特長隧道先進(jìn)技術(shù)與全要素信息化管理
——以東山隧道為例

楊 楠,申鐵軍

（1.山西路橋橋隧工程有限公司,山西 朔州 036000; 2.山西路橋建設(shè)集團(tuán)有限公司,山西 太原 030006）

0 引言

山西省石樓至汾陽高速公路東山隧道為特長隧道，對隧道施工通風(fēng)、排水方案要求高；隧道地質(zhì)條件復(fù)雜、圍巖變化快、突涌水頻發(fā)，施工安全風(fēng)險高。根據(jù)現(xiàn)場圍巖實際情況，以斜井與主洞的工程結(jié)構(gòu)特點為基礎(chǔ)，以新奧法關(guān)鍵技術(shù)為依據(jù)，針對斜井挑頂進(jìn)洞施工技術(shù)進(jìn)行了探究，應(yīng)用隧道成套機(jī)械化配套施工，在提升施工質(zhì)量的同時不斷總結(jié)形成適用性及經(jīng)濟(jì)性最優(yōu)的施工方法和機(jī)械組合方案，從而達(dá)到成本與安全質(zhì)量目標(biāo)的最優(yōu)化。項目采用全要素信息化管理模式，合同造價95 569.24 萬元。該項目合同工期為31 個月，于2024 年完工。

1 地質(zhì)情況分析

東山隧道為山嶺石質(zhì)和土隧道，左洞長7 730 m，右洞長7 810 m，單洞總長15 540 m，為特長隧道。斜井與主洞交界處，主要為薄~中層狀灰?guī)r，巖層層間結(jié)合差，巖體完整性破碎，為破碎結(jié)構(gòu)，隧道出水形式以滴雨狀出水，地表主要以泥灰?guī)r、灰?guī)r為主，洞深段主要以灰?guī)r、泥灰?guī)r、砂巖為主，施工過程中易發(fā)生圍巖變形超限甚至巖石塌落現(xiàn)象，為確保斜井進(jìn)入主洞施工質(zhì)量及安全，采用了先進(jìn)的施工技術(shù)。

2 隧道采用先進(jìn)技術(shù)

2.1 超前地質(zhì)預(yù)報

在隧道掌子面掘進(jìn)施工前，采用EM3D、地下空間三維探測、超前探孔及孔道攝影等物探鉆探相結(jié)合的多元勘探技術(shù)，并配合智能化管理云平臺，準(zhǔn)確掌握隧道圍巖及富水情況，科學(xué)指導(dǎo)現(xiàn)場施工。利用新技術(shù)EM3D 大地電磁法對隧道整體進(jìn)行勘探。常規(guī)段落采用TSP 進(jìn)行地質(zhì)預(yù)報，預(yù)測掌子面前方約150~200 m 范圍。隧道穿越斷層、富水等不良地質(zhì)段落時，可采用瞬變電磁法配合超前探孔及孔道攝影對前方出水點位、出水量進(jìn)行探測，從而真實反映掌子面前方圍巖情況，準(zhǔn)確提供地質(zhì)信息，降低施工風(fēng)險。

2.2 開挖作業(yè)

根據(jù)設(shè)計及現(xiàn)場圍巖情況，動態(tài)設(shè)計爆破參數(shù)，并采用三臂鑿巖臺車配合多功能臺架進(jìn)行鉆爆法施工，減少作業(yè)人員6 人。鉆眼完成后，三臂鑿巖臺車退回至安全區(qū)域，多功能臺架進(jìn)行裝藥、降塵等施工。施工過程中，注重洞內(nèi)環(huán)境監(jiān)測等智能化應(yīng)用，從而實現(xiàn)智能控制通風(fēng)系統(tǒng)[1]。

2.3 支護(hù)作業(yè)

出渣完成后首先進(jìn)行排險作業(yè)，確定圍巖穩(wěn)定、拱部及邊墻無孤石后，有拱架時先進(jìn)行下循環(huán)的鉆眼作業(yè)，再進(jìn)行該循環(huán)支護(hù)作業(yè)；無拱架時采用萬向錨桿機(jī)打設(shè)錨桿。錨桿鉆眼完成后采用智能拱架安裝機(jī)安裝拱架及鋼筋網(wǎng)片，隨后采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行噴漿作業(yè)[2]。

