軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化配套施工技術(shù)探討與展望

郭光旭 王恩選

(西成鐵路客運(yùn)專線陜西有限責(zé)任公司， 西安 710043)

自第一屆交通運(yùn)輸工程國(guó)際學(xué)術(shù)會(huì)議提出智能化鐵路模型以來，全世界掀起了一場(chǎng)人工智能的風(fēng)潮，智能掘進(jìn)、自動(dòng)化施工等相關(guān)信息持續(xù)受到關(guān)注[1-2]。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算技術(shù)、3D打印和智能計(jì)算技術(shù)的快速發(fā)展，大數(shù)據(jù)、信息化和智能化的時(shí)代已經(jīng)到來，機(jī)械化逐步轉(zhuǎn)型為智能化將成為工程機(jī)械的發(fā)展方向，有效提高工作效率的同時(shí)，還可大幅度降低生產(chǎn)成本。國(guó)內(nèi)外學(xué)者在智能機(jī)械化建造技術(shù)方面進(jìn)行了積極的探索研究，其中具有代表性的有：高文學(xué)等人[3]提出隧道施工多元信息智能化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)TIS(tunnel intelligentized monitoring system)；Kotenko等人[4]建立了用于鐵路運(yùn)輸自動(dòng)化系統(tǒng)信息保護(hù)的多級(jí)智能信息安全系統(tǒng)的體系結(jié)構(gòu)；王迎超等人[5]開發(fā)了一種模擬隧道分部開挖的多功能智能掘進(jìn)裝置，操作易行、自動(dòng)化、智能化程度高；鄧銘江等人[6]通過對(duì)TBM長(zhǎng)距離隧洞(道)試掘進(jìn)階段工作的總結(jié)與分析，對(duì)智能化掘進(jìn)技術(shù)進(jìn)行闡述與展望；劉飛香[7]提出借助通信網(wǎng)絡(luò)和智能建造施工協(xié)同管理平臺(tái)，為隧道智能建造提供裝備保障。

基于前人的研究成果可推測(cè)，高速鐵路隧道智能機(jī)械化配套施工，乃至無人化施工，是鐵路工程建設(shè)的發(fā)展趨勢(shì)。本文借鑒京張高速鐵路首次采用智能技術(shù)建造的成功經(jīng)驗(yàn)和鄭萬高速鐵路大斷面隧道機(jī)械化施工的研究成果，依托西延高速鐵路建設(shè)項(xiàng)目，在已有機(jī)械化、數(shù)字化、信息化施工技術(shù)基礎(chǔ)上，探索人工智能、機(jī)器人技術(shù)與隧道裝備、礦山法施工技術(shù)的高度融合，減少人為主觀因素引起的偏差，提升隧道施工安全性，保證隧道施工質(zhì)量。同時(shí)，探索5G技術(shù)與智能機(jī)械化的融合，在5G基礎(chǔ)上研究“機(jī)群協(xié)同、人機(jī)協(xié)同”智能調(diào)度指揮系統(tǒng)[8]，實(shí)現(xiàn)西延高速鐵路軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化配套施工，以期提升軟弱圍巖隧道工程建設(shè)質(zhì)量安全管控水平，進(jìn)而推動(dòng)我國(guó)鐵路隧道工程智能建造步伐。

1 隧道智能化施工現(xiàn)狀及關(guān)鍵問題

1.1 智能機(jī)械化施工現(xiàn)狀

1.1.1單工序智能機(jī)械設(shè)備研發(fā)現(xiàn)狀

目前國(guó)內(nèi)隧道施工工序(礦山法)可籠統(tǒng)分為鉆爆、挖裝、運(yùn)卸、初支、噴錨、仰拱和二襯。針對(duì)各工序的單機(jī)智能機(jī)械化，諸多學(xué)者一直在探索研發(fā)，部分工序已實(shí)現(xiàn)了單工序機(jī)械化施工，單機(jī)操作數(shù)控化、自動(dòng)化為多機(jī)信息互聯(lián)協(xié)作提供了設(shè)備支撐條件。

