劉飛香，姬海東，肖正航

(中國鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長沙 410100)

0 引言

川藏鐵路是一項(xiàng)具有重要交通、國防意義的國家重大建設(shè)項(xiàng)目，同時(shí)也是鐵路建設(shè)領(lǐng)域公認(rèn)的世界難點(diǎn)工程。川藏鐵路東起四川成都，西至西藏拉薩，穿越橫斷山、念青唐古拉山等山脈，橫跨大渡河、瀾滄江、怒江等河流，全線高差超過3 000 m，被稱為“八起八伏”[1]。川藏鐵路沿線具有落差大、板塊活動(dòng)強(qiáng)烈、生態(tài)環(huán)境脆弱等特點(diǎn)。川藏鐵路隧道在川藏鐵路全線的占比高達(dá)84%，控制性工程集中在長大隧道，惡劣的自然環(huán)境和復(fù)雜的地質(zhì)條件對(duì)隧道施工人員和裝備帶來較大的不利影響，常規(guī)的小型機(jī)械配套和低等級(jí)配套難以滿足川藏鐵路建設(shè)要求[2]。為實(shí)現(xiàn)川藏鐵路高起點(diǎn)、高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)的建設(shè)目標(biāo)，通過開展針對(duì)性的研發(fā)、配置和應(yīng)用實(shí)踐，提出了川藏鐵路隧道鉆爆法施工成套裝備體系的建議方案，為該世紀(jì)工程順利建設(shè)提供有力保障。

在川藏鐵路前期可研論證階段，國內(nèi)專家、學(xué)者針對(duì)川藏鐵路隧道鉆爆法施工已開展部分研究。在機(jī)械化配套方面： 吳建和等[3]針對(duì)川藏鐵路隧道不良地質(zhì)環(huán)境鉆爆法施工開展了研究，提出了相應(yīng)的機(jī)械化施工裝備配套方案，并對(duì)適應(yīng)機(jī)械化施工的開挖方法提出了建議； 陶偉明等[4]總結(jié)了現(xiàn)階段國內(nèi)外鐵路隧道機(jī)械化配套施工的典型方案及應(yīng)用效益，針對(duì)川藏鐵路隧道分析了采用機(jī)械化配套施工的必要性和優(yōu)勢(shì)，提出了川藏鐵路隧道機(jī)械化配套的建議方案； 郝俊明[5]分析了當(dāng)前隧道施工機(jī)械化配套體系存在的缺陷，針對(duì)川藏鐵路隧道施工提出了機(jī)械化配套方案。在機(jī)械化施工管理和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)方面： 趙強(qiáng)[6]結(jié)合新建川藏鐵路拉薩到林芝段LZQ-12標(biāo)段米林隧道施工實(shí)踐，就鉆爆法施工的關(guān)鍵工序和技術(shù)進(jìn)行了分析； 韓賀庚等[7]以蒙華鐵路隧道工程實(shí)踐為依托，闡述了全線路隧道機(jī)械化施工技術(shù)和管理方法； 袁勛[8]結(jié)合西藏杰德秀隧道高海拔、高烈度等復(fù)雜地質(zhì)特點(diǎn)，對(duì)隧道施工與安全管理進(jìn)行了研究?？偟膩碚f，現(xiàn)階段針對(duì)川藏鐵路鉆爆法施工的研究主要集中在機(jī)械化配套、施工管理、施工風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)等方面，通過已有機(jī)械化裝備的配套運(yùn)用來適應(yīng)川藏鐵路隧道工程建設(shè)需要，但對(duì)川藏鐵路隧道鉆爆法裝備依托的基礎(chǔ)共性技術(shù)和成套化體系還缺少系統(tǒng)性的研究和梳理。

川藏鐵路建設(shè)在帶來技術(shù)挑戰(zhàn)的同時(shí)，必將推動(dòng)我國隧道建設(shè)水平的全面提升，鉆爆法施工裝備技術(shù)作為支撐隧道建設(shè)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，其發(fā)展和進(jìn)步具有重要意義。因此，本文在分析川藏鐵路隧道鉆爆法施工風(fēng)險(xiǎn)和挑戰(zhàn)的基礎(chǔ)上，以裝備研發(fā)為切入點(diǎn)，從裝備適應(yīng)性以及信息化、智能化等方面開展研究，提出了川藏鐵路鉆爆法施工成套裝備的技術(shù)體系。

1 川藏鐵路隧道鉆爆法施工面臨的主要挑戰(zhàn)

根據(jù)川藏鐵路可研批復(fù)顯示，川藏鐵路雅安至林芝段正線長1 010 km，隧道共72座，其中10 km以上長大隧道35座，20 km以上長大隧道16座，30 km以上長大隧道6座，隧道所在海拔高度集中在2 000～4 000 m，高海拔、大埋深是上述長大隧道的普遍特點(diǎn)。川藏鐵路隧道建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)主要包括高原環(huán)境、復(fù)雜地質(zhì)、生態(tài)條件、建設(shè)管理4個(gè)方面。高原高寒環(huán)境顯著降低人員和裝備的施工工效，是隧道施工的不利因素。川藏鐵路已經(jīng)確認(rèn)的惡劣地質(zhì)環(huán)境包括高地應(yīng)力、軟巖大變形、強(qiáng)巖爆、高地溫等，而沿線地勘的困難進(jìn)一步加劇了地質(zhì)風(fēng)險(xiǎn)。隧道建設(shè)產(chǎn)生的大量廢水、廢氣、廢碴對(duì)高原脆弱的生態(tài)環(huán)境是嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。因此，上述風(fēng)險(xiǎn)亟需在裝備上進(jìn)行針對(duì)性設(shè)計(jì)，通過成套裝備體系推動(dòng)隧道建設(shè)朝安全、優(yōu)質(zhì)、綠色方向發(fā)展，滿足川藏鐵路的建設(shè)需求。

