高速公路隧道自动机械化技术应用

王祥

（中交一航局第五工程有限公司）

1 引言

高速公路隧道施工内容复杂、工程量庞大。在工期要求下，其施工效率必须得到保障，同时高速公路隧道作为交通要道组成部分，其质量对交通便利、安全等有直接影响。在此背景下，人们开始探寻施工新方法，旨在改进施工模式。

2 自动机械化技术基本概念与应用优势

2.1 基本概念

自动机械化技术就是利用自动化控制逻辑，使机械设备自动运行，由此完成一些人工难以做到，或者更快、更好完成一些工作的技术手段，该技术手段按机械设备类型，可划分为多种形式，如高速公路隧道施工中比较常见的形式有多臂凿岩台车、多功能锚杆钻机、自动挂布台车等。因为自动机械化技术形式众多，且不同形式的机械设备功能不一，所以要根据实际施工需求做出选择，选择思路为：①根据施工目标，选择对应类型的机械设备，确保设备能够帮助或独立完成施工目标；②根据施工实际情况，选择对应规格的机械设备，确保机械设备能在实际环境中顺畅运作，取得的成果在性能指标上全面达标（见图1）[1]。

图1 智能工业机器人实现自动化制造

2.2 应用优势

高速公路隧道施工中，自动机械化技术比较突出的应用优势有二：①自动机械化技术作为机械工具，不存在人工能力局限性，运作频率、时长等都远超人类，且承载力、功能性等也非常优秀，能直接完成一些人工无法直接完成的工作，因此通过自动机械化技术，能有效提高单日施工完成量；②自动机械化技术虽然是在人为控制下进行运作的，但现代很多机械设备都采取了参数化控制，能严格按照人工输入的参数化指令运作，既能保障施工的准确性，又有益于施工质量。

3 隧道施工中自动机械化技术的应用情况

3.1 前期准备

为了确保在高速公路隧道施工中能充分发挥自动机械化技术应用优势，在正式施工之前应做好相关准备工作，主要内容有：①将施工计划划分为若干环节，明确每个环节的施工目标，然后按施工目标选择具备对应功能的机械设备，同时确认机械设备规格是否符合施工现场要求，这样能确认不同机械设备在施工中的用途，为后续技术施工应用提供依据；②应采取“主备”机械设备运作管理模式，对技术应用过程进行管理，目的是避免施工时因主用设备故障而导致施工被迫暂停的情况发生，若存在成本上的困扰，可只针对使用年限较长的设备采取“主备”管理模式；③要在每个施工环节开始之前，对主用机械设备进行全面管理，确认设备是否存在故障、是否能正常运作，发现任何问题都应当直接启用备用设备，同时解决主用设备问题。

3.2 中期应用

3.2.1 多臂凿岩台车——洞身开挖

多臂凿岩台车常用于隧道施工的洞身开挖环节，主要功能是执行洞身爆破钻孔工作，该设备操作只需要1 至2 人，且无须人工干预，直接通过计算机对其进行控制即可。多臂凿岩台车应用中，先结合工程资料将隧道设计参数、爆破钻孔设计参数输入控制系统，同时开动台车使其达到工位，为确认其是否到位，可通过全站仪进行定位其坐标[2]。确认台车位置准确后，通过控制系统启动台车，台车会自动根据提前输入的信息调整作业部位的角度、位置，随之开始钻孔，钻孔过程中会对不同钻臂的切换、伸缩、位移、速率、旋转动作进行自动化控制，高精度控制钻孔角度、深度等，并同步完成掏槽眼、辅助眼、周边眼钻孔、清孔作业。最终，待钻孔完毕将自动按照装药、爆破、排险、出渣流程继续作业，若设备无法准确完成这些作业，也可通过台车指导的举升臂平台进行人工装药，后续作业流程依然可通过台车来完成。

3.2.2 湿喷机——混凝土喷射

混凝土喷射是高速公路隧道施工的重要工序，一般可通过湿喷机来完成。应用中，因为湿喷机本身并不具备制备混凝土的能力，所以可以考虑使用自动拌合站来完成混凝土制备，即按比例、顺序将混凝土原材料投放到自动拌合站中，然后设定好拌合方向、速度等参数，启动拌合站既可自动拌合，拌合完成后将混凝土装载至搅拌运输车，将混凝土运输至施工现场后继续装载至湿喷机既可。但要注意的是，混凝土运输到现场之后，应第一时间检查高压风、速凝剂泵送系统和混凝土泵送系统运作是否正常，否则会对后续喷射施工造成影响。