(1)鑿巖機(jī)器人

自19世紀(jì)40年代第一臺(tái)氣動(dòng)鑿巖機(jī)問世，鑿巖機(jī)經(jīng)歷人工半機(jī)械化到機(jī)械化再到數(shù)控化的發(fā)展歷程。我國(guó)在2000年前后成功研發(fā)了首臺(tái)由電腦控制的隧道鑿巖鉆車樣機(jī)，使隧道不必要開采量減少10%以上，單次爆破深度能提高10%以上，設(shè)備壽命尤其是鉆頭使用壽命提高20%以上，總生產(chǎn)效率提高約20%[9]。2016年，國(guó)產(chǎn)全電腦三臂鑿巖臺(tái)車(隧道鑿巖機(jī)器人)研發(fā)成功，可縮短90%以上的施工準(zhǔn)備時(shí)間，節(jié)約物料成本50%以上。

(2)噴射混凝土機(jī)器人

混凝土濕噴機(jī)現(xiàn)今基本實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化噴射，國(guó)外隧道已開始使用2～3臂噴射混凝土機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)遙控操作[10]。我國(guó)濕噴機(jī)在整體化、自動(dòng)化方面也取得建設(shè)性突破，在設(shè)備操作、控制混凝土反彈、安全環(huán)保、行走控制等方面都得到了很大的提升[11]。為提高隧道施工中混凝土噴射的效率與質(zhì)量，在機(jī)械化操作的基礎(chǔ)上，研發(fā)噴射機(jī)械手智能化控制系統(tǒng)，根據(jù)不同區(qū)域的超欠挖情況動(dòng)態(tài)控制噴射參量[12]。

(3)數(shù)字化襯砌臺(tái)車

二襯施工經(jīng)歷了人工立模、簡(jiǎn)易模板臺(tái)架、網(wǎng)架式襯砌臺(tái)車、全液壓自動(dòng)行走襯砌臺(tái)車等階段[13]，襯砌臺(tái)車的自動(dòng)化、信息化、智能化也在逐步探索研發(fā)之中，各種新型隧道數(shù)字化襯砌臺(tái)車開始投入使用。張吉懷鐵路研發(fā)了一套新型智能襯砌臺(tái)車施工自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)襯砌澆筑過程中混凝土澆筑量、溫度和壓力等的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)和信息化控制，提高了隧道襯砌施工效率，確保了襯砌施工質(zhì)量[14]。

1.1.2多工序智能機(jī)械配套施工技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

實(shí)現(xiàn)施工機(jī)械化，特別是隧道施工機(jī)械化，不是簡(jiǎn)單地用機(jī)械代替人工，也不是簡(jiǎn)單地在人力難以操作的環(huán)境使用機(jī)械。它是通過整體有序、合理、安全地實(shí)現(xiàn)各種機(jī)械的最優(yōu)化配置，來達(dá)到施工過程中一種最高效、最合理、最經(jīng)濟(jì)、最安全的施工狀態(tài)。

2016年，鄭萬鐵路硬巖隧道推廣大斷面機(jī)械化配套施工技術(shù)[15]，結(jié)合礦山法、挪威法、新意法及中國(guó)長(zhǎng)期施工以來施工經(jīng)驗(yàn)，首次在隧道大斷面施工中采用大型機(jī)械化配套施工，總結(jié)出大型機(jī)械化配套施工工法。蒙華鐵路隧道工程形成了涵蓋濕噴機(jī)械手、自行式仰拱長(zhǎng)棧橋、新型二次襯砌臺(tái)車工裝、馬蹄形盾構(gòu)、預(yù)切槽設(shè)備、懸臂式掘進(jìn)機(jī)等一系列多工序隧道施工機(jī)械化配套技術(shù)[16]。京張高速鐵路工程數(shù)字化是智能京張的先導(dǎo)工程，其本質(zhì)是以BIM、GIS以及現(xiàn)代信息技術(shù)為基礎(chǔ)，實(shí)現(xiàn)京張高速鐵路建設(shè)過程的全面數(shù)字化，即工程實(shí)體的數(shù)字化、過程管理的數(shù)字化、參與要素的數(shù)字化[17]。

