鉆爆法鐵路隧道預制裝配化建造研究及智能建造展望

馬偉斌，王志偉

(中國鐵道科學研究院集團有限公司鐵道建筑研究所，北京 100081)

0 引言

我國鐵路隧道建設規(guī)模舉世矚目。改革開放40年間，我國建成鐵路隧道12 412座，總長17 621 km?！笆濉逼陂g建成鐵路隧道3 387座，總長約6 592 km[1]。建國以來，我國隧道建造水平經(jīng)歷了起步、初步發(fā)展、快速發(fā)展和引領世界4個階段[2]。社會生產(chǎn)力水平整體提升、不斷飛躍的同時，生產(chǎn)關系不斷演進，促進了隧道建造技術快速發(fā)展，鋼釬大錘，肩挑手推，人工挖掘下碎片化、粗放式的建造方式已經(jīng)遭到摒棄，新時期隧道建造已經(jīng)逐步從機械化向智能化過渡。改革開放至今，我國隧道建設快速發(fā)展，在機械化、信息化、電子化各方面進步突出。工程建造與機械裝備制造業(yè)深度融合，鉆爆法技術領域已經(jīng)實現(xiàn)了全斷面、臺階法開挖方式下硬巖、軟巖條件下在超前鉆探、開挖作業(yè)、支護作業(yè)、仰拱作業(yè)、防(排)水板作業(yè)、二次襯砌作業(yè)及水溝電纜槽7條作業(yè)生產(chǎn)線大機裝備的配套應用[3]，機械化深度融合信息化，推動隧道建造向著數(shù)字化、智能化方向發(fā)展。近年來，在京張、鄭萬等線路隧道建造過程中，參建各方積極探索并實踐鉆爆法鐵路隧道智能建造，初步形成了智能建造總體技術架構[2]，采用鉆爆法實現(xiàn)了整體技術水平的較大升級。然而，不同于鐵路橋梁建設工程中的模塊化、工廠化的裝配式建造，隧道建造中的支護結構施工仍然是以混凝土現(xiàn)澆工藝為主。

相對于傳統(tǒng)的隧道建造方法，裝配式隧道在節(jié)約資源能源、減少施工污染、提升勞動生產(chǎn)效率和質量安全水平等方面已經(jīng)在城市軌道交通等行業(yè)的盾構隧道建設中得到驗證。在節(jié)地、節(jié)能、節(jié)材、節(jié)水和環(huán)保要求以及解決工程場地受限、材料制備復雜、人員需求量大等方面優(yōu)勢明顯。作為一種新型隧道建造方式，裝配式隧道已經(jīng)開始了工程實踐[4]。裝配化建造方式在信息化、工廠化、機械化等方面更有利于隧道智能建造理念和技術的落地、實踐。

在隧道裝配化、智能化研究方面，王同軍[2]、韓自力[3]、趙有明等[4]、何華武等[5]、王峰[6]、王志堅[7]在政策制定、工程建設與管理、單一領域實踐應用方面進行了闡述，但關于鉆爆法鐵路隧道裝配化、智能化建造方面的體系架構、關鍵技術尚未有學者進行系統(tǒng)的梳理。本文針對隧道工程建設和產(chǎn)業(yè)發(fā)展需求，概述鉆爆法鐵路隧道建造技術沿革，厘清裝配化與工業(yè)化的內(nèi)在聯(lián)系，分析鉆爆法裝配式鐵路隧道的技術體系和關鍵技術，并提出鉆爆法鐵路隧道裝配式智能建造實現(xiàn)路徑，在概念定義、體系架構、實現(xiàn)方法等方面進行較為系統(tǒng)的總結和分析，以期為鐵路隧道裝配化建造和智能建造提供一些參考。

1 鉆爆法鐵路隧道預制裝配式建造方案研究

1.1 隧道建造技術概述

根據(jù)施工工法，可將隧道分為鉆爆法隧道(礦山法隧道)和掘進機法隧道。根據(jù)適用的軟硬地層又將掘進機法隧道分為盾構法隧道和TBM法隧道。掘進機法隧道在機械裝備、支護技術和信息化管控方面具有一定的優(yōu)勢和便利性，一直踐行著工業(yè)化建造。然而，由于地質適應性較差、不適宜中短距離隧道施工、斷面適應性差等原因，采用掘進機法建設的鐵路隧道較少，當前鐵路隧道主要采用鉆爆法施工[2]。

