刘飞香

(1. 中国铁建重工集团有限公司, 湖南 长沙 410100; 2. 西南交通大学, 四川 成都 610031)

0 引言

我国铁路隧道施工机械化配套技术的研究始于20世纪80年代,建设衡广复线大瑶山隧道时首次从国外引进液压凿岩台车、混凝土喷射三联机和模板台车等大型隧道施工设备,此后很长一段时期,受国内劳动力人工成本低廉和机械化施工一次性投入费用高等因素的影响,国内隧道钻爆法施工机械化水平一度停滞不前[1-2]。

随着“一带一路”倡议和“中国制造2025”国家战略等的实施,中国铁路总公司提出了“交通强国、铁路先行”“2020年率先实现铁路现代化”的行业奋斗目标。同时,我国铁路建设主战场正从东部逐步转向中西部,复杂地质条件下的长大隧道占比越来越高,修建难度越来越大[3-5]。“工欲善其事,必先利其器”,通过对隧道施工技术和施工装备的引进、消化、吸收、创新,以及不断的施工实践,研制开发了全系列隧道智能装备。本文对隧道钻爆法施工机械化成套装备的智能化及适应性进行分析,并对智能化隧道施工装备在铁路隧道施工中的应用进行总结。

1 钻爆法隧道智能建造装备配套及其支撑技术

1.1 智能化建造装备及其功能

以“围岩是承载的主体、稳定超前核心土、围岩自防水”的隧道建造理念,围绕隧道施工作业线,充分总结施工工法与经验,融合机、电、液、光一体化、数字化、智能化等技术,打造钻爆法隧道关键工序智能装备体系,涵盖了超前作业、开挖、出碴、初期支护、二次衬砌、沟槽施作、衬砌检测和洞碴处理等工序的隧道装备。钻爆法隧道施工的主要装备及智能化功能见表1。

表1 钻爆法隧道施工的主要装备及智能化功能Table 1 Main equipment and intelligentized functions for drilling and blasting tunnel construction

表1 (续)

1.2 钻爆法隧道智能建造装备支撑技术

钻爆法隧道智能建造装备是在机械化配套的基础上,通过集成运动和环境感知、3D激光扫描与定位、信号采集、处理与传输及机器人运动与动力学控制等技术[7-8]为基础构成的支撑技术系统——“围岩参数识别与处理系统、三维空间定位与量测系统、大数据处理与共享系统、智能控制决策系统”。智能建造装备支撑技术系统是相互耦合、相互协同和互为反馈的闭环系统,是构建隧道智能装备体系的灵魂,也是智能装备的大脑和五官,更是实现隧道全生命周期智能化的前提和关键。

1.2.1 围岩参数判识与处理系统

通过智能凿岩台车随钻参数采集与分析系统(MWD)自动采集围岩数据,利用钻孔分析法和图像分析法(如图1所示)自动输出围岩亚分级结果,自动判识掌子面前方围岩地质及稳定性,并自动实现设计参数优化。

图1 钻孔分析法和图像分析法Fig. 1 Drilling analysis and image analysis

1.2.2 三维空间定位与量测系统

三维空间定位与量测系统(如图2所示)是指利用隧道BIM三维坐标基准,通过激光扫描定位、空间坐标变换和实时位姿测控系统等技术,构建隧道智能装备的空间定位、工程量测、目标路径规划和机器人控制等智能装备自身功能需求的系统。可以实现隧道智能装备的精准定位、精准操作、远程控制和工作量计算,如凿岩台车钻孔和锚杆作业,混凝土自动喷射、自动找平和方量计算等,超欠挖、锚杆、拱架、喷射混凝土、防水板、衬砌混凝土、养护等隧道构筑物的精准量测和数字化档案建立。

图2 三维空间定位与量测系统Fig. 2 Three-dimensional spatial positioning and measurement system

1.2.3 大数据处理与共享系统

大数据处理与共享系统(见图3)是通过隧道智能装备自身具备的全通道、多物理量数据自动采集系统,集中监测、采集和反馈施工过程、施工状态、围岩参数、环境感知等数据,并将数据应用到隧道智能装备体系本身,并通过后台大数据交互系统处理后,实时应用到工程建设单位、设计院和施工单位的信息化管理系统。

图3 大数据处理与共享系统Fig. 3 Big data processing and sharing system

1.2.4 智能控制决策系统

在隧道智能装备体系中,充分应用智能控制技术,实现隧道智能装备施工环境自感知、目标导向定位自执行、施工状态与反馈自学习、施工效果自评估、施工组织自决策、施工过程自管理,打造更实用、更智能、更经济、全系列的铁路隧道智能装备。