國(guó)內(nèi)隧道機(jī)械化施工，已由局部機(jī)械化施工發(fā)展到綜合機(jī)械化施工，體現(xiàn)了我國(guó)隧道機(jī)械化施工技術(shù)的大幅提高，但仍然存在以下問題：

(1)國(guó)外機(jī)械設(shè)備已開始向智能化、單機(jī)機(jī)器人化方向發(fā)展，國(guó)內(nèi)對(duì)智能裝備的研究還處于初級(jí)階段，相關(guān)的研究也較少。

(2)國(guó)內(nèi)隧道多機(jī)種機(jī)械化作業(yè)模式的理論體系仍有待完善。在隧道施工研究方面，國(guó)內(nèi)對(duì)隧道施工技術(shù)及工藝的研究較多，而對(duì)隧道多機(jī)種機(jī)械化作業(yè)模式的研究較少。多機(jī)種機(jī)械設(shè)備配套只能在圍巖穩(wěn)定性好的情況下進(jìn)行機(jī)械化作業(yè)，且機(jī)械設(shè)備配套的關(guān)鍵技術(shù)難題有待解決，從而導(dǎo)致隧道施工機(jī)械化程度低。長(zhǎng)期以來，我國(guó)軟弱圍巖隧道施工主要以人工鉆爆的礦山法為主，Ⅳ級(jí)圍巖采用三臺(tái)階法，Ⅴ級(jí)圍巖采用CD法、CRD法和雙側(cè)壁導(dǎo)洞開挖。軟弱圍巖(土質(zhì))隧道采用分部開挖工法，施工過程中支護(hù)強(qiáng)度和剛度很難控制，施工步驟復(fù)雜不易把握，不利于機(jī)械化配套施工的發(fā)展。

(3)國(guó)內(nèi)隧道綜合信息智能監(jiān)控技術(shù)研究尚處于起步階段，還未在機(jī)械化、信息化的基礎(chǔ)上形成系統(tǒng)完善的智能化體系。利用信息化技術(shù)以及人工智能對(duì)隧道的智能安全監(jiān)控、隧道災(zāi)害預(yù)警以及救援措施實(shí)施等相關(guān)技術(shù)進(jìn)行研究，可作為該領(lǐng)域的一個(gè)發(fā)展方向。

針對(duì)以上問題，有必要通過具體工程案例，試行多機(jī)種機(jī)械化協(xié)同作業(yè)模式，結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控反饋信息對(duì)模式理論體系進(jìn)行研究。對(duì)大量采用分部開挖法的軟巖隧道，應(yīng)研發(fā)小型機(jī)械化設(shè)備，形成完善的隧道機(jī)械化作業(yè)模式理論體系和綜合信息智能監(jiān)控系統(tǒng)，以提高隧道施工進(jìn)度。

1.2 軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化研究的關(guān)鍵問題

結(jié)合西延高速鐵路的地質(zhì)特性，在機(jī)械化、信息化、單機(jī)智能化施工技術(shù)的基礎(chǔ)上，以5G技術(shù)為媒介，深度融合物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，開展軟弱圍巖隧道關(guān)鍵工序智能機(jī)械化施工研究，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械化施工裝備協(xié)同作業(yè)，確保施工安全、環(huán)保、快速。通過對(duì)現(xiàn)有施工技術(shù)與工法的分析，軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化研究的關(guān)鍵問題有：

(1)軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化施工工法及其地質(zhì)適應(yīng)性

智能機(jī)械化施工工法在工法設(shè)計(jì)中充分考慮了智能機(jī)械協(xié)同施工的需要，根據(jù)機(jī)械作業(yè)半徑優(yōu)化開挖斷面劃分，根據(jù)圍巖地質(zhì)特性進(jìn)行設(shè)計(jì)。充分利用智能機(jī)械化設(shè)備的優(yōu)勢(shì)對(duì)支護(hù)工藝進(jìn)行優(yōu)化。

(2)軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化施工裝備數(shù)據(jù)采集、分析與自主決策等系統(tǒng)開發(fā)

