基于信息化技術的高速公路隧道機械化施工

摘 要：高速公路作為連接城市與區(qū)域的重要紐帶，其建設效率與質量直接關系到國家經濟的發(fā)展與民眾出行的便捷性。隨著信息化技術的飛速進步，將這一高科技手段融入高速公路隧道機械化施工中，已成為提升施工效率、保障作業(yè)安全、優(yōu)化資源配置的關鍵路徑。本文首先對高速公路隧道機械化施工進行簡要介紹，接著重點研究信息化技術在隧道機械化施工中的應用以及具體的施工措施，為推動高速公路隧道建設行業(yè)的現(xiàn)代化轉型提供理論依據(jù)與實踐指導。

關鍵詞：信息化技術 高速公路 隧道施工 機械化

隨著信息技術的飛速發(fā)展，其在各行各業(yè)的應用日益廣泛，特別是在基礎設施建設領域，信息化技術正逐步成為提升施工效率與質量的關鍵驅動力。高速公路作為現(xiàn)代交通網(wǎng)絡的重要組成部分，其建設質量直接關系到國家經濟的發(fā)展與民眾出行的安全便捷。隧道作為高速公路建設中的難點與重點，其機械化施工面臨著地質復雜、作業(yè)環(huán)境惡劣、施工精度要求高等諸多挑戰(zhàn)。因此，探索基于信息化技術的高速公路隧道機械化施工模式，對于優(yōu)化施工流程、提高作業(yè)安全性、降低建設成本具有重要意義。

1 高速公路隧道機械化施工概述

1.1 機械化施工設備

在高速公路隧道機械化施工中，主要設備包括鑿巖臺車、濕噴機、襯砌臺車、裝載機和運輸車等。

鑿巖臺車是隧道開挖作業(yè)中的關鍵設備，能夠通過自動定位和鉆孔技術高效完成巖壁的鉆孔任務[1]。其自動化系統(tǒng)可以根據(jù)地質條件實時調整鉆孔參數(shù)，確保作業(yè)精準且高效，并且具備高效排渣系統(tǒng)，減少了排渣時間，提升了整體施工效率。濕噴機主要用于通過噴射混凝土對隧道的巖壁進行加固。濕噴機具有噴射效率高、混凝土質量均勻、回彈率低等優(yōu)點。襯砌臺車能夠實現(xiàn)隧道的二次襯砌作業(yè)，采用先進的自動化控制系統(tǒng)，能夠精準控制襯砌的厚度和均勻性，有效提高襯砌施工的精度，減少人工誤差。此外，襯砌臺車還具備自動化澆筑和振動功能，確保了混凝土襯砌的密實度和整體質量。裝載機和運輸車在隧道施工過程中負責廢渣的清理和物料的運輸。裝載機通過高效的裝載系統(tǒng)迅速清除隧道內的廢渣，運輸車則將其運送至隧道出口，為后續(xù)施工提供了順暢的作業(yè)環(huán)境。

1.2 機械化施工流程

地質勘探是隧道施工的基礎，通過地質雷達、鉆孔取樣等手段，全面分析巖層結構、地下水分布及地震活躍度，為后續(xù)施工提供詳實的數(shù)據(jù)支持，確保施工過程中的安全性與穩(wěn)定性。進入開挖作業(yè)階段，隧道開挖采用鑿巖臺車、爆破作業(yè)及后續(xù)清渣設備相結合的方式。鑿巖臺車通過高效的鉆孔作業(yè)為爆破提供精準的孔位，爆破作業(yè)精確控制爆破參數(shù)，減少巖體破壞，確保隧道開挖的精準度和安全性。開挖過程中，裝載機和運輸車高效配合，確保隧道內部的廢渣及時清除，為后續(xù)支護作業(yè)提供暢通的作業(yè)空間。支護作業(yè)通常通過濕噴機進行噴射混凝土支護，形成穩(wěn)定的巖壁支護結構。在此過程中，根據(jù)巖體類型、地下水情況等進行支護設計，保證支護強度與穩(wěn)定性，防止開挖后的巖壁坍塌和水流滲漏。機械化操作大大提高了噴射混凝土的均勻性和施工速度。襯砌作業(yè)通過襯砌臺車進行精準的二次襯砌施工。襯砌臺車具備自動化澆筑、振動和切割等功能，確保襯砌層的均勻性和堅固性，為隧道提供長久的穩(wěn)定性和防護。襯砌作業(yè)需嚴格控制混凝土澆筑的厚度和密實度，以應對長時間的使用過程中可能遭遇的壓力和外力，確保隧道結構的安全和耐久性。

