高速公路隧道機械化施工技術(shù)探討

官鵬

（廣中江高速公路項目管理處 廣東江門 529000）

0 引言

隨著基礎(chǔ)建設(shè)熱潮到來，工程規(guī)模將越來越大，技術(shù)難度也越來越高。以隧道施工為例，面對如何提升作業(yè)工效、提高安全系數(shù)、改善作業(yè)環(huán)境、降低作業(yè)強度，保證工程質(zhì)量，有效節(jié)約資源這些施工中的重點和難點，傳統(tǒng)、粗放的“人海戰(zhàn)術(shù)”已然無法應(yīng)對，而隧道機械化施工能有效的解決，并已經(jīng)成為新形式下隧道施工的主流。

近年來，隧道工程建設(shè)取得質(zhì)的發(fā)展，主要體現(xiàn)在兩個方面：①施工方法的發(fā)展。得益于巖土、巖石力學(xué)等學(xué)科研究的進(jìn)步，隧道工程建設(shè)施工工藝革新迅速，在充分梳理、分析相關(guān)工程實踐經(jīng)驗及效果的基礎(chǔ)上，提出了適用于現(xiàn)代公路隧道施工的新奧法、挪威法和淺埋暗挖法等先進(jìn)的施工方法，并在山嶺隧道施工中廣泛應(yīng)用、效果良好，極大的提升了隧道施工安全保障水平和施工效率。②施工設(shè)備的發(fā)展。推廣先進(jìn)的施工工藝必須以配套相應(yīng)的設(shè)備為前提和保障，因此在施工方法發(fā)展的同時，隧道施工機械設(shè)備也在同步革新和提高，利用最新技術(shù)研發(fā)的TBM掘進(jìn)機、鑿巖臺車和盾構(gòu)機適用于不同地質(zhì)條件巖層，不僅提高了作業(yè)作效率，而且質(zhì)量可靠、安全有保障；通過研發(fā)全液壓鉆孔臺車、液壓襯砌臺車和一些大型裝載機械，極大的提高了掘進(jìn)速度和施工效率；通過利用新型爆破設(shè)備，不僅更好的控制爆破效率和范圍，而且大幅提升了施工安全性，同時改善了施工作業(yè)環(huán)境。

綜上，隧道機械化施工具有以下優(yōu)勢：①提高施工作業(yè)效率，加快施工進(jìn)度，降低施工成本；②適應(yīng)大斷面、復(fù)雜地質(zhì)條件等工程技術(shù)要求，保障工程質(zhì)量，提高施工作業(yè)安全性，改善施工環(huán)境；③節(jié)約施工組織設(shè)計中的勞動力需求，解放勞動生產(chǎn)力，優(yōu)化社會資源配置。

目前，國內(nèi)隧道機械化施工已經(jīng)形成了多種機械化施工成套技術(shù)和設(shè)備配套模式，滿足超前地質(zhì)預(yù)報、鉆爆開挖、噴錨支護(hù)、仰拱、防排水、二次襯砌、排水溝電纜溝、空洞檢測作業(yè)等機械化連續(xù)施工。

隨著新基建時代的到來，在平安百年品質(zhì)工程、綠色公路等行業(yè)建設(shè)要求下，公路隧道建設(shè)面臨著斷面更大、地質(zhì)條件更復(fù)雜、工程質(zhì)量要求更嚴(yán)格、施工安全與環(huán)保要求更高等特點，隧道工程機械化施工既是滿足工程進(jìn)度、質(zhì)量、安全需要的現(xiàn)實要求，也是符合時代發(fā)展趨勢的必然技術(shù)選擇。

此外，隨著大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、移動互聯(lián)網(wǎng)等數(shù)字技術(shù)的發(fā)展，隧道機械化施工與數(shù)字化管理也逐步有機結(jié)合起來。本文通過對公路隧道機械化施工設(shè)備配置及數(shù)字化管理進(jìn)行研究，進(jìn)一步豐富隧道機械化施工內(nèi)涵，保證施工的安全、質(zhì)量、工期和效益，并為新裝備、新工藝的研究和應(yīng)用提供理論參考和建議，進(jìn)而提升隧道施工技術(shù)水平。

1 隧道機械化施工

1.1 機械化施工工法

施工設(shè)備選配時，應(yīng)滿足設(shè)備安全性、生產(chǎn)力要強、穩(wěn)定性要高的技術(shù)要求。隧道機械化施工工法包括用機械鉆孔代替人工鉆孔，用叉車作業(yè)代替人工立架，用二氧化碳爆破代替炸藥爆破，用噴膜防水代替?zhèn)鹘y(tǒng)防水等，極大的提高了施工效率，改善了作業(yè)環(huán)境，降低了施工風(fēng)險，提高了工程質(zhì)量。

1.1.1 挖改鉆代替人工鉆孔

采用挖改鉆機進(jìn)行鉆孔作業(yè)，該鉆機高頻沖擊配合超高沖擊能大大提高了鉆進(jìn)速度，在開挖作業(yè)時僅需兩臺“挖改鉆機”同時作業(yè)就可超過傳統(tǒng)20人同時開鉆的作業(yè)速度，使用該鉆機可有效減少掌子面的作業(yè)人數(shù)，降低傷亡風(fēng)險，提高工作效率。

圖1 挖改鉆機

1.1.2 叉車替代臺車作業(yè)

引進(jìn)叉車進(jìn)行裝藥、立架、掛網(wǎng)作業(yè)。該叉車具備良好的越野能力，性能穩(wěn)定，操作性好，相較于傳統(tǒng)的臺架作業(yè)方法，曼尼通叉車能有效減小作業(yè)占用空間，減少作業(yè)人員數(shù)量，在輔助隧道施工方面具有明顯優(yōu)勢。

