雷广军
甘肃公航旅路业有限公司 730030
摘要:伴随着公路隧道建设需求和工程量的迅速增加，对施工效率、安全、质量等方面的控制要求也越来越高。推动隧道施工机械化、现代化，实现隧道施工的机械化、智能化，是一个迫切的问题。提出了一套机械化、支持式隧道全过程智能控制技术，可减少人工投入，提高效率，为类似工程提供参考。
关键词:隧道;机械化配套;智能管控
在2015年，国务院发布了《中国制造业2025规划纲要》，提出了实现隧道建设智能化、机械化的目标。随着我国隧道工程建设的主旋律从东部逐渐向中西部转移，在高风险地质条件下的大型暗挖隧道越来越难以施工。由于隧道施工设备与工艺的要求越来越不一致，特别是现有尖端技术与设备的可靠性低、技术发展缓慢、智能化程度低，无法满足高风险地质隧道的施工，因此隧道智能化、机械化建设势在必行。
1工程概述
西寨隧道位于甘肃省定西市岷县西寨镇冷地村与关上村之间，隧道右线总长1841m,左线总长1783m，最大埋深约299.09m，属双洞岩质长隧道。隧道围岩主要由三叠统砂质板岩夹薄层含炭板岩、炭质板岩组成，洞身段岩体以中-厚层状砂质板岩与含炭粉砂质板岩为主，围岩类别为Ⅳ、Ⅴ级。西寨隧道存在特殊的软岩大变形、收敛变形大等地质风险，地质条件复杂，施工风险大。
2机械化配套
2.1开挖
本工程采用隧道悬臂式掘进机代替人工进行YT28钻机的凿岩工作。开挖断面形状易于控制，超欠挖量小，节约混凝土用量；无需爆破，对围岩扰动量小，对围岩破坏小，安全性显著提高：减少施工人员数量，降低人工成本，降低事故发生率。
2.2初支
(1)用多榀拱架整体式安装台车代替传统的隧道内人工拼装。经现场检测，该工程所采用的弧形拼装式智能多拱整体拼装小车，一次可拼装2~3个弧形框架、网架和纵联构件。顶板单元采用一体化设计，具有高安全性和1.5小时的运行时间。可将固定的缝纫机安装在左右臂上，拱形结构和钢丝网可加工成一套完整的钢筋加工成套设备，在现场安装即可完成。雇员可在相对安全的地方安装遥控装置，使雇员能够在短时间内接近危险区域，把拱架和钢网连接起来，也可防止熔渣砸落，防止落石和人员受伤。
(2)用自动喷射机械手取代传统人工潮喷。采用该技术的第一层为水射流混凝土喷射作业，具有远程控制、自动喷射、自动计算喷射次数等功能，而传统的水射流方法只需12~13人，而自动化水射流机械手只需2~3人，大大降低了人力。湿喷每小时最大喷水量30m3，效率一般3~5倍，水平旋转角360°，垂直旋转角240°，施工人员可以在相对安全的位置进行遥控操作，不会暴露出危险区，大大提高了施工现场的安全性。低尘量、良好的工作面空气品质，有效改善了工作环境，有利于职业安全卫生，结果表明:湿喷初速高，混凝土的粘结性好，能保证混凝土的平整和致密性，能大大减少回弹，减少损失，降低初期推广费用。
2.3仰拱铺底
(1)采用自行式仰拱栈桥取代自制栈桥。传统的仰拱式栈桥一般都是用自制材料加工而成，加工长度有限，只能用来施工。因为采用上下两层车架容易造成高度差，车辆会掉头。为了实现跨距快速架设和固定，实现倒弧移的支护要求，以及独特的倒弧移浇注技术，保证施工质量，实现仰弧与跨径转换无干扰，提高施工经济效益，加快隧道衬砌合龙，在试验中选择了自推式倒弧移浇注方案。
(2)采用整体式中央水沟模板取代组合小钢模。传统的中心沟道大多采用钢模或木模板，而人工关模浇注的转向板机加工不到位，线形不顺，关模时间长，效率低。本工程就是在这样的背景下，对中心沟模板进行整体施工、生产加工，达到整体拼装、快速浇筑的目的，保证模板质量。使用本机，可迅速安装模板，1-2人即可完成模板组装，中心沟整体浇注可迅速进行，保证了施工质量，提高了效率。
(3)采用自动摊铺整平机替代人工摊铺。在地面及地轨施工水平较低时，可采用自动铺装整平机进行铺装。该机可根据浇注料的宽度调整宽度，并采用半宽浇注工艺，保证其他工序不受影响。