2 信息化技術在高速公路隧道機械化施工中的應用

2.1 地質勘探信息化

信息化技術的引入，尤其是地質雷達和TSP超前地質預報系統(tǒng)，極大地改善了傳統(tǒng)勘探手段的局限性。地質雷達作為一種無損檢測技術，通過電磁波探測地下巖層結構，能夠對地質層的密實度、裂隙、地下水等進行實時監(jiān)測。與傳統(tǒng)的鉆探方法相比，地質雷達能夠在不破壞地下結構的情況下，快速獲取周邊地質的詳細數(shù)據(jù)，并且其實時性使得施工人員能夠及時掌握地質變化的情況，提前采取應對措施。TSP超前地質預報系統(tǒng)則通過監(jiān)測隧道開挖過程中地質體的應力變化，提前預警可能出現(xiàn)的巖爆、塌方等危險情況，為施工提供實時動態(tài)的地質預報。這些信息化技術通過精確探測、動態(tài)監(jiān)控和數(shù)據(jù)分析，為施工方案的優(yōu)化提供了數(shù)據(jù)支持。與此同時，信息化技術的應用不僅提高了勘探數(shù)據(jù)的處理效率，還降低了人為誤差的可能性，確保了地質數(shù)據(jù)的準確性。通過先進的數(shù)據(jù)處理和分析系統(tǒng)，可以實現(xiàn)對大量勘探數(shù)據(jù)的自動化整理、分析和可視化展示，為工程技術人員提供直觀、可靠的地質信息。

2.2 施工監(jiān)控信息化

隧道施工機械化設備配備的監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時采集設備的運行狀態(tài)數(shù)據(jù)，包括機械負荷、動力輸出、振動強度、溫度變化等信息。這些數(shù)據(jù)通過物聯(lián)網(wǎng)技術傳輸至集中監(jiān)控平臺，為工程管理人員提供了全面的設備運行狀態(tài)，確保設備在最佳工況下運行，減少了因設備故障或超負荷工作而導致的停工風險。此外，通過對施工環(huán)境的實時監(jiān)控，信息化系統(tǒng)能夠及時獲取隧道內的溫濕度、氣體濃度等環(huán)境數(shù)據(jù)，確保施工區(qū)域的安全性。例如，在隧道掘進過程中，信息化技術能夠實時監(jiān)測隧道內是否存在有害氣體，并及時提醒操作人員進行通風處理，從而有效避免中毒事件的發(fā)生。其次，施工監(jiān)控信息化通過結合GPS、激光掃描和無人機等技術，能夠對隧道開挖的進度和地質變化進行精確測量，生成實時的三維模型和工程進度圖。通過數(shù)據(jù)分析，系統(tǒng)能夠為施工方案的優(yōu)化提供決策支持，實現(xiàn)精準的資源調度與人員管理，提高了整體施工的科學性和精確性。同時，施工監(jiān)控信息化還為工程質量控制提供了有力保障，施工過程中每一環(huán)節(jié)的數(shù)據(jù)都能夠實時記錄并存檔，形成完整的施工數(shù)據(jù)鏈條，為后期的質量驗收與維護提供可靠依據(jù)[2]。

2.3 施工管理信息化

通過搭建集成化的管理平臺，信息化技術將隧道施工過程中的各個環(huán)節(jié)實現(xiàn)了全面的數(shù)字化和自動化管理。具體應用體現(xiàn)在施工現(xiàn)場資源調度、進度控制、質量監(jiān)控和安全管理等多個方面。

施工管理信息化平臺能夠實時監(jiān)控工程進度。借助物聯(lián)網(wǎng)技術與無線傳感器，平臺對施工機械、人員以及材料的實時位置和狀態(tài)進行跟蹤，確保各項工作有序進行。系統(tǒng)通過GPS定位與GIS地圖結合，精準獲取機械設備、材料運輸車和施工人員的實時位置，從而實現(xiàn)高效的調度與資源配置。通過對施工計劃與實際進度的比對，管理人員可以及時調整施工方案，避免延誤和資源浪費。

信息化平臺在質量管理中的應用，主要體現(xiàn)在通過傳感器采集機械設備運行參數(shù)和施工環(huán)境數(shù)據(jù)，實時監(jiān)測施工過程中的關鍵質量指標。例如，混凝土噴射質量、隧道支護效果等重要數(shù)據(jù)通過實時反饋，幫助施工團隊及時發(fā)現(xiàn)問題并調整作業(yè)方式，確保工程質量符合標準。

