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如何推進高鐵隧道建造機械化、信息化、智能化

發布時間:

高速鐵路隧道機械化修建技術創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(中英文)》2018年第3期“專家論壇”,原文為中、英文

王志堅

導語

為實現鄭萬高速鐵路湖北段隧道安全、快速、高質量修建,開展全工序大型機械配套條件下的施工技術、結構設計和信息化管理等一系列探索和創新: 

1)形成一套基于大型機械化的超前地質預報、掌子面超前預加固、隧道全斷面機械開挖工法、初期支護機械化施工、寬幅防水板作業臺車鋪裝和智能襯砌臺車的全斷面機械化施工技術; 

2)基于機械化施工技術,建立隧道圍巖穩定性分級方法,并在新奧法理念指導下,優化隧道支護結構設計參數; 

3)建立隧道施工管理系統、施工信息采集系統、施工安全管理系統、混凝土拌合站質量管理系統、質量信譽評價系統以及施工動態管理系統等,以對隧道施工進行信息化管理。

最后,在隧道機械化、信息化修建技術的基礎上,從隧道支護體系智能動態設計系統隧道支護體系智能機器人施工技術隧道結構智能化監測系統等方面對隧道智能化修建技術進行探索和展望,以期將我國隧道建設水平推向新高度。




(3分鐘展現全機械化高鐵隧道是怎樣練成的!)


引言

目前在我國隧道建設中,TBM法和盾構法基本上已經實現工廠化施工,而山嶺隧道鉆爆法施工的機械化、信息化、智能化水平相對較低。

通過近年來不斷地探索和實踐,我國隧道建設從單一工序機械化施工逐步轉向全工序機械化施工,機械化水平不斷提高但應用范圍主要局限于Ⅱ、Ⅲ級圍巖,對于Ⅳ、Ⅴ級軟弱圍巖并未實現機械化配套條件下的全斷面施工,因此對隧道施工進度的提升并不顯著。

山嶺隧道施工信息化管理方面,雖然建設了一些信息化管理平臺,但是與實際工程結合不緊密,覆蓋范圍較小,整體水平不高,在工程建設應用中造成施工信息采集不全面,施工質量監控不到位,施工安全預警不及時,對于施工單位質量信譽也不能進行客觀科學的評價

針對我國隧道建設機械化、信息化水平不高的問題,鄭萬高速鐵路隧道建設開展了全工序大型機械配套條件下的施工技術結構設計和信息化管理等一系列探索和創新。


1

工程概述

鄭萬高速鐵路湖北段全長約287 km, 設計行車速度為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167.619 km,占本段線路總長的58.4%,其中有7座隧道的長度超過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,支護結構設計參數見表1。隧道埋深為100~1 100 m,主要為Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖,其中,隧道橫斷面Ⅳ、Ⅴ級軟弱破碎圍巖占比超過60%

圖1  隧道橫斷面

表1  隧道支護結構設計參數

鄭萬高速鐵路湖北段隧道區域內地層發育較為完整,主要巖性有第四系覆蓋層、可溶巖、頁巖和紅層等;區域內構造運動頻繁、強烈,構造規模巨大,多具造山運動性質,褶皺、斷層廣泛發育;線路跨越漢江流域唐白河水系、長江流域中下游一級和二級支干流,地下水主要有第四系孔隙水、基巖裂隙水及巖溶水3類;不良地質主要為巖溶、順層偏壓、危巖落石和滑坡等。


2

隧道全斷面機械化施工技術

鄭萬高速鐵路隧道機械化施工具有配套機械系統化、規模大等特點。機械配置包括常規型配置和加強型配置。

常規型配置主要包括風動鑿巖鉆機、多功能鉆爆作業臺架、混凝土濕噴機、自行式仰拱棧橋、仰拱縱向滑模、混凝土輸送車和整體移動式溝槽模板等;

加強型配置工作面在常規型配置的基礎上增設2臺三臂鑿巖臺車、1臺自行式液壓拱架安裝臺車、1臺防水板作業臺車、1臺襯砌模板臺車和1臺移動式混凝土養生臺架。

隧道全工序機械配套圖如圖2所示。湖北段共有15座隧道、24個工區采用加強型機械配置,承擔著91.135 km的正洞施工任務;共有6座隧道采用常規型機械配置。

圖2  隧道全工序機械配套圖

采用瑞典安伯格(Amberg)技術公司生產的TSP203PLUS隧道超前地質預報系統(如圖3所示)、瑞典MALA公司生產的探地雷達(如圖4所示)和全電腦三臂鑿巖臺車(如圖5所示)進行超前地質預報工作,采用3SNS-A柱塞式注漿泵(如圖6所示)進行注漿作業。

