高速公路隧道機械化施工技術探討

官鵬

（廣中江高速公路項目管理處 廣東江門 529000）

0 引言

隨著基礎建設熱潮到來，工程規模將越來越大，技術難度也越來越高。以隧道施工為例，面對如何提升作業工效、提高安全系數、改善作業環境、降低作業強度，保證工程質量，有效節約資源這些施工中的重點和難點，傳統、粗放的“人海戰術”已然無法應對，而隧道機械化施工能有效的解決，并已經成為新形式下隧道施工的主流。

近年來，隧道工程建設取得質的發展，主要體現在兩個方面：①施工方法的發展。得益于巖土、巖石力學等學科研究的進步，隧道工程建設施工工藝革新迅速，在充分梳理、分析相關工程實踐經驗及效果的基礎上，提出了適用于現代公路隧道施工的新奧法、挪威法和淺埋暗挖法等先進的施工方法，并在山嶺隧道施工中廣泛應用、效果良好，極大的提升了隧道施工安全保障水平和施工效率。②施工設備的發展。推廣先進的施工工藝必須以配套相應的設備為前提和保障，因此在施工方法發展的同時，隧道施工機械設備也在同步革新和提高，利用最新技術研發的TBM掘進機、鑿巖臺車和盾構機適用于不同地質條件巖層，不僅提高了作業作效率，而且質量可靠、安全有保障；通過研發全液壓鉆孔臺車、液壓襯砌臺車和一些大型裝載機械，極大的提高了掘進速度和施工效率；通過利用新型爆破設備，不僅更好的控制爆破效率和范圍，而且大幅提升了施工安全性，同時改善了施工作業環境。

綜上，隧道機械化施工具有以下優勢：①提高施工作業效率，加快施工進度，降低施工成本；②適應大斷面、復雜地質條件等工程技術要求，保障工程質量，提高施工作業安全性，改善施工環境；③節約施工組織設計中的勞動力需求，解放勞動生產力，優化社會資源配置。

目前，國內隧道機械化施工已經形成了多種機械化施工成套技術和設備配套模式，滿足超前地質預報、鉆爆開挖、噴錨支護、仰拱、防排水、二次襯砌、排水溝電纜溝、空洞檢測作業等機械化連續施工。

隨著新基建時代的到來，在平安百年品質工程、綠色公路等行業建設要求下，公路隧道建設面臨著斷面更大、地質條件更復雜、工程質量要求更嚴格、施工安全與環保要求更高等特點，隧道工程機械化施工既是滿足工程進度、質量、安全需要的現實要求，也是符合時代發展趨勢的必然技術選擇。

此外，隨著大數據、物聯網、移動互聯網等數字技術的發展，隧道機械化施工與數字化管理也逐步有機結合起來。本文通過對公路隧道機械化施工設備配置及數字化管理進行研究，進一步豐富隧道機械化施工內涵，保證施工的安全、質量、工期和效益，并為新裝備、新工藝的研究和應用提供理論參考和建議，進而提升隧道施工技術水平。

1 隧道機械化施工

1.1 機械化施工工法

施工設備選配時，應滿足設備安全性、生產力要強、穩定性要高的技術要求。隧道機械化施工工法包括用機械鉆孔代替人工鉆孔，用叉車作業代替人工立架，用二氧化碳爆破代替炸藥爆破，用噴膜防水代替傳統防水等，極大的提高了施工效率，改善了作業環境，降低了施工風險，提高了工程質量。

1.1.1 挖改鉆代替人工鉆孔

采用挖改鉆機進行鉆孔作業，該鉆機高頻沖擊配合超高沖擊能大大提高了鉆進速度，在開挖作業時僅需兩臺“挖改鉆機”同時作業就可超過傳統20人同時開鉆的作業速度，使用該鉆機可有效減少掌子面的作業人數，降低傷亡風險，提高工作效率。

圖1 挖改鉆機

1.1.2 叉車替代臺車作業

引進叉車進行裝藥、立架、掛網作業。該叉車具備良好的越野能力，性能穩定，操作性好，相較于傳統的臺架作業方法，曼尼通叉車能有效減小作業占用空間，減少作業人員數量，在輔助隧道施工方面具有明顯優勢。