(4)采用自行式中央水沟盖板及安装台车洞内预制安装。本项目设计、加工了一套中心沟槽保护及移动小车，增加了运行电机，实现了运行自动化，增加了推车举升设备，达到了边走边举升的效果，可解决现浇、运输、安装等问题，保证施工质量，达到快速浇注效果。
2.4二衬
(1)采用智能化防水板挂布台车
对挂布台车改造后，在系统周围增加了提升系统和外围控制系统，使吊车防水板的自动安装成为可能，大大提高了吊车的质量和效率。二次复装快速组装定位，保证了加固件的安装质量，实现了一车二用，实现了防水板的自动升降，并能提高铺挂设计的效率，控制小车的留钢量，保证钢结构的安装质量与效率。经过改造，提高了施工的安全性和工作效率，采用自动起重装置，改变了传统的人工起重方式，只需1-2人，6米宽的防水板就可满足要求，并减少了接缝，实现了自动分散安装，确保了防水板的铺设质量;加固后的钢筋也可保证抗剪、装配质量。
(2)采用智能化浇筑二衬台车取代传统二衬台车
智能衬砌台车是将模板、洞口、行走、辅助装置、支杆、双浇系统、高频振动系统、输送机控制、液压系统、控制系统等有机结合在一起的一种新型智能化隧道施工设备。采用智能浇注车，压力、自动振动、温度监控均可自动分窗均匀分布，检测出空洞、溢流模，并可设置光学聚合物连接模板，精确固定预埋挡板，彻底解决了普通接缝板与纵筋之间的漏料及安装问题，提高了二次布的安装效率。
(3)采用自行式电缆沟作业台车。
通过采用液压控制，可实现电缆沟整体浇注，快速拆模，确保施工质量，提高施工效率。
3智能化配套系统
智能辅助系统通过数据采集、分析与应用，实现了先进系统的集成应用、工艺优化、工艺时间管理、施工过程节能控制等多种手段，实现了隧道配套设施的智能化。
3.1研发智能化变频空压机及配套远程控制系统
空压机是一种高性能的隧道施工设备，它的正常稳定运行对隧道施工有很大的影响，是耗能最大的设备，空压机控制采用工控网式管理，现场不需人工操作。可以操作和查看远程管理平台上的系统控制和系统状态。与此同时，能精确控制各空压机耗电量充足、必要时的耗电量，使之合理输送，避免无效耗电量，达到节能效果。
3.2风机智能联动系统
持续、高效的风机可降低隧道内粉尘和有毒有害气体的浓度，保障作业人员的身体健康。风机控制系统采用工控系统的互联网管理方式，现场不需人工操作。其设备控制和设备状态可在远程管理平台上进行操作和查看;同时，它还可连接隧道内的有毒有害气体监测系统，该系统可对隧道内的气体、一氧化碳、硫化氢等进行实时监测，并可实时控制风机的风速和风量。当气体浓度达到临界值时，气体的供给应该增加。若隧道内无人看管，应适当减少通风量，以保证施工人员的健康和安全，降低能耗，节约成本。
3.3智能视频监控系统
隧洞工位系统，实时显示隧洞工位，尤其是在危险区域，防止未经许可人员进入，对不能及时离开隧洞的人员，定位站设在隧洞工位的隧洞工位，如隧洞前、二档、道口等，负责在隧洞工位设置集中工位。关注的焦点是监控输入输出等情况，同时又可以控制单个焦点区域。在人口数达到最大阈值后，立即启动报警机制，迅速撤离部分空闲人员，以保证现场施工人员的安全。
3.4三维激光扫描系统
在隧道工程施工中，经常遇到掘进限距、二衬厚度限制、二护厚度不足、护层后空、不严密等问题，常采用二维激光横断面仪进行探测，而地质雷达等探测手段一般都采用大测距或经检测仍有漏检的方式。为解决这一难题，本课题采用三维激光扫描的方法实现了全息成像和地质探测。综合、快速、自动的检测方法，有利于在质量控制中提前、不出错，保证质量差错得到及时、有效的消除，能满足后续检测工作的需要，为整个施工过程提供实时的质量监测信息。
3.5智慧隧道智能管理平台