基于智能鑿巖臺(tái)車鉆進(jìn)參數(shù)、地質(zhì)素描、TSP和地質(zhì)雷達(dá)超前預(yù)報(bào)等信息，得到隧道圍巖的堅(jiān)硬程度、完整程度和地下水發(fā)育情況等數(shù)據(jù)，采用數(shù)量化理論，建立現(xiàn)場(chǎng)多信息綜合評(píng)價(jià)模型。運(yùn)用專家知識(shí)系統(tǒng)，比較分析現(xiàn)場(chǎng)多信息綜合評(píng)價(jià)模型，快速進(jìn)行預(yù)判，輔助隧道圍巖級(jí)別判釋。建立圍巖級(jí)別及處理措施對(duì)應(yīng)關(guān)系的數(shù)據(jù)庫，根據(jù)判釋隧道圍巖級(jí)別，設(shè)備自助決策，調(diào)整支護(hù)措施參數(shù)。

(3)軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化施工裝備數(shù)據(jù)高效處理、交互與上傳技術(shù)

基于建筑信息模型(BIM)、大數(shù)據(jù)、移動(dòng)互聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)(IOT)等技術(shù)，結(jié)合隧道施工工法，實(shí)現(xiàn)智能機(jī)械化施工裝備的信息交互上傳，建立隧道智能機(jī)械化管理云平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)各類施工裝備的有序銜接和高效作業(yè)。

(4)軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化施工裝備協(xié)同控制作業(yè)智能調(diào)度系統(tǒng)開發(fā)

在智能機(jī)械化施工裝備數(shù)據(jù)高效處理、交互基礎(chǔ)上，運(yùn)用專家知識(shí)系統(tǒng)，建立現(xiàn)場(chǎng)多信息綜合評(píng)價(jià)模型，建立觸發(fā)條件與協(xié)同命令對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù)庫，從而實(shí)現(xiàn)智能多方協(xié)同施工調(diào)度。

2 隧道智能配套施工技術(shù)開發(fā)

2.1 依托工程概況

新建西安至延安高速鐵路位于陜西關(guān)中及陜北地區(qū)，是國(guó)家《中長(zhǎng)期鐵路網(wǎng)規(guī)劃》(2016年)中規(guī)劃“八縱八橫”高速鐵路主通道包(銀)海通道的重要組成部分，速度目標(biāo)值350 km/h。新建正線全長(zhǎng)287.1 km，其中隧道43座，總長(zhǎng)165.751 km，占新建線路長(zhǎng)度的58.8%。

線路主要位于渭河沖積平原區(qū)、黃土臺(tái)塬區(qū)、黃土梁峁溝壑區(qū)及子午嶺低中山區(qū)，屬中朝準(zhǔn)地臺(tái)一級(jí)構(gòu)造單元，跨越汾渭斷陷及陜甘寧臺(tái)坳兩個(gè)二級(jí)構(gòu)造單元。其中，西安至銅川段位于汾渭斷陷的三級(jí)構(gòu)造單元渭河斷凹。共跨越11條斷層破裂段，隧道工程均以大角度通過。

區(qū)域內(nèi)隧道工程圍巖巖性主要以第四系黃土、第三系泥巖、侏羅系、三疊系頁巖、泥巖為主。隧道最大埋深250 m，其中Ⅳ級(jí)圍巖占比61.8%，Ⅴ級(jí)圍巖占比12.7%。本文選擇太康隧道作為科研試驗(yàn)依托工點(diǎn)，隧道長(zhǎng) 13 600.70 m，為單洞雙線隧道，隧道最大埋深237 m，最小埋深29.6 m，隧道洞身主要地層為Ⅳ～Ⅴ級(jí)的第四系全新統(tǒng)滑坡堆積、沖積層、洪積層及坡積層，上更新統(tǒng)沖積層、坡積層及風(fēng)積層，下伏三疊系上統(tǒng)頁巖、砂巖，屬于Ⅰ級(jí)高風(fēng)險(xiǎn)隧道，共設(shè)3座斜井輔助施工。洞身穿越區(qū)圍巖變形量大，速度快，持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)，圍巖破壞范圍大，壓力增長(zhǎng)快，變形破壞形式多樣，且受工程擾動(dòng)極其敏感，在受拉或受壓條件下將產(chǎn)生塑性區(qū)，使圍巖和支護(hù)發(fā)生變形，極易發(fā)生初期支護(hù)變形侵限和隧道坍塌等工程災(zāi)害。修建如此軟弱圍巖的高風(fēng)險(xiǎn)隧道，有必要提升工程的智能機(jī)械化水平。太康隧道進(jìn)口、1號(hào)斜井工區(qū)、出口工區(qū)擬采用智能機(jī)械化配套施工，亟待開展軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化施工技術(shù)研究。

