝，提高防水效果。防水板铺设与衬砌钢筋绑扎合二为一，可实现防水板铺设与钢筋绑扎平行作业，提高施工速度；设置了钢筋精准定位装置，提高了钢筋绑扎精度。

2.6 衬砌作业线

配备衬砌台车1台、带模注浆机1台。混凝土通过自动布料小车，分层分窗入模，逐窗振捣，确保衬砌质量；对衬砌台车拱顶开孔，安装PRC注浆管，使用带模注浆机注浆，同时配置防脱空报警系统，解决拱顶脱空问题；安装二次衬砌浇筑可视化系统，对冲顶过程进行全过程监控，确保冲顶密实。

自动布料带压分仓浇筑工艺，具有“结构简单、操作方便、效果优良、安全可靠”的特点，自动布料系统1次换管时间仅为3～4 min，有效降低因换管时间长可能产生砼冷缝的情况。为减少二次衬砌搭接处的闭合裂纹，在台车端头设置了10 cm软搭接。为减少施工缝处的蜂窝松散现象，在模板端头设置V形槽，减少了后期在施工缝打磨的工序。

2.7 养护作业线

配备多功能养护台车1台，喷淋养护台车配置水箱、水管、喷淋、电缆卷筒等装置，可实现长距离、不间断往返养护，同时作为敲击检测台车使用，及时进行衬砌缺陷处理。养护台车具备电缆自动收放和自动导向行走系统，移动灵活，操作方便。采用喷淋及雾炮2组养护系统，养护范围全环无死角，使隧道衬砌得到了较好的养生效果，对混凝土强度增长起到了积极的促进作用。

2.8 水沟电缆槽作业线

配备移动模架台车，每次浇筑可实现左右侧三沟同时一次成型，与传统组合式模版相比，人员减少50%，工效提高2倍，且外观质量得到了有效保证。

2.9 施工组织设计

针对新乌鞘岭隧道地质条件及智能化机械化施工需要，对施工组织设计进行优化，施工过程中尽可能采用新工艺工法，积极开展技术创新，将创新成果全面应用到工程实践中，提升工效，保证工期。具体包括以下9个方面：

（1）优化开挖方案。从施工效应出发，为加快施工进度，隧道软弱围岩大变形段可选用三台阶法或微台阶法，通过红外线装备等设备监测围岩状态，各台阶初期支护均应及时封闭，隧道二次衬砌仰拱紧跟开挖面。

（2）增大预留变形量。在进入软岩大变形地段，隧道开挖后，周边收敛和拱顶下沉较大，为保证隧道净空断面和二次衬砌厚度，需将初支开挖断面调大。

（3）加强超前支护。在隧道软岩大变形地段、断层破碎带采用大管棚或双层小导管注浆进行超前支护。无水段采用水泥浆，渗水段采用水泥水玻璃双液浆。

（4）加强初期支护。在软弱围岩段，采用加大断面的型钢拱架代替原设计拱架、减少拱架间距、加强拱架之间的连接、加长锁脚及径向锚杆长度、锁脚锚杆更换成锁脚锚管、增大喷射厚度等措施加强初期支护。

（5）采用双拱支护。软岩大变形地段，围岩自稳能力差、松散荷载较大，柔性体系的初期支护在施工后即发生较大变形，单层支护的刚度和强度已经不能控制围岩有害变形，初期支护采用双层拱架支护，增加支护刚度和强度，以抵抗围岩的变形。

（6）增加临时仰拱。采用临时仰拱，使各分步开挖断面初期支护及时封闭成环。

（7）加强二次衬砌。为保证后期运营安全，对出现变形的地段，二次衬砌厚度加厚。针对仰拱隆起和中心水沟存在薄弱点的情况，在此段采用加密钢筋间距。

（8）对于软岩施工，首先应从掌子面开挖控制，控制开挖进尺，缩小钢拱架间距，连接筋加密，拱脚垫实，增加锁脚锚管和超前小导管的根数及有效长度，单工序进行施工，必要时采用扩大拱脚和加设锁脚锚管来控制。在加强初期支护质量的同时，仰拱的尽早成环、仰拱和二次衬砌的步距紧跟也是有效控制变形的方法。

