智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用
截至２０２１年底，我国铁路营业里程达１５.０７万ｋｍ，其中高铁运营里程突破４万ｋｍ，稳居世界第一。中国高速铁路隧道具有规模大、难度大、急需技术革新等特点。因此，在铁路隧道工程的未来发展中，需大幅度革新隧道修建技术，才能够适应新时代高速铁路隧道建设需求。近两年，国家大力推广智能建造技术以突破传统工程中的技术难题，智能建造旨在建造过程中充分利用智能技术和相关技术，从而减少对人的依赖，达到安全建造的目的。目前，智能建造在水利、土木工程、城市道路、渡河工程等领域的探索已初具成效，形成了一定的智能建造理论与方法体系。
洪开荣在《近２年我国隧道及地下工程发展与思考（２０１９～２０２０年）》中指出，应当有目的、有计划地促进“智能建造”“５Ｇ”等先进技术与隧道工程有机融合。智能建造技术在铁路隧道施工中也取得了丰硕成果，其中，智能建造技术主要应用于以下几个方面：（１）新施工技术的应用。如郑万高速铁路湖北段应用的机械化全断面施工超前支护体系设计方法与大断面机械化施工隧道二次衬砌支护。（２）新装备、设备的制造。如广东省长大公路工程有限公司引进的ｓａｎｄｖｉｋ－ＤＴ１１３０ｉ系列全电脑凿岩台车。（３）数字化智能系统的研发。如武汉地铁小洪山段隧道应用的变形智能监测系统。徐剑安通过模块化开发了ＴＢＭ关键参数智能掘进系统技术框架。
中国铁建、中国中铁旗下集团公司在郑万铁路、张吉怀铁路等隧道工程中，对智能建造技术进行了相关探索，应用了电脑智能凿岩台车、涨壳式锚杆等智能新设备，取得了良好效果，攻克了关键技术难题，可为隧道智能建造提供参考。
１ 智能建造项目统计概况
郑万铁路苏家岩隧道、向家湾隧道及张吉怀铁路古丈隧道、吉首隧道，其项目情况概述如下：
（１）郑万铁路苏家岩隧道
郑万铁路湖北段ＺＷＺＱ－６标苏家岩隧道全长５３６５ｍ，设２座施工横洞。全隧分进、出口两个工区。进口担负正洞施工长度２５９５ｍ，出口担负正洞施工长度２７６５ｍ。隧道进口工区长２５９５ｍ。配置全电脑三臂凿岩台车、拱架安装台车、湿喷机械手、衬砌模板台车、整体移动式沟槽模板台车、混凝土蒸汽养护台车、自行式液压仰拱栈桥等大型机械设备。
（２）郑万铁路向家湾隧道
郑万铁路湖北段ＺＷＺＱ－９标向家湾隧道为双线隧道，全长４６６３ｍ。该工点配置全电脑三臂凿岩台车、湿喷机械手、带压注浆二衬台车等大型机械设备。
（３）张吉怀铁路古丈隧道
张吉怀铁路ＺＪＨＺＱ－６标古丈隧道为双线铁路隧道，全长４８８８.２５ｍ。隧道进口无进洞条件，设杜家坡横洞１座，横洞工区长２４５０.３５ｍ。工区配备全电脑三臂凿岩台车和湿喷机械手、衬砌智能养护台车等主要大型机械设备。
（４）张吉怀铁路吉首隧道
吉首隧道位于湖南省湘西州吉首市境内，隧道全长１２１６２ｍ，为单洞双线隧道。项目配备全电脑三臂凿岩台车和湿喷机械手、衬砌智能养护台车等主要大型机械设备。
２ 智能建造技术应用
主要施工工艺包括以下几步：
（１）锚杆组装
ＹＥ锚杆主要由全螺纹中空杆体、螺母、半球形钢制垫圈、拱形垫板、钢制涨壳锚头组成。在锚杆安装前需对锚杆进行组装，使前端的涨壳头与中空杆体连接在一起，保证涨壳头只需套在中空杆体上不脱落即可，结构见图１。
▲图1 YE锚杆组装示意（２）钻孔
采用锚杆台车或凿岩台车钻孔。钻孔时钻杆务必保证与岩面垂直，钻孔深度不得小于设计长度的９５％。根据围岩情况确定锚杆钻孔孔位，孔位允许偏差±１５ｃｍ。
（３）注浆