2.2 隧道智能機(jī)械化施工配套技術(shù)

太康隧道計(jì)劃工期為33.8個(gè)月，2號(hào)斜井～3號(hào)斜井之間為關(guān)鍵線路，如圖1所示。

圖1 太康隧道施工工期計(jì)劃圖

針對(duì)太康隧道工程特點(diǎn)，結(jié)合高速鐵路隧道施工的機(jī)械設(shè)備現(xiàn)狀、工藝工法水平和安全質(zhì)量要求，在機(jī)械化、數(shù)字化、信息化的基礎(chǔ)上，對(duì)“超前探測(cè)、注漿加固、開挖、初期支護(hù)、襯砌”等五大關(guān)鍵工序，利用(研發(fā))單工序智能機(jī)械裝備，開發(fā)智能調(diào)度指揮系統(tǒng)，提升“機(jī)群協(xié)同”功能。通過智能鑿巖臺(tái)車、注漿裝備、臺(tái)車等設(shè)備的信息交互、反饋、智能決策與控制，逐步實(shí)現(xiàn)軟弱圍巖隧道智能機(jī)械化配套施工技術(shù)。研究?jī)?nèi)容包括隧道軟弱圍巖智能機(jī)械化裝備及配套技術(shù)研究、隧道圍巖智能判識(shí)及BIM技術(shù)、隧道關(guān)鍵工序智能機(jī)械化施工綜合技術(shù)研究、隧道智能機(jī)械化管理平臺(tái)、隧道智能機(jī)械化施工工效及定額測(cè)定和軟弱圍巖隧道非爆智能機(jī)械化配套研究。選取太康隧道進(jìn)、出口工區(qū)作為試驗(yàn)研究區(qū)段，關(guān)鍵線路外1號(hào)斜井往進(jìn)、出口區(qū)段作為科研成果驗(yàn)證區(qū)段。

無論是試驗(yàn)研究區(qū)段還是科研成果驗(yàn)證區(qū)段，在研究過程中，都應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：

(1)智能機(jī)械化與圍巖地質(zhì)配套

西延高速鐵路陜北地區(qū)以砂巖、頁巖和黃土為主，巖石含水量偏低。白堊系砂巖巖層傾角平緩。區(qū)域內(nèi)黃土滑坡、溜塌、堆塌較發(fā)育，且受降雨量影響較大。因此，西延高速鐵路隧道機(jī)械化配套方案的制定原則為：基于設(shè)計(jì)要求，對(duì)土質(zhì)、石質(zhì)兩大類圍巖，分別按照圍巖級(jí)別確定隧道機(jī)械化作業(yè)線機(jī)械設(shè)備配置方案。確定巖石隧道Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖和土質(zhì)隧道Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖機(jī)械化配套設(shè)備配置方案和配套施工技術(shù)。

利用新技術(shù)、新材料，同步研發(fā)高速鐵路大斷面軟弱圍巖隧道(礦山法)分部開挖施工的小型自動(dòng)機(jī)械化設(shè)備，使設(shè)備能夠同時(shí)滿足超前小導(dǎo)管支護(hù)、隧道開挖及立拱機(jī)械的作業(yè)要求。并針對(duì)超前探測(cè)、注漿加固、開挖、初期支護(hù)、二次襯砌五大關(guān)鍵工序，提升智能機(jī)械化配套施工技術(shù)。