1)智能判识。智能型凿岩台车以钻进参数为输入层,通过智能学习规则实现样本数据对训练和系统模型参数辨识,结合地质图像样本库进行比对,形成围岩智能判识与分级方法 (如图4和图5所示),并不断自主学习与完善。

图4 围岩智能分级BP神经网络模型Fig. 4 BP neural network model for surrounding rock intelligent classification

图5 掌子面智能分级BP神经网络模型Fig. 5 BP neural network model for excavation face intelligent classification

2)智能感知与运动规划。隧道智能装备能实时感知施工过程、施工状态和施工环境,结合目标约束条件下的大数据处理,实现智能规划目标路径与轨迹。比如,实现复杂隧道环境的装备无人驾驶、智能型湿喷台车自动平整化喷射、智能型拱架台车拼接轨迹规划、智能型凿岩台车多臂架姿态防干涉等。

3)自主决策与动态优化设计。隧道智能装备利用人工智能学习方法,结合数据挖掘和专家系统,实现隧道建造过程由人工经验决策向计算机自主决策和大数据交互处理系统动态优化设计转变。

2 钻爆法隧道智能建造装备施工对比

在隧道施工领域,隧道智能机械化施工不仅能提升作业工效、提高安全系数、改善作业环境、降低作业强度,还能保证工程质量,有效节约资源。智能机械化配套正逐步取代传统、粗放的“人海战术”[9]。

2.1 凿岩台车

相比传统手持风钻施工,凿岩台车施工具有自动化程度高、工作效率高、劳动强度低、安全环保等优点,并能提高施工质量和效益[10]。智能化凿岩台车不仅可进行MWD地质分析,还可通过获取隧道钻爆设计参数,开展台车智能定位、钻爆孔定位、钻孔、轮廓扫描等作业,并利用隧道内的通讯网络,实现隧道钻进日志、扫描日志自动上传。图6示出ZYS113全智能凿岩台车施工现场。

图6 ZYS113全智能凿岩台车施工现场Fig. 6 ZYS113 intelligent drilling jumbo

ZYS113全智能凿岩台车具有较强的钻孔能力,可轻松钻进超前探孔和注浆孔等各种深长孔。经测算,在Ⅱ级围岩条件下钻进1个25 m深的孔仅需15 min。

ZYS113全智能凿岩台车与传统手持风钻施工的工效对比如表2所示。

2.2 智能化注浆装备

智能化注浆装备通过高压注浆泵将浆液注入岩层,完成隧道围岩的止水和加固。ZJS410智能化注浆装备(如图7所示)具有“自动化、可视化、信息化”的特征,该设备既具备注浆施工过程的自感知、自决策、自执行功能,也使注浆过程、注浆结果可视化,同时还实现了数据自动采集、存储、传输、分析、交互等大数据信息化管理。

表2 ZYS113全智能凿岩台车与传统手持风钻施工工效对比Table 2 Efficiency comparison between ZYS113 intelligent drilling jumbo and traditional pneumatic drill

图7 ZJS410智能化注浆装备Fig. 7 ZJS410 grouting equipment

在某岩层为砂砾地层的隧道施工中,应用ZJS410智能化注浆装备通过高压注浆进行开挖前地层加固,可有效防止开挖时周边地层坍塌,同时通过注浆进行止水。

注浆实施方案如图8所示。采用ϕ110 mm套管钻进,钻孔深度8 m,成孔后放ϕ50 mm花钢管,钢管底部2 m以下部分按照间距30～50 mm布置出浆孔。采取纯压式全孔一次性注浆方式,钢管与孔壁间孔口段采用水泥浆加速凝剂快速封闭,封堵深度加深3 m左右。管口采用高压灌浆塞封孔灌浆,注浆压力0.7～2 MPa,最大劈裂压力不超过4 MPa,注浆材料为普通硅酸盐水泥。

图8 注浆实施方案示意图Fig. 8 Schematic diagram of grouting scheme

注浆结束后,通过爆破后的岩层断面观察水泥固结的纹路。结果表明,固结效果良好,周边无渗漏。

2.3 智能锚杆台车

MT55智能锚杆台车通过获取隧道锚杆设计参数,开展台车智能定位、钻孔、锚杆安装、注浆、锁螺母、施加预应力等作业,并利用隧道内通讯网络,实现隧道锚杆日志(包括钻孔数量、钻孔深度、钻孔时长、锚杆数量、锚杆长度、钻进参数、安装参数、注浆参数等)自动上传。MT55智能锚杆台车已在郑万高铁杨家坪隧道、杏桥坪隧道、五盘山隧道等多个隧道内进行了施工应用。图9所示为人工锚杆和MT55锚杆台车在隧洞内的施工现场,对应的单个开挖循环锚杆施工对比见表3。