采用水灰比为１∶０.３８的水泥浆，强度为Ｍ２０，搅拌时间为３ｍｉｎ。注浆压力控制在０.８～１.２ＭＰａ。注浆过程应连续、不停顿，浆液从垫板上的排气孔内溢出浓浆时终止注浆。
２．２ ＤＣＰ锚杆
单根ＤＣＰ锚杆由锚杆体、注浆囊、防腐套管、涨壳锚固件、垫板、螺母组成。单根ＤＣＰ锚杆结构如图２所示。
▲图2 DCP锚杆结构
ＤＣＰ锚杆安装需要额外几个步骤：
（１）涨开涨壳：吹净钻孔孔道后将锚杆插入孔道，到位后用力拉动锚杆体ꎻ随着杆体被拉出，涨壳头充分涨开，使涨壳与岩壁充分咬紧。
（２）孔口找平：在施加预应力前，应进行孔口找平工作。采用早强水泥等材料尽量使锚杆体与垫板垂直，以便实现预应力施加。
（３）施加预应力：安装到位后，调整垫板角度，尽量与基面密贴。使用风动扳手拧紧螺母，对杆体施加预应力。
２．３ 电脑智能凿岩台车
电脑三臂凿岩系列台车是隧道智能建造发展的主要施工机械。目前代表机型有中铁装备的ＤＪ３Ｃ／Ｄ系列凿岩台车和铁建重工的ＺＹＳ１１３系列凿岩台车。电脑智能凿岩台车在原液压式三臂凿岩台车基础上，增加了激光辅助电脑导航、开挖断面电脑布孔和对点功能、工作过程数据实时监控与采集、系统自动检测及故障报警等多种智能化功能。
（１）工法特点
测量、钻眼、装药均可通过全电脑三臂凿岩台车的相关组件完成，施工方便、快捷，可提高工作效率，安全系数明显高于人工风钻开挖。全电脑三臂凿岩台车开挖以电力作为动力，不产生粉尘，清洁无污染、噪音较小。
Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩采用全断面开挖，Ⅴ级围岩在施工过程中根据围岩情况采用加固措施后，可选择全断面法开挖或微台阶法开挖（见图３），双线隧道现场配置２台全电脑三臂凿岩台车。
▲图3 凿岩台车布置
（２）智能化功能
①激光辅助电脑导航
激光导航原理可以理解为沿着激光线走出隧道中心线。首先在隧道内架设激光发射器，测量出激光线在隧道中的空间位置后，根据交点法换算出激光线与每一个分段掌子面的交点坐标及夹角，生成符合半电脑系统格式要求的激光文件并导入ＦＧＳ系统内，进行激光导航。
如图４所示，通常分段间距为１ｍ，ＰＭ分段号一般为距隧道口的米数。
▲图4 激光分段导向示意
②开挖断面电脑布孔和对点功能
全电脑三臂凿岩台车内置自动布孔软件ＤＤＭ，可实现按孔位对点功能，给出相应凿岩、爆破参数，根据布孔图要求，自动反馈调整凿岩参数，并根据预定深度，自动计算凿岩机钻孔深度，保证钻进深度内断面齐平。
③数据采集、交互及传输
全电脑三臂凿岩台车通过实时采集推进速度、回转速度、推进压力、回转压力、冲击压力、水排渣压力等参数，形成记录文档，并实时反馈至终端后得到色相图和曲线图，实现岩石钻孔数据可视化，如图５所示。
▲图5 数据交互
２．４ 隧道机械化拱架安装
拱架安装台车具有在台阶法、全断面法施工时对钢拱架的举升及定位、网片安装、拉筋焊接、打锁脚锚杆、支护导管等功能。三臂结构可满足钢拱架的上拱、上导拱与两侧下导拱的一次性同时安装。拱架安装台车行走装置采用履带式，动力装置采用柴油发动机驱动和电动机驱动的双动力型式；同时配备有８０ｍ的电缆卷盘，便于隧道内采用电源为动力进行移动作业；三个工作臂可以进行带载伸缩作业，配合前方工作平台可以实现对钢拱架安装时的微调定位。主要施工工艺：施工准备→钢架运输→钢架台车就位→安装钢架、钢筋网→安装纵向连接筋→锚杆固定、打锁脚锚杆（管）→检查、验收。
２．５ 隧道智能化衬砌台车
通过对隧道衬砌台车进行进一步改造，在智能化基础上又增加了带模注浆功能。新型智能衬砌台车规格参数见表１。
表1 智能衬砌台车规格参数