(2)智能機(jī)械化與施工工法配套

西延高速鐵路隧道施工工法主要有雙側(cè)壁導(dǎo)坑法、交叉中隔壁(CRD)法、三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法、三臺(tái)階預(yù)留核心土法、三臺(tái)階法。基于工程施工工法的隧道作業(yè)線的機(jī)械配置方案，形成對(duì)應(yīng)工法的機(jī)械化配套施工作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)、管理體系等，并研制適應(yīng)于隧道分部開挖施工工法的開挖、初支等工序的小型工裝設(shè)備。

(3)智能機(jī)械化與施工裝備配套

研究制定主要智能裝備的單機(jī)技術(shù)條件，按照技術(shù)條件進(jìn)行選擇或研發(fā)完善主要智能機(jī)械工裝，在廣泛調(diào)研的基礎(chǔ)上，選擇與主要智能裝備相匹配的配套機(jī)械裝備。機(jī)械化施工裝備配套應(yīng)考慮以下要求：

①機(jī)械化配套應(yīng)對(duì)隧道圍巖地質(zhì)條件具有針對(duì)性，達(dá)到快速施工的目的。

②充分發(fā)揮單機(jī)功效，減少設(shè)備閑置及窩工現(xiàn)象。

③多工序平行作業(yè)，實(shí)現(xiàn)工序“零”銜接，加快作業(yè)循環(huán)。

④滿足安全質(zhì)量管控要求，探索機(jī)械化配套施工的安全質(zhì)量體系標(biāo)準(zhǔn)。

(4)智能機(jī)械化與數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)傳輸及協(xié)同作業(yè)

將現(xiàn)有單機(jī)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行規(guī)范、統(tǒng)一，建立一套規(guī)范化的作業(yè)機(jī)械數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)規(guī)范，主要智能機(jī)械裝備搭載5G收發(fā)端子，引進(jìn)5G移動(dòng)網(wǎng)絡(luò)，通過無線發(fā)射接收技術(shù)，對(duì)設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行收集、交互。以智能化單機(jī)裝備和多機(jī)協(xié)同化為依托，實(shí)時(shí)采集建造過程數(shù)據(jù)，通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、整理、存儲(chǔ)、挖掘和反饋，實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)群的自監(jiān)控、自學(xué)習(xí)、自管理，建立智慧隧道云平臺(tái)，形成智能調(diào)度指揮系統(tǒng)，完成各智能工裝設(shè)備之間的“協(xié)同作業(yè)”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“機(jī)群協(xié)同”，達(dá)到隧道智能化建造與管理的目的。

通過設(shè)備(鑿巖臺(tái)車、懸臂掘進(jìn)機(jī)、濕噴臺(tái)車)鉆進(jìn)技術(shù)、掃描技術(shù)、成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)圍巖信息實(shí)時(shí)采集，預(yù)期結(jié)果自動(dòng)比對(duì)，設(shè)備狀態(tài)及時(shí)調(diào)整，監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及時(shí)傳輸。智能機(jī)械化在隧道掘進(jìn)各工序信息收集、交互聯(lián)系示意如圖2所示。通過巖機(jī)互動(dòng)，提升設(shè)備自適應(yīng)能力，同時(shí)超前掌握更多地層信息。

圖2 智能機(jī)械化在隧道掘進(jìn)各工序信息收集、交互聯(lián)系示意圖

3 隧道智能機(jī)械化應(yīng)用前景

3.1 隧道智能機(jī)械化構(gòu)想

隧道智能機(jī)械化將人工智能、機(jī)器人和視覺識(shí)別技術(shù)與高速鐵路隧道礦山法施工技術(shù)高度融合，施工機(jī)械通過主動(dòng)感知、分析，自主操控完成工序作業(yè)，利用智聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算、5G等先進(jìn)技術(shù)，信息實(shí)時(shí)傳輸共享，機(jī)群協(xié)同，人機(jī)協(xié)同，遠(yuǎn)程智能監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)高速鐵路隧道(礦山法)施工由數(shù)字化、信息化再升級(jí)改造為智能化施工機(jī)械，到軟弱圍巖隧道施工綜合智能機(jī)械化配套作業(yè)，從而達(dá)到智能建造的目的。

