鄭萬鐵路建設機械-信息化管理的探索與實踐

劉 江

(中鐵十一局集團第四工程有限公司 湖北武漢 430200)

1 引言

近些年來，中國高鐵經過多年的建設和發(fā)展，擁有了世界上最大規(guī)模[1]和最高運營速度的高速鐵路網，促進了經濟社會發(fā)展，同時，它已成為一個亮麗的名片，向全世界展示了中國鐵路建造技術全面步入世界領先水平。高速鐵路作為國家重大建設工程項目，投資規(guī)模大、技術標準高、質量要求嚴。隨著十八大的召開，國家更提出了“交通強國、鐵路先行”的目標，深化鐵路建設“強基達標、提質增效”主題，突出質量安全管理，科學有序、安全優(yōu)質推進鐵路建設[2]。

在此形勢下，鄭萬項目在籌建伊始，提出了堅定“推進信息化與標準化管理深度融合，建設中國高速鐵路標準化管理示范工程”的理念，一方面利用信息化技術搭建涵蓋現(xiàn)場施工管理、安全質量管理、合同管理、物資設備管理、財務管理等多層次的信息化管理平臺，規(guī)范各單位或部門的職能劃分、協(xié)作關系、工作流程，通過信息化數(shù)據的采集、整合和分析，監(jiān)控各業(yè)務板塊，促進項目建設管理工作的有序推進；另一方面，現(xiàn)場大力推行機械化配套施工，特別針對隧道機械化施工，通過采用新型設備，對隧道軟弱圍巖大斷面快速施工技術展開重點研究，提升隧道施工效率，降低施工成本，提高工程質量。鄭萬鐵路建設項目通過對信息化與機械化深度融合的不斷探索與實踐，提高建設管理水平。

2 國內高速鐵路工程建設項目機械化施工及信息化管理現(xiàn)狀

我國鐵路隧道建設的總量已經遠遠超過世界其他國家，但我國鐵路設備配套技術水平、施工裝備仍處于機械化初期，整體技術仍較落后。長期以來，出于成本等考慮，我國建筑施工企業(yè)在施工中大量使用人工施工，這為廣大勞動者提供了大量就業(yè)機會，同時推動了建筑業(yè)的發(fā)展[3]。但是，隨著建設規(guī)模的迅速擴大、地質條件的復雜和建設標準的不斷提高，人工施工工效低、安全質量難以控制的弊端就逐漸顯露出來；信息化是當今世界經濟社會發(fā)展的必然趨勢[4]。鐵路建設從一開始就希望應用項目管理信息系統(tǒng)進行建設管理，國內已建、在建的高速鐵路僅實現(xiàn)了工程建設管理部分模塊的信息化管理，但都沒有形成鐵路建設信息化管理系統(tǒng)、統(tǒng)一的軟件平臺，缺乏統(tǒng)一、穩(wěn)定、標準的基礎數(shù)據源，系統(tǒng)應用效率低；應用模塊之間數(shù)據關聯(lián)度不高，難以保證數(shù)據的一致性；數(shù)據采集、承載、應用的可視化程度低，難以推廣應用；缺乏將施工設計圖轉換成項目管理信息的有效工具和方法，已無法滿足高鐵建設高標準的管理需要。

3 高速鐵路工程建設項目機械化施工及信息化管理的必要性

3.1 鐵路建設“強基達標、提質增效”的前提

鐵路建設的特點是技術復雜、工程質量要求高、施工難度大、建設工期緊，為適應鐵路建設“強基達標、提質增效”形勢的迫切要求，急需鐵路隧道建設向機械化、信息化全覆蓋管理模式轉變。利用機械化施工提高施工工效，降低施工成本，利用信息化管理加強鐵路建設的過程控制，提高工程質量，同時通過新設備、新材料、新工藝的應用，加快提高鐵路建設水平的步伐[5]。

