铁路隧道智能化建造装备技术创新与施工协同管理展望

为配合郑万高铁实施的基于全工序机械化配套的隧道安全、快速、高质量修建技术,针对超前支护、钻爆开挖、初期支护、二次衬砌等关键工序开发系列化智能装备,并系统性地总结和提炼钻爆法隧道智能建造装备的4大支撑技术,即围岩参数识别与处理系统、三维空间定位与量测系统、大数据处理与共享系统、智能控制决策系统,是实现隧道全生命周期智能化的基础与前提; 同时,运用先进的传感技术、互联网、大数据分析和人工智能技术,研究施工协同管理平台,借助隧道大容量通信网络和隧道智能建造协同管理平台,实现隧道内装备与装备、装备与环境、装备与围岩的互联互通互动,为隧道智能建造提供装备保障。     

近2年我国隧道及地下工程发展与思考(2019—2020年)

我国隧道及地下工程在"十三五"期间得到了长足发展,尤其是在新型冠状病毒疫情突然来袭的艰难形势下,2019—2020年无论是质还是量方面,铁路、公路、地铁等领域的隧道工程建设都取得了骄人的成就。对比分析近2年我国铁路、公路、地铁等领域隧道整体建设情况,从工程特点、工程难题及对应技术创新等方面,对佛莞城际狮子洋隧道、郑万铁路小三峡隧道、汕头海湾隧道等已建隧道工程,及大瑞铁路高黎贡山隧道、天山胜利隧道、川藏铁路色季拉山隧道等新开工隧道工程进行分析阐述。系统梳理近2年我国隧道及地下工程领域所取得的技术进步及未来发展中仍需要进一步突破的建设技术需求:1)基于渭武高速木寨岭隧道、引汉济渭秦岭隧洞、汕头海湾隧道等工程的建设,高地应力软岩变形控制技术、硬岩岩爆监测及处置技术、高地震烈度区海底隧道修建技术等,取得了较大突破与成功应用;国产大直径TBM和异型大断面隧道掘进机制造及应用技术迈上了新台阶,国产盾构主轴承及整机再制造装备得到了成功验证与应用;高压水耦合辅助破岩技术、基于大数据挖掘技术的盾构/TBM巡航掘进技术等在隧道行业中进行了尝试应用。2)面对穿江越海、川藏铁路等极端环境或复杂地质条件下的隧道建设需求,新型破岩方法、多功能混合型TBM装备、低真空管道磁浮隧道建设技术等亟需取得突破。3)针对传统隧道工程理念方法难以解决川藏铁路隧道等极端复杂地质隧道工程的关键性难题,提出隧道场的概念,指出应逐步建立并完善隧道场解重构理论与方法,革新极端复杂地质隧道设计理念;结合隧道及地下工程的复杂性、多变性、不可预测性等特点,有目的、有计划地促进"智能建造"、"5G"等先进技术与隧道及地下工程的有机融合。     

隧道工程全生命周期安全保障“24”字方针

我国隧道工程建设技术发展迅速,未来隧道建设将向"更深、更长、更多、更复杂"的趋势发展。目前隧道工程全寿命周期安全保障主要集中于隧道安全管理及评价方面,对于隧道全生命周期安全保障技术方法的系统研究还不完善。针对此,借鉴煤矿巷道多年的建设及处治经验,对隧道工程规划设计、建设、运营过程中采取的安全保障技术方法及手段进行归纳,总结出隧道全生命周期安全保障"24"字方针,即"多源评价、超前探测、妥当处置、精细检测、监测预警、应急救援",建立隧道工程全生命周期安全保障体系,掌握隧道周边地质及建设情况,降低事故发生机率,提高灾后应急处治能力,保障隧道及地下工程全生命周期安全永续发展。     

中国铁路隧道发展与展望(含截至2020年底中国铁路隧道统计数据)

对中国铁路隧道建设、特长铁路隧道建设规划及高速铁路隧道建设规划情况进行分析和统计,并采用图表的形式清晰直观地反映中国铁路隧道不同时期的发展规模及特长、高速铁路隧道新增运营、在建、规划情况,为分析中国铁路隧道发展历史提供较为详细的数据。随着中国经济的发展,西部地区铁路建设规模逐年加大,高海拔、高烈度地震区、大埋深超长铁路隧道大规模建设,亟需深入研究铁路隧道智能建造技术、超长深水跨海铁路隧道修建技术及铁路隧道智能运维技术。     