3.2 隧道智能機(jī)械化階段分析

鐵道工程智能建設(shè)分為三個(gè)發(fā)展階段，即初級(jí)(知覺)，中級(jí)(替代)和高級(jí)(智能)。為促進(jìn)隧道智能機(jī)械化的實(shí)現(xiàn)，進(jìn)一步將其細(xì)化。

(1)初級(jí)階段

關(guān)鍵工序，施工裝備單機(jī)主動(dòng)感知、分析，自主操控作業(yè)；信息實(shí)時(shí)傳輸，機(jī)群協(xié)同，信息共享，輔助人工決策；全工序、全過程機(jī)械化配套施工。

(2)中級(jí)階段

在初級(jí)階段基礎(chǔ)之上，通過互聯(lián)網(wǎng)和物聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)傳輸，利用大數(shù)據(jù)、云計(jì)算進(jìn)行數(shù)據(jù)分析、整理、存儲(chǔ)、挖掘和反饋，建立智慧隧道云平臺(tái)，形成智能調(diào)度指揮系統(tǒng)，完成各智能工裝設(shè)備之間的“協(xié)同作業(yè)”，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)“機(jī)群協(xié)同”作業(yè)。

(3)高級(jí)階段

在中級(jí)階段基礎(chǔ)之上，實(shí)現(xiàn)智能化機(jī)群的自監(jiān)控、自學(xué)習(xí)；設(shè)計(jì)信息納入智能控制系統(tǒng)，機(jī)群協(xié)同，人機(jī)協(xié)同，深度學(xué)習(xí)，設(shè)計(jì)與施工深度融合，根據(jù)地質(zhì)情況，從設(shè)計(jì)層面根據(jù)大數(shù)據(jù)分析、挖掘，系統(tǒng)智能決策開挖支護(hù)、襯砌參數(shù)，并驅(qū)動(dòng)智能設(shè)備按照系統(tǒng)的決策自主作業(yè)，實(shí)現(xiàn)從設(shè)計(jì)到施工的全工序、全過程無人化施工，實(shí)現(xiàn)隧道智能建造與管理。

3.3 隧道智能機(jī)械化施工預(yù)期目標(biāo)

(1)以西延高速鐵路工程隧道設(shè)計(jì)及礦山法為理論基礎(chǔ)，結(jié)合智能機(jī)械化配套施工，對(duì)軟弱水平層圍巖隧道施工工法、支護(hù)體系、技術(shù)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。通過變形監(jiān)測(cè)、內(nèi)力監(jiān)測(cè)等手段，收集試驗(yàn)數(shù)據(jù)及相關(guān)資料，對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行總結(jié)，形成軟弱水平圍巖隧道智能機(jī)械化配套施工工法、隧道支護(hù)體系、技術(shù)參數(shù)等。

(2)通過智能機(jī)械化施工及協(xié)同管理技術(shù)，對(duì)各工序施工質(zhì)量進(jìn)行管控，目標(biāo)實(shí)現(xiàn)情況如下：

①超欠挖質(zhì)量控制

施工過程中通過鉆孔參數(shù)和MWD地質(zhì)云圖采集，對(duì)爆破設(shè)計(jì)圖進(jìn)行自動(dòng)動(dòng)態(tài)優(yōu)化，對(duì)超欠挖進(jìn)行控制，進(jìn)一步提升隧道爆破開挖質(zhì)量。

②噴混凝土施工質(zhì)量控制

實(shí)現(xiàn)噴混凝土方量的自動(dòng)計(jì)算，噴混凝土厚度、噴混凝土平整度的精準(zhǔn)控制，保證噴混凝土效果與質(zhì)量。

③拱架安裝質(zhì)量控制

實(shí)現(xiàn)初期支護(hù)拱架安裝的數(shù)量、位置、間距的精準(zhǔn)控制，保證隧道鋼拱架施工的效果與質(zhì)量。

④錨桿施工質(zhì)量控制

實(shí)現(xiàn)錨桿鉆進(jìn)深度控制、預(yù)應(yīng)力標(biāo)準(zhǔn)化控制、注漿過程參數(shù)控制，保證錨桿施工的效果與質(zhì)量。

