鐵路隧道智能化建造裝備技術創(chuàng)新與施工協(xié)同管理展望

劉飛香

(1. 中國鐵建重工集團有限公司, 湖南 長沙 410100; 2. 西南交通大學, 四川 成都 610031)

0 引言

我國鐵路隧道施工機械化配套技術的研究始于20世紀80年代,建設衡廣復線大瑤山隧道時首次從國外引進液壓鑿巖臺車、混凝土噴射三聯(lián)機和模板臺車等大型隧道施工設備,此后很長一段時期,受國內勞動力人工成本低廉和機械化施工一次性投入費用高等因素的影響,國內隧道鉆爆法施工機械化水平一度停滯不前[1-2]。

隨著“一帶一路”倡議和“中國制造2025”國家戰(zhàn)略等的實施,中國鐵路總公司提出了“交通強國、鐵路先行”“2020年率先實現(xiàn)鐵路現(xiàn)代化”的行業(yè)奮斗目標。同時,我國鐵路建設主戰(zhàn)場正從東部逐步轉向中西部,復雜地質條件下的長大隧道占比越來越高,修建難度越來越大[3-5]。“工欲善其事,必先利其器”,通過對隧道施工技術和施工裝備的引進、消化、吸收、創(chuàng)新,以及不斷的施工實踐,研制開發(fā)了全系列隧道智能裝備。本文對隧道鉆爆法施工機械化成套裝備的智能化及適應性進行分析,并對智能化隧道施工裝備在鐵路隧道施工中的應用進行總結。

1 鉆爆法隧道智能建造裝備配套及其支撐技術

1.1 智能化建造裝備及其功能

以“圍巖是承載的主體、穩(wěn)定超前核心土、圍巖自防水”的隧道建造理念,圍繞隧道施工作業(yè)線,充分總結施工工法與經驗,融合機、電、液、光一體化、數(shù)字化、智能化等技術,打造鉆爆法隧道關鍵工序智能裝備體系,涵蓋了超前作業(yè)、開挖、出碴、初期支護、二次襯砌、溝槽施作、襯砌檢測和洞碴處理等工序的隧道裝備。鉆爆法隧道施工的主要裝備及智能化功能見表1。

表1 鉆爆法隧道施工的主要裝備及智能化功能Table 1 Main equipment and intelligentized functions for drilling and blasting tunnel construction

表1 (續(xù))

1.2 鉆爆法隧道智能建造裝備支撐技術

鉆爆法隧道智能建造裝備是在機械化配套的基礎上,通過集成運動和環(huán)境感知、3D激光掃描與定位、信號采集、處理與傳輸及機器人運動與動力學控制等技術[7-8]為基礎構成的支撐技術系統(tǒng)——“圍巖參數(shù)識別與處理系統(tǒng)、三維空間定位與量測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)、智能控制決策系統(tǒng)”。智能建造裝備支撐技術系統(tǒng)是相互耦合、相互協(xié)同和互為反饋的閉環(huán)系統(tǒng),是構建隧道智能裝備體系的靈魂,也是智能裝備的大腦和五官,更是實現(xiàn)隧道全生命周期智能化的前提和關鍵。

1.2.1 圍巖參數(shù)判識與處理系統(tǒng)

通過智能鑿巖臺車隨鉆參數(shù)采集與分析系統(tǒng)(MWD)自動采集圍巖數(shù)據(jù),利用鉆孔分析法和圖像分析法(如圖1所示)自動輸出圍巖亞分級結果,自動判識掌子面前方圍巖地質及穩(wěn)定性,并自動實現(xiàn)設計參數(shù)優(yōu)化。

圖1 鉆孔分析法和圖像分析法Fig. 1 Drilling analysis and image analysis

1.2.2 三維空間定位與量測系統(tǒng)

三維空間定位與量測系統(tǒng)(如圖2所示)是指利用隧道BIM三維坐標基準,通過激光掃描定位、空間坐標變換和實時位姿測控系統(tǒng)等技術,構建隧道智能裝備的空間定位、工程量測、目標路徑規(guī)劃和機器人控制等智能裝備自身功能需求的系統(tǒng)。可以實現(xiàn)隧道智能裝備的精準定位、精準操作、遠程控制和工作量計算,如鑿巖臺車鉆孔和錨桿作業(yè),混凝土自動噴射、自動找平和方量計算等,超欠挖、錨桿、拱架、噴射混凝土、防水板、襯砌混凝土、養(yǎng)護等隧道構筑物的精準量測和數(shù)字化檔案建立。