高速铁路隧道机械化修建技术创新与智能化建造展望——以郑万高速铁路湖北段为例

为实现郑万高速铁路湖北段隧道安全、快速、高质量修建,开展全工序大型机械配套条件下的施工技术、结构设计和信息化管理等一系列探索和创新:1)形成一套基于大型机械化的超前地质预报、掌子面超前预加固、隧道全断面机械开挖工法、初期支护机械化施工、宽幅防水板作业台车铺装和智能衬砌台车的全断面机械化施工技术; 2)基于机械化施工技术,建立隧道围岩稳定性分级方法,并在新奥法理念指导下,优化隧道支护结构设计参数; 3)建立隧道施工管理系统、施工信息采集系统、施工安全管理系统、混凝土拌合站质量管理系统、质量信誉评价系统以及施工动态管理系统等,以对隧道施工进行信息化管理。最后,在隧道机械化、信息化修建技术的基础上,从隧道支护体系智能动态设计系统、隧道支护体系智能机器人施工技术和隧道结构智能化监测系统等方面对隧道智能化修建技术进行探索和展望,以期将我国隧道建设水平推向新高度。     

我国盾构产业跃居世界前列

日前,从中国工程机械工业协会掘进机械分会成立大会暨"中国掘进机械发展论坛"上获悉,随着我国城市轨道交通、铁路、水利等建设事业的高速发展,作为隧道以及非开挖施工主要装备的掘进机械发展迅猛,全断面隧道掘进机(盾构)的产量和市场规模均处于世界领先行列。经过近10年的发展,我国目前盾构制造企业已经近40家,国内盾构每年生产销售80至100台,销售额约80亿元。盾构作为城市轨道交通、水利工程、公路铁路等领域隧道施工的关键设备,市场需求巨大。首先,我国城市地铁建设方兴未艾,在2011年至2020年,地铁隧道盾构施工市场需求约为500台;其次,水底隧道、高速公路、市政建设使用盾构潜力巨大。总体来看,未来5至10     

京张高铁隧道智能建造技术

为实现高速铁路向信息化、智能化方向发展,以京张高铁为背景,介绍京张高铁隧道智能建造采用的关键技术:1)清华园隧道建设过程中采用轨下结构全预制拼装技术,利用自研拼装机器人,实现了智能化拼装,极大地节约了人力成本,保证了施工的进度及安全要求; 2)清华园盾构隧道建设过程中,搭建可视化智慧施工管理监控平台,实现对风险的可视化实时预测和分析,保障隧道建设安全; 3)东花园隧道外包防水采用自动化喷涂防水技术,极大地提升了作业效率,降低了作业人员的危险性; 4)新八达岭隧道项目和正盘台隧道项目中采用基于三维激光扫描技术的隧道断面质量管理系统,满足了对隧道断面量测进行过程控制和预警处理的需求。     

跨海交通集群工程绿色公路技术创新实践

为提升跨江(海)通道工程绿色发展水平,在系统分析我国绿色公路发展历程及存在问题的基础上,依托超级工程深中通道开展海上交通集群工程绿色公路技术探索,构建了交通集群工程智能建造、海工构筑物工程耐久、公路海洋生态环境保护、岛隧工程低碳建造等4类特色技术体系,并对各类分项技术进行了创新分析,为未来其他跨江过海通道绿色公路建设提供可复制、可参考的经验,为完善行业绿色公路体系提供重要支撑,促进公路建设全生命周期高质量发展。     

城市道路盾构隧道全寿命周期信息平台设计

盾构隧道的全过程管理中,数据的操作方式日益受到人们关注.首先,本文简要回顾了国内外数据标准及信息平台建设方面的研究,然后针对盾构隧道全寿命周期的数据特点,选取了相应的程序设计工具,并规划了盾构隧道信息平台的架构体系.然后,根据目前比较通用的盾构隧道数据内容及表格形式初步建立了盾构隧道信息平台,该平台不依赖于任何操作系统,用户仅需一个浏览器即可登录使用;平台中涵盖了盾构隧道设计、施工、检测、养护等全寿命周期的数据信息,同时,这些数据也可脱离平台单独使用;平台还加入了一系列统计与分析工具,包括数据的多样化展示、图表与图形可视化、盾构隧道智能化养护等功能.     

