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3期“家論壇”,原文為中、英文)
王志堅(jiān)
導(dǎo)語
為實(shí)現(xiàn)鄭萬高速鐵路湖北段隧道安、快速、高質(zhì)量修建,開展工序大型機(jī)械配套條件下的施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信息化管理等系列探索和創(chuàng)新:
1)形成套基于大型機(jī)械化的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、掌子面超前預(yù)加固、隧道斷面機(jī)械開挖工法、初期支護(hù)機(jī)械化施工、寬幅防水板作業(yè)臺(tái)車鋪裝和智能襯砌臺(tái)車的斷面機(jī)械化施工技術(shù);
2)基于機(jī)械化施工技術(shù),建立隧道圍巖穩(wěn)定性分方法,并在新奧法理念指導(dǎo)下,優(yōu)化隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù);
3)建立隧道施工管理系統(tǒng)、施工信息采集系統(tǒng)、施工安管理系統(tǒng)、混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)、質(zhì)量信譽(yù)評(píng)價(jià)系統(tǒng)以及施工動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)等,以對(duì)隧道施工進(jìn)行信息化管理。
后,在隧道機(jī)械化、信息化修建技術(shù)的基礎(chǔ)上,從隧道支護(hù)體系智能動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)、隧道支護(hù)體系智能機(jī)器人施工技術(shù)和隧道結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)等方面對(duì)隧道智能化修建技術(shù)進(jìn)行探索和展望,以期將我隧道建設(shè)水平推向新高度。
引言
目前,在我隧道建設(shè)中,TBM法和盾構(gòu)法基本上已經(jīng)實(shí)現(xiàn)工廠化施工,而山嶺隧道鉆爆法施工的機(jī)械化、信息化、智能化水平相對(duì)較低。
通過近年來不斷地探索和實(shí)踐,我隧道建設(shè)從單工序機(jī)械化施工逐步轉(zhuǎn)向工序機(jī)械化施工,機(jī)械化水平不斷提高,但應(yīng)用范圍主要局限于Ⅱ、Ⅲ圍巖,對(duì)于Ⅳ、Ⅴ軟弱圍巖并未實(shí)現(xiàn)機(jī)械化配套條件下的斷面施工,因此對(duì)隧道施工進(jìn)度的提升并不顯著。
在山嶺隧道施工信息化管理方面,雖然建設(shè)了些信息化管理平臺(tái),但是與實(shí)際工程結(jié)合不緊密,覆蓋范圍較小,整體水平不高,在工程建設(shè)應(yīng)用中造成施工信息采集不面,施工質(zhì)量監(jiān)控不到位,施工安預(yù)警不及時(shí),對(duì)于施工單位質(zhì)量信譽(yù)也不能進(jìn)行客觀科學(xué)的評(píng)價(jià)。
針對(duì)我隧道建設(shè)機(jī)械化、信息化水平不高的問題,鄭萬高速鐵路隧道建設(shè)開展了工序大型機(jī)械配套條件下的施工技術(shù)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和信息化管理等系列探索和創(chuàng)新。
1
工程概述
鄭萬高速鐵路湖北段長(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圍巖,其中,隧道橫斷面Ⅳ、Ⅴ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)地層發(fā)育較為完整,主要巖性有四系覆蓋層、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)江流域中下游和二支干流,地下水主要有四系孔隙水、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。
2
隧道斷面機(jī)械化施工技術(shù)
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 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
2.2掌子面超前預(yù)加固技術(shù)——常規(guī)加固+V圍巖高壓劈裂注漿掌子面超前預(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)加固前后果對(duì)比圖
2.3隧道斷面機(jī)械開挖工法在機(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,其點(diǎn)及適用圍巖見表2。
表2 3套施工工法的點(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
2.4初期支護(hù)機(jī)械化施工
錨桿采用三臂鑿巖臺(tái)車或錨桿鉆注體機(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,有保證了錨桿的主動(dòng)支護(hù)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
2.5寬幅防水板作業(yè)臺(tái)車鋪裝寬幅防水板(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)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
2.6智能襯砌臺(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
3
基于機(jī)械化施工的隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
3.1隧道圍巖分隧道圍巖分為洞身段和掌子面2部分。洞身段圍巖亞分采用定性和定量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
3.2隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)優(yōu)化
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)部圍巖荷載,二次襯砌作為安儲(chǔ)備。
通過隧道機(jī)械化和斷面施工的現(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圍巖時(shí)水平荷載約為規(guī)范值的80%,Ⅴ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圍巖的安性,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)
4
隧道信息化施工管理
4.1施工管理系統(tǒng)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
4.2施工信息采集系統(tǒng)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)
4.3施工安管理系統(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。
4.4混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)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)的過程監(jiān)控,有保證了混凝土質(zhì)量。
圖14 混凝土拌合站質(zhì)量管理系統(tǒng)
4.5質(zhì)量信譽(yù)評(píng)價(jià)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
4.6施工動(dòng)態(tài)管理系統(tǒng)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)
5
隧道智能化修建技術(shù)展望
5.1隧道支護(hù)體系智能動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)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)階段圍巖分進(jìn)行驗(yàn)證,并自動(dòng)進(jìn)行施工階段圍巖亞分;
然后,根據(jù)圍巖亞分,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)。
5.2隧道支護(hù)體系智能機(jī)器人施工技術(shù)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。
5.3隧道結(jié)構(gòu)智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)針對(duì)施工階段結(jié)構(gòu)的安問題,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。
結(jié)語
通過持續(xù)的實(shí)踐探索和科技創(chuàng)新,鄭萬高鐵隧道建設(shè)已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)了工序、地質(zhì)機(jī)械化斷面施工和過程、方位施工信息化管理,具備了隧道智能化建造的基礎(chǔ)和優(yōu)勢(shì)。
今后,將結(jié)合信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和大數(shù)據(jù)等分析方法,通過隧道設(shè)計(jì)、施工和管理智能化系統(tǒng),終集成為高速鐵路隧道智能化建造平臺(tái),真正實(shí)現(xiàn)隧道無人、自動(dòng)、智能修建的美好愿景。
----------
洛陽陽高飛橋隧機(jī)械有限公司業(yè)制作各種隧道襯砌臺(tái)車、臺(tái)車配件、自動(dòng)防水板掛布臺(tái)車、水溝電纜槽臺(tái)車、仰拱棧橋、仰拱臺(tái)車、養(yǎng)護(hù)除塵臺(tái)車、工地車輛洗車機(jī)、隧道高強(qiáng)度逃生管道、盾構(gòu)機(jī)配套件、異型模板以及各種臺(tái)車的改裝、維修、設(shè)計(jì)!
黃高飛: 18637923976
Q Q : 286827457
網(wǎng)址: www.new0791.com
公司阿里網(wǎng)店:https://qr.1688.com/share.html?secret=FmtcU7qb