我國鉆爆法鐵路隧道發(fā)展簡況如表1所示。鉆爆法技術發(fā)展至今，我國已經(jīng)形成了以機械化工裝為基礎，借助信息化手段，構建“洞口制造工廠、洞內(nèi)裝配車間”的建造模式，其涵蓋超前地質預報、預加固、鉆爆開挖、初期支護、仰拱作業(yè)、防排水作業(yè)、二次襯砌和養(yǎng)護作業(yè)、溝槽作業(yè)、工后檢測生產(chǎn)線在內(nèi)的“一洞九線”作業(yè)模式。

表1 我國鉆爆法鐵路隧道發(fā)展簡況

由于鉆爆法長期內(nèi)仍然是鐵路隧道建造的主要工法，因此高度機械化應用是當前隧道技術進步的主要推進力量。多年來科研攻關的重點也圍繞機械裝備技術提升、信息化應用、施工材料性能提升等方面進行，研究與實踐已經(jīng)為鉆爆法鐵路隧道工業(yè)化的發(fā)展奠定了基礎。

隧道工業(yè)化的內(nèi)涵是通過現(xiàn)代化的設計、施工、管理等高效生產(chǎn)方式，將工廠化先進的制造理念和方式應用至隧道內(nèi)，代替隧道工程傳統(tǒng)建造中分散、低效的生產(chǎn)方式，視工程為工廠，將制造復雜機器的過程演變?yōu)榻ㄔ焱暾淼赖倪^程，秉承“安全、優(yōu)質、高效、綠色、環(huán)?！钡睦砟?，加強施工機械化、工廠化、信息化融合，建造“高效、經(jīng)濟、綠色、美觀”的精品工程。其標志是標準化設計、工廠化生產(chǎn)、機械化施工和科學化管理。隧道工業(yè)化可解決隧道工程傳統(tǒng)建造方式中所面臨的勞動生產(chǎn)率較低、資源消耗較大、作業(yè)環(huán)境較差、工程品質不高等問題，隨著隧道建設規(guī)模的不斷擴大和施工要求的日益提高，鐵路隧道工業(yè)化建造全面推廣與應用將是必然趨勢。

1.2 鉆爆法鐵路隧道裝配化建造

標準化設計和工廠化生產(chǎn)是隧道裝配化建造的重要標志。受制于每個鐵路隧道特殊的地質條件，隧道初期支護標準化設計難度極大，預制裝配式鐵路隧道主要針對二次襯砌及附屬結構，將隧道拱墻、軌下結構、溝槽蓋板等分模預制、分塊安裝，并將關鍵接頭部件可靠連接的一種新型結構體系，其結構示意如圖1所示[8]。隧道裝配化建設有利于進行標準化設計、規(guī)模化生產(chǎn)、運輸裝配的物流化調(diào)度、高質量的快速建造、信息化集成管控。隨著技術發(fā)展，裝配化建造已經(jīng)引起關注，在國內(nèi)外軌道交通領域已經(jīng)開始大范圍的實踐[9]。

圖1 鐵路隧道預制裝配式結構示意圖[8]

隧道裝配化作為一種建設理念和建造方式在隧道工程單一領域運用與實施，其涵蓋建設過程的各個要素，在科研與實踐方面組成一個完整的技術體系。

2 鉆爆法鐵路隧道預制裝配式建造技術體系

2016年以來，針對當前鉆爆法鐵路隧道設計、施工及運營過程中存在的一些問題，國內(nèi)研究機構積極開展新技術的開發(fā)及應用，并依照國務院辦公廳印發(fā)的《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》(國辦發(fā)[2016]71號)文件要求，立項了多項科研課題，在國內(nèi)首次針對鉆爆法山嶺隧道預制裝配化建造開展了系統(tǒng)的研究與工程試驗，并提出了鉆爆法裝配式鐵路隧道技術體系，如圖2所示。該技術體系包括理論研究、設計方法、施工方法、工程管理4個方面，每個方面涵蓋2層內(nèi)容，每個內(nèi)容涵蓋5個分支。

圖2 鉆爆法裝配式鐵路隧道技術體系

2.1 理論研究

理論研究范圍如圖3所示。適用性研究需要以計算模型研究作為基礎，計算模型研究包括數(shù)值分析中的結構梁彈簧或殼單元模擬、結構分塊方式、環(huán)向/縱向接頭模型、地層模型化以及連接件的非線性特性處理。其中，接頭模型、連接件非線性特性所包含的接觸面處理與連接件的選型是關鍵點，也是難點。