圖3 超前地質預報系統

圖4  探地雷達

圖5  全電腦三臂鑿巖臺車

圖6  3SNS-A柱塞式注漿泵


2.1
超前地質預報技術——綜合預報+鉆進參數自動分析預報

超前地質預報工作結合地質調查法、TSP地震波法、地質雷達法、超前鉆孔及加深炮孔法等多種手段,采取長短結合、相互驗證的綜合預報技術。

其中,超前鉆孔及加深炮孔法主要利用全電腦三臂鑿巖臺車進行超前地質預報,進行鉆孔作業時,實時監測推進速度、沖擊壓力、推進壓力、回轉壓力、水壓力和水流量等參數,并通過MWD軟件分析復原地質情況(MWD地質云圖如圖7所示),形成地質報告,由此可建立隧道大數據地質庫。

圖7  MWD地質云圖

2.2
掌子面超前預加固技術——常規加固+V級圍巖高壓劈裂注漿

掌子面超前預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、超前管棚支護和超前注漿加固等。

其中,采用高壓劈裂注漿法對V級軟弱圍巖進行預加固時,所用機械3SNS-A柱塞式注漿泵的最大注漿壓力可達10 MPa,通過漿脈形成骨架結構,擠密土體,有效加固了掌子面前方的軟弱圍巖。高壓劈裂注漿預加固前后效果對比如圖8所示。

(a)注漿前掌子面不穩定

(b)注漿后掌子面穩定

8  高壓劈裂注漿預加固前后效果對比圖

2.3
隧道全斷面機械開挖工法

在機械化配置條件下,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)微臺階等新的施工工法,其特點及適用圍巖見表2

表2 3套施工工法的特點及適用圍巖

通過以上新工法的應用,施工進度比采用傳統分部開挖工法的計劃進度有較大提高。新工法平均月進尺與計劃月進尺對比見表3

表3  新工法平均月進尺與計劃月進尺對比

2.4
初期支護機械化施工

錨桿采用三臂鑿巖臺車或錨桿鉆注一體機施作噴射混凝土采用濕噴機械手施作型鋼鋼架采用自行式液壓拱架安裝臺車施作已施作錨桿的注漿飽滿度采用LX-10M型錨桿錨固質量檢測儀進行檢測

其中,預應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支護效果,充分發揮了圍巖的自承作用,單根錨桿所有工序用時約5 min,是傳統錨桿用時的1/3,大大節約了工序時間。預應力中空注漿錨桿施作質量測試如圖9所示。

(a)應力測試                                                                      (b)注漿飽滿度測試

圖9  預應力中空注漿錨桿施作質量測試

2.5
寬幅防水板作業臺車鋪裝

寬幅防水板(寬6 m)采用長12 m的防水板作業臺車(如圖10所示)進行鋪裝,滿足了防水板寬幅鋪設要求,有效減少了接縫;通過防水板自動提升鋪展,降低了勞動強度,提高了鋪設效率,同時便于熱熔墊片焊接固定,保證了施工質量。

圖10  防水板作業臺車

2.6
智能襯砌臺車

在無骨架襯砌臺車的基礎上,研制了新型智能化襯砌臺車,其特點如下:

1)襯砌臺車智能化及信息化系統。該系統可自動計算襯砌斷面澆注混凝土理論所需方量,實時監測襯砌混凝土灌注量、溫度和壓力;采用紅外線視頻實時監視襯砌混凝土灌注情況,實現臺車搭接端限位自動報警;采用本地及遠程無線遙控液壓定位系統,自動生成每個襯砌循環的數據報表。

2)自動布料系統優化。自動布料系統采用旋轉機構通過電機控制定位,采用PLC和無線遙控布管換位,實現了混凝土帶壓入模。

3)襯砌臺車振搗系統優化。在襯砌臺車拱頂縱向設置4組自動插入式振搗系統,保證了拱頂混凝土的密實度。

4)襯砌臺車作業平臺優化。主要優化措施為增大爬梯安裝角度、爬梯寬度和平臺有效寬度,使施工作業更加便利。智能襯砌臺車作業平臺優化圖如圖11所示。

圖11  智能襯砌臺車作業平臺優化圖


3

基于機械化施工的隧道結構設計

3.1
隧道圍巖分級

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

運用掌子面地質素描、超前地質預報以及數碼成像技術,獲取掌子面巖石堅硬程度、巖體完整程度和地下水狀態3個指標,將隧道掌子面穩定性分為穩定、較穩定和不穩定3類,形成掌子面穩定性分類方法,見表4

表4 掌子面穩定性分類方法

3.2
隧道支護結構設計參數優化

基于新奧法理念,隧道支護結構設計中將圍巖和初期支護作為承載主體,承擔全部圍巖荷載,二次襯砌作為安全儲備。

通過隧道機械化和全斷面施工的現場測試,隧道支護結構受力有如下特點: 

1)錨桿、型鋼鋼架、型鋼鋼架與噴射混凝土組合結構以及格柵鋼架與噴射混凝土組合結構均處于安全可控狀態。

2)圍巖接觸壓力值小于規范值,深埋條件下,豎向荷載約為規范值的20%;Ⅳ級圍巖時水平荷載約為規范值的80%,Ⅴ級圍巖時水平荷載約為規范值的30%;實測側壓力系數為0.8~1.0。由此表明,在機械化和全斷面施工條件下,隧道支護結構存在優化空間。