通过对宁会隧道工程的研究，建立了一套基于三维可视化隧道模型的隧道智能管理平台。主要研究的内容包括人工智能、图像识别、物联网、大数据等智能技术的设计、构建和应用。结合BIM设计模型和标准支撑数据库，进行智能技术、智能数据采集和智能分析、节能控制、智能组织设计、远程控制等技术的有机结合，建设智能化隧道管理平台，实现施工、运营、维修一体化，成为智能化隧道建设的主要载体。采用Excel离线填写，小程序在线填写两种方式进行数据采集，包括服装品种、员工数、设备数、炸药用量、时间节点等，通过计算整理后的数据，对日料、循环料、月片材料进行分析，在展示平台管理系统中直观地显示出来。如果采集到的数据达到一定的规模，就可以根据各个隧道的总体情况来建立一个数学模型。根据该模型，可以建立施工任务分配、评价标准制定、实时反馈机制等。在发生异常情况下，立即将信息发送给相关管理人员。借助可视化的平台，管理者可以在招标前通过表格和图表，对项目进行智能化的分析和评估，更清楚地了解和发现问题，实时监控和预警施工进度和成本，并在招标结束后进行评审和总结。
4隧道机械化及配套智能信息化技术应用
4.1二维码技术应用
在隧道施工中，在施工人员"面对面"交底的基础上，不断进行优化和创新管理。技术交底按QR码在隧道内进行，所有人员都可以通过手机环视扫描看到，这对于运营商来说比较方便，采用QR码技术控制高管实地视察，将人员实地视察情况纳入云平台管理，保证人员现场视察质量。
4.2智慧工地系统建设
将BIM、GIS、监控系统等技术应用于工程建设中，使工程真正融入工程建设过程，改造施工生产、工程管理、技术管理等环节，提高生产效率，提高现场管理效率和决策能力，实现工程建设全过程一体化管理。
建立BIM+GIS信息平台，是国家、行业、地方有关隧道建设标准和标准相结合的综合管理平台，利用BIM技术，可以提高建筑物管理的效率和水平，充分满足隧道施工中Bim的高效性，实现多维、动态、可视化的协同智能应用，为施工单位进行项目管理提供有力支持，从而有效改变传统的管理方式，实现整个设计管理数据的存储、交换和管理。
4.3视频对讲系统
为减轻施工人员的工作压力，改善隧道施工环境，实现对施工人员的人文关怀，在隧道施工过程中，施工单位将视频对讲系统安装在隧道300米以内，在隧道内提供可实现的通信对讲、游戏音乐、时间保障等功能，以保证施工人员的正常工作。
4.4人员及车辆定位信息化
隧洞实时定位施工人员、车、数，准确反映隧洞施工人员、车运行情况。可以准确地对隧道、特定区域的人员、车辆进行统计，还可以及时地将采集到的数据上传管理平台，为管理者和车辆提供方便。管理建筑企业，实行施工人员实名管理。所有进入洞口的人员都需要通过电子提交文件，并且配备了专门的定位系统，实现实时的实名制管理。
4.5隧道门禁管理系统
传统的门禁系统只能识别人脸。为加强对施工管理人员的日常安全教育与培训，新开发了门禁系统，并以此为基础，研制了一套信息化、智能化的安全管理系统"三题解决方案"，每一题都正确回答出三个问题，如有问题，24小时内解决完毕。24小时后，系统还实行积分制，每人每月得2分，积分超过规定积分者，以现金或物品奖励。
结语
综上所述，采用全套机械化作业，配套智能化平台管理，缩短工序衔接时间，加快施工进度，减少隧道施工人员。暴露在危险的环境中，可以减少生产安全事故。经过数据分析和应用，及时发现问题，减少能耗。
与传统施工相比，隧道工程建设信息化、智能化，有利于进度控制，降低施工质量，减少工人劳动强度，减少施工、维护费用，提高安全、环保水平。机械式、智能化、一体化的IT管理系统的应用，能有效地提高施工进度和质量控制，减少施工人员，降低施工人员的劳动强度，降低施工及维护费用，提高建筑安全与环保。
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