3.2 實現(xiàn)鐵路“六位一體”建設目標、提高鐵路項目管理水平的根本要求

通過機械化、工廠化、專業(yè)化、信息化為支撐手段，以技術、管理、作業(yè)標準和流程為依據，以管理制度、人員配備、現(xiàn)場管理、過程控制標準化為主要內容，采用機械化施工與信息化管理深度融合的方式，將現(xiàn)場工序標準化，保障鐵路建設目標體系的質量核心目標，高效有序推進高速鐵路建設。

隨著科技的不斷進步，鐵路建設逐步向數(shù)字化、智能化發(fā)展[6]。在鐵路建設過程中，采用云計算、互聯(lián)網、大數(shù)據、人工智能、BIM等先進技術、大力推行智能化施工，實現(xiàn)產品、裝備、生產和管理智能化的目標，推動鐵路建設向數(shù)字化、智能化方向發(fā)展[7]。

4 鄭萬高鐵工程機械化施工與信息化管理深度融合的研究

隨著鐵路建設和信息技術的高速發(fā)展，信息化應用于工程建設的管理系統(tǒng)可以提供現(xiàn)場監(jiān)督和施工作業(yè)行為追溯手段，同時加強現(xiàn)場作業(yè)指導，有效地逐級傳遞質量責任壓力，構建起良性的施工作業(yè)系統(tǒng)和誠信體系。但傳統(tǒng)的人工操作不利于信息化管理，這就需要大力推行機械設備應用，提高機械化施工水平。采用信息化管理與機械化配套施工深度融合的方式，將標準化的操作流程集成于機械設備之中，實現(xiàn)質量的精細控制；同時選用智能化機械設備，提高施工功效、降低施工成本，規(guī)避數(shù)據造假現(xiàn)象的發(fā)生[8]。

4.1 機械化設備配套施工

(1)機械設備配備

鄭萬項目上場之初，為提高機械化施工水平，對各項工程施工機械設備提出明確要求:路基工點43個，正線路基長度9.385 km，根據施工單元配置連續(xù)壓實設備及軟基處理配套鉆機，路基壓實設備具備數(shù)據采集上傳功能。

橋梁64座/110.24 km，工程配備大型旋挖鉆機、樁基鋼筋籠數(shù)控滾焊機、鋼筋定位胎架、墩身大型定型鋼模、懸臂澆筑掛籃、梁體智能張拉壓漿設備、運架梁一體機等設備。

隧道33座/167.562 km，其中5 km以上隧道14座，各隧道作業(yè)面均采用機械化配套施工，配置濕噴機械手、自行式仰拱棧橋、仰拱腹模、防水板自動掛設臺架、二襯臺車、整體溝槽臺車等施工設備，在其中24個隧道作業(yè)面采用加強型機械化配置，即在配備以上設備的同時，配備全電腦三臂鑿巖臺車(見圖1)、多功能拱架安裝臺車等設備。

圖1 ZYS113三臂鑿巖臺車

(2)隧道機械化快速施工技術研究

為了大力推行隧道智能化裝備應用，充分發(fā)揮隧道大型機械化配套施工效率，提高鐵路隧道施工機械化水平，鄭萬項目對“高速鐵路特大斷面隧道安全快速標準化修建關鍵技術”等科研課題進行立項，對特大斷面圍巖變形及穩(wěn)定性、施工工法、工藝及機械化配套、特殊不良地質對策等展開研究，并在24個加強型機械化配套工區(qū)選取6個隧道作業(yè)面展開現(xiàn)場試驗工作。

通過對北歐隧道施工法的考察與學習，結合新奧法施工理念，對隧道掌子面穩(wěn)定性進行分析，采用噴射混凝土、玻璃纖維錨桿、超前管棚、超前高壓注漿加固等方式對掌子面及前方圍巖進行超前預加固，實現(xiàn)軟弱圍巖機械化微臺階及全斷面開挖；強化系統(tǒng)錨桿對圍巖的整體加固作用，利用漲殼式錨桿快速錨注、快速形成壓力拱特點，有效地控制隧道變形，確保初期支護結構穩(wěn)定；結合監(jiān)控量測及應力應變監(jiān)測數(shù)據，在確保圍巖穩(wěn)定和施工安全的前提下，對初期支護中的噴砼、鋼架以及二襯支護參數(shù)進行優(yōu)化，充分發(fā)揮隧道機械化大斷面施工優(yōu)勢，從而達到提高軟弱圍巖地段機械化施工效率，節(jié)約隧道投資的目的。

