中国科技信息2023年5期

隧道机械化施工中工程数字化建造配套技术

郭志豪

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摘要：随着各行业的发展越来越好，科学技术的不断重新，促进隧道工程建设项目越来越多。相对于其他土建设施来说，隧道工程中的地质状况比较复杂，周围岩土介质不确定性因素非常大，不便于相关工作人员分析问题。数字化技术是近年来在隧道工程建设中比较重要的研究领域之一，它以人们比较容易感知的三种图像描述隧道模型、勘察信息、监测信息，能够更加直观，美观地展现隧道工程建设情况。

关键词：隧道机械化；数字化；建造配套技术

引言

随着国内铁路建设市场规模的逐渐扩大、地质条件的复杂程度和建设标准不断提高，国内隧道施工作业人员老龄化和技术能力不足的弊端日益显露，在此背景下，隧道机械化配套施工成为大规模客专、高铁建设的新选择。

1施工设备配置的基本原则

1.1技术先进性和经济合理性

建筑企业对自身经济效益具有很大的重视，因此，在配置施工设备时需要考虑设备的经济性，根据实际施工需要来选择，同时，配置设备环节应将操作安全性以及设备耐用程度考虑在内，并在施工期间做好设备管理和保养工作，根据具体工程造价和施工承包单位的公众评价等因素，选择最适用于工程的施工设备。

1.2结合施工进度与要求

隧道工程在对挑选配套施工设备时，应先考虑工程施工实际活动进度因素，隧道工程通常被要求在短工期内完成，特别设计到施工开挖阶段时，要对隧道施工的地质环境进行检查，并将其所调查的地质状况信息进行提前上报，确保施工设备的配备更加科学合理，推动开挖环节的顺利展开。同时，隧道工程的支护阶段，需要装配针对性的通风排水设备，防止进度受到这方面的影响。应掌握工程各施工环节所需要的装备配置，确保彼此之间可以和谐使用。

2机械化配套快速施工技术

2.1机械化配套作业使用的地质条件及施工工艺

除因围岩太差、三臂凿岩台车没有工作面外，在V级围岩施工时，要保证三臂凿岩台车有作业空间以及安全。因此，上台阶高度要尽量大，从而衍生出微台阶法施工。凿岩台车施工工艺主要根据设计图、施工组织设计、超前地质预报、现场围岩揭示情况、工期及功效等设计。其中，超前地质预报与现场揭示的围岩情况是施工方案的主要依据，尽可能地实现凿岩台车功效，体现机械化配套施工的优势。能最大限度地实现全电脑凿岩台车效率的施工方法主要有3种：微台阶法、全断面法和全断面含仰拱法。

2.2开挖作业

在开挖洞身时，施工单位应使用新奥法进行施工，将光面爆破作为主要施工工艺，委派经验丰富的人员辅助作业，确保洞身顺利施工。结合施工现场的地质条件合理地选择开挖方法。开挖台阶的长度应控制在3~5m，爆破作业尽可能降低对周围环境的影响。将多功能施工台车作为核心施工机械设备，将风钻作为辅助工具，将断面开挖为楔形掏槽，严格按照规范要求进行爆破作业；使用钻孔设备完成锚杆钻进作业，施工人员在锚杆安装完成后，利用湿喷机完成注浆。将1~2榀钢架的长度作为标准间距，合理地布设测量点位，收集施工数据信息，结合施工过程中的实际情况，合理地对施工工艺进行跳闸或技术参数调整。使用无轨运输方式将洞内的渣土清理干净，依靠挖土机将掌子面清理干净，隧道正洞各类围岩条件下的开挖循环时间及指标。

2.3信息分类与数据存储标准

隧道工程的资料来源非常丰富，涉及设计，施工，操作、运营等各个方面。通过大量的调查，并结合隧道工程，将隧道建设所需的大量工程资料分为五大类：地势地质、周围环境、项目设计、建筑施工、施工监测。每一大类都是一阶、二阶、三阶分类和信息节点。以地理地质资料为例，可将其划分为工程地质与水文地质两大类。在此隧道工程建设的基础上，将工程地质分为调绘与勘察两大类，它们都是由若干层次的分类法和信息结点构成的。