圖2 叉車

1.1.3 二氧化碳爆破

在公路隧道施工中引入二氧化碳爆破。該方法利用液態二氧化碳吸熱膨脹壓力迅速增大的原理對圍巖致裂，避免了傳統化學炸藥爆破時震動大、危險性高、產生大量有害氣體的缺點，具有安全環保經濟快速的特點，能起到保護圍巖、改善施工環境的作用。

圖3 二氧化碳爆破

1.1.4 噴膜防水替代傳統防水板

公路隧道滲漏水是隧道工程的質量通病之一，隧道的復合式襯砌防水大多采用防水卷材，但效果并不樂觀。近年來部公路院、西南交大、山東大學一些學者對隧道噴膜防水技術進行研究和工程應用。

強粘合性隧道噴膜防水技術采用合成膠乳作為噴涂成型膠膜主材，熱塑型橡膠改性乳化瀝青作為輔材，通過噴涂工藝在表面瞬間凝結，實現對異型結構的全無縫整體防水。該技術噴涂膜厚度1～4mm，一次成膜，省時、省力、高效，并保持膠膜良好的均勻性、現場適應性強，基層條件要求寬泛，施工條件不苛刻，適合各種異型基面。

該技術在實際應用過程中，會遇到冬季施工的問題，由于材料配方中含有乳化瀝青，因此，當施工環境溫度低于5℃以下時就不能進行施工，為了克服冬季施工的問題，需要嘗試采用部分冰點較低的物質作為溶劑，這將在以后的后續研發過程中進行深入研究。

圖4 噴膜施工

1.1.5 分離式二襯臺車施工

采用分離式二襯臺車進行機械化施工，優化了施工工藝，確保了施工質量，增加了安全系數。應用分離式二襯臺車，如圖5所示。采用增設附著振搗器-排氣孔的工藝，確保二次襯砌混凝土澆筑密實，防止二襯脫空，如圖6所示。采用二襯噴霧養生工藝，確保混凝土質量，同時改進了隧道二襯混凝土養護噴霧臺車。

圖5 分離式二襯臺車

圖6 二襯防脫空工藝（增設附著振搗器-排氣孔）

1.2 數字化施工管理模式

數字化施工管理的合理性及有效性是機械化施工的安全、質量、效率的有力保證。充分依托互聯網+、物聯網、大數據、BIM等技術打造數字化隧道施工平臺，完善機電系統（包括監控系統、火災報警與消防系統、通風排煙系統等）保障隧道運營安全，實現數字化隧道施工管理模式。

1.2.1 隧道進洞“ETC”管理

人員進洞采用地鐵進站式管理，該門禁監控系統會在人員刷卡的同時進行人臉識別拍照存儲該條進洞信息，最后以圖文結合的方式反應人員進出信息，實現無紙化登記。采用高速公路ETC模式對進出洞車輛進行登記管理，提高管理效率。

1.2.2 隧道視頻監控

通過建立隧道監控視頻系統，實現施工管理管空間全面覆蓋、時間全部天候、既分門別類、又有所側重。視頻監控系統可隨時動態掌握隧道掌子面作業人數、作業時間、通風量、氧氣含量及CO等有害氣體分布等關鍵信息。信息化管理上建立基于物聯網系統的施工設備機具協同遠程調度系統。施工作業各要素高度集成、遠程控制、協同配合、提高工效、節約能源。

圖7 隧道信息全數字化顯示

1.2.3 人員定位系統

通過BIM技術的運用，實現了人員、設備實時精準定位，在緊急情況發生時準確掌握人員設備位置和數量。

圖8 隧道人員定位系統

1.2.4 洞內設備遠程控制平臺

隧道視頻監控不僅能實現監控功能，還能實現遠程控制。通過洞內設備遠程控制平臺，實現了隧道空壓機、軸流風機、射流風機等大型設備的遠程無線控制。

2 結論

通過機械化施工和數字化管理不僅確保施工作業質量，而且大幅提高了施工作業效率，加快了施工進度，同時有效保障了施工的安全性，并顯著改善了隧道內施工作業環境條件，保護現場作業人員身心健康。