2.4 監(jiān)控量測

監(jiān)控量測應(yīng)用高精度全站儀及配套設(shè)施。全站儀IX1001 監(jiān)測數(shù)據(jù)采集設(shè)備具有0.5 s 精度。FMOS 標(biāo)準(zhǔn)版監(jiān)測數(shù)據(jù)處理軟件，應(yīng)用于全自動化監(jiān)測，可自動生成報表，數(shù)據(jù)上傳管理云平臺[3]。

2.5 仰拱、調(diào)平層作業(yè)

隧道檢底完成后采用自行式仰拱棧橋作業(yè)。仰拱端頭堵頭模板、仰拱面弧形模板及仰拱回填堵頭模板均采用高分子定型模板，具有安裝輕巧、便捷等特點。調(diào)平層采用槽鋼模板?；炷翝仓^程中采用水泥路面振平機(jī)、抹光機(jī)等。中心水溝采用整體活絡(luò)式鋼芯模小車施作中心水溝，具備一次性成型，提升工效，提高施工質(zhì)量等優(yōu)點[4]。

2.6 防排水作業(yè)

對完成的初期支護(hù)逐段進(jìn)行現(xiàn)場檢測驗收，合格后鋪設(shè)土工布，用墊片、射釘固定。防水板采用自動鋪掛臺車鋪設(shè)，人工進(jìn)行吊掛點固定，搭接處熱熔焊接。鋪設(shè)前重點對初支表面進(jìn)行檢查，防止外漏鋼筋頭損傷防水板。在預(yù)留的縱向排水溝基座放置防水板反包后的縱向排水管。防水板自動鋪掛臺車由鋪展系統(tǒng)、自行系統(tǒng)、控制臺組成，軌道小車滑動，無軌橡膠輪行走，帶平移系統(tǒng)。臺車平臺為人工抽拉活動平臺和固定平臺組合，結(jié)合激光定點儀、熱熔焊槍應(yīng)用于防水板鋪設(shè)施工。通過使用該設(shè)備可降低人工勞動強(qiáng)度，減少作業(yè)人數(shù)，鋪設(shè)速度比傳統(tǒng)工藝提升1 倍[5]。

2.7 混凝土襯砌作業(yè)

采用信息化多功能襯砌臺車進(jìn)行混凝土襯砌作業(yè)。其中，預(yù)埋件模具均采用高分子材料定制模具。信息化多功能襯砌臺車配置自動布料設(shè)備、高分子堵頭板、帶模注漿裝置、接頭處軟搭接、隧道襯砌云監(jiān)控系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)及自動帶鋼軌行走系統(tǒng)，可實現(xiàn)不用人工換管，混凝土通過送料管的入料口進(jìn)入，經(jīng)送料管、分料筒、輸送管輸送至各層澆筑窗，并通過增加副門架、更換頂模及單側(cè)模，快速實現(xiàn)適用于加寬段斷面類型的襯砌作業(yè)[6]。

2.8 養(yǎng)護(hù)及溝槽作業(yè)

采用抑塵、養(yǎng)生智能臺車進(jìn)行隧道混凝土襯砌養(yǎng)護(hù)作業(yè)，也可以作為襯砌的檢修平臺。抑塵、養(yǎng)生智能臺車有柱狀、霧狀養(yǎng)生效果，同時可通過智能化監(jiān)測系統(tǒng)、自行系統(tǒng)，實時監(jiān)測洞內(nèi)濕度、溫度、空氣質(zhì)量等指標(biāo)，實現(xiàn)自動養(yǎng)生和降塵效果，可實現(xiàn)長距離、不間斷往返養(yǎng)護(hù)等功能。常規(guī)水管壓力較小，需共用洞內(nèi)三臂鑿巖臺車蓄水罐及增壓泵等設(shè)施實現(xiàn)常態(tài)化作業(yè)。由行走系統(tǒng)、桁架支撐系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)、模板系統(tǒng)組成的整體式移動電纜槽臺車具有一次成型、提升工效、提高施工質(zhì)量、加快施工進(jìn)度等優(yōu)點。

2.9 施工通風(fēng)、排水作業(yè)