圖3 理論研究范圍

裝配式地下工程中，常用干式接頭，其包括鉸接頭、螺栓接頭、榫槽接頭、榫槽曲螺栓接頭(如圖4所示)。近年來，日本開始試驗推壓緊固式快速銷插接頭(如圖5所示)，但尚未大范圍應用[10]。接頭作為結構斷開處的連接部位，存在力學上的斷續(xù)，因此，結構與接頭連接或含有接頭的整體結構應采取合理的計算模型進行受力驗算。圖6示出結構-接頭計算模型種類。其中，梁-彈簧模型(見圖7[10])應用最廣，該模型中預制結構用梁單元模擬，接頭部位用3個自由度的彈簧單元模擬，效果很好。

圖4 榫槽曲螺栓接頭

圖5 推壓緊固式快速銷插接頭

圖6 結構-接頭計算模型種類

圖7 梁-彈簧模型[10]

圖4中所示榫槽結構，由于實際工程中結構拼裝完成后，榫槽部位多填充環(huán)氧樹脂等材料，等于人為制造了1層軟硬交界面，因此涉及到接觸面?zhèn)髁臀灰茊栴}，需要專門考慮。參照樁土耦合基礎面的處理方式，榫槽結構之間的接觸面可采用有限元分析中的界面模型模擬，如圖8所示。該模型遵循界面摩擦力與界面摩擦因數(shù)和作用于界面的法向約束力成比例的假設，其分線性參數(shù)包括法向剛度模量、剪切剛度模量。1)法向剛度模量是界面單元在法線方向接合及非接合行為的彈性模量，有限元軟件計算中，其取值范圍一般是相鄰單元較小彈性模量的10～100倍；2)剪切剛度模量是界面單元在切線方向滑動行為的彈性模量，在有限元軟件中，其取值范圍一般為相鄰單元較小剪切模量的10～100倍。

圖8 裝配式基底結構中的接觸面單元

螺栓與榫槽有多種組合方式，如圖9所示。張勝龍[10]通過試驗與數(shù)值分析系統(tǒng)研究了不同軸力和彎矩作用下各接頭型式的力學行為，給出了可應用于實際工程中的抗彎剛度經(jīng)驗公式。

(a)無螺栓 (b)直螺栓

2.2 設計方法

針對裝配式地下結構，當前鐵路行業(yè)尚未制定設計標準。近年來，越來越多的研究者開始重視極限狀態(tài)設計法在地下工程中的應用。得益于已經(jīng)建立了地層及地層支撐的隧道結構相互作用的基本概念，在構建鉆爆法裝配式隧道設計方法時，提出了極限狀態(tài)設計法與容許應力設計法平行設計的框架。

2.2.1 容許應力設計法

包括荷載計算、材料與容許應力、結構形狀與接頭類型、橫斷面與縱斷面結構計算、結構構件設計與耐久性5個方面的內(nèi)容。

1)荷載計算包括圍巖壓力、施工荷載、地震荷載、臨近施工影響、平行隧道影響以及極端情況如滑坡等引起的沉降/隆起影響。

2)材料與容許應力包括材料的類別與規(guī)格、機械性能與尺寸、彈性模量與泊松比以及本身的容許應力。

3)結構形狀與接頭類型，主要涉及輪廓半徑、結構分塊與接頭類型，其中，接頭類型可優(yōu)選2.2節(jié)所述的榫槽曲螺栓接頭；結構分塊遵循減少對襯砌受力的擾動和主動調(diào)整襯砌受力2種理念，可進行比選后確定[4]。

4)橫斷面與縱斷面結構計算可采用盾構設計中的慣用計算法和修正慣用計算法，若計算模型為荷載-結構模型，則可采用2.2節(jié)所述的梁-彈簧接頭模型。

5)結構構件設計與耐久性主要涉及結構環(huán)向/縱向的連接、防排水設計、裂縫驗算以及防腐防銹設計。容許應力設計法設計流程見圖10。

圖10 容許應力設計法設計流程

2.2.2 極限狀態(tài)設計法

包括安全系數(shù)與修正系數(shù)確定、荷載計算、荷載效應分析、材料設計值確定以及結構抗力計算與校核。

1)安全系數(shù)主要包括材料、構件、荷載、結構計算、結構重要性及地震6個方面的安全系數(shù)，可直接考慮荷載及材料強度的不統(tǒng)一性和不確定性。