此外，信息化系統(tǒng)還可將質量數(shù)據(jù)與歷史數(shù)據(jù)進行分析，利用大數(shù)據(jù)技術發(fā)現(xiàn)潛在的質量風險，進行智能預警，避免工程中途出現(xiàn)質量問題。安全管理方面，信息化技術通過在機械設備和作業(yè)區(qū)域內布設傳感器，監(jiān)控施工環(huán)境中的溫濕度、氣體濃度等重要指標，實時預警施工現(xiàn)場可能發(fā)生的安全隱患。

3 基于信息化技術的高速公路隧道機械化施工措施

3.1 超前地質預報與信息化監(jiān)測

施工過程中，超前地質預報主要依托地質雷達、鉆孔取樣、遙感技術、三維建模等多種技術手段，進行隧道前方地質條件的實時監(jiān)測與預測。通過地質雷達探測隧道前方巖體的結構和構造，結合鉆孔取樣數(shù)據(jù)，能夠準確判斷地下的巖土性質、含水層分布以及可能的破碎帶或不良地質體。遙感技術則通過對隧道周邊區(qū)域進行監(jiān)測，獲取更大范圍的地質信息，為施工決策提供有力支持。此外，三維地質建模技術可以將采集到的地質數(shù)據(jù)進行可視化處理，生成精確的三維地質模型，施工人員可以在施工前進行虛擬仿真與風險分析，提前識別潛在的危險區(qū)域，從而優(yōu)化施工方案和進度安排。

信息化監(jiān)測則通過構建完善的傳感器網(wǎng)絡，實時采集并傳輸隧道施工過程中的各類數(shù)據(jù)，為施工提供動態(tài)的監(jiān)控與決策支持。隧道壁、支護結構及關鍵作業(yè)區(qū)域布設的傳感器能夠實時監(jiān)測巖體變形、氣體濃度、溫濕度等環(huán)境參數(shù)，保證施工過程中的數(shù)據(jù)采集完整與準確。通過數(shù)據(jù)融合與大數(shù)據(jù)分析，信息化監(jiān)測系統(tǒng)不僅可以對施工環(huán)境進行實時分析，還能夠基于歷史數(shù)據(jù)進行趨勢預測，提前識別潛在的地質災害風險。智能算法在處理監(jiān)測數(shù)據(jù)時，可以分析地下水位波動、巖體變形、支護結構應力等因素，綜合評估施工過程中的安全風險，確保提前預警和及時干預。例如，在遇到高壓水層或軟弱巖層時，信息化系統(tǒng)能夠通過實時數(shù)據(jù)與預測模型，調整施工方法，優(yōu)化機械配置，確保安全作業(yè)并減少機械故障的發(fā)生[3]。

3.2 開挖作業(yè)機械化與智能化控制

采用隧道掘進機（TBM）作為主力設備，通過精準控制機械刀盤的轉速與切削深度，能夠在復雜地質條件下保持高效穩(wěn)定的開挖速度，避免因地質突變而導致的施工中斷。此外，采用頂管機、盾構機等專用機械設備，可以實現(xiàn)大斷面、深埋深度的隧道施工，確保隧道內外環(huán)境不受影響，同時提升施工的連續(xù)性與穩(wěn)定性。智能化控制則通過信息技術實時監(jiān)控機械設備的狀態(tài)與施工環(huán)境，自動調節(jié)設備運行參數(shù)，從而優(yōu)化施工過程。具體措施包括利用地質雷達、激光掃描、傳感器等設備實時采集施工區(qū)域的地質信息與設備狀態(tài)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析預測施工進度與潛在風險。通過與施工設備的智能控制系統(tǒng)聯(lián)動，能夠自動調整開挖機械的切削速度、刀盤角度以及推進力等關鍵參數(shù)，適應不同地質條件的變化，保證開挖作業(yè)在最優(yōu)參數(shù)下運行，從而提高施工效率與精度。在高風險區(qū)域，如軟弱地層或涌水地區(qū)，智能化系統(tǒng)能夠實時監(jiān)測到不良地質體的出現(xiàn)，通過調整施工方案、優(yōu)化開挖路徑，確保隧道的開挖作業(yè)不受影響。此外，智能化控制系統(tǒng)還可通過人工智能算法分析地質數(shù)據(jù)與施工環(huán)境信息，自動預警潛在的風險點，如巖體變形、氣體泄漏等異常情況，提供決策支持，指導現(xiàn)場操作人員進行及時干預。與此同時，信息化技術的應用使得遠程控制成為可能，在惡劣或危險的環(huán)境中，施工人員無需直接參與危險作業(yè)，可通過遠程終端實時監(jiān)控設備狀態(tài)，進行操作控制。