湿喷机操作中，应严格按照混凝土喷射流程进行：①初喷前应设定好湿喷机参数，参数项目大体包括喷射混凝土回弹量、喷射平整度、喷头位置、喷射角度、风压值等，此类参数项目对喷射效果有直接影响，建议在专业人士指导下进行设定。参数设定后应以封闭暴露岩体为主进行喷射。②复喷操作与初喷基本一致，但复喷必须紧跟支护工作进行。湿喷机操作中要注意，当湿喷机到位后，需要事前检查其电力、风管是否正常，确认正常后，建议先采用湿喷机械手喷头进行风压喷射，目的是清理作业面，以免混凝土喷射后无法附着于作业面[3]。另外，湿喷机操作之前要事前确认速凝剂掺量比例，且喷射过程中应由专人负责在控制台对速凝剂掺量进行控制，同时要通过远程操控手段对湿喷机的机械臂进行控制，以免发生安全事故。

3.2.3 多功能锚杆钻机——超前支护

隧道开挖中，开挖部分可能会在施工扰动等因素下塌陷，这具有极大的安全威胁，同时也可能发生一些质量问题。为了避免相关情况发生，需要遵从随挖随支护原则，开展超前支护工作，而人工执行该项工作同样要面临风险，且无法保障施工效率达标，故可以考虑采用自动机械化设备来执行工作。目前，可帮助执行超前支护工作的自动机械化设备为多功能锚杆钻机，是一种全液压钻孔支护设备，其移动系统多为轮式结构，移动速度可达12km/h，因此能快速完成钻孔、支护施工。多功能锚杆钻机的钻臂灵活度极佳，能自由伸缩，钻杆可双维度全角度旋转，因此完全满足隧道不同部位施工，可帮助解决人工作业时难以处理的垂直岩面难题。按多功能锚杆钻机最大规格标准，其钻孔深度可达6m，因此能帮助完成砂浆锚杆、中空注浆锚杆、缩脚锚杆、超前锚杆、超前小导管施工，部分情况下能辅助爆破钻孔、开挖处理[4]。多功能锚杆钻机应用中，先让设备就位，接通电源及水利后，按照事前放样结果对钻杆位置进行调整，然后输入指令，可使钻杆启动，钻孔到位后能自动执行锚杆安装、注浆加固等操作。

3.2.4 自行式液压仰拱栈桥——仰拱施工

仰拱施工可分为仰拱实施与填充两个环节，其中前者主要内容为仰拱开挖、拱架安装、钢筋绑扎等，后者主要内容为混凝土填充。针对该施工环节，可使用自行式液压仰拱栈桥开展工作。自行式液压仰拱栈桥是一种多功能设备，主要由栈桥桁架结构、升降支撑系统、行走系统、液压控制系统等组成，其中栈桥桁架具有很高的稳固性，在控制配件作用下能灵活移动，因此按最大规格计算，自行式液压仰拱栈桥能在12m 范围内自动完成仰拱施工[5]。仰拱填充方面，主要利用自行式液压仰拱栈桥下方的下料后进行混凝土浇筑，具体操作流程为：①确认仰拱钢筋绑扎完毕后，通过栈桥、模板拖行滑架等调节浇筑位置；②开始浇筑混凝土，浇筑过程不可中断，完成后停止自行式液压仰拱栈桥运行，但不允许移动；③待混凝土强度达到标准水平后，收缩两侧弧模，提拉模板进行拆模（见图2）。

图2 自行式液压仰拱栈桥

3.2.5 自动挂布台车——防水层施工与自动布料二衬钢模台车——二衬施工

在防水层施工中，可使用自动挂布台车自动完成工作，该设备具有移动、铺设功能，整体由液压系统支撑。应用当中，启动自动挂布台车后，该设备会在预先铺设好的钢轨上移动，达到指定位置后停止。随后通过设备铺设功能，将土工布和防水板固定在设备外围弧形轨道的起点，然后随着设备移动，土工布和防水板将沿着轨道完成铺设，最终进行固定即可[6]。为了确保自动挂布台车能够正常运作，建议在防水层施工之前，根据施工需求铺设好钢轨，并且让设备在轨道正下方就位，操作时要先确认土工布和防水板的质量，然后将两者装载至自动挂布台车上，并将两者展开1m～1.5m。

在二衬施工中，自动挂布台车能帮助完成二衬钢筋提升、定位，具体操作方式与防水层施工类似。自动挂布台车在二衬施工中，只能用于二衬钢筋提升、定位，无法用于其他工序，因此要结合其他设备来帮助完成施工。以二衬施工混凝土浇筑工序为例，可采用自动布料二衬钢模台车，该设备能自动完成模板搭建与定位、移动布料，且所有提升、移动操作全部由液压系统支撑，因此稳定性良好[4]。该设备同样需要依靠钢轨来移动，应当事前铺设好钢轨[7]。自动布料二衬钢模台车具有完善的信息化控制系统，人工可远程进行控制，并且还能通过该设备自带的传感器对混凝土温度等进行监测，发现异常可以及时调节，以保障施工质量。

4 结语

综上所述，高速公路隧道施工内容复杂、要求较高，且施工存在很多难点，因此施工难度较高，但依靠自动机械化技术，不仅能自动化高效完成各种施工目标、应对相关难点，还能保障施工人员安全与施工质量。由此可见，自动机械化技术值得在高速公路隧道施工中推广。