圖2 三維空間定位與量測系統(tǒng)Fig. 2 Three-dimensional spatial positioning and measurement system

1.2.3 大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)

大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)(見圖3)是通過隧道智能裝備自身具備的全通道、多物理量數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng),集中監(jiān)測、采集和反饋施工過程、施工狀態(tài)、圍巖參數(shù)、環(huán)境感知等數(shù)據(jù),并將數(shù)據(jù)應用到隧道智能裝備體系本身,并通過后臺大數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)處理后,實時應用到工程建設單位、設計院和施工單位的信息化管理系統(tǒng)。

圖3 大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)Fig. 3 Big data processing and sharing system

1.2.4 智能控制決策系統(tǒng)

在隧道智能裝備體系中,充分應用智能控制技術,實現(xiàn)隧道智能裝備施工環(huán)境自感知、目標導向定位自執(zhí)行、施工狀態(tài)與反饋自學習、施工效果自評估、施工組織自決策、施工過程自管理,打造更實用、更智能、更經濟、全系列的鐵路隧道智能裝備。

1)智能判識。智能型鑿巖臺車以鉆進參數(shù)為輸入層,通過智能學習規(guī)則實現(xiàn)樣本數(shù)據(jù)對訓練和系統(tǒng)模型參數(shù)辨識,結合地質圖像樣本庫進行比對,形成圍巖智能判識與分級方法 (如圖4和圖5所示),并不斷自主學習與完善。

圖4 圍巖智能分級BP神經網(wǎng)絡模型Fig. 4 BP neural network model for surrounding rock intelligent classification

圖5 掌子面智能分級BP神經網(wǎng)絡模型Fig. 5 BP neural network model for excavation face intelligent classification

2)智能感知與運動規(guī)劃。隧道智能裝備能實時感知施工過程、施工狀態(tài)和施工環(huán)境,結合目標約束條件下的大數(shù)據(jù)處理,實現(xiàn)智能規(guī)劃目標路徑與軌跡。比如,實現(xiàn)復雜隧道環(huán)境的裝備無人駕駛、智能型濕噴臺車自動平整化噴射、智能型拱架臺車拼接軌跡規(guī)劃、智能型鑿巖臺車多臂架姿態(tài)防干涉等。

3)自主決策與動態(tài)優(yōu)化設計。隧道智能裝備利用人工智能學習方法,結合數(shù)據(jù)挖掘和專家系統(tǒng),實現(xiàn)隧道建造過程由人工經驗決策向計算機自主決策和大數(shù)據(jù)交互處理系統(tǒng)動態(tài)優(yōu)化設計轉變。

2 鉆爆法隧道智能建造裝備施工對比

在隧道施工領域,隧道智能機械化施工不僅能提升作業(yè)工效、提高安全系數(shù)、改善作業(yè)環(huán)境、降低作業(yè)強度,還能保證工程質量,有效節(jié)約資源。智能機械化配套正逐步取代傳統(tǒng)、粗放的“人海戰(zhàn)術”[9]。

2.1 鑿巖臺車

相比傳統(tǒng)手持風鉆施工,鑿巖臺車施工具有自動化程度高、工作效率高、勞動強度低、安全環(huán)保等優(yōu)點,并能提高施工質量和效益[10]。智能化鑿巖臺車不僅可進行MWD地質分析,還可通過獲取隧道鉆爆設計參數(shù),開展臺車智能定位、鉆爆孔定位、鉆孔、輪廓掃描等作業(yè),并利用隧道內的通訊網(wǎng)絡,實現(xiàn)隧道鉆進日志、掃描日志自動上傳。圖6示出ZYS113全智能鑿巖臺車施工現(xiàn)場。

圖6 ZYS113全智能鑿巖臺車施工現(xiàn)場Fig. 6 ZYS113 intelligent drilling jumbo

ZYS113全智能鑿巖臺車具有較強的鉆孔能力,可輕松鉆進超前探孔和注漿孔等各種深長孔。經測算,在Ⅱ級圍巖條件下鉆進1個25 m深的孔僅需15 min。

ZYS113全智能鑿巖臺車與傳統(tǒng)手持風鉆施工的工效對比如表2所示。

2.2 智能化注漿裝備

智能化注漿裝備通過高壓注漿泵將漿液注入巖層,完成隧道圍巖的止水和加固。ZJS410智能化注漿裝備(如圖7所示)具有“自動化、可視化、信息化”的特征,該設備既具備注漿施工過程的自感知、自決策、自執(zhí)行功能,也使注漿過程、注漿結果可視化,同時還實現(xiàn)了數(shù)據(jù)自動采集、存儲、傳輸、分析、交互等大數(shù)據(jù)信息化管理。

