高速公路隧道自動機械化技術(shù)應(yīng)用

王祥

（中交一航局第五工程有限公司）

1 引言

高速公路隧道施工內(nèi)容復(fù)雜、工程量龐大。在工期要求下，其施工效率必須得到保障，同時高速公路隧道作為交通要道組成部分，其質(zhì)量對交通便利、安全等有直接影響。在此背景下，人們開始探尋施工新方法，旨在改進施工模式。

2 自動機械化技術(shù)基本概念與應(yīng)用優(yōu)勢

2.1 基本概念

自動機械化技術(shù)就是利用自動化控制邏輯，使機械設(shè)備自動運行，由此完成一些人工難以做到，或者更快、更好完成一些工作的技術(shù)手段，該技術(shù)手段按機械設(shè)備類型，可劃分為多種形式，如高速公路隧道施工中比較常見的形式有多臂鑿巖臺車、多功能錨桿鉆機、自動掛布臺車等。因為自動機械化技術(shù)形式眾多，且不同形式的機械設(shè)備功能不一，所以要根據(jù)實際施工需求做出選擇，選擇思路為：①根據(jù)施工目標(biāo)，選擇對應(yīng)類型的機械設(shè)備，確保設(shè)備能夠幫助或獨立完成施工目標(biāo)；②根據(jù)施工實際情況，選擇對應(yīng)規(guī)格的機械設(shè)備，確保機械設(shè)備能在實際環(huán)境中順暢運作，取得的成果在性能指標(biāo)上全面達標(biāo)（見圖1）[1]。

圖1 智能工業(yè)機器人實現(xiàn)自動化制造

2.2 應(yīng)用優(yōu)勢

高速公路隧道施工中，自動機械化技術(shù)比較突出的應(yīng)用優(yōu)勢有二：①自動機械化技術(shù)作為機械工具，不存在人工能力局限性，運作頻率、時長等都遠超人類，且承載力、功能性等也非常優(yōu)秀，能直接完成一些人工無法直接完成的工作，因此通過自動機械化技術(shù)，能有效提高單日施工完成量；②自動機械化技術(shù)雖然是在人為控制下進行運作的，但現(xiàn)代很多機械設(shè)備都采取了參數(shù)化控制，能嚴(yán)格按照人工輸入的參數(shù)化指令運作，既能保障施工的準(zhǔn)確性，又有益于施工質(zhì)量。

3 隧道施工中自動機械化技術(shù)的應(yīng)用情況

3.1 前期準(zhǔn)備

為了確保在高速公路隧道施工中能充分發(fā)揮自動機械化技術(shù)應(yīng)用優(yōu)勢，在正式施工之前應(yīng)做好相關(guān)準(zhǔn)備工作，主要內(nèi)容有：①將施工計劃劃分為若干環(huán)節(jié)，明確每個環(huán)節(jié)的施工目標(biāo)，然后按施工目標(biāo)選擇具備對應(yīng)功能的機械設(shè)備，同時確認機械設(shè)備規(guī)格是否符合施工現(xiàn)場要求，這樣能確認不同機械設(shè)備在施工中的用途，為后續(xù)技術(shù)施工應(yīng)用提供依據(jù)；②應(yīng)采取“主備”機械設(shè)備運作管理模式，對技術(shù)應(yīng)用過程進行管理，目的是避免施工時因主用設(shè)備故障而導(dǎo)致施工被迫暫停的情況發(fā)生，若存在成本上的困擾，可只針對使用年限較長的設(shè)備采取“主備”管理模式；③要在每個施工環(huán)節(jié)開始之前，對主用機械設(shè)備進行全面管理，確認設(shè)備是否存在故障、是否能正常運作，發(fā)現(xiàn)任何問題都應(yīng)當(dāng)直接啟用備用設(shè)備，同時解決主用設(shè)備問題。