2)荷載計算主要包括設計荷載的種類、標準值的計算及設計荷載的組合。

3)荷載效應分析是在荷載計算的基礎上，細化計算方法，圍繞結構抗力、結構斷面、環(huán)向及縱向接頭等方面進行分析。

4)材料設計值確定主要考慮強度、剛度、本構關系。

5)結構抗力計算與校核包括對承載力極限狀態(tài)的驗算以及使用極限狀態(tài)的驗算。極限狀態(tài)設計法設計流程見圖11。

圖11 極限狀態(tài)設計法設計流程

近年來，隧道工程設計理念已經(jīng)開始由容許應力設計法向極限狀態(tài)設計法轉變。在極限狀態(tài)設計法中，對結構物的承載力、耐久性等使用功能分別設定安全系數(shù)進行驗算，可以明確結構的承載能力富裕程度。該方法得以推廣應用的前提是正確把握結構的破壞機制，并對極限狀態(tài)進行明確定義。目前極限狀態(tài)設計法應用還很少，有待于進一步研究和實踐。

2.3 施工方法

與盾構隧道等行業(yè)的裝配式建筑施工方法類似，鉆爆法裝配式隧道施工方法流程包括生產(chǎn)制備、運輸以及拼裝施工2個方面，如圖12所示。

圖12 鉆爆法裝配式隧道施工方法流程

1)生產(chǎn)制備包括材料選型、連接件選型、模具制備和構件養(yǎng)護、工廠化制備、洞外運輸及洞內(nèi)搬運。其中，工廠化制備的控制要點包括模板安裝、骨架及預埋件安裝、混凝土生產(chǎn)及吊運灌注、脫模及養(yǎng)護、冬季施工和精準安裝，如圖13所示。

圖13 裝配式構件工廠化制備的控制要點

2)拼裝施工包括拼裝機械、拼裝精度及公差控制、防排水工藝、注漿工藝及預應力工藝，其中，在相關工點的試驗過程中獨立開發(fā)了施工裝備，如基底結構拼裝裝備和拱墻結構拼裝裝備(分別如圖14與圖15所示)。

2.4 工程管理

隧道工程建造與管理方面的一個趨勢是建造平臺化，其與建造服務化有著密切的聯(lián)系。工程經(jīng)濟管理與信息化管理共同組成工程管理技術體系，如圖16所示。

圖16 工程管理技術體系

1)建設投資、資金籌措、運維管理投資、效益分析和技術經(jīng)濟分析是工程經(jīng)濟管理的5個核心，尤其是技術經(jīng)濟分析，裝配式建造技術作為一種新型隧道建造方式，將其與傳統(tǒng)的鉆爆法建造技術進行技術性分析和經(jīng)濟性比對是繞不開的一個問題。鑒于隧道長至百年的設計服役年限，其經(jīng)濟性應該從施工期的前期投入和運維期的維護投入2個方面綜合測算。

2)信息化管理包括設計方面的BIM與虛擬建造、構件生產(chǎn)方面的構件身份識別與追蹤以及生產(chǎn)管理方面的ERP、APS、MES等相關系統(tǒng)，獨立開發(fā)了基于BIM、RFID技術與ERP融合的設計生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)(如圖17所示)[4]，一定程度上將裝配式結構構件設計、制造、運輸、拼裝、質量管控串聯(lián)起來，提高了該領域的信息化建造與管理水平。

圖17 基于BIM、RFID技術與ERP融合的設計生產(chǎn)管理信息化系統(tǒng)[4]

3 預制裝配式鉆爆法鐵路隧道智能建造展望

3.1 智能建造在鉆爆法鐵路隧道裝配式建造中的應用研究

隧道技術發(fā)展日新月異，傳統(tǒng)建造與制造融合的同時正在朝著智能化建造方向發(fā)展。2011年，德國公布《德國2020高技術戰(zhàn)略》；2013年，德國提出“工業(yè)4.0”，旨在支持工業(yè)領域新一代革命性技術的研發(fā)與創(chuàng)新。在美國，“工業(yè)4.0”的概念更多地被“工業(yè)互聯(lián)網(wǎng)”所取代，其將虛擬網(wǎng)絡與實體連接，形成更具有效率的生產(chǎn)系統(tǒng)。2015年，我國發(fā)布《中國制造2025》行動綱領，其中，在軌道交通領域提出了綠色智能等概念和要求。在“交通強國、鐵路先行”的行業(yè)戰(zhàn)略指導下，近年來鐵路行業(yè)智能建造技術取得了很大的進步。