表2 ZYS113全智能鑿巖臺車與傳統(tǒng)手持風鉆施工工效對比Table 2 Efficiency comparison between ZYS113 intelligent drilling jumbo and traditional pneumatic drill

圖7 ZJS410智能化注漿裝備Fig. 7 ZJS410 grouting equipment

在某巖層為砂礫地層的隧道施工中,應用ZJS410智能化注漿裝備通過高壓注漿進行開挖前地層加固,可有效防止開挖時周邊地層坍塌,同時通過注漿進行止水。

注漿實施方案如圖8所示。采用?110 mm套管鉆進,鉆孔深度8 m,成孔后放?50 mm花鋼管,鋼管底部2 m以下部分按照間距30～50 mm布置出漿孔。采取純壓式全孔一次性注漿方式,鋼管與孔壁間孔口段采用水泥漿加速凝劑快速封閉,封堵深度加深3 m左右。管口采用高壓灌漿塞封孔灌漿,注漿壓力0.7～2 MPa,最大劈裂壓力不超過4 MPa,注漿材料為普通硅酸鹽水泥。

圖8 注漿實施方案示意圖Fig. 8 Schematic diagram of grouting scheme

注漿結束后,通過爆破后的巖層斷面觀察水泥固結的紋路。結果表明,固結效果良好,周邊無滲漏。

2.3 智能錨桿臺車

MT55智能錨桿臺車通過獲取隧道錨桿設計參數(shù),開展臺車智能定位、鉆孔、錨桿安裝、注漿、鎖螺母、施加預應力等作業(yè),并利用隧道內通訊網(wǎng)絡,實現(xiàn)隧道錨桿日志(包括鉆孔數(shù)量、鉆孔深度、鉆孔時長、錨桿數(shù)量、錨桿長度、鉆進參數(shù)、安裝參數(shù)、注漿參數(shù)等)自動上傳。MT55智能錨桿臺車已在鄭萬高鐵楊家坪隧道、杏橋坪隧道、五盤山隧道等多個隧道內進行了施工應用。圖9所示為人工錨桿和MT55錨桿臺車在隧洞內的施工現(xiàn)場,對應的單個開挖循環(huán)錨桿施工對比見表3。

圖9 人工錨桿施工與MT55錨桿臺車施工Fig. 9 Artificial anchor construction and MT55 bolting trolley construction

2.4 多功能作業(yè)臺車

多功能作業(yè)臺車不僅適用于鋼拱架安裝,同時還可用于錨桿錨網(wǎng)安裝、輔助撬毛、通風管安裝、炸藥裝填等隧道高空作業(yè)。通過獲取隧道鋼架設計參數(shù),開展臺車智能定位、輪廓掃描、鋼架布設、鋼架抓取與定位等作業(yè),完成隧道鋼架安裝日志(包括安裝位置、榀數(shù)、節(jié)數(shù)、作業(yè)時間等)、掃描日志自動上傳。圖10和圖11分別為人工和多功能作業(yè)臺車在鄭萬高鐵ZWZQ-5標高家坪隧洞內的立拱作業(yè)圖,工效對比見表4。

表3 單個開挖循環(huán)錨桿施工對比Table 3 Construction comparison for single excavation cycle anchor

圖10 人工安裝鋼拱架 Fig. 10 Manual installation of steel arches

圖11 多功能作業(yè)臺車安裝鋼拱架Fig. 11 Steel arches installation by multifunctional jumbo

表4 隧道多功能作業(yè)臺車立拱作業(yè)與人工立拱作業(yè)工效對比Table 4 Efficiency comparison between multifunctional jumbo and artificial operation

2.5 混凝土噴射臺車

混凝土噴射臺車(如圖12所示)通過獲取隧道噴混凝土設計參數(shù),開展臺車智能定位、輪廓掃描、噴射混凝土等作業(yè),并利用隧道內通訊網(wǎng)絡,實現(xiàn)隧道濕噴日志(包括泵送方量、速凝劑百分比、理論總噴射方量、實際總噴射方量、耗時等)、掃描日志自動上傳。

圖12 HPS3016S濕噴臺車及其施工效果Fig. 12 HPS3016S wet spraying trolley and its construction effect

