国内外山岭隧道机械化建造水平研究

国内外山岭隧道机械化建造水平研究

章伟康 1 2 袁岽洋 1 2 叶品 1 2 杨勇勇 1 2 何昌迪 1 2

1 、 浙江省交通运输科学研究院（ 浙江 杭州 310023） 2 、 浙江省道桥检测与养护技术研究重点实验室（浙江 杭州 311305)

摘要：基于新奥法施工工序，对标国际一流，综合分析了我国公路山岭隧道机械化建造水平的不足之处：机械化程度不高、机械适应性不够、“软、硬”不匹配、信息与智能化优势未凸显。同时，展望了未来我国隧道机械化建造的发展方向为大型机械设备自主国产化、产业化、信息智能化和设计与管理协同方向发展。

关键词：隧道工程；公路隧道；新奥法；机械化施工

随着我国综合国力地不断攀升，我国正从交通基础设施大国向一流的交通基础设施强国不断迈进。根据《交通强国建设纲要》文件精神，到本世纪中叶，我国要全面建成人民满意、保障有力、世界前列的交通强国。其中，隧道作为穿山越岭的有效手段，是交通强国建设的重要一环^[1]。隧道建设之强需“软”“硬”兼顾，“软”指的是隧道建设技术创新能力，“硬”体现在建设装备水平。我国每年隧道的建设规模属世界前列，但随着劳动力成本、素质和工程机械设备的制约，以及对施工质量和安全控制要求的提高，隧道建设面临从劳动密集型向集约型高质量发展的迫切转变，因而发展机械化建造无疑是必由之路。机械化建造以标准化设计、工厂化生产和机械化的施工为特征，能够有效提高工程建设平均质量水平和生产效率。

从目前我国隧道建设发展现状看，公路隧道多为山岭隧道，钻爆法仍将是山岭隧道普遍采用的施工方法，工序涉及隧道开挖、初期支护、二次衬砌等。本文基于新奥法主要施工工序，将我国山岭公路隧道机械化建造水平与国际一流进行对标，总结差距并展望未来机械化建造的发展方向。

1. 国内外山岭隧道机械化建造水平现状

隧道机械化是指通过现代化制造、运输、安装和科学管理的大工业生产方式代替传统隧道建设中分散、低水平、低效率的手工业生产方式，其主要特征是标准化、工厂化、机械化。

1.1 隧道开挖

隧道开挖是隧道建设的关键环节，尤其是以设计开挖轮廓线为基准的超欠挖控制，开挖质量的好坏直接影响后续隧道整体的实体质量。

全断面开挖机械化是钻爆法施工的趋势。十三五以来，我国持续推进隧道施工机械化、标准化，以机器换人。浙江省推行的“隧道九台套机械化施工装备”，集中体现了隧道施工机械化、标准化较高水平^[2]。在隧道开挖中，传统的隧道开挖钻孔都是由人工手持风钻施工，缺点很明显——人多、危险、粉尘大、效率低。浙江省引进和开发了用于隧道开挖的多臂凿岩机，其中较为先进的为全电脑多臂凿岩机，可利用电脑进行远程智能对孔、钻孔，根据机械臂数量分区、分块、自上而下按顺序施钻（见图1-图3）。在精度方面，多数凿岩车在断面轮廓线上的空位偏差在50mm以内。然而，从实践经验看，还存在较多问题待解决，如钻头与炸药的匹配性问题、设备对工作电压稳定性问题、机械与工法的契合度不高等。与此同时，设备集成化、信息化对操作人员的技术水平也提出了新要求。我国施工人员大部分仍以农民工为主，流动性大，技术性产业工人的紧缺一定程度上也限制了施工整体水平的提升。

(a) 人工钻孔 (b) 多臂凿岩机钻孔

图1 钻孔施工工艺对比^[2]

图2 智能对孔图^[2] 图3 辅助对孔图^[2]