隧道智能建造技術作為中國“智能鐵路”的一個重要組成部分，代表了未來隧道修建技術的發(fā)展方向與趨勢[3]。未來已來，針對京張、鄭萬等鐵路線路中的隧道工程在該領域的研究與實踐很大程度上推進了隧道智能建造的落地生根。作為面向勘察設計、施工及質量管控、建設管理等方面的技術體系，其技術架構中所涵蓋的智能裝備、智能感知、數(shù)據(jù)資源、智能決策、智能管控5個方面(見圖18)[11]，同樣適用于鉆爆法裝配式隧道。

圖18 隧道智能化建造技術架構[11]

第2章節(jié)所述的鉆爆法裝配式隧道關鍵技術可對應融合于隧道智能建造技術體系相關內(nèi)容中。裝配式隧道目前的研究重點僅在二次襯砌支護方面，局部施工工藝的改變對于其余工序并無大的改變，對掌子面開挖、初期支護施作等作業(yè)線的智能化作業(yè)方式與控制手段并無影響，即裝配式建造方式為智能建造的一個實踐領域和發(fā)展方向。作為前沿發(fā)展方向，發(fā)展裝配式建造在智能建造領域中的應用可拓展智能建造的范疇與深度，為隧道技術創(chuàng)新開辟新的方向。

3.2 鉆爆法裝配式隧道實現(xiàn)智能建造的路徑分析

3.2.1 預制構件設計標準化

作為“制造”與“建造”銜接的基礎與前提，標準化設計有利于產(chǎn)生模塊化的構件，從而進行模塊化拼裝，如圖19所示。標準化設計、模塊化生產(chǎn)包含標準統(tǒng)一性、組合協(xié)同性、結構可靠性、運輸條件及經(jīng)濟性4個方面的原則。

圖19 隧道底部結構模塊化拼裝流程示意圖

3.2.1.1 標準統(tǒng)一性

當前鉆爆法鐵路隧道二次襯砌結構依據(jù)通用標準圖或參考圖進行設計[12-14]，盡管不同隧道工程地質參數(shù)不同，但是以通用圖為基準，隧道建設完成后，二次襯砌外觀尺寸上實際具有統(tǒng)一化特征，這就為二次襯砌裝配式結構的設計統(tǒng)一性提供了便利。

標準統(tǒng)一性涉及結構構件本身的標準化和接口的標準化2個方面內(nèi)容。1)結構構件本身的標準化，一方面，可以統(tǒng)一生產(chǎn)流程，實現(xiàn)生產(chǎn)過程的集約化管理，并促進市場化行為；另一方面，容易建立數(shù)據(jù)庫或者“構件設計庫”，利于智能化設計。2)接口的標準化設計既要求減少類型，又要求滿足多種結構的排列組合拼裝，這就要求在設計上綜合調(diào)研掌握需求、考慮功能互換和幾何互換，同時進行多專業(yè)的協(xié)同，滿足自洽性和多樣性。

3.2.1.2 組合協(xié)同性

為了保證參建各方之間的信息交流與協(xié)同作業(yè)，結構設計時需要遵循協(xié)同性原則。協(xié)同性涵蓋2個方面的內(nèi)容：設計圖紙的碰撞檢查；連接接頭(點)的深化設計。

1)碰撞檢查有利于將建筑專業(yè)、結構專業(yè)、設計專業(yè)、四電專業(yè)(通信工程、信號工程、電力工程和電氣化工程)的圖紙進行匯總，借助BIM、三維設計(見圖20)等技術進行直觀地展示與更改，減少錯、漏、碰、缺等問題，提高設計效率與質量。

圖20 全斷面裝配式隧道襯砌結構三維設計示意圖

2)連接接頭(點)的深化設計是為了保證施工過程中構件較好地對接，避免單個構件組合后累計公差和誤差的影響，一方面進行打磨或拼接，另一方面避免時序沖突，從而更好地按照圖紙施工。