新型智能砼衬砌台车在无骨架台车的基础上对结构进行优化改造，具备以下功能及特点：
（１）台车结构优化
采用双门架大跨结构，取消原支撑栈桥，减轻了部分重量，加大了人车通行净空，增大了布料系统操作空间；模板底面垂直支撑采用手摇蜗轮蜗杆式螺旋千斤顶，降低了工人劳动强度；在模板台车中心线位置沿纵向设置一定数量的注浆孔，并安装注浆用固定法兰；在浇筑混凝土前预埋活性粉末注浆管，浇筑混凝土完成后及时进行带模注浆操作（见图６）。相对无骨架模板台车操作更简单。液压系统具备遥控控制、手动控制两种作业模式。
▲图6 衬砌台车带模注浆孔设置
（２）系统功能特点
①在无骨架台车的基础上，增加了智能操控系统显示界面。
②优化刹尖孔结构，采用液压控制替代人工操作。
③采用倒三角胶条与光电测距报警配合，优化了砼搭接端的防顶裂功能。
④自动生成衬砌数据报表，根据相关联数据进行工作分析。
⑤模板拱部采用２４个气动振捣器。气动振捣器相对于传统的附着式振捣器，具有频率高且振动频率可调的特点，避免了与模板台车产生共振。
⑥９～１２ｍ台车设置不少于４个注浆孔，并配套专门的注浆设备和ＲＰＣ注浆管，可具备带模注浆功能，提高拱顶混凝土密实度和强度。
２．６ 隧道衬砌智能养护台车
隧道衬砌智能养护台车能够实现养护区域内温度、湿度智能控制，可显著提高隧道衬砌质量，特别是衬砌混凝土强度、表面致密性。
（１）主要性能及参数
台车尺寸为１３ｍ×１２.１ｍ×８.４ｍ，行走轮中心距为８ｍ，行车道净空为４.５５ｍ，行走速度为１０ｍ／ｍｉｎ。智能温控系统为温度数显、自动控制、可导出温度曲线、生成报表；雾化系统可实现湿度８５％以上，总功率为９０ｋＷ。
（２）系统结构组成
隧道衬砌智能养护台车整体结构设计为门架形式，主要由主结构、外拱、加热系统、密封系统、雾化系统、智能温湿度控制系统等组成（见图７）。
▲图7 隧道衬砌智能养护台车结构组成
①主结构
主结构为整车中心受力部件，由上部支撑结构及走行驱动系统组成。上部支撑结构采用型材焊接，走行驱动系统为养护台车向下一个工作面推进提供行走动力。
②外拱
外拱采用折线形设计，为型材焊接结构，布置于主结构外侧，与主结构上部支撑采用螺栓连接。
③加热系统
加热系统采用定制的防水、耐高温、耐强酸强碱、阻燃隔热保温的工业级电加热装置。在外拱外侧分区域实现加热，并设置独立温度传感器，通过控制器实现智能温度控制。
④密封系统
密封系统设置于外拱前后两端及底部。密封系统的应用使养护区域处于一个相对封闭的空间，为养护台车温湿度控制提供保障。
⑤雾化系统
雾化系统采用５～１０μｍ级雾化喷头、不锈钢高压流体输送管道等实现区域雾化，并通过湿度传感器将数据传送至控制器。
⑥智能温湿度控制系统
智能温湿度控制系统是养护台车的核心部分，由温湿度控制器、传感器和加热加湿部分组成。
（３）蒸汽养护工序流程
施工准备→养护台车行走、就位、固定→养护区域密封→养护温度、湿度设定→养护作业→检查、加水、维护→工作面清理→结束。
３ 结论与展望
张吉怀铁路古丈隧道、郑万铁路湖北段苏家岩隧道，张吉怀铁路吉首隧道、郑万铁路向家湾隧道施工，广泛应用了涨壳式ＹＥ锚杆及ＤＣＰ锚杆，能够配合锚杆台车实现围岩的锚固施工；三臂凿岩台车增加了激光辅助电脑导航系统，可高效完成工程中数据采集、故障报警、及时纠正钻进误差等工作，在辅助布孔、数据采集交互等方面具有明显优势；隧道智能化衬砌台车丰富了带模注浆功能，且具有操作空间大、安装简单、便于遥控作业等优点；隧道智能养护台车实现了养护区域温度、湿度的智能控制，显著提高了隧道衬砌混凝土强度、表面致密性等衬砌质量。