图9 人工锚杆施工与MT55锚杆台车施工Fig. 9 Artificial anchor construction and MT55 bolting trolley construction

2.4 多功能作业台车

多功能作业台车不仅适用于钢拱架安装,同时还可用于锚杆锚网安装、辅助撬毛、通风管安装、炸药装填等隧道高空作业。通过获取隧道钢架设计参数,开展台车智能定位、轮廓扫描、钢架布设、钢架抓取与定位等作业,完成隧道钢架安装日志(包括安装位置、榀数、节数、作业时间等)、扫描日志自动上传。图10和图11分别为人工和多功能作业台车在郑万高铁ZWZQ-5标高家坪隧洞内的立拱作业图,工效对比见表4。

表3 单个开挖循环锚杆施工对比Table 3 Construction comparison for single excavation cycle anchor

图10 人工安装钢拱架 Fig. 10 Manual installation of steel arches

图11 多功能作业台车安装钢拱架Fig. 11 Steel arches installation by multifunctional jumbo

表4 隧道多功能作业台车立拱作业与人工立拱作业工效对比Table 4 Efficiency comparison between multifunctional jumbo and artificial operation

2.5 混凝土喷射台车

混凝土喷射台车(如图12所示)通过获取隧道喷混凝土设计参数,开展台车智能定位、轮廓扫描、喷射混凝土等作业,并利用隧道内通讯网络,实现隧道湿喷日志(包括泵送方量、速凝剂百分比、理论总喷射方量、实际总喷射方量、耗时等)、扫描日志自动上传。

图12 HPS3016S湿喷台车及其施工效果Fig. 12 HPS3016S wet spraying trolley and its construction effect

HPS3016S混凝土喷射台车的适应性较好,在郑万高铁隧道施工中取得了良好的效果。以杏桥坪隧道为例,隧道范围内岩体节理裂隙发育,岩层积压严重,最大喷射量达30 m3/h,喷射一车8 m3混凝土仅需20 min,极大地提高了支护施工效率。

经推算,混凝土喷射台车作业与之前人工作业的工效对比见表5。

表5 混凝土喷射台车作业与之前人工作业的工效对比Table 5 Efficiency comparison between concrete spouting trolley and traditional manual operation

2.6 数字化衬砌台车

新型带压浇筑隧道数字化衬砌台车(如图13所示),具有双浇筑、带压入模、高频振捣、软搭接以及信息集成传输系统和数字化控制功能,可解决传统衬砌台车在隧道衬砌施工中存在的跑模、振捣强度大、搭接部易损坏等问题,以及减少衬砌空洞、裂缝、掉块等病害[11]。

图13 数字化衬砌台车Fig. 13 Digital lining trolley

新型带压浇筑隧道数字化衬砌台车已在湖北罗家山隧道进行初次使用,取得了良好的施工效果。双浇筑系统将混凝土浇筑时间由12 h缩短至8 h,高频振捣使混凝土充分捣固,气泡数量明显减少,有效地解决了衬砌质量问题,降低了人员劳动强度。同时,信息集成传输系统的应用在一定程度上实现了衬砌施工的机械化、信息化和智能化。

3 施工协同组织管理展望

针对目前钻爆法施工机械化、信息化、智能化水平相对较低的现状,结合隧道施工作业线,机械化配套的设备和工装有利于实现隧道施工的信息化、智能化建造,设备涵盖了超前作业、开挖、初期支护及二次衬砌等施工工序。隧道关键工序机械化施工如图14所示。

为了更好地对隧道施工全生命周期进行管理,结合新奥法、新意法、挪威法对隧道智能建造装备协同管理平台进行研究。隧道智能建造装备协同管理平台总体框架如图15所示。研究了隧道智能建造数据流的交互模式,制定了数据在装备与装备、装备与环境、装备与围岩之间的交互与衔接流程,为服务隧道施工全生命周期管控提供技术保障。

图14 隧道关键工序机械化施工Fig. 14 Mechanized construction for key processes in tunnel

图15 隧道智能建造装备协同管理平台总体框架Fig. 15 Overall framework of cooperative management platform for tunnel intelligent construction equipment