挪威山岭隧道机械化开挖方面走在前列，集中体现在其设计手段、施工流程的自动化、信息化以及开挖机械的集成水平。挪威工程师开发了隧道的3D软件工具，能够在施工前和施工中检查隧道内部空间并且可以将隧道几何图形导出到计算机，作为钻孔方案的基础。此外，以数据为核心、以机械化为基础，挪威的高科技钻机改变了施工作业环境。信息的传递和处理以网络系统和计算机为保证，人只负责远端操控。图4是挪威的钻机，其带有3个吊臂和1个吊篮。隧道施工整体的安全性、质量和效率均有了很大的提升，人力成本降低显著。挪威的多数钻机可以通过数字钻井平台和操作舱进行自动化钻井（开挖精度在30mm以内）。操作人员可以在爆破后，通过扫描隧道轮廓线和开挖面，形成可视化图像，调整钻孔精度和爆破能量来进行控制超欠挖（见图5）。

图4 挪威带有3个吊臂和1个吊篮的钻机^[3]

挪威隧道先进的开挖信息化主要有以下几个特点^[3]：

（1）基于数字信息流，隧道设备之间通过WLAN系统进行协同操作；

（2）通过激光束、全站仪等对井面钻杆的位置进行快速准确地定位；

（3）全站仪或探查器导航用于建立洞内生产系统坐标；

（4）将设计和钻探模式下放到数据端进行钻探，方便准备生产计划；

（5）扫描断面是否欠爆、过爆，数据传回并用于钻机导航；

图 5 超欠挖轮廓云图（蓝色是欠挖部分，红色提示超挖）

^[3]

1. 2. 初期支护

隧道初期支护紧随开挖施作，能够有效加强围岩的稳定性并控制围岩应力适量释放和变形，增加了结构的安全度和施工的便捷性，尤其是在遇到软弱破碎围岩时显得尤为重要。

1.3.1 锚杆

国内隧道锚杆施工有三种做法：其一，采用风动凿岩机钻孔，人工安装杆体，再采用小型注浆设备注浆；其二，采用多臂凿岩台车钻孔，人工辅助安装杆体，专用注浆设备注浆；其三，采用自动锚杆台车施工，锚杆钻孔、安装及注浆自动化完成。其中，国内采用第一种做法居多，正在逐步地向第二、三种方向发展，其中钻锚注一体化机械施工在我国公路隧道中的应用还较少^[4]。

挪威的锚杆施工台车增加了锚杆施工操作的灵活性。伸缩式进料器为狭窄空间中施工提供可能。锚杆台车由电脑控制，可以配备杆处理系统和伸缩式进料器，可实时反馈注浆体积和压力。

1.3.2 喷射混凝土

对于围岩支护的喷射混凝土，最重要的两个指标是围岩附着力和早期强度。国内采用小容量的喷射机占多数，也采用湿喷机械手进行喷射混凝土施工，通过机械主导，人员辅助进行施工，大大解放劳动力，有喷射排量大、回弹率低、产生粉尘少等优点，但机械喷涂设备的集成度不高，喷射混凝土原料制备、生产缺乏工厂化生产，材料质量控制一般^[5]。

国外喷射混凝土原料采用标准化集中生产、供应。施工生产线由混凝土制备、运送及作业的施工机械、计量设备、添加装置等构成。图6所示是国外喷射混凝土施工系统，其常采用分离式（喷射机、喷射机械手等单独使用）或者一体式（自行式台车上搭载喷射机械手、喷射机、速凝剂供给机、空气压缩机等施工所需机器）喷射系统。无论是分离式还是一体式，均实现了流水化作业，保障了喷射混凝土施工的质量。在大断面隧道中，为满足快速施工、缩短施工循环时间的要求，日本开发了干喷、大容量、低粉尘的新型喷射系统SF-2，该系统采用2台喷射机施工效率更高（20~24m³/h），喷射机械手可调节适应隧道工作环境^[5-6]。

图 6（a）分离式喷射设备的构成^[6]

图 6（b）一体式喷射设备的构成^[6]

1.3.3 钢架

在初期支护中，多数场合钢架是与喷混凝土或锚杆一道使用。在不良围岩中，钢架是必不可少的支护构件之一，特别是型钢钢架，能立即发挥其支护效果。目前钢架大体上分为型钢钢架和格栅钢架2类。日本主要采用型钢钢架，而欧美则主要采用格栅钢架。在我国初期支护中，型钢钢架和格栅钢架兼用，主要是I型钢和H型钢。钢架加工可采用工厂化制作方案，亦可在现场加工制作。