3.2.1.3 結構可靠性

結構可靠性是有效保障隧道服役性能的前提，可靠性設計需考慮圍巖荷載及施工期和運維期承受的各類荷載，對于不良工程地質，還需進行專門性驗算。鉆爆法裝配式鐵路隧道結構可靠性分析應進行的力學驗算如圖21所示。

圖21 鉆爆法裝配式鐵路隧道結構可靠性分析應進行的力學驗算

3.2.1.4 運輸條件及經(jīng)濟性

運輸條件包含洞外運輸條件和洞內(nèi)搬運條件2個方面。1)鐵路隧道多位于遠離大城市的偏遠山區(qū)，道路狹窄或不通暢，物流條件較差，因此在構件標準化設計時應充分考慮運輸?shù)目尚行院瓦\輸成本，構件生產(chǎn)場地優(yōu)選同線路同標段的橋梁箱梁或無砟軌道制備廠。2)洞內(nèi)搬運主要受隧道開挖斷面的影響，在總尺寸限定的條件下，拼裝構件的大小受制于拼裝機械的吊裝或舉升能力，此時，構件質量是制約洞內(nèi)搬運是否方便的主要因素?？v向分塊魚腹式整體結構與底部分塊裝配式結構(如圖22所示)質量差距很大，顯然小構件更易拼裝和搬運。值得注意的是，便于拼裝絕不是工程應用中的首要和決定性因素，整體式結構在穩(wěn)定性、受力等方面的優(yōu)勢均較明顯，若采用分塊式結構拼裝，承載力、受力穩(wěn)定性、耐久性等都是需要優(yōu)先考慮的。

(a)魚腹式整體結構

3.2.2 預制構件工廠化生產(chǎn)

在建立了完善的設計標準化體系的基礎上，可進行預制構件的工廠化生產(chǎn)，其可借鑒工業(yè)與民用建筑裝配式建造領域推行的柔性生產(chǎn)技術。柔性管理體系如圖23所示。

圖23 柔性管理體系

生產(chǎn)過程中，強調(diào)應對變化的能力和特征，客觀上要求具備多樣性生產(chǎn)能力，同時要求實現(xiàn)用戶(設計單位、施工單位)價值最大化，供應商(預制構件生產(chǎn)制造方)浪費最小化。圖24為隧道預制構件典型生產(chǎn)設備。在預制結構構件生產(chǎn)過程中，生產(chǎn)設備應具有多樣性和可組合性。

圖24 隧道預制構件典型生產(chǎn)設備

生產(chǎn)過程中，可基于輕量化BIM與RFID技術，結合企業(yè)生產(chǎn)管理ERP系統(tǒng)，推動預制裝配式隧道結構全生命周期智能建造，其主要功能框架如圖25所示。

圖25 輕量化BIM、RFID技術與ERP系統(tǒng)主要功能框架

3.2.3 工程建造機器人

工業(yè)化發(fā)展推動裝配化進步，裝配化催生出各類建造機械，建造機械分為生產(chǎn)機械、拼裝機械和監(jiān)測檢測機械。隨著人工智能、計算機、大數(shù)據(jù)等技術的發(fā)展，建造機械最終發(fā)展為建造機器人。工程建造機器人應具備以下5種核心能力：1)機械作業(yè)能力；2)復雜環(huán)境感知能力；3)遠程管控能力；4)自主適應和學習能力；5)人機交互能力。近年來，在裝配式建造領域國內(nèi)外已經(jīng)有多種類型建造機器人得到應用，例如：3D打印機器人用于構件生產(chǎn)[15]、工程檢測機器人用于結構病害掃描[16]、群體建造機器人用于構件拼裝(如圖26所示[17])。

(a)堡壘式結構

值得說明的是，當前隧道裝配式領域建造機械還遠未達到建造機器人的技術水平，滿足功能所需的機械仍是當前應用研發(fā)的主流。該項技術發(fā)展需要裝配式技術大范圍的應用，以市場促進創(chuàng)新，多領域科研的協(xié)同創(chuàng)新是發(fā)展的關鍵。

3.2.4 建造服務化

鉆爆法裝配式隧道建造過程不僅包含勘察、設計、施工期，還包括運維期。工業(yè)化的生產(chǎn)體系客觀上允許實現(xiàn)上述全生命周期建造的服務化，其組成如圖27所示。其中，運維過程服務化中個性化服務包括BIM虛擬建造、VR場景再現(xiàn)等；專業(yè)化運維服務即委托有資質的相關單位面向結構、設備進行定期的一般巡檢、重點巡檢；智能軟硬件解決方案包括基于物聯(lián)網(wǎng)的各類傳感器采集信息匯集及展示等，可最大程度提高運維效率。