隧道智能装备的信息流主要在5个节点和2个方向间传输,如图16所示。5个节点是指设计院、建设单位隧道智能建造协同管理平台、施工单位、隧道智能装备大数据交互系统和智能装备终端。2个方向是指隧道智能装备采集、监测并处理后的信息实时输出反馈给业主(或设计院、施工单位),业主(或设计院、施工单位)的设计数据、施工指令实时输入给隧道智能装备终端。数据流是通过5个节点的数据交互来实现2个方向的数据传递。

图16 隧道智能装备信息流的输入与输出Fig. 16 Input and output of information flow for tunnel intelligent equipment

3.1 基于协同管理平台的装备机群数据交互共享

应用包括云计算在内的新一代技术,通过覆盖隧道全程并连接地面“隧道智能建造装备协同管理平台”的互联网络,实现施工装备机群之间,施工装备机群、特殊装备(激光扫描仪、钻机摄像头等)与协同管理平台(如图17所示)之间信息数据流与数据处理的无缝集成[12]。设备间采用多对多通讯模式实现数据交互,即同一施工设备既能作为数据发送端,又能作为数据接收端,并能识别网络故障和实现预警功能。如: 凿岩台车将施工里程信息共享给其他台车,以此确定其工作区段;注浆台车依据凿岩台车发送钻孔日志中的围岩信息,自动规划注浆策略等。

图17 机群协同管理作业平台Fig. 17 Cluster collaborative management platform

3.2 施工装备智能化维护保养与健康管理

机器人化施工装备维护保养智能化,运用施工装备状态监测与健康管理技术,根据施工装备的车载状态监测仪器采集系统运行状态信息(在线油液、振动、电流频谱等),并将采集数据通过互联网反馈至隧道智能建造装备协同管理平台,通过互联网+隧道智能建造装备协同管理平台,将施工装备状态监测仪器及技术、管理、维修人员等纳入统一的协同管理平台,构建状态监测与故障诊断知识库,逐步实现隧道施工装备的智能化维护与保养,为钻爆法隧道施工装备的维护保养与健康管理提供科学管理。

3.3 环境状态反馈

施工过程中对环境状态进行实时监控,包括围绕隧道施工的人、机、料、法、环等相关信息,实时监测施工活动对围岩及已成型隧道产生的地层扰动,如拱顶沉降、围岩收敛、围岩压力、初期支护拱架压力、掌子面挤出变形、地层位移、锚杆轴力、初期支护喷混凝土内力、初期支护和二次衬砌接触压力、二次衬砌内力、二次衬砌拱顶注浆压力、拱顶混凝土浇筑温度等信息[13-16],并将监测信息反馈给隧道信息智能集中管理平台; 管理平台对所反馈的环境状态信息进行存储记录和分析处理,为进行安全、经济、高效的施工管理和运营阶段隧道保养维护提供科学依据。

3.4 施工组织调度与工程管理

利用传感技术与监控技术,对隧道内的人、机、料、法、环的状态信息向隧道智能建造装备协同管理平台进行实时反馈,各隧道施工装备均在隧道智能建造装备协同管理平台上进行规划和文件管理。同时,机器人化施工装备机群、摄像系统、激光和导航设备均可从单一平台入口进行有效管理,施工人员可在远处办公地区对施工组织进行有效的管理与技术支持,辅助操控人员实现各种资源的合理调配和安全管理。

4 结论与展望

随着国内隧道施工技术的不断进步,机械化配套必然会成为隧道钻爆法施工的主流。系列隧道智能化施工装备在铁路隧道施工中经受了恶劣环境的考验,得到了广泛的应用,将推动隧道装备行业向信息化、数字化及智能化方向发展。

1)通过参与郑万高铁大型机械化施工配套实践,结合目前施工实际,融入智能化绿色施工理念,打造了钻爆法隧道关键工序智能装备产品体系,涵盖了超前作业、开挖、出碴、初期支护、二次衬砌、沟槽施作、衬砌检测和洞碴处理等工序的系列化隧道装备。

2)结合新奥法、新意法、挪威法等工法的优势,深入研究和发展了以4大技术为支撑的钻爆法隧道智能建造装备技术体系,即: 围岩参数识别与处理系统、三维空间定位与量测系统、大数据处理与共享系统、智能控制决策系统,并通过大数据、云计算等技术进一步完善隧道施工装备的智能化功能。

3)通过对隧道智能建造数据流交互模式的研究,制定了数据在装备与装备、装备与环境、装备与围岩之间的交互与衔接流程,为服务于隧道施工全生命周期管控提供技术保障。

未来,物联网、大数据、人工智能等技术将进一步融合,结合围岩智能判识、智能设计、智能装备、智能施工、智能监测及质量管控、智能协同管理平台等隧道智能化建造技术的深入研究和工程应用,隧道智能建造愿景定将全面实现。