（9）在施工组织方面引入信息化管理手段辅助日常管理。施工过程中结合项目工期、围岩状态，采用信息化技术对施工工效、资源配置状态、成本控制等方面数据进行综合分析，为现场施工组织提供科学支撑，以便管理人员及时对现场施工进行调整和优化。

3 工程管理信息化技术应用

3.1 二维码技术应用

在新乌鞘岭隧道施工中，管理人员在对施工人员进行“面对面”交底的基础上，进一步优化创新，将技术交底以二维码形式张贴在隧道洞内，所有人员通过手机微信扫描即可查看，极大方便了作业人员，同时也提高了现场技术人员的工作效率，易于把控质量。

对管理人员现场检查应用二维码技术进行管控，人员检查现场情况纳入云平台管理，确保了管理人员管控现场质量。

3.2 智慧工地系统建设

综合运用项目已建立的BIM、GIS、监控系统等，与一线施工生产过程融合，对施工生产、项目管理、技术等管理过程加以改造，提高工地现场的生产效率、管理效率和决策能力，实现工程项目全过程智慧化管理（见图3）。

打造BIM+GIS信息化管理平台是结合隧道工程建设相关的国家、行业、地方标准、规范而开发的综合管理平台。平台依托信息技术手段，提高建设管理效率与管理水平，充分发挥BIM在隧道工程建设施工管理过程中的效能，为项目管理部门开展管理工作提供多元、动态、可视化联动的协同智慧应用，有效改变传统的管理模式，实现建设施工管理全部数据的终端存储，达到数据共享的目的，进一步提高建设、管理水平（见图4）。

图3 新乌鞘岭隧道智慧工地系统

图4 隧道施工BIM管理平台

3.3 视频对讲系统

针对斜井及主洞内网络信号无法全部覆盖的实际情况，施工单位在洞内每隔300 m设置了视频对讲系统，可实现通讯对讲、播放音乐、定时安全提醒等功能，以达到缓解工人工作压力、改善洞内工作环境、体现人文关怀的目的。

3.4 人员及车辆定位信息化

通过人员及车辆位置定位设备对隧道内施工人员和车辆进行实时定位，能够准确反映隧道内人员和车辆的数量、活动轨迹及分布情况。能够准确统计全隧道或某个区域的人员和车辆，并且将采集到的数据及时上传到管理平台，便于人员及车辆的日常管理（见图5）。

在施工人员管理方面，落实建筑工人实名制管理办法，所有进洞人员按一人一档进行电子建档，配备专用定位设备，做到实时、实名制管理。

图5 人员及车辆定位系统

3.5 隧道门禁管理系统

常规的门禁系统仅具有人脸识别功能，为加强施工及管理人员的日常安全教育培训，对门禁系统进行了创新改造，开发安装了信息化、智慧化的“闯关答题”安全管理系统，所有施工及管理人员的信息提前录入电脑，建立隧道施工作业人员数据库，每人须答对3道题才能进入，答题周期为24 h，闯关成功后24 h内只需面部识别即可进入，超过24 h后开启新一轮的答题闯关；该系统还实行积分制，每答对1题积2分，月积分超过规定积分的，给予一定现金或物品奖励。

4 结论

结合新乌鞘岭隧道工程，开展高海拔地区高风险长大隧道施工成套工艺的探索与实践，对施工组织设计进行了针对性优化，大量采用新技术、新工艺、新工法，实现了超前地质预报、开挖、初支、仰拱、防水、衬砌、养护、水沟电缆槽等8条作业线的全工序机械化、智能化施工，结合全面信息化的工程管理系统应用，可有效提高对施工进度和施工质量的控制能力，减少施工人员数量、降低施工人员劳动强度、降低施工和维护成本，提高施工安全性、环保性。

（1）结合现有机械化设备和人员配套，台阶法施工是山岭隧道软弱围岩段的最优化选择。

（2）研发了“无人化”立拱台车，进行了软弱围岩地段“无人化”施工新工法、新工艺试验。该工法可实现减少作业人员、降低施工安全隐患、降低劳动强度、提高工效以及提高施工质量等目标。

（3）与传统施工相比，开展隧道建造信息化、智能化的应用有利于控制施工进度和施工质量，减少施工人员数量，有效降低施工人员劳动强度，降低施工和维护成本，提高施工安全性、环保性。