特长隧道先进技术与全要素信息化管理<br/>——以东山隧道为例

特长隧道先进技术与全要素信息化管理
——以东山隧道为例

2023-11-06申铁军

交通科技与管理 2023年20期

杨楠,申铁军

（1.山西路桥桥隧工程有限公司,山西朔州 036000; 2.山西路桥建设集团有限公司,山西太原 030006）

0 引言

山西省石楼至汾阳高速公路东山隧道为特长隧道，对隧道施工通风、排水方案要求高；隧道地质条件复杂、围岩变化快、突涌水频发，施工安全风险高。根据现场围岩实际情况，以斜井与主洞的工程结构特点为基础，以新奥法关键技术为依据，针对斜井挑顶进洞施工技术进行了探究，应用隧道成套机械化配套施工，在提升施工质量的同时不断总结形成适用性及经济性最优的施工方法和机械组合方案，从而达到成本与安全质量目标的最优化。项目采用全要素信息化管理模式，合同造价95 569.24 万元。该项目合同工期为31 个月，于2024 年完工。

1 地质情况分析

东山隧道为山岭石质和土隧道，左洞长7 730 m，右洞长7 810 m，单洞总长15 540 m，为特长隧道。斜井与主洞交界处，主要为薄~中层状灰岩，岩层层间结合差，岩体完整性破碎，为破碎结构，隧道出水形式以滴雨状出水，地表主要以泥灰岩、灰岩为主，洞深段主要以灰岩、泥灰岩、砂岩为主，施工过程中易发生围岩变形超限甚至岩石塌落现象，为确保斜井进入主洞施工质量及安全，采用了先进的施工技术。

2 隧道采用先进技术

2.1 超前地质预报

在隧道掌子面掘进施工前，采用EM3D、地下空间三维探测、超前探孔及孔道摄影等物探钻探相结合的多元勘探技术，并配合智能化管理云平台，准确掌握隧道围岩及富水情况，科学指导现场施工。利用新技术EM3D 大地电磁法对隧道整体进行勘探。常规段落采用TSP 进行地质预报，预测掌子面前方约150~200 m 范围。隧道穿越断层、富水等不良地质段落时，可采用瞬变电磁法配合超前探孔及孔道摄影对前方出水点位、出水量进行探测，从而真实反映掌子面前方围岩情况，准确提供地质信息，降低施工风险。

2.2 开挖作业

根据设计及现场围岩情况，动态设计爆破参数，并采用三臂凿岩台车配合多功能台架进行钻爆法施工，减少作业人员6 人。钻眼完成后，三臂凿岩台车退回至安全区域，多功能台架进行装药、降尘等施工。施工过程中，注重洞内环境监测等智能化应用，从而实现智能控制通风系统[1]。

2.3 支护作业

出渣完成后首先进行排险作业，确定围岩稳定、拱部及边墙无孤石后，有拱架时先进行下循环的钻眼作业，再进行该循环支护作业；无拱架时采用万向锚杆机打设锚杆。锚杆钻眼完成后采用智能拱架安装机安装拱架及钢筋网片，随后采用湿喷机械手进行喷浆作业[2]。

2.4 监控量测

监控量测应用高精度全站仪及配套设施。全站仪IX1001 监测数据采集设备具有0.5 s 精度。FMOS 标准版监测数据处理软件，应用于全自动化监测，可自动生成报表，数据上传管理云平台[3]。

2.5 仰拱、调平层作业

隧道检底完成后采用自行式仰拱栈桥作业。仰拱端头堵头模板、仰拱面弧形模板及仰拱回填堵头模板均采用高分子定型模板，具有安装轻巧、便捷等特点。调平层采用槽钢模板。混凝土浇筑过程中采用水泥路面振平机、抹光机等。中心水沟采用整体活络式钢芯模小车施作中心水沟，具备一次性成型，提升工效，提高施工质量等优点[4]。

2.6 防排水作业

对完成的初期支护逐段进行现场检测验收，合格后铺设土工布，用垫片、射钉固定。防水板采用自动铺挂台车铺设，人工进行吊挂点固定，搭接处热熔焊接。铺设前重点对初支表面进行检查，防止外漏钢筋头损伤防水板。在预留的纵向排水沟基座放置防水板反包后的纵向排水管。防水板自动铺挂台车由铺展系统、自行系统、控制台组成，轨道小车滑动，无轨橡胶轮行走，带平移系统。台车平台为人工抽拉活动平台和固定平台组合，结合激光定点仪、热熔焊枪应用于防水板铺设施工。通过使用该设备可降低人工劳动强度，减少作业人数，铺设速度比传统工艺提升1 倍[5]。

2.7 混凝土衬砌作业

采用信息化多功能衬砌台车进行混凝土衬砌作业。其中，预埋件模具均采用高分子材料定制模具。信息化多功能衬砌台车配置自动布料设备、高分子堵头板、带模注浆装置、接头处软搭接、隧道衬砌云监控系统、视频监控系统及自动带钢轨行走系统，可实现不用人工换管，混凝土通过送料管的入料口进入，经送料管、分料筒、输送管输送至各层浇筑窗，并通过增加副门架、更换顶模及单侧模，快速实现适用于加宽段断面类型的衬砌作业[6]。