国外的钢架多数是工厂预制的，标准化生产，主要采用H型钢，有特殊情况时采用U型钢和钢管。钢架一般在钻孔台车或者喷射机台车上设置专用的架设机械进行架设。图7是日本在赤岩隧道，采用安装在一体型喷射机台车上的架设机械，目的是提高架设钢架的安全性和作业效率，缩短喷射时间。钢架搭载在台车的举重臂上，用液压控制调整器，决定架设位置，架设需要5min，安装系杆、金属网需要12min，架设十分迅速，臂长4650~8260mm。整体集成度较高，配合日本的施工流程效率显著^[7-8]。

图7带举重臂的一体型喷射台车^[7]

国内机械化架设主要依靠隧道多功能立拱台车，钢架完成加工后分节段提升至工作平台，人工进行辅助安装，也有相应的钢架架设机开发并进行了现场试验，但总体机械化开发不成熟，仍然需要不断改进。

1. 2. 二次衬砌与仰拱

1.3.1 拱墙衬砌

二次衬砌是在初期支护内侧施作的模筑混凝土或钢筋混凝结构，与初期支护共同组成复合式衬砌，以达到加固支护、优化路线防排水系统、美化外观等作用。

早期，我国推广使用整体式模板台车，采用机械驱动推进，人工支模、脱模。为解决早期模板台车的缺陷，现推行新型二衬台车，其结构、支撑机构合理，各种伸缩构件、液压系统、电气控制系统运行良好，能自动行走，并有闭锁装置，保证定位准确。台车具备混凝土分级布料、逐窗入模浇筑及带模注浆系统（见图8），具有布料均匀、改善二衬外观质量通病等优点。一次浇筑长度不大于9m，采用混凝土输送泵泵送作业，由下向上，对称分层，先墙后拱灌筑，机械振捣。

图8 逐窗入模浇筑及带模注浆系统^[2]

日本采用的衬砌形式与我国相近。日本将衬砌施工关键工艺进行了精细化和标准化值得学习，如拱顶水平压入浇筑工法、拱顶捣固系统（见图9）、喷雾养护系统等，兼具了效率和质量。

图9日本拱顶捣固系统^[8]

图10所示是日本修建隧道衬砌的活动模板^[9]。活动模板用于衬砌混凝土浇筑，移动模板由一组金属模板或蒙皮板和框架结构、龙门架和附件组成。通过将框架结构与钢板或蒙皮板组合在一起作为一个单元，在移动平台上移动。装配式设计使框架结构和钢面板在每次混凝土浇筑时进行组装和拆除。活动模板的长度为一段衬砌的跨度，考虑到过长的施工段需要较长时间，易使混凝土因干燥收缩而产生裂缝，一般每段的基本长度是9到12米。另外，挪威正不断探索采用标化生产的预制衬砌结构搭配PE泡沫+喷射混凝土防水组合，以达到较好的结构强度和较强的抗渗水能力

^[6]。

1. 横断面图 (b) 侧视图

图 10 日本活动模板装备^[9]

1.3.2 仰拱衬砌

仰拱紧随隧道开挖进行，为了减少仰拱施作对前方开挖和衬砌作业出渣、进料的干扰，常采用仰拱栈桥进行仰拱的全幅施工。国内传统的仰拱栈桥多采用简易式仰拱桥，需要机械设备和人工配合架设，效率低、安全隐患大，对出渣等其它工序存在较大的施工干扰。自行式仰拱栈桥的出现很好地解决了这一难题。该栈桥在模板浇筑完一节段后，可自行浇筑下一节段，循环施工，操作简单、灵活，有效减少施工干扰，提高施工效率。栈桥净跨宜不小于12m，单幅宽度宜不小于1m，净宽宜不小于3.5m^[10]。

日本同样开发了一些仰拱栈桥，涵盖了单跨、双跨和三跨仰拱栈桥的标准构造。为了加速仰拱的施工，也可采用双跨或三跨仰拱栈桥。相较而言，国内单跨栈桥居多^[11]。

2 我国山岭隧道机械化建造存在的问题

2.1 机械化程度不高

机械化程度体现在机械自动化、集成度和精度上。从搜集的文献和调研可以发现，国外大型机械集成了液压系统、机电控制系统和多种精密传感系统，自动化水平高，软件与硬件集成度完善，并且依托于发达国家前期工业生产力的积累，国外的机械精度普遍较高。相较而言，虽然我国隧道工程机械化水平向上向好，但是现施工设备实现完全自住研发较少，大型机械设备无法实现全自动化仍需人工辅助且精度较差。