3.2 中期應(yīng)用

3.2.1 多臂鑿巖臺車——洞身開挖

多臂鑿巖臺車常用于隧道施工的洞身開挖環(huán)節(jié)，主要功能是執(zhí)行洞身爆破鉆孔工作，該設(shè)備操作只需要1 至2 人，且無須人工干預(yù)，直接通過計算機對其進行控制即可。多臂鑿巖臺車應(yīng)用中，先結(jié)合工程資料將隧道設(shè)計參數(shù)、爆破鉆孔設(shè)計參數(shù)輸入控制系統(tǒng)，同時開動臺車使其達到工位，為確認其是否到位，可通過全站儀進行定位其坐標(biāo)[2]。確認臺車位置準(zhǔn)確后，通過控制系統(tǒng)啟動臺車，臺車會自動根據(jù)提前輸入的信息調(diào)整作業(yè)部位的角度、位置，隨之開始鉆孔，鉆孔過程中會對不同鉆臂的切換、伸縮、位移、速率、旋轉(zhuǎn)動作進行自動化控制，高精度控制鉆孔角度、深度等，并同步完成掏槽眼、輔助眼、周邊眼鉆孔、清孔作業(yè)。最終，待鉆孔完畢將自動按照裝藥、爆破、排險、出渣流程繼續(xù)作業(yè)，若設(shè)備無法準(zhǔn)確完成這些作業(yè)，也可通過臺車指導(dǎo)的舉升臂平臺進行人工裝藥，后續(xù)作業(yè)流程依然可通過臺車來完成。

3.2.2 濕噴機——混凝土噴射

混凝土噴射是高速公路隧道施工的重要工序，一般可通過濕噴機來完成。應(yīng)用中，因為濕噴機本身并不具備制備混凝土的能力，所以可以考慮使用自動拌合站來完成混凝土制備，即按比例、順序?qū)⒒炷猎牧贤斗诺阶詣影韬险局?，然后設(shè)定好拌合方向、速度等參數(shù)，啟動拌合站既可自動拌合，拌合完成后將混凝土裝載至攪拌運輸車，將混凝土運輸至施工現(xiàn)場后繼續(xù)裝載至濕噴機既可。但要注意的是，混凝土運輸?shù)浆F(xiàn)場之后，應(yīng)第一時間檢查高壓風(fēng)、速凝劑泵送系統(tǒng)和混凝土泵送系統(tǒng)運作是否正常，否則會對后續(xù)噴射施工造成影響。

濕噴機操作中，應(yīng)嚴(yán)格按照混凝土噴射流程進行：①初噴前應(yīng)設(shè)定好濕噴機參數(shù)，參數(shù)項目大體包括噴射混凝土回彈量、噴射平整度、噴頭位置、噴射角度、風(fēng)壓值等，此類參數(shù)項目對噴射效果有直接影響，建議在專業(yè)人士指導(dǎo)下進行設(shè)定。參數(shù)設(shè)定后應(yīng)以封閉暴露巖體為主進行噴射。②復(fù)噴操作與初噴基本一致，但復(fù)噴必須緊跟支護工作進行。濕噴機操作中要注意，當(dāng)濕噴機到位后，需要事前檢查其電力、風(fēng)管是否正常，確認正常后，建議先采用濕噴機械手噴頭進行風(fēng)壓噴射，目的是清理作業(yè)面，以免混凝土噴射后無法附著于作業(yè)面[3]。另外，濕噴機操作之前要事前確認速凝劑摻量比例，且噴射過程中應(yīng)由專人負責(zé)在控制臺對速凝劑摻量進行控制，同時要通過遠程操控手段對濕噴機的機械臂進行控制，以免發(fā)生安全事故。

3.2.3 多功能錨桿鉆機——超前支護

隧道開挖中，開挖部分可能會在施工擾動等因素下塌陷，這具有極大的安全威脅，同時也可能發(fā)生一些質(zhì)量問題。為了避免相關(guān)情況發(fā)生，需要遵從隨挖隨支護原則，開展超前支護工作，而人工執(zhí)行該項工作同樣要面臨風(fēng)險，且無法保障施工效率達標(biāo)，故可以考慮采用自動機械化設(shè)備來執(zhí)行工作。目前，可幫助執(zhí)行超前支護工作的自動機械化設(shè)備為多功能錨桿鉆機，是一種全液壓鉆孔支護設(shè)備，其移動系統(tǒng)多為輪式結(jié)構(gòu)，移動速度可達12km/h，因此能快速完成鉆孔、支護施工。多功能錨桿鉆機的鉆臂靈活度極佳，能自由伸縮，鉆桿可雙維度全角度旋轉(zhuǎn)，因此完全滿足隧道不同部位施工，可幫助解決人工作業(yè)時難以處理的垂直巖面難題。按多功能錨桿鉆機最大規(guī)格標(biāo)準(zhǔn)，其鉆孔深度可達6m，因此能幫助完成砂漿錨桿、中空注漿錨桿、縮腳錨桿、超前錨桿、超前小導(dǎo)管施工，部分情況下能輔助爆破鉆孔、開挖處理[4]。多功能錨桿鉆機應(yīng)用中，先讓設(shè)備就位，接通電源及水利后，按照事前放樣結(jié)果對鉆桿位置進行調(diào)整，然后輸入指令，可使鉆桿啟動，鉆孔到位后能自動執(zhí)行錨桿安裝、注漿加固等操作。