HPS3016S混凝土噴射臺車的適應性較好,在鄭萬高鐵隧道施工中取得了良好的效果。以杏橋坪隧道為例,隧道范圍內巖體節(jié)理裂隙發(fā)育,巖層積壓嚴重,最大噴射量達30 m3/h,噴射一車8 m3混凝土僅需20 min,極大地提高了支護施工效率。

經推算,混凝土噴射臺車作業(yè)與之前人工作業(yè)的工效對比見表5。

表5 混凝土噴射臺車作業(yè)與之前人工作業(yè)的工效對比Table 5 Efficiency comparison between concrete spouting trolley and traditional manual operation

2.6 數(shù)字化襯砌臺車

新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺車(如圖13所示),具有雙澆筑、帶壓入模、高頻振搗、軟搭接以及信息集成傳輸系統(tǒng)和數(shù)字化控制功能,可解決傳統(tǒng)襯砌臺車在隧道襯砌施工中存在的跑模、振搗強度大、搭接部易損壞等問題,以及減少襯砌空洞、裂縫、掉塊等病害[11]。

圖13 數(shù)字化襯砌臺車Fig. 13 Digital lining trolley

新型帶壓澆筑隧道數(shù)字化襯砌臺車已在湖北羅家山隧道進行初次使用,取得了良好的施工效果。雙澆筑系統(tǒng)將混凝土澆筑時間由12 h縮短至8 h,高頻振搗使混凝土充分搗固,氣泡數(shù)量明顯減少,有效地解決了襯砌質量問題,降低了人員勞動強度。同時,信息集成傳輸系統(tǒng)的應用在一定程度上實現(xiàn)了襯砌施工的機械化、信息化和智能化。

3 施工協(xié)同組織管理展望

針對目前鉆爆法施工機械化、信息化、智能化水平相對較低的現(xiàn)狀,結合隧道施工作業(yè)線,機械化配套的設備和工裝有利于實現(xiàn)隧道施工的信息化、智能化建造,設備涵蓋了超前作業(yè)、開挖、初期支護及二次襯砌等施工工序。隧道關鍵工序機械化施工如圖14所示。

為了更好地對隧道施工全生命周期進行管理,結合新奧法、新意法、挪威法對隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺進行研究。隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺總體框架如圖15所示。研究了隧道智能建造數(shù)據(jù)流的交互模式,制定了數(shù)據(jù)在裝備與裝備、裝備與環(huán)境、裝備與圍巖之間的交互與銜接流程,為服務隧道施工全生命周期管控提供技術保障。

圖14 隧道關鍵工序機械化施工Fig. 14 Mechanized construction for key processes in tunnel

圖15 隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺總體框架Fig. 15 Overall framework of cooperative management platform for tunnel intelligent construction equipment

隧道智能裝備的信息流主要在5個節(jié)點和2個方向間傳輸,如圖16所示。5個節(jié)點是指設計院、建設單位隧道智能建造協(xié)同管理平臺、施工單位、隧道智能裝備大數(shù)據(jù)交互系統(tǒng)和智能裝備終端。2個方向是指隧道智能裝備采集、監(jiān)測并處理后的信息實時輸出反饋給業(yè)主(或設計院、施工單位),業(yè)主(或設計院、施工單位)的設計數(shù)據(jù)、施工指令實時輸入給隧道智能裝備終端。數(shù)據(jù)流是通過5個節(jié)點的數(shù)據(jù)交互來實現(xiàn)2個方向的數(shù)據(jù)傳遞。

圖16 隧道智能裝備信息流的輸入與輸出Fig. 16 Input and output of information flow for tunnel intelligent equipment

3.1 基于協(xié)同管理平臺的裝備機群數(shù)據(jù)交互共享

應用包括云計算在內的新一代技術,通過覆蓋隧道全程并連接地面“隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺”的互聯(lián)網(wǎng)絡,實現(xiàn)施工裝備機群之間,施工裝備機群、特殊裝備(激光掃描儀、鉆機攝像頭等)與協(xié)同管理平臺(如圖17所示)之間信息數(shù)據(jù)流與數(shù)據(jù)處理的無縫集成[12]。設備間采用多對多通訊模式實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互,即同一施工設備既能作為數(shù)據(jù)發(fā)送端,又能作為數(shù)據(jù)接收端,并能識別網(wǎng)絡故障和實現(xiàn)預警功能。如: 鑿巖臺車將施工里程信息共享給其他臺車,以此確定其工作區(qū)段;注漿臺車依據(jù)鑿巖臺車發(fā)送鉆孔日志中的圍巖信息,自動規(guī)劃注漿策略等。