2.8 养护及沟槽作业

采用抑尘、养生智能台车进行隧道混凝土衬砌养护作业，也可以作为衬砌的检修平台。抑尘、养生智能台车有柱状、雾状养生效果，同时可通过智能化监测系统、自行系统，实时监测洞内湿度、温度、空气质量等指标，实现自动养生和降尘效果，可实现长距离、不间断往返养护等功能。常规水管压力较小，需共用洞内三臂凿岩台车蓄水罐及增压泵等设施实现常态化作业。由行走系统、桁架支撑系统、液压系统、模板系统组成的整体式移动电缆槽台车具有一次成型、提升工效、提高施工质量、加快施工进度等优点。

2.9 施工通风、排水作业

隧道掌子面附近投入隧道干式除尘、喷淋降尘及雾炮等设备，配合应用于隧道三阶段（压入式通风+压入式接力通风+巷道式通风）施工通风系统。通过投入使用该设备，实现掌子面在开挖爆破后10 min 内完成空气净化，湿喷作业过程中具备同样功效，确保大幅度地改善作业环境。固定泵站采用卧式离心泵，高效完成隧道反坡排水。

3 成套机械化施工

3.1 成套机械化的经济效益分析

通过采用特长隧道成套机械化施工工艺，开挖及初期支护作业平均每循环施工用时为19 h（有拱架），比传统的开挖及初期支护作业每循环用时22.5 h节约3.4 h。该项目关键线路为左线大里程方向掌子面，长约3 194 m，共1 519 个循环（Ⅴ级150 m，0.6 m/循环；Ⅳ3 044 m，2.4 m/循环），累计节约工期216 d，节约人工费用196万元。见表1~2，仅以掘进为例，采用新型三臂凿岩台车开挖设备开挖作业（Ⅴ级围岩为例：12 h/循环）和钻爆法开挖Ⅴ级围岩循环作业（Ⅴ级围岩为例：14 h/循环）相比较，循环进尺相差0.6 m，日进尺相差1.6 m，月进尺相差48 m。详见表3~5。

表1 隧道掌子面机械化施工工序（Ⅳ围岩）统计表

表2 机械化配套化施工人工费用统计表

表3 采用新型三臂凿岩台车开挖设备开挖作业表

表4 钻爆法开挖Ⅴ级围岩循环作业表

表5 钻爆法开挖与凿岩台车作业对比表

3.2 成套机械化的应用效果分析

机械化设备用于隧道开挖、支护等全工序，设备应用可以减少人工劳动强度，提高施工效率，减少施工周期，同时，机械化设备应用保证施工质量和安全性。智能化技术应用，实现施工现场的监控、管理和优化，如人员定位、设备监测、数据分析等，提高施工现场的管理水平，减少错误和事故发生的可能性，同时还可以提高工作效率和减少人力资源浪费。综合机械化和智能化工法可以实现快速施工、高效运作、质量稳定，为隧道施工提供更加可靠的保障。

4 全要素信息化管理

通过技术手段将超前地质勘探、围岩监控量测、质量检测、试验数据等隧道建设要素集成至管理云平台，助力项目安全质量管理实现“精、准、快”。施工中疑难问题由设计院答疑勘误。施工放样采用全站仪，使用坐标法依据图纸复核后的坐标数据，精确放样。强化组织协调和落实工作责任，周密部署，精心安排，确保活动有效开展。结合实际情况细化全要素清单，明确信息化管理步骤，加大一线督导力度，开展专项督査，确保工作落实到位。

4.1 智能物料管理系统运用

自动称重、自动识别车辆、拍照、自动上传数据等全智能系统一体化。通过过磅称重验收、理论核算验收和移动收发系统进行材料数量验收，及时完成物料系统录入，做到日清月结。以合同和物料系统数据为支撑，做到数据记录齐全，计算准确。总之，可实现材料实现“量”与“质”双控。

4.2 材料采购方式与盘点核算

项目及时核算材料盈亏，分析盈亏原因，做到奖惩分明。

（1）集中采购：水泥、钢筋、钢板、型钢、钢管；钢绞线、锚具、桥梁支座、伸缩缝、钢波纹管、机制砂、水洗砂、碎石、粉煤灰、矿粉、土工材料、塑料布、钢塑格栅、混合纤维、镀锌网、三维网等；混凝土外加剂在厂家入围名单内统一采购。

（2）周转材料采购：T 梁模板、空心薄壁墩、实心墩、圆柱墩、盖梁、系梁、承台模板等统一调配和制作；高空作业平台、人行爬梯、人行扶梯、安全爬梯等统一购置。

（3）小型材料及辅助材料：由协作队伍承担，费用归入合同单价中。

（4）电商平台集中采购：办公设备、办公家具、办公耗材、电器、厨具、五金机电、安全用品、小型材料、低值易耗品等。

4.3 施工材料、设备管理

（1）试验检测设备。项目采用集约化、数字化总承包工地试验室模式。试验室对在授权范围内的试验检测参数进行自检，对于超出授权范围的外委试验集中管控，并严格按照集团外委检测系统执行。根据入围的供应商名录选取检测单位，从而保证外委试验质量符合产品标准、施工规范设计文件要求，同时加强外委试验信息化管理，做到应检必检。

（2）设备班组化管理。拌和站为自有设备，负责隧道的混凝土拌和。要求采用班组化管理，组建拌和设备班组，制定设备班组管理运行考核办法及设备维修保养计划。管理人员和操作手实行定人、定机、定岗，明确岗位职责。加强单机核算、定期结算，对标提升，混凝土配合比优化充分利用粉煤灰节约水泥、临建部分利用尾矿石渣、水泥土利用生态水泥等固废利用，实现提质、降本、增效。