3.2.4 自行式液壓仰拱棧橋——仰拱施工

仰拱施工可分為仰拱實施與填充兩個環(huán)節(jié)，其中前者主要內(nèi)容為仰拱開挖、拱架安裝、鋼筋綁扎等，后者主要內(nèi)容為混凝土填充。針對該施工環(huán)節(jié)，可使用自行式液壓仰拱棧橋開展工作。自行式液壓仰拱棧橋是一種多功能設(shè)備，主要由棧橋桁架結(jié)構(gòu)、升降支撐系統(tǒng)、行走系統(tǒng)、液壓控制系統(tǒng)等組成，其中棧橋桁架具有很高的穩(wěn)固性，在控制配件作用下能靈活移動，因此按最大規(guī)格計算，自行式液壓仰拱棧橋能在12m 范圍內(nèi)自動完成仰拱施工[5]。仰拱填充方面，主要利用自行式液壓仰拱棧橋下方的下料后進行混凝土澆筑，具體操作流程為：①確認仰拱鋼筋綁扎完畢后，通過棧橋、模板拖行滑架等調(diào)節(jié)澆筑位置；②開始澆筑混凝土，澆筑過程不可中斷，完成后停止自行式液壓仰拱棧橋運行，但不允許移動；③待混凝土強度達到標(biāo)準(zhǔn)水平后，收縮兩側(cè)弧模，提拉模板進行拆模（見圖2）。

圖2 自行式液壓仰拱棧橋

3.2.5 自動掛布臺車——防水層施工與自動布料二襯鋼模臺車——二襯施工

在防水層施工中，可使用自動掛布臺車自動完成工作，該設(shè)備具有移動、鋪設(shè)功能，整體由液壓系統(tǒng)支撐。應(yīng)用當(dāng)中，啟動自動掛布臺車后，該設(shè)備會在預(yù)先鋪設(shè)好的鋼軌上移動，達到指定位置后停止。隨后通過設(shè)備鋪設(shè)功能，將土工布和防水板固定在設(shè)備外圍弧形軌道的起點，然后隨著設(shè)備移動，土工布和防水板將沿著軌道完成鋪設(shè)，最終進行固定即可[6]。為了確保自動掛布臺車能夠正常運作，建議在防水層施工之前，根據(jù)施工需求鋪設(shè)好鋼軌，并且讓設(shè)備在軌道正下方就位，操作時要先確認土工布和防水板的質(zhì)量，然后將兩者裝載至自動掛布臺車上，并將兩者展開1m～1.5m。

在二襯施工中，自動掛布臺車能幫助完成二襯鋼筋提升、定位，具體操作方式與防水層施工類似。自動掛布臺車在二襯施工中，只能用于二襯鋼筋提升、定位，無法用于其他工序，因此要結(jié)合其他設(shè)備來幫助完成施工。以二襯施工混凝土澆筑工序為例，可采用自動布料二襯鋼模臺車，該設(shè)備能自動完成模板搭建與定位、移動布料，且所有提升、移動操作全部由液壓系統(tǒng)支撐，因此穩(wěn)定性良好[4]。該設(shè)備同樣需要依靠鋼軌來移動，應(yīng)當(dāng)事前鋪設(shè)好鋼軌[7]。自動布料二襯鋼模臺車具有完善的信息化控制系統(tǒng)，人工可遠程進行控制，并且還能通過該設(shè)備自帶的傳感器對混凝土溫度等進行監(jiān)測，發(fā)現(xiàn)異?？梢约皶r調(diào)節(jié)，以保障施工質(zhì)量。

4 結(jié)語

綜上所述，高速公路隧道施工內(nèi)容復(fù)雜、要求較高，且施工存在很多難點，因此施工難度較高，但依靠自動機械化技術(shù)，不僅能自動化高效完成各種施工目標(biāo)、應(yīng)對相關(guān)難點，還能保障施工人員安全與施工質(zhì)量。由此可見，自動機械化技術(shù)值得在高速公路隧道施工中推廣。