4.2 信息化管理系統(tǒng)

武九公司信息管理系統(tǒng)是計算機硬件系統(tǒng)、網絡系統(tǒng)、操作系統(tǒng)、數(shù)據庫系統(tǒng)以及各種應用系統(tǒng)的集成。主要由廣訊通辦公平臺、拌和站質量管理平臺、試驗檢測管理平臺、沉降觀測及監(jiān)控量測管理、隧道信息化管理、視頻監(jiān)控、視頻會議等系統(tǒng)構成，各個系統(tǒng)模塊之間，通過接口進行耦合關聯(lián)，采集現(xiàn)場新型設備的數(shù)據，對數(shù)據進行分析，實現(xiàn)項目過程管理的全面監(jiān)控。

(1)武九公司廣訊通辦公平臺

廣訊通辦公平臺是集成OA辦公、信用評價、進度管理、物資管理、質檢資料、驗工計價、變更管理、張拉壓漿、風險管理等模塊的綜合管理系統(tǒng)。該系統(tǒng)最大的特點是運用“互聯(lián)網＋BIM”技術，實現(xiàn)對工程項目的單位工程、分部工程、分項工程、結構部位的分解，以及確定對應的施工圖數(shù)量表、工程量清單項、質量檢驗批、工程形象的最小單元，將二維施工圖轉換成BIM三維模型，對工程質量、進度、投資控制進行精細化管理，對建設全過程進行有效監(jiān)控。開發(fā)手機APP電子檢驗批簽證系統(tǒng)，滿足施工現(xiàn)場檢驗批即時簽認要求，同時利用手機定位功能對現(xiàn)場簽證進行確認，確保實體工程與質檢資料的同步一致性。通過各模塊數(shù)據的關聯(lián)，實現(xiàn)施工現(xiàn)場與進度模塊對應、進度模塊與檢驗批對應、檢驗批與驗工計價對應，實現(xiàn)驗工計價費用計算的可追溯性，確保是對已完工程、質量檢驗合格的工程進行驗工計價，把驗工計價從結果管理推向了過程控制。

(2)拌和站質量管理平臺

拌和站質量管理平臺是根據《鐵路工地混凝土拌和站標準化管理實施意見》并結合現(xiàn)場信息化要求，利用物聯(lián)網、二維碼、智能采集、云存儲、大數(shù)據分析等信息技術，對混凝土生產任務的發(fā)起、下發(fā)、試驗檢測交互、拌和操作、車輛運輸、現(xiàn)場確認等16道環(huán)節(jié)的管控、風險分析與預警的信息化系統(tǒng)。通過安裝在攪拌設備上的傳感器、測量裝置，實時讀取攪拌站配合比、溫度等關鍵數(shù)據，對混凝土從原材料、拌和、運輸、入模全過程質量監(jiān)控，利用信息化技術和手段，實現(xiàn)混凝土施工的過程管理信息數(shù)據的真實性、唯一性。

(3)試驗檢測質量管理信息系統(tǒng)