深中通道钢壳混凝土沉管隧道智能建造体系策划与实践

根据深中通道海底沉管隧道工程建设实际,分析深中通道钢壳混凝土沉管隧道工业化、智能化建造面临的主要技术挑战,包括沉管钢壳制造、沉管自密实混凝土浇筑、钢壳沉管自密实混凝土密实度定量检测、钢壳管节长距离浮运安装等。为保障沉管隧道全过程高质量建设、降低工程建设风险、保障项目总工期,提出"标准化、工业化、装配化、智能化、精细化"建设理念,策划深中通道沉管隧道智能建造体系,围绕沉管钢壳智能制造、混凝土智能浇注、智能检测、管节智慧安装及智慧工地建设等方面进行探索和实践。     

中日韩运营铁路隧道检测技术现状及发展趋势

我国运营铁路隧道总体规模巨大，传统隧道检测方式难以满足大规模运营隧道检测及时、高效的需求，融合隧道检测新技术、优化运营铁路隧道既有检测方式是运营铁路隧道检测降本增效的关键。基于以上问题，对中国、日本及韩国隧道检测技术进行调研，从图像类、探测类以及集成综合类3个方面梳理中日韩隧道检测技术发展现状。提出运营铁路隧道检测技术以快速综合检测、数据智能化判释、隧道状态协同评估为主的发展趋势，分析适用于我国运营铁路隧道实际情况的隧道检测模式，提出应重视铺轨前的隧道检测，确保隧道初始状态信息的全面和真实性，加快建设隧道状态信息库，基于快速、综合、智能化的隧道检测技术体系，实现运营期铁路隧道的动态周期检测，以实现运营隧道降本增效。     

我国公路隧道科学养护管理的思考

论述我国公路隧道建设的规模、技术难度、设计理念及养护管理发展现状,指出我国公路隧道建设技术和理论水平发展迅速,已逐渐步入“绿色建设期”,但距离科学养护管理仍然差距较大,存在“建管养”分离、检测养护难度大、基础数据混乱、评定系统不完善和维修加固体系不完善等挑战。针对以上挑战,从3个方面进行了探讨： 1) 引入全寿命周期建设理念,论述了全寿命周期成本、养护便利化和标准化施工等理念对于隧道“建管养”的重要意义; 2) 建立隧道建养信息化系统,通过大数据平台及BIM信息技术,为隧道建立信息档案; 3) 完善养护技术体系,对现有隧道检测、维修加固技术手段进行梳理,总结一套隧道检查、管养技术体系。以期为公路隧道科学养护管理的发展提供新的思路和建议。     

对全断面隧道掘进装备智能化的一些思考

简要介绍人工智能技术的发展现状、智能工程装备的发展趋势以及全断面隧道掘进装备智能化的国家需求,指出掘进装备智能化将成为隧道工程领域的重大技术挑战和未来行业竞争热点;提出复杂环境下全断面隧道掘进装备智能化面临的科学挑战:1)复杂工况下掘进状态识别与地质环境感知,2)地质环境与装备掘进运行参数映射规律与匹配,3)多子系统掘进作业的智能规划与协同控制;分析掘进装备智能化的现有研究基础,指出环境与状态感知、施工参数自适应动态调控、多系统协调控制与多目标优化等理论与应用存在的不足;提出掘进状态感知、掘进参数工况自适应动态调控、掘进参数数据挖掘计算、掘进参数的智能优化和决策以及多系统协调智能化控制等包含全断面隧道掘进机设计、制造及运行等各个环节的智能化设想。     

日本铁路隧道病害和运维管理现状及对我国隧道运维技术发展的建议

日本铁路隧道（包括城市轨道交通）经过100余年的发展，产生了隧道老龄化严重、剥落掉块、开裂、劣化以及渗漏水等病害。通过调研日本铁路隧道建设情况、性能要求、病害类型与原因，得出日本铁路隧道约40%的病害与设计施工有关，27%的病害与运行环境有关，23%的病害与所用材料有关，10%的病害与外力变化有关。介绍日本铁路隧道维护管理体系（隧道检查、健康诊断、措施对策、记录存档）、自动检测技术和智能化技术等新技术的发展应用及存在的问题（相同条件下同类隧道的运维无法统一；自动化检测技术因成本过高或未达到标准要求，只能作为辅助检查手段服务于部分隧道；很多信息因保密无法实现资源共享；运维技术人员、隧道专业人才不足及人才老龄化严重等）。指出这些问题不仅阻碍了运维技术的高质量发展，也影响了整个运维成本和质量。针对我国隧道运维技术的发展，提出以降低隧道设施的全生命周期成本与延长服役寿命为目标，构建基于结构性能与成本的“预测型”运维体系，建议发展一体化运维技术、研发快速维修加固技术、开发智慧运维管理系统等，通过多学科融合交叉，构建系统性的运维管理体系。     

大直径盾构隧道精益施工理论应用

盾构隧道精益施工是精益思想在大型盾构隧道建设中的应用,是结合隧道施工特点的理论创新。针对大直径盾构工法,引入起源于汽车制造业的精益思想,提出盾构隧道精益施工体系,并结合钱江隧道工程,从理论和实践2方面对盾构隧道精益施工体系进行详细的阐述。通过分析盾构隧道精益施工的5S现场管理、盾构隧道精益施工标准化、精益运输模式以及PDCA循环,提出了全新的盾构隧道施工理念,并在实际工程中证明了其适用性和有效性。     