隧道掌子面附近投入隧道干式除塵、噴淋降塵及霧炮等設(shè)備，配合應(yīng)用于隧道三階段（壓入式通風(fēng)+壓入式接力通風(fēng)+巷道式通風(fēng)）施工通風(fēng)系統(tǒng)。通過投入使用該設(shè)備，實現(xiàn)掌子面在開挖爆破后10 min 內(nèi)完成空氣凈化，濕噴作業(yè)過程中具備同樣功效，確保大幅度地改善作業(yè)環(huán)境。固定泵站采用臥式離心泵，高效完成隧道反坡排水。

3 成套機(jī)械化施工

3.1 成套機(jī)械化的經(jīng)濟(jì)效益分析

通過采用特長隧道成套機(jī)械化施工工藝，開挖及初期支護(hù)作業(yè)平均每循環(huán)施工用時為19 h（有拱架），比傳統(tǒng)的開挖及初期支護(hù)作業(yè)每循環(huán)用時22.5 h節(jié)約3.4 h。該項目關(guān)鍵線路為左線大里程方向掌子面，長約3 194 m，共1 519 個循環(huán)（Ⅴ級150 m，0.6 m/循環(huán)；Ⅳ3 044 m，2.4 m/循環(huán)），累計節(jié)約工期216 d，節(jié)約人工費用196萬元。見表1~2，僅以掘進(jìn)為例，采用新型三臂鑿巖臺車開挖設(shè)備開挖作業(yè)（Ⅴ級圍巖為例：12 h/循環(huán)）和鉆爆法開挖Ⅴ級圍巖循環(huán)作業(yè)（Ⅴ級圍巖為例：14 h/循環(huán)）相比較，循環(huán)進(jìn)尺相差0.6 m，日進(jìn)尺相差1.6 m，月進(jìn)尺相差48 m。詳見表3~5。

表1 隧道掌子面機(jī)械化施工工序（Ⅳ圍巖）統(tǒng)計表

表2 機(jī)械化配套化施工人工費用統(tǒng)計表

表3 采用新型三臂鑿巖臺車開挖設(shè)備開挖作業(yè)表

表4 鉆爆法開挖Ⅴ級圍巖循環(huán)作業(yè)表

表5 鉆爆法開挖與鑿巖臺車作業(yè)對比表

3.2 成套機(jī)械化的應(yīng)用效果分析

機(jī)械化設(shè)備用于隧道開挖、支護(hù)等全工序，設(shè)備應(yīng)用可以減少人工勞動強(qiáng)度，提高施工效率，減少施工周期，同時，機(jī)械化設(shè)備應(yīng)用保證施工質(zhì)量和安全性。智能化技術(shù)應(yīng)用，實現(xiàn)施工現(xiàn)場的監(jiān)控、管理和優(yōu)化，如人員定位、設(shè)備監(jiān)測、數(shù)據(jù)分析等，提高施工現(xiàn)場的管理水平，減少錯誤和事故發(fā)生的可能性，同時還可以提高工作效率和減少人力資源浪費。綜合機(jī)械化和智能化工法可以實現(xiàn)快速施工、高效運(yùn)作、質(zhì)量穩(wěn)定，為隧道施工提供更加可靠的保障。

4 全要素信息化管理

通過技術(shù)手段將超前地質(zhì)勘探、圍巖監(jiān)控量測、質(zhì)量檢測、試驗數(shù)據(jù)等隧道建設(shè)要素集成至管理云平臺，助力項目安全質(zhì)量管理實現(xiàn)“精、準(zhǔn)、快”。施工中疑難問題由設(shè)計院答疑勘誤。施工放樣采用全站儀，使用坐標(biāo)法依據(jù)圖紙復(fù)核后的坐標(biāo)數(shù)據(jù)，精確放樣。強(qiáng)化組織協(xié)調(diào)和落實工作責(zé)任，周密部署，精心安排，確?；顒佑行ч_展。結(jié)合實際情況細(xì)化全要素清單，明確信息化管理步驟，加大一線督導(dǎo)力度，開展專項督査，確保工作落實到位。

4.1 智能物料管理系統(tǒng)運(yùn)用

自動稱重、自動識別車輛、拍照、自動上傳數(shù)據(jù)等全智能系統(tǒng)一體化。通過過磅稱重驗收、理論核算驗收和移動收發(fā)系統(tǒng)進(jìn)行材料數(shù)量驗收，及時完成物料系統(tǒng)錄入，做到日清月結(jié)。以合同和物料系統(tǒng)數(shù)據(jù)為支撐，做到數(shù)據(jù)記錄齊全，計算準(zhǔn)確?？傊蓪崿F(xiàn)材料實現(xiàn)“量”與“質(zhì)”雙控。