試驗室信息化系統(tǒng)利用互聯(lián)網技術、計算機技術、云存儲、大數(shù)據分析等信息技術，將先進的管理理念轉化為信息系統(tǒng)管理手段，讓每一個流程環(huán)節(jié)環(huán)環(huán)相扣，實現(xiàn)了試驗檢測的全過程管控，確保了原材料及半成品的質量。為了有效地控制原材料質量，確保試驗數(shù)據真實、可靠，試驗室在每個操作間都安裝有信息采集設備和監(jiān)控攝像頭，利用互聯(lián)網將每一次試驗數(shù)據及視頻錄像畫面及時傳送到工程試驗信息管理系統(tǒng)，并對試驗數(shù)據進行綜合分析，直觀地反映了原材料的質量狀況；現(xiàn)場工程實體檢測數(shù)據，包括檢測部位、方法類別、判釋結論、檢測報告等，通過互聯(lián)網直接上傳至系統(tǒng)，系統(tǒng)對檢測結果進行分析，形成圖表，真實反映現(xiàn)場施工的質量情況，有效控制現(xiàn)場，杜絕現(xiàn)場質量隱患。

(4)沉降觀測及監(jiān)控量測管理系統(tǒng)

為統(tǒng)一鄭萬鐵路湖北段路基、橋梁、涵洞、隧道等線下工程的沉降觀測、圍巖量測的技術要求、確保觀測質量，為評估預測線下工程工后沉降量、合理確定軌道鋪設時間、確定軌道鋪設質量，為工程時間上的整體管理提供數(shù)據依據，武九公司應用鐵路工程管理平臺中的沉降觀測、圍巖量測模塊，通過線下施工過程中采集、上傳的數(shù)據來動態(tài)管理現(xiàn)場線下工程。其中隧道圍巖量測根據現(xiàn)場的實際情況，依據現(xiàn)場日常監(jiān)控量測所采集到的有效數(shù)據，通過系統(tǒng)自動化數(shù)據的分析，繪制位移時態(tài)曲線，及時掌握圍巖和支護的變化規(guī)律，確保二次襯砌和仰拱的施作時間，以保證二次襯砌受力合理、安全、可靠、耐久[9]。

(5)隧道信息化管理系統(tǒng)

隧道信息化管理系統(tǒng)由隧道門禁系統(tǒng)、隧道人員定位系統(tǒng)、出渣車輛GPS定位系統(tǒng)、超前地質預報系統(tǒng)、斷面檢測模塊、全電腦三臂鑿巖臺車控制系統(tǒng)、有毒有害氣體檢測系統(tǒng)、施工日志等系統(tǒng)組成。全電腦鑿巖臺車集智能鉆孔、錨桿施工、開挖面輪廓掃描、噴漿厚度檢測、遠程通信與數(shù)據交互、超前地質勘探與分析、配合注漿與管棚支護和配合裝藥功能于一身，依托智能化數(shù)據采集與控制系統(tǒng)，可實現(xiàn)整機遠程控制、高精度自動鉆孔作業(yè)，每個孔的位置、角度、鉆孔數(shù)量和移動順序均由車載電腦輸入參數(shù)自動進行，鉆孔效率高；自帶3D掃描儀，對開挖斷面進行掃描，有效控制超欠挖；配備WMD地質分析軟件，對整個鉆孔過程中鉆進壓力、扭矩、速度等參數(shù)進行實時監(jiān)測、記錄并自動分析，形成地質云圖反映前方地質情況；臺車對采集的施工數(shù)據，自動生成工作日志，將原本隧道隱蔽工程的施工過程，變得直觀形象，有效保證施工安全、質量[10-12](見圖2～圖3)。

(6)視頻監(jiān)控系統(tǒng)

視頻監(jiān)控對施工過程的管理和控制尤為重要，在橋梁、隧道、梁廠等重點工程或部位安裝視頻監(jiān)控系統(tǒng)，實現(xiàn)遠程實時監(jiān)控現(xiàn)場施工作業(yè)情況；記錄重點部位的施工工點狀況；掌握人員生產、活動及周圍環(huán)境等圖像信息；即時掌握生產進度情況對施工現(xiàn)場可進行實時管理、安全監(jiān)管與質量控制，從而為分散的工點現(xiàn)場管理帶來極大的方便(見圖4)。

圖2 鉆孔孔位情況

圖3 地質云圖

(7)視頻會議系統(tǒng)