圖2 叉車

1.1.3 二氧化碳爆破

在公路隧道施工中引入二氧化碳爆破。該方法利用液態(tài)二氧化碳吸熱膨脹壓力迅速增大的原理對圍巖致裂，避免了傳統(tǒng)化學(xué)炸藥爆破時震動大、危險性高、產(chǎn)生大量有害氣體的缺點，具有安全環(huán)保經(jīng)濟(jì)快速的特點，能起到保護(hù)圍巖、改善施工環(huán)境的作用。

圖3 二氧化碳爆破

1.1.4 噴膜防水替代傳統(tǒng)防水板

公路隧道滲漏水是隧道工程的質(zhì)量通病之一，隧道的復(fù)合式襯砌防水大多采用防水卷材，但效果并不樂觀。近年來部公路院、西南交大、山東大學(xué)一些學(xué)者對隧道噴膜防水技術(shù)進(jìn)行研究和工程應(yīng)用。

強粘合性隧道噴膜防水技術(shù)采用合成膠乳作為噴涂成型膠膜主材，熱塑型橡膠改性乳化瀝青作為輔材，通過噴涂工藝在表面瞬間凝結(jié)，實現(xiàn)對異型結(jié)構(gòu)的全無縫整體防水。該技術(shù)噴涂膜厚度1～4mm，一次成膜，省時、省力、高效，并保持膠膜良好的均勻性、現(xiàn)場適應(yīng)性強，基層條件要求寬泛，施工條件不苛刻，適合各種異型基面。

該技術(shù)在實際應(yīng)用過程中，會遇到冬季施工的問題，由于材料配方中含有乳化瀝青，因此，當(dāng)施工環(huán)境溫度低于5℃以下時就不能進(jìn)行施工，為了克服冬季施工的問題，需要嘗試采用部分冰點較低的物質(zhì)作為溶劑，這將在以后的后續(xù)研發(fā)過程中進(jìn)行深入研究。

圖4 噴膜施工

1.1.5 分離式二襯臺車施工

采用分離式二襯臺車進(jìn)行機械化施工，優(yōu)化了施工工藝，確保了施工質(zhì)量，增加了安全系數(shù)。應(yīng)用分離式二襯臺車，如圖5所示。采用增設(shè)附著振搗器-排氣孔的工藝，確保二次襯砌混凝土澆筑密實，防止二襯脫空，如圖6所示。采用二襯噴霧養(yǎng)生工藝，確?；炷临|(zhì)量，同時改進(jìn)了隧道二襯混凝土養(yǎng)護(hù)噴霧臺車。

圖5 分離式二襯臺車

圖6 二襯防脫空工藝（增設(shè)附著振搗器-排氣孔）

1.2 數(shù)字化施工管理模式

數(shù)字化施工管理的合理性及有效性是機械化施工的安全、質(zhì)量、效率的有力保證。充分依托互聯(lián)網(wǎng)+、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、BIM等技術(shù)打造數(shù)字化隧道施工平臺，完善機電系統(tǒng)（包括監(jiān)控系統(tǒng)、火災(zāi)報警與消防系統(tǒng)、通風(fēng)排煙系統(tǒng)等）保障隧道運營安全，實現(xiàn)數(shù)字化隧道施工管理模式。

1.2.1 隧道進(jìn)洞“ETC”管理

人員進(jìn)洞采用地鐵進(jìn)站式管理，該門禁監(jiān)控系統(tǒng)會在人員刷卡的同時進(jìn)行人臉識別拍照存儲該條進(jìn)洞信息，最后以圖文結(jié)合的方式反應(yīng)人員進(jìn)出信息，實現(xiàn)無紙化登記。采用高速公路ETC模式對進(jìn)出洞車輛進(jìn)行登記管理，提高管理效率。

1.2.2 隧道視頻監(jiān)控

通過建立隧道監(jiān)控視頻系統(tǒng)，實現(xiàn)施工管理管空間全面覆蓋、時間全部天候、既分門別類、又有所側(cè)重。視頻監(jiān)控系統(tǒng)可隨時動態(tài)掌握隧道掌子面作業(yè)人數(shù)、作業(yè)時間、通風(fēng)量、氧氣含量及CO等有害氣體分布等關(guān)鍵信息。信息化管理上建立基于物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的施工設(shè)備機具協(xié)同遠(yuǎn)程調(diào)度系統(tǒng)。施工作業(yè)各要素高度集成、遠(yuǎn)程控制、協(xié)同配合、提高工效、節(jié)約能源。

圖7 隧道信息全數(shù)字化顯示

1.2.3 人員定位系統(tǒng)

通過BIM技術(shù)的運用，實現(xiàn)了人員、設(shè)備實時精準(zhǔn)定位，在緊急情況發(fā)生時準(zhǔn)確掌握人員設(shè)備位置和數(shù)量。

圖8 隧道人員定位系統(tǒng)

1.2.4 洞內(nèi)設(shè)備遠(yuǎn)程控制平臺

隧道視頻監(jiān)控不僅能實現(xiàn)監(jiān)控功能，還能實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。通過洞內(nèi)設(shè)備遠(yuǎn)程控制平臺，實現(xiàn)了隧道空壓機、軸流風(fēng)機、射流風(fēng)機等大型設(shè)備的遠(yuǎn)程無線控制。

2 結(jié)論

通過機械化施工和數(shù)字化管理不僅確保施工作業(yè)質(zhì)量，而且大幅提高了施工作業(yè)效率，加快了施工進(jìn)度，同時有效保障了施工的安全性，并顯著改善了隧道內(nèi)施工作業(yè)環(huán)境條件，保護(hù)現(xiàn)場作業(yè)人員身心健康。