圖27 建造服務化組成

3.3 鉆爆法裝配式鐵路隧道智能建造愿景

鉆爆法裝配式鐵路隧道智能建造的愿景包括發(fā)展目標與未來期許。

作為建造方式的重大變革以及新型工業(yè)化建造方式的轉變，裝配式不是唯裝配，其建造過程中將包括生產(chǎn)資料、勞動力、生產(chǎn)技術、組織管理、信息資源等在內(nèi)的各個生產(chǎn)要素在生產(chǎn)方式上充分體現(xiàn)專業(yè)化、集約化和社會化。鉆爆法裝配式鐵路隧道智能建造發(fā)展的目標包括標準化設計、工業(yè)化生產(chǎn)、裝配化施工、信息化管理，通過設計、生產(chǎn)、施工與管理的全方位融合，實現(xiàn)全產(chǎn)業(yè)鏈更新改造和升級，從而全面提高隧道工程的質量、效率與效益。

鉆爆法裝配式隧道有望在一定程度上解決隧道工程全產(chǎn)業(yè)鏈、全生命周期的發(fā)展問題，建造過程中實現(xiàn)智能化建造與精益建造融合。事實上，智能建造的目的與精益建造的導向都是以運維管理單位等隧道使用方需求為中心的，隧道同所有的工業(yè)化產(chǎn)品一樣，通過構建工程建造價值鏈，持續(xù)消除該鏈條上的投資浪費，減少養(yǎng)護費用，進而實現(xiàn)工程價值的最大化。與此同時，建立先進的技術體系、建立現(xiàn)代化的產(chǎn)業(yè)體系、建立高效的管理體系，邁上數(shù)字化、智能化、社會化的發(fā)展之路，這既是未來的努力方向，也是該領域發(fā)展的期許。

4 結論與展望

2016年以來，針對當前鉆爆法鐵路隧道設計、施工及運營過程中存在的一些問題，國內(nèi)研究機構積極開展新技術的開發(fā)及應用，并依照國務院辦公廳印發(fā)的《關于大力發(fā)展裝配式建筑的指導意見》(國辦發(fā)[2016]71號)文件要求，立項了多項科研課題，在國內(nèi)首次針對鉆爆法山嶺隧道預制裝配化建造開展了系統(tǒng)的研究與工程試驗。由于當前尚未有暗挖鐵路隧道采用全斷面裝配式結構的工程設計及建造案例，因此所做研究及實踐可一定程度上代表當前該領域的設計水平。

本文從鉆爆法鐵路隧道預制裝配式建造方案引入，分析了鉆爆法鐵路隧道建造技術沿革，闡明了裝配化作為工業(yè)化的一個表現(xiàn)方式在隧道工程領域的發(fā)展，重點針對鉆爆法裝配式鐵路隧道在理論研究、設計方法、施工方法、工程管理技術4個方面的技術體系及關鍵技術進行了闡述，分析了裝配式建造方式與智能建造之間的關系，并給出了以裝配式建造方式實現(xiàn)智能建造的技術路徑，最后提出了愿景。

裝配式建造技術在隧道工程中的應用及進一步向智能建造方向的發(fā)展會是一個長期的、艱苦的、全方位的創(chuàng)新過程，涉及到政策導向、財政審批、建設管理、勘察設計、施工等多方面的內(nèi)容，需要工程參建各方積極參與，文中所述并不能將建造要點全覆蓋，但所做總結或闡述可為該項技術推廣及類似工程實施提供有益借鑒。

此外，鉆爆法裝配式隧道建造技術一定是現(xiàn)在和未來隧道建造方式的一個重要組成部分，如何將關鍵工序如隧道二次襯砌的預制拼裝技術與當前傳統(tǒng)的作業(yè)線融合是擺在科研和設計人員面前的首要問題和難題，值得開展持續(xù)性的科研與技術攻關。每一個科學問題的突破都是始于一個問題，隧道裝配化、智能化建造技術如何發(fā)展并得以應用，是時代擺在隧道從業(yè)者面前的一個難題，當無法提供所有答案時，共享問題并與同領域學者分享，也是一個很好的起點。