運用視頻會議優(yōu)化項目信息溝通模式，通過互聯(lián)網代替人員的流動，視頻和聲音圖像的穩(wěn)步傳輸，實現(xiàn)重要精神實時傳達，重要任務及時部署，重大事項遠程決策，遠程信息的高效交互的目的，減少時間成本，提高管理效率。

圖4 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

5 鄭萬高鐵工程機械化施工與信息化管理應用情況

5.1 信息化管理取得成果

鄭萬項目采用“互聯(lián)網＋”和“云平臺”等信息化技術打造“智慧工地”，建立了武九公司及各參建單位的信息化管理應用體系。積極運用廣訊通辦公平臺、試驗室信息化系統(tǒng)、拌和站信息化系統(tǒng)實現(xiàn)了現(xiàn)場施工的全方面管控，并根據《鐵路隧道工程施工信息化技術規(guī)程》(Q/CR 9215-2017)建成了隧道人員監(jiān)控管理、原材料及半成品質量管理、質量檢測管理、視頻監(jiān)控等八大信息化模塊，實現(xiàn)了施工進度、安全、質量信息化管理全覆蓋。

5.2 隧道機械化取得成果

(1)隧道工序機械化施工的實現(xiàn)

通過對全電腦三臂鑿巖臺車、錨桿鉆機、鋼架安裝臺車等先進的機械化設備的推廣應用，鄭萬鐵路24個加強型機械化隧道作業(yè)面率先實現(xiàn)了開挖、支護、防排水、二襯、養(yǎng)護、溝槽等隧道各作業(yè)線全機械化施工，單作業(yè)口作業(yè)人員由傳統(tǒng)的約100人，降低至70人，大大降低作業(yè)人員配備及勞動強度，有效提高了隧道各作業(yè)工序的施工效率及實體質量，為后續(xù)機械化施工工藝的推廣打下了堅實的基礎。

(2)隧道軟弱圍巖大斷面快速施工的實現(xiàn)

通過在6個加強型機械化配套隧道作業(yè)工點展開漲殼式錨桿、軟弱圍巖高壓注漿及自進式長管棚、掌子面玻璃纖維錨桿超前預加固等工藝性試驗，并取得成功，充分發(fā)揮漲殼式錨桿支護對圍巖的整體加固、形成拱形承載結構，高壓注漿提高圍巖的自承能力，有效地控制隧道變形的作用；進而實現(xiàn)了三臂鑿巖臺車在隧道軟弱圍巖(Ⅳ、Ⅴ級)地段微臺階(帶仰拱)及全斷面(帶仰拱)開挖工藝的成功。摸索出三臂鑿巖臺車在隧道不同地質條件下，配套使用的相應開挖工法及超前預加固措施，總結出各種工法最優(yōu)開挖臺階高度、長度及進尺參數(shù)。單次開挖循環(huán)進尺達到4.8 m，Ⅳ級圍巖地段每月進尺達到110 m、Ⅴ級圍巖每月進尺達到90 m，在保證隧道施工安全質量的前提下，有效提升了隧道施工進度(見圖5)。

(3)隧道開挖工法、支護及襯砌結構優(yōu)化的實現(xiàn)

機械化大斷面施工過程中，通過對拱頂沉降、凈空收斂監(jiān)控量測等數(shù)據的分析指導現(xiàn)場施工的同時，展開圍巖壓力、拱架應力、錨桿軸力、噴射混凝土應力、二襯混凝土應力、掌子面深層滑動位移等應力應變進行監(jiān)測，分析各支護結構的受力情況。應力應變數(shù)據顯示，系統(tǒng)錨桿軸力、鋼架應力、噴射混凝土應力較設計均有一定安全儲備，隧道整體結構穩(wěn)定。

圖5 微臺階(帶仰拱)開挖

根據前期工藝試驗及監(jiān)測結果，鄭萬高鐵湖北段二院已出具了《大斷面隧道安全快速標準化修建技術研究試驗段預設計方案圖》，該圖紙設計原則是根據新奧法施工原理，由初期支護與圍巖共同作用，承擔圍巖荷載，二襯作為安全儲備。具體調整優(yōu)化的方面有:

①掌子面的穩(wěn)定性分類，預設計中結合北歐圍巖分級Q指法，將國內傳統(tǒng)的圍巖級別分類進一步細化，根據巖性、巖體完整程度、含水情況、穩(wěn)定情況，對掌子面圍巖進行穩(wěn)定性分類，根據各種圍巖(A、B、C、D)下細分出穩(wěn)定、較穩(wěn)定、不穩(wěn)定狀況，從而確定開挖工法及支護措施。

②開挖工法優(yōu)化，Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ級圍巖采用全斷面工法，Ⅴ級圍巖采用微臺階工法。

③超前支護措施優(yōu)化，由于大型施工設備的使用，將傳統(tǒng)的超前小導管，調整為各種類型的管棚棚式支護，有效保證掌子面前方的安全。

④掌子面加固措施的增加，軟弱圍巖大斷面施工保障的核心關鍵，在于掌子面的穩(wěn)定，在預設計圖中，根據掌子面穩(wěn)定性的判斷，增加掌子面噴混封閉、纖維錨桿注漿加固及超前注漿加固等措施，有效保障大斷面機械施工的安全。

⑤初期支護的優(yōu)化，為保證初期支護與圍巖共同作用，將拱部原設計的組合中空錨桿調整為預應力漲殼式錨桿，并調整錨桿長度、間距，使錨桿施作后第一時間形成初始張拉力，約束圍巖；將原設計噴射混凝土標號由C25調整為C30，一天齡期達到15 MPa，Ⅳko襯砌類型取消拱架，采用鋼纖維噴射混凝土，加強初支早期強度，有效控制圍巖變形，保證初支結構穩(wěn)定；拱架根據圍巖判識情況，采用的規(guī)格、間距同樣進行了優(yōu)化(Ⅴ級優(yōu)化到0.8～1.0 m，Ⅳ級優(yōu)化到1.0～1.4 m，Ⅲ級優(yōu)化到1.5 m)。

⑥二襯參數(shù)優(yōu)化，二襯施作前必須保證初支結構的穩(wěn)定，初支變形控制指標調整為:二次相對變形值的絕對值之差不大于1倍測量誤差(0.5～1.0 mm)，持續(xù)3個月時間相鄰兩次量測變形值絕對值之差均不大于1倍測量誤差，且變形無明顯增大或下降趨勢，方可施作二襯。襯砌厚度Ⅲ級圍巖拱墻厚度調整為35 cm，仰拱調整為45 cm，設置單層護面鋼筋；Ⅳ級圍巖拱墻厚度調整為40 cm，仰拱調整為50 cm，硬巖段采用合成纖維混凝土襯砌，軟弱圍巖采用鋼筋混凝土襯砌；Ⅴ級圍巖拱墻厚度調整為40 cm，仰拱調整為50 cm，采用鋼筋混凝土襯砌。

通過方案優(yōu)化，進一步細化圍巖分級，加入穩(wěn)定性的判定，使各種支護措施更有針對性，在確保施工安全質量的同時，隧道每延米造價降低3 000～5 000元，更經濟合理，大大提高了隧道施工效率，有效節(jié)約了投資。

6 結論

鄭萬項目機械化施工及信息化管理，經過一年的摸索與實踐，機械化設備工裝配套已定型，工藝工法研究取得了一定成果，充分發(fā)揮出機械化施工優(yōu)質、高效的優(yōu)勢；信息化管理平臺框架已基本形成，信息化管理各模塊貫穿現(xiàn)場，在建設管理中發(fā)揮著實際作用。下一步，鄭萬項目將繼續(xù)堅持“機械化與信息化深度融合”的理念，大力推行智能化機械設備的應用，優(yōu)化信息化管理系統(tǒng)，助力施工生產建設，提升鄭萬鐵路建設管理水平。