4.2 材料采購方式與盤點核算

項目及時核算材料盈虧，分析盈虧原因，做到獎懲分明。

（1）集中采購：水泥、鋼筋、鋼板、型鋼、鋼管；鋼絞線、錨具、橋梁支座、伸縮縫、鋼波紋管、機(jī)制砂、水洗砂、碎石、粉煤灰、礦粉、土工材料、塑料布、鋼塑格柵、混合纖維、鍍鋅網(wǎng)、三維網(wǎng)等；混凝土外加劑在廠家入圍名單內(nèi)統(tǒng)一采購。

（2）周轉(zhuǎn)材料采購：T 梁模板、空心薄壁墩、實心墩、圓柱墩、蓋梁、系梁、承臺模板等統(tǒng)一調(diào)配和制作；高空作業(yè)平臺、人行爬梯、人行扶梯、安全爬梯等統(tǒng)一購置。

（3）小型材料及輔助材料：由協(xié)作隊伍承擔(dān)，費用歸入合同單價中。

（4）電商平臺集中采購：辦公設(shè)備、辦公家具、辦公耗材、電器、廚具、五金機(jī)電、安全用品、小型材料、低值易耗品等。

4.3 施工材料、設(shè)備管理

（1）試驗檢測設(shè)備。項目采用集約化、數(shù)字化總承包工地試驗室模式。試驗室對在授權(quán)范圍內(nèi)的試驗檢測參數(shù)進(jìn)行自檢，對于超出授權(quán)范圍的外委試驗集中管控，并嚴(yán)格按照集團(tuán)外委檢測系統(tǒng)執(zhí)行。根據(jù)入圍的供應(yīng)商名錄選取檢測單位，從而保證外委試驗質(zhì)量符合產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)、施工規(guī)范設(shè)計文件要求，同時加強(qiáng)外委試驗信息化管理，做到應(yīng)檢必檢。

（2）設(shè)備班組化管理。拌和站為自有設(shè)備，負(fù)責(zé)隧道的混凝土拌和。要求采用班組化管理，組建拌和設(shè)備班組，制定設(shè)備班組管理運(yùn)行考核辦法及設(shè)備維修保養(yǎng)計劃。管理人員和操作手實行定人、定機(jī)、定崗，明確崗位職責(zé)。加強(qiáng)單機(jī)核算、定期結(jié)算，對標(biāo)提升，混凝土配合比優(yōu)化充分利用粉煤灰節(jié)約水泥、臨建部分利用尾礦石渣、水泥土利用生態(tài)水泥等固廢利用，實現(xiàn)提質(zhì)、降本、增效。

5 結(jié)語

綜上所述，采用隧道成套機(jī)械化施工方法，實施全要素信息化管理，可取得如下工效：

（1）減少了勞動力：采用隧道成套機(jī)械化設(shè)備，可有效應(yīng)對當(dāng)前面臨的作業(yè)人員老齡化、人員數(shù)量急劇減少等問題。

（2）降低了勞動強(qiáng)度：采用隧道成套機(jī)械化施工方法，大幅度地降低了作業(yè)人員的作業(yè)強(qiáng)度。

（3）提高了施工效率：全要素信息化管理+流水線式的機(jī)械施工，大幅提升了施工效率，在隧道各作業(yè)線可實現(xiàn)多種機(jī)械的同步作業(yè)。

（4）提升了施工質(zhì)量：采用行業(yè)先進(jìn)的機(jī)械設(shè)備可以有效地提升施工質(zhì)量控制水平，如濕噴機(jī)械手、三臂鑿巖臺車及拱架安裝架的應(yīng)用。

（5）降低了安全風(fēng)險：采用隧道成套機(jī)械化施工方法，避免了有限空間作業(yè)環(huán)境內(nèi)聚集大量的作業(yè)人員，解決了遇到險情后人員疏散避險困難、導(dǎo)致安全風(fēng)險極大等難題，從而降低了隧道施工安全風(fēng)險。