2.4GIS模型

CAD是一种非常适合于数字绘图的软件，它具有很强的编辑和处理能力。目前，我国的测绘机构大多采用CAD技术进行基础地理资料的收集。在ArcGIS中，通过对CAD数据进行三维建模，使CAD数据与属性数据相结合。ArcGIS的构建主要是将DWG文件转化为ArcGIS中的SHP，实现DWG中各个实体的“点、线、面”的转化。例如，点元通常是一个实体对象，它突出了地理位置，但忽略了其实际的尺寸和形状，如钻孔、监测点和圈点。而线要素则是有形的，如隧道的轴线和河流。表层要素则是指具有特定区域的地层、水环境保护、蓄水池等。DWG文件中使用SHP格式的点元进行存储，以方便ArcGIS的输出。采用ArcGIS的二维模型，将CAD数据以图层的方式存储在ArcGIS中。TPK文件是在无互动的层产生的，这是一个工程地图，例如隧道轴图层。从地理基本图中分离出需要进行交互处理的数字物体（例如监测点、钻孔等），将ID属性信息添加到属性表格中，然后映射到数据库中，从而产生Geodatabase文件。然后，将TPK与数字对象相结合，建立了一个基于层次可视的二维GIS模型。

3隧道工程机械化施工存在的主要问题及解决策略

3.1施工装备选型

钻爆法是现阶段开挖作业的主要施工方法。进行施工时，大多采用自制多功能台架作为施工钻孔、喷锚支护等作业的主要支撑，根据断面高度确定台架分层，这种作业方式需要耗费大量的人工，而且容易产生安全事故，而如果采用电脑液压凿岩台车，可以更好地进行钻孔和装药，能够有效提升工作效率和安全系数。隧道开挖后，需要使用合适的出渣运输装备，主要包括有轨运输和无轨运输两种方式，有轨运输产生的污染较少，但是施工组织和养护维修比较复杂，无轨运输装备相对简单，组织管理和养护维修更加方便，但由于采用了内燃机设备，需要排放大量尾气，对隧道内的通风要求较高。隧道施工初期支护通常采用喷锚支护的方式，如果作业面比较小，可以使用小型湿喷机喷射混凝土，如果作业面比较大，需要配备喷射机组开展作业，在二次衬砌施工时，通常在洞外设置自动计量拌和站生产混凝土，采用有轨或无轨输送的方式，每台模板台车配备1台混凝土输送泵和输送管，设置简易台架进行防水板安装。

3.2施工装备配套

不同的开挖方式，需要的装备配套不同。在设计配套方案时，应重点关注掘进和支护设备的选择，以保证形成高效的生产能力。在基本配置的基础上，根据具体施工条件和技术水平，明确机械化施工目标，按要求配备相应设备。隧道机械化施工的装备配套水平一般是以开挖和支护来划分的，出渣设备需要与开挖设备的配置相协调，而二次衬砌施工离不开各种模板台车，随着隧道工程规模的不断扩大，机械化作业水平要求越来越高，需要采用先进的液压凿岩台车、电脑凿岩台车。积极发展能够适应各种围岩条件下的开挖方法，比如，分步开挖法、台阶开挖法、全断面开挖法。建立装备配套目标函数及建立基本配套模式，合理确定设备数量，在保证工期的情况下，选择效率最高、最简单的配套方案。为了保证施工速度的均衡性，应使装备配套的生产能力超过1.2~1.3倍的施工生产均衡能力，避免重视开挖机械、轻视运输机械的情况，合理配置运输设备，保证运输能力能够大于掘进和支护能力，尽快恢复掌子面作业，充分发挥开挖设备和支护设备的能力。

结语

综上所述，在隧道施工项目发展过程中，机械化施工发展是未来必然的发展趋势。现阶段，我国的机械化施工技术不断提高，可以有效满足不通过施工工序的需求，同时还可以保证施工质量。与传统施工工艺相比，其具备显著的优势，提高了施工效率，缩短了施工工期，降低了施工成本，提高了施工安全性。

参考文献

［1］朱德群．上饶市三江导托渠工程风险管理研究［D］．兰州:兰州交通大学，2021．

［2］关宝树．漫谈矿山法隧道技术第十一讲———谈隧道施工机械化［J］．隧道建设，2016，36(10):1163－1170．

［3］王祥军．隧道施工机械标准化的必要性［J］．中国质量与标准导报，2019(2):49－51．