2.2 机械适应性不够

一方面是机械化施工对地质变化适应不如人工。由于大型机械设备机械化程度不高，设备有赖于人为调整参数以适应外界环境，而难以适用于围岩地质条件复杂的隧道。另一方面，施工机械与施工方法也存在不相适应的情况。部分设备引进或半引进国外，与我国隧道施工方法和施工工艺出现不适应的情况。大型施工设备造价高，维护成本高，国产设备研发缺乏合理设计，国产化不贴合施工，加之工期短，无法对机械进行反复调整，机械经验不足。

2.3 “软、硬”不匹配

机械化程度的不断提升，使得机械对工人素质的要求也在提高，人机匹配问题成为了制约我国机械化进程的绊脚石。以往建设工地的农民工文化水平有限，对力学原理、施工工艺、机械原理和操作等缺乏学习，难以操作、维修的大型机械设备。人力资源软实力和机械设备硬实力的不匹配一定程度上倒逼机械化。

2.4 信息、智能化优势未凸显

国内大数据、互联网等智能化领域欣欣向荣，但在隧道施工机械化上的应用场景十分有限。从国外的机械化程度来看，国外完成了施工的信息化动态采集、实时传输与可视化以及过程信息资料的储存。我国隧道机械化在这一方面尚未发挥所长之处。

3 我国山岭隧道机械化建造未来发展方向

3.1国产化

针对机械设备在自动化、精度和集成度上的不足，应加大设备制造投入，搭接好设计与施工通路，学习和借鉴国外先进的制造理念和制造技术，从集成系统、成套机械设备出发，实现大型隧道施工装备的国产化设计、制造和维护。

3.2产业化

欧美国家现代工业发展得益于流水线和标准化的功劳。推行产业化就是要大力推行山岭隧道建设工厂化、标准化生产、装配化施工。开发隧道施工的机械化成套技术，立足软、硬实力双向带动发展。这不仅体现在隧道施工工序的机械化，还体现在机械化施工方法的标准化作业，也体现在培育产业工人上。

3.2 信息与智能化

由于地质条件、技术和资金等因素的限制，实际工程对隧道开挖前方的施工风险了解受限，这往往导致了事故的发生。尽管目前山岭隧道施工的基本思路是“信息化设计施工”，但前端数据采集、过程数据传输以及末端数据处理可视化仍存在较大短板，无法集成到机械设备中实现信息化施工。今后，应不断加大信息化投入，建立采集、分析、可视化、决策于一体的施工平台。另外，物联网、大数据、人工智能等新技术发展使数字化得以深度渗透，应充分挖掘、分析数据，促进机械装备数字化、智能化施工。

3.3 设计与管理协同

机械化不仅仅是设备上的不断升级，也需要设计、建设管理和施工组织上进行协同升级。机械结构和功能设计上更加贴近国内施工需求，建设管理上更加讲究机械设备使用和人员操作等管理，施工组织上更加注重机械和人工的配合，提高资源配置效率。

4 结 论

本文基于新奥法的主要施工工序，将我国山岭隧道机械化建造水平与国际一流对标，对比中寻找差距并展望了未来我国山岭隧道机械化建造的发展方向，得出以下结论：

（1）我国山岭隧道机械化存在机械化程度不高、机械适应性不够、“软、硬”不匹配、信息、智能化优势未凸显的问题，具体表现为机械自动化、集成度和精度成熟度不高；国产机械化装备对复杂地质变化和工法的适应性较差；人力资源软实力和机械设备硬实力的不匹配；未将我国优势的人工智能与大数据应用场景扩充到机械化建造中去。

（2）我国山岭隧道机械化建造发展方向应向着大型机械设备自主国产化、产业化、信息智能化和设计与管理协同方向发展。

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作者简介：章伟康（1994—），男，汉族,浙江温岭人,硕士,助工,主要从事隧道工程、岩土工程相关研究。

基金项目：浙江省交通运输科学研究院自主研发项目（ZK202103）；2020年度浙江省交通质监行业科技计划项目(ZJ202001); 浙江省交通运输厅科技计划项目（2021014）。

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