通過數值模擬,計算隧道初期支護和二次襯砌優化后Ⅳ、Ⅴ級圍巖的安全性,結果滿足規范要求。隧道支護結構優化后的設計參數見表5

表5 隧道支護結構優化后的設計參數

4

隧道信息化施工管理

4.1
施工管理系統

為解決驗工計價數據追蹤與工程實體形象、檢驗批的關聯以及超計、超付難以控制等問題,鄭萬高鐵建設單位提出了驗工計價的過程控制方法,其核心思想為: 依靠互聯網技術、BIM模型和精細化管理,將項目細分為各個過程控制單元,把每個過程控制單元與施工圖數量、工程量清單項、質量檢驗批和工程形象關聯起來。施工管理系統具體流程如圖12所示。

圖12  施工管理系統具體流程

4.2
施工信息采集系統

施工信息主要包括電子工程地質圖、鉆孔及錨桿信息、高壓注漿記錄和開挖斷面凈空測量數據等。

隧道施工數據具有采集點多、信息量大和實時性要求高的特點,通過互聯網進行數據傳輸,建立隧道施工信息數據庫,按數據來源分類進行數據存儲,通過網頁表格、圖形和曲線展示施工數據信息。施工信息采集系統如圖13所示。

圖13  施工信息采集系統

4.3
施工安全管理系統

依靠施工信息采集系統中快速采集的超前地質數據、圍巖收斂量測數據和隧道位移應力數據,實現信息共享和預警,有利于施工方、監理方、設計方和業主方及時了解隧道施工動態,并采取應對措施。

4.4
混凝土拌合站質量管理系統

運用混凝土拌合站質量管理系統(如圖14所示),實現混凝土從原材料進場到拌合站生產再到施工現場的全過程監控,有效保證了混凝土質量。

圖14  混凝土拌合站質量管理系統

4.5
質量信譽評價系統

鄭萬高鐵隧道按照開挖、初期支護、襯砌和四電接口等以工序質量為主建立評價模型,運用施工過程檢測、工序質量驗收數據和第三方檢測數據,對工程質量進行定量化評價。通過將施工單位的質量信譽評價分解到原材料質量、實體質量和過程控制上,運用數據進行評價,使信用評價工作更加科學、公正、公開、透明。質量信譽評價系統具體流程如圖15所示。

圖15  質量信譽評價系統具體流程

4.6
施工動態管理系統

根據信息管理平臺中的隧道設計、地質預報、掌子面預加固、光面爆破、初期支護質量和監控量測數據等信息進行評估后,將隧道作業面分為可控、基本可控和不可控3個類別進行管理。施工動態管理分類評價方法如表6所示。

表6 隧道支護結構優化后的設計參數


5

隧道智能化修建技術展望

5.1
隧道支護體系智能動態設計系統

基于掌子面數碼成像技術和鉆孔臺車鉆進參數等,自動獲取隧道掌子面及超前地質信息,據此對設計階段圍巖分級進行驗證,并自動進行施工階段圍巖亞分級;

然后,根據圍巖亞分級,自動判定掌子面穩定性和超前支護設計,自動進行爆破設計,自動調整支護結構參數,實現隧道智能化、精細化動態設計。

5.2
隧道支護體系智能機器人施工技術

以機械化、信息化施工技術為基礎,深度融合物聯網技術,研發智能機器人施工技術,包括研發智能鑿巖機器人,實現掌子面爆破孔的自動布設、定位和鉆孔;

研發智能錨桿機器人,實現錨桿自動定位、自動鉆孔、自動安裝、自動注漿、自動鎖螺母和施加預應力,并對錨桿位置和參數進行物聯網標識;

研發智能噴射混凝土機器人,實現自動定位、自動3D輪廓掃描、自動噴射混凝土、自動噴射方量計算和自動噴漿輪廓監測與對比,直至滿足設計要求;

研發智能拱架安裝機器人,實現自動智能定位、自動3D輪廓掃描識別欠挖、自動拱架抓取和定位以及自動連接鋼筋施工。

5.3
隧道結構智能化監測系統

針對施工階段結構的安全問題,開展施工階段隧道支護應力實時自動化監測。

建立施工階段隧道支護三維模型,通過大數據智能化分析方法,自動判別隧道支護的穩定性,據此給出相應的工程措施。


結語

通過持續的實踐探索和科技創新,鄭萬高鐵隧道建設已經基本實現了全工序、全地質機械化全斷面施工和全過程、全方位施工信息化管理,具備了隧道智能化建造的基礎和優勢。

今后,將結合信息網絡技術和大數據等分析方法,通過隧道設計、施工和管理智能化系統,最終集成為高速鐵路隧道智能化建造平臺,真正實現隧道無人、自動、智能修建的美好愿景。



專家簡介

王志堅,教授級高級工程師,武九鐵路客運專線湖北有限責任公司董事長、總經理。


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