⑤注漿施工質(zhì)量控制

實(shí)現(xiàn)注漿參數(shù)的動(dòng)態(tài)匹配和精準(zhǔn)控制，并通過注漿設(shè)備的漿液自動(dòng)拌合、注漿方量、注漿時(shí)間、注漿壓力監(jiān)測(cè)等功能，保證注漿效果與質(zhì)量。

⑥混凝土施工質(zhì)量控制

實(shí)現(xiàn)二次襯砌360°無死角的混凝土密實(shí)控制；實(shí)現(xiàn)灌筑方量、入模溫度、灌筑壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)控；避免了拱頂脫空、整體密實(shí)性差等常見質(zhì)量問題；通過采用智能養(yǎng)護(hù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)封閉式養(yǎng)護(hù)空間溫度、濕度、養(yǎng)護(hù)周期的精準(zhǔn)控制和養(yǎng)護(hù)過程中狀態(tài)的閉環(huán)監(jiān)控，保證襯砌的養(yǎng)護(hù)質(zhì)量；最大程度地保證混凝土施工質(zhì)量，減少或杜絕襯砌裂紋、掉塊等病害。

(3)建設(shè)投資可控，工程施工成本大幅降低。

(4)研究提煉一系列與智能機(jī)械化施工相適應(yīng)的安全、質(zhì)量、進(jìn)度、投資、環(huán)保等建設(shè)管理方面具有可推廣價(jià)值的經(jīng)驗(yàn)。

4 結(jié)論與展望

本文對(duì)智能機(jī)械化配套施工技術(shù)的探討，將人工智能、圖像識(shí)別、機(jī)器人技術(shù)與鐵路隧道工程裝備、施工技術(shù)深度融合，利用云計(jì)算、物聯(lián)網(wǎng)、5G等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)智能設(shè)備自主操控、自動(dòng)學(xué)習(xí)修復(fù)、機(jī)群協(xié)同、人機(jī)協(xié)同、智能決策，全面實(shí)現(xiàn)鐵路隧道智能機(jī)械化配套施工，推動(dòng)高速鐵路隧道建設(shè)“去人化”、“少人化”、“無人化”的進(jìn)程，通過對(duì)西延高速鐵路軟弱圍巖隧道全工序全過程智能機(jī)械化配套施工技術(shù)的分析，得出結(jié)論如下：

(1)采用智能化技術(shù)，隧道工期預(yù)期縮短，大幅減少勞動(dòng)力和勞動(dòng)強(qiáng)度，工序銜接和工序作業(yè)質(zhì)量得以精準(zhǔn)控制，實(shí)現(xiàn)了西延高速鐵路隧道發(fā)安全、快速、高效施工。

(2)實(shí)現(xiàn)西延高速鐵路軟弱圍巖隧道預(yù)支護(hù)等關(guān)鍵工序自動(dòng)化、智能化，多工序、多機(jī)種機(jī)群協(xié)同作業(yè)，輔助人工決策的預(yù)期效果。

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、數(shù)據(jù)庫技術(shù)、GIS技術(shù)、空間信息技術(shù)、BIM、三維仿真與模擬技術(shù)和數(shù)控技術(shù)等高新技術(shù)在鐵路工程研究與應(yīng)用中的不斷深入，以及物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)和云計(jì)算技術(shù)的逐步引入，“BIM+”融合趨勢(shì)明顯。利用信息化手段對(duì)高速鐵路建設(shè)過程中的勘察、設(shè)計(jì)、施工和監(jiān)測(cè)等方面的數(shù)據(jù)進(jìn)行集中、高效管理，借助于虛擬現(xiàn)實(shí)、地理信息空間分析等技術(shù)手段為高速鐵路建設(shè)、管理、運(yùn)營(yíng)和維護(hù)等提供信息共享方式，將高速鐵路建設(shè)和運(yùn)營(yíng)的全生命周期運(yùn)用信息化、數(shù)字化、智能化手段進(jìn)行管理是必然發(fā)展趨勢(shì)。