基于多参量光纤传感技术的京雄城际隧道形位感测系统应用研究

京雄城际铁路机场隧道面临不均匀沉降以及地面异常入侵等风险,为了更加迅速、直观地了解隧道结构全生命周期的安全及健康状态,需要对其进行实时在线监测。将光纤传感技术应用于京雄城际隧道的结构健康监测工作中,先结合BIM技术对高铁隧道的分层沉降、衬砌环向应变、渗漏水、火灾、异常侵入、变形缝变形等多参量开展智能化、高精度监测技术研究;再结合相应评估指标与预警阈值构建基于多参量传感技术的高速铁路隧道形位感测管理平台展示系统。该系统集数据采集、监测预警、安全评估以及可视化展示于一体,能够实时反映隧道所处的安全状况,为高铁隧道安全运营提供有力保障,并为"智能京雄"工程提供强有利的技术支撑。     

我国大直径盾构隧道数据统计及综合技术现状与展望

通过对国内大直径盾构隧道进行统计可知,截至2021 年底,国内开工修建的大直径盾构隧道工程共65 项,超大直径盾构隧道工程59 项。同时,对国内大直径盾构隧道在勘察规划、工程设计、装备制造、规范、材料和施工技术管理等方面的综合技术现状调查分析。总结目前大直径盾构隧道面临的主要问题,包括隧道设计标准不统一、盾构装备关键部件国产化需突破、再制造产业化存在困难、大直径盾构隧道的关键技术及施工技术管理水平仍需提高等。针对面临的问题提出建议,指出今后大直径盾构隧道设计和盾构装备应尽可能遵循标准化的原则,向着标准统一、施工安全、高效率、高质量、高智能方向发展,以期为推动我国大直径盾构隧道综合技术走向成熟起到积极作用。     

扬州瘦西湖盾构隧道工程施工关键技术

扬州下穿瘦西湖盾构段采用直径为14.93 m的泥水盾构施工,成功穿越1 275 m硬塑膨胀性黏土地层,有效解决盾构刀盘结泥饼、泥水舱及管道易堆积堵塞、刀盘扭矩大、盾构推进速度慢、泥水分离困难等一系列施工难题,是我国迄今为止在膨胀土地区进行的最大直径的泥水盾构施工工程。从扬州瘦西湖隧道的工程重难点出发,结合现场具体情况,系统总结隧道盾构施工中的全断面黏土地层高效环流及出渣技术、膨胀土地层盾构适应性改造技术、硬塑黏性土地层的盾构施工技术与开挖面稳定性控制技术,0.42 MPa高压气环境下动火焊接技术、小半径曲线精准接收技术和双层大直径隧道内部结构快速施工技术等,对我国膨胀性黏土地区大直径泥水盾构技术的发展具有重要的参考意义。     

下穿盾构隧道施工对铁路的影响研究

盾构隧道开挖对邻近建筑物的扰动是必然存在的,此类问题已得到了愈来愈广泛的关注。以佛山市三水区下穿盾构隧道工程为依托,利用数值摸拟法,计算分析了近距离下穿盾构隧道施工对既有铁路的影响规律。基于弹性地基梁理论,将盾构开挖影响等效成一位移,推导了盾构隧道开挖引起的既有铁路竖向位移理论计算公式。分析结果表明:盾构隧道开挖引起的轨道沉降近似呈正态分布曲线,主要影响范围为隧道轴线两侧约2.5倍隧道直径范围内,与Peck估算公式计算所得影响范围一致,且其分布规律与实测结果吻合。对比数值与理论计算结果表明,采用弹性地基梁法可以有效地计算既有铁路受下穿盾构开挖影响后的位移。     

马蹄形盾构的工程应用解析

相较于圆形断面,马蹄形隧道有空间利用率高的优势,浩吉铁路白城隧道在国内首次采用马蹄形土压平衡盾构施工，具有安全、快速、环保的特点。通过梳理盾构施工的统计数据，发现其月平均施工效率达203 m，且每环拼装效率为38～43 min，但突遇姜石地质给施工带来很大的困难。本文阐述了盾构4个施工阶段的应用效果，解析了开挖盲区对多刀盘开挖和推进系统的影响、渣土改良和双螺旋输送机对陕北黄土地质施工的应对措施、马蹄形管片拼装机在应用中的优势与不足。为拓宽马蹄形盾构适用地质领域和提高施工效率，建议盾构今后的技术突破方向： 全断面仿形刀盘的开发和管片拼装系统的智能化，前者可实现盾构无盲区开挖、提升出渣系统效果和降低总推力的需求，后者有利于减少人员操作难度，提高拼装工艺的精准度。