圖17 機群協(xié)同管理作業(yè)平臺Fig. 17 Cluster collaborative management platform

3.2 施工裝備智能化維護保養(yǎng)與健康管理

機器人化施工裝備維護保養(yǎng)智能化,運用施工裝備狀態(tài)監(jiān)測與健康管理技術,根據(jù)施工裝備的車載狀態(tài)監(jiān)測儀器采集系統(tǒng)運行狀態(tài)信息(在線油液、振動、電流頻譜等),并將采集數(shù)據(jù)通過互聯(lián)網(wǎng)反饋至隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺,通過互聯(lián)網(wǎng)+隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺,將施工裝備狀態(tài)監(jiān)測儀器及技術、管理、維修人員等納入統(tǒng)一的協(xié)同管理平臺,構建狀態(tài)監(jiān)測與故障診斷知識庫,逐步實現(xiàn)隧道施工裝備的智能化維護與保養(yǎng),為鉆爆法隧道施工裝備的維護保養(yǎng)與健康管理提供科學管理。

3.3 環(huán)境狀態(tài)反饋

施工過程中對環(huán)境狀態(tài)進行實時監(jiān)控,包括圍繞隧道施工的人、機、料、法、環(huán)等相關信息,實時監(jiān)測施工活動對圍巖及已成型隧道產生的地層擾動,如拱頂沉降、圍巖收斂、圍巖壓力、初期支護拱架壓力、掌子面擠出變形、地層位移、錨桿軸力、初期支護噴混凝土內力、初期支護和二次襯砌接觸壓力、二次襯砌內力、二次襯砌拱頂注漿壓力、拱頂混凝土澆筑溫度等信息[13-16],并將監(jiān)測信息反饋給隧道信息智能集中管理平臺; 管理平臺對所反饋的環(huán)境狀態(tài)信息進行存儲記錄和分析處理,為進行安全、經濟、高效的施工管理和運營階段隧道保養(yǎng)維護提供科學依據(jù)。

3.4 施工組織調度與工程管理

利用傳感技術與監(jiān)控技術,對隧道內的人、機、料、法、環(huán)的狀態(tài)信息向隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺進行實時反饋,各隧道施工裝備均在隧道智能建造裝備協(xié)同管理平臺上進行規(guī)劃和文件管理。同時,機器人化施工裝備機群、攝像系統(tǒng)、激光和導航設備均可從單一平臺入口進行有效管理,施工人員可在遠處辦公地區(qū)對施工組織進行有效的管理與技術支持,輔助操控人員實現(xiàn)各種資源的合理調配和安全管理。

4 結論與展望

隨著國內隧道施工技術的不斷進步,機械化配套必然會成為隧道鉆爆法施工的主流。系列隧道智能化施工裝備在鐵路隧道施工中經受了惡劣環(huán)境的考驗,得到了廣泛的應用,將推動隧道裝備行業(yè)向信息化、數(shù)字化及智能化方向發(fā)展。

1)通過參與鄭萬高鐵大型機械化施工配套實踐,結合目前施工實際,融入智能化綠色施工理念,打造了鉆爆法隧道關鍵工序智能裝備產品體系,涵蓋了超前作業(yè)、開挖、出碴、初期支護、二次襯砌、溝槽施作、襯砌檢測和洞碴處理等工序的系列化隧道裝備。

2)結合新奧法、新意法、挪威法等工法的優(yōu)勢,深入研究和發(fā)展了以4大技術為支撐的鉆爆法隧道智能建造裝備技術體系,即: 圍巖參數(shù)識別與處理系統(tǒng)、三維空間定位與量測系統(tǒng)、大數(shù)據(jù)處理與共享系統(tǒng)、智能控制決策系統(tǒng),并通過大數(shù)據(jù)、云計算等技術進一步完善隧道施工裝備的智能化功能。

3)通過對隧道智能建造數(shù)據(jù)流交互模式的研究,制定了數(shù)據(jù)在裝備與裝備、裝備與環(huán)境、裝備與圍巖之間的交互與銜接流程,為服務于隧道施工全生命周期管控提供技術保障。

未來,物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、人工智能等技術將進一步融合,結合圍巖智能判識、智能設計、智能裝備、智能施工、智能監(jiān)測及質量管控、智能協(xié)同管理平臺等隧道智能化建造技術的深入研究和工程應用,隧道智能建造愿景定將全面實現(xiàn)。