3.3 支護作業(yè)自動化與高效噴射技術

在具體施工中，支護作業(yè)通常采用了液壓支架、鋼拱架等設備，通過智能控制系統(tǒng)進行自動調節(jié)，確保支護力與開挖進度匹配，避免因人為操作導致的施工誤差和時間延誤。通過集成傳感器技術，可以實時監(jiān)測隧道內的地質變化、支護力的分布及其變化情況，從而自動調整支架位置、支護力大小和支撐時間，最大程度地提高支護效果并減少人工干預[4]。支護系統(tǒng)的自動化還能夠有效應對不良地質條件，在軟弱地層或破碎巖體中，自動化支護系統(tǒng)通過快速響應與實時反饋機制，調整支護方案，確保隧道施工的安全性與穩(wěn)定性。與支護作業(yè)密切相關的是噴射技術，噴射混凝土（即噴漿）技術在高速公路隧道施工中得到了廣泛應用，尤其是在隧道開挖初期，噴射混凝土能夠為隧道提供臨時支護，防止圍巖變形和塌方。高效噴射技術在施工過程中，通過采用高壓噴射設備和自動化噴漿機器人，能夠實現(xiàn)精準的噴射量與噴射角度控制，從而大大提高噴射效果與效率。自動化噴射系統(tǒng)通過集成傳感器和監(jiān)控系統(tǒng)，能夠根據(jù)圍巖的實際情況自動調節(jié)噴射壓力、噴射速率和混凝土配比，確保噴射作業(yè)的均勻性和穩(wěn)定性。此技術不僅可以減少人工操作的風險，還能夠提高施工速度，縮短施工周期，降低施工成本。此外，噴射作業(yè)過程中，智能化監(jiān)測系統(tǒng)能夠實時監(jiān)控噴射層的質量，通過圖像識別技術和厚度檢測系統(tǒng)，自動評估噴射層的均勻性與厚度，確保噴漿質量達到設計要求。

3.4 施工資源配置與信息化管理

在施工資源配置方面，信息化技術為各類施工設備的調度和管理提供了精準的數(shù)據(jù)支持。通過引入物聯(lián)網(wǎng)技術，將隧道施工設備、機械、材料、人員等資源進行數(shù)字化管理，實現(xiàn)資源的實時監(jiān)控和動態(tài)調配。例如，可以通過信息化系統(tǒng)實時獲取隧道掘進機的位置、掘進進度、刀盤磨損情況等數(shù)據(jù)，為機械設備的維護保養(yǎng)和資源調度提供依據(jù)。此外，信息化技術還可以對施工現(xiàn)場的物料進行自動化管理，結合物料追蹤系統(tǒng)，能夠實時掌握各類施工材料的庫存情況、使用進度以及施工現(xiàn)場的物料需求，避免物資浪費或供應不足，確保施工過程的順暢進行。施工人員的管理同樣是信息化技術應用的重要組成部分。通過信息化手段，可以實現(xiàn)施工人員的實時定位、考勤管理、工作任務安排等，為施工隊伍的高效協(xié)作提供保障[5]。

信息化技術在隧道施工中的具體應用也涵蓋了多個方面。例如，在隧道開挖階段，可以通過BIM（建筑信息模型）技術建立三維施工模型，對隧道結構進行虛擬仿真，預測施工過程中可能出現(xiàn)的問題，從而采取相應的預防措施。BIM技術還能在施工過程中提供實時數(shù)據(jù)支持，幫助施工人員快速定位問題并進行調整。在隧道內的通風、排水、電力等系統(tǒng)施工中，信息化技術通過建立施工管理平臺，可以對施工進度、資源消耗、人員安全等信息進行實時監(jiān)控和分析。通過集成系統(tǒng)，施工人員可以即時獲取各類參數(shù)，做出快速響應，避免了傳統(tǒng)施工方法中由于信息滯后而造成的施工問題。

4 結語

綜上所述，基于信息化技術的高速公路隧道機械化施工，不僅是對傳統(tǒng)施工模式的革新，更是對未來智慧交通建設的一次重要探索。通過本文的研究，我們深刻認識到信息化技術在提升施工效率、優(yōu)化資源配置、保障作業(yè)安全等方面的巨大潛力。隨著技術的不斷進步與應用的深化，高速公路隧道施工將變得更加智能化、高效化，為建設更加安全、便捷、綠色的交通網(wǎng)絡奠定堅實基礎。

參考文獻：

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[3]向琦.公路隧道施工的安全信息化監(jiān)控技術探究[J].汽車周刊，2024（06）：232-234.

[4]郝勁鑫.隧道襯砌信息化與機械化施工工藝研究[J].交通建設與管理，2023（01）：122-123.

[5]祝鑫.超大跨公路隧道機械化施工不等厚初支方案研究[J].山西建筑，2024，50（24）：149-155.