同時(shí)，川藏鐵路的高起點(diǎn)、高質(zhì)量、高標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)目標(biāo)引領(lǐng)了隧道建造與隧道裝備技術(shù)的未來發(fā)展方向。傳統(tǒng)的隧道施工方法和機(jī)械裝備存在信息化水平低、施工方式粗放、勞動(dòng)效率不高等問題，尤其在施工安全、質(zhì)量管控方面，存在諸多潛在風(fēng)險(xiǎn)，無法有效支撐川藏鐵路的長大隧道群建設(shè)[9]。在產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的大背景下，以智能化裝備與大數(shù)據(jù)平臺(tái)為支撐的隧道智能建造模式是大勢(shì)所趨。以大型機(jī)械化配套為基礎(chǔ)，研發(fā)智能化技術(shù)與裝備大數(shù)據(jù)平臺(tái)，是實(shí)現(xiàn)川藏鐵路高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量建設(shè)的關(guān)鍵。

2 川藏鐵路隧道建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)及鉆爆法施工裝備適應(yīng)性技術(shù)

2.1 高原極端環(huán)境施工裝備適應(yīng)性

高原環(huán)境對(duì)于施工裝備的影響主要包括低氣壓、低溫、低氧含量造成的零部件工作性能劣化和工作壽命縮短等。在低氣壓環(huán)境，設(shè)備散熱能力下降，同等散熱功率下的溫升與氣壓近似成反比，低氣壓還會(huì)導(dǎo)致電氣間隙擊穿電壓降低，使得設(shè)備只能降功率、降容使用[10]。低溫環(huán)境對(duì)電池放電性能有顯著影響，造成設(shè)備啟動(dòng)困難。高原環(huán)境還會(huì)對(duì)蓄電池、電機(jī)電刷、密封等部件的使用壽命造成較大影響，導(dǎo)致裝備故障率升高、維保負(fù)擔(dān)加大。除施工裝備外，高原低氧環(huán)境對(duì)施工人員也是極大的挑戰(zhàn)。高原低氧環(huán)境影響涉及到人體的各個(gè)系統(tǒng)，導(dǎo)致運(yùn)動(dòng)技能、認(rèn)知能力、記憶力減退。

針對(duì)高原環(huán)境的裝備適應(yīng)性技術(shù)包括電驅(qū)動(dòng)技術(shù)、功率恢復(fù)技術(shù)、低溫啟動(dòng)技術(shù)、生命保障技術(shù)等，并結(jié)合整機(jī)室內(nèi)適應(yīng)性驗(yàn)證，保障裝備在高原環(huán)境的正常作業(yè)。通過電驅(qū)動(dòng)技術(shù)使裝備在隧道內(nèi)主要作業(yè)時(shí)間內(nèi)做到零排放，保障隧道內(nèi)空氣質(zhì)量不對(duì)人員作業(yè)安全造成影響。通過功率恢復(fù)技術(shù)改善和避免電機(jī)在高原環(huán)境下降效[11]。通過低溫啟動(dòng)技術(shù)提高裝備在低溫條件下的啟動(dòng)可靠性。通過生命保障技術(shù)提高作業(yè)空間的氧含量，保障人員健康和施工效率。上述各項(xiàng)改進(jìn)技術(shù)在設(shè)計(jì)完成后，應(yīng)通過測試驗(yàn)證，保證裝備在海拔2 000～4 000 m、溫度-30～60 ℃、壓力0.06～0.1 MPa、氧含量13%～20%的高原環(huán)境下正常運(yùn)行。

2.2 復(fù)雜地質(zhì)條件施工裝備適應(yīng)性

川藏鐵路沿線以高寒高海拔、大高差和強(qiáng)烈的構(gòu)造作用為典型地質(zhì)背景，內(nèi)外動(dòng)力地質(zhì)作用均十分強(qiáng)烈，不良地質(zhì)主要有高地應(yīng)力(巖爆與大變形)、斷層破碎帶、巖溶、高地溫、有害氣體等[1]。

川藏鐵路施工裝備對(duì)于隧道復(fù)雜地質(zhì)的適應(yīng)性需要以圍巖動(dòng)態(tài)感知技術(shù)為基礎(chǔ)，通過“邊掘邊探、長短結(jié)合”的方式實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)地獲取圍巖信息。圍巖動(dòng)態(tài)感知技術(shù)以智能型鑿巖臺(tái)車機(jī)載集成鉆孔參數(shù)分析系統(tǒng)和掌子面雙目成像系統(tǒng)為基礎(chǔ)，可以在每個(gè)施工輪次有效獲取掌子面前方短距離范圍內(nèi)的圍巖地質(zhì)信息。鉆孔參數(shù)分析系統(tǒng)通過鑿巖鉆進(jìn)過程中的推進(jìn)速度、推進(jìn)壓力、沖擊壓力等參數(shù)，結(jié)合鉆具-巖石相互作用模型，預(yù)測圍巖強(qiáng)度分布。掌子面雙目成像系統(tǒng)使用2套經(jīng)過精確標(biāo)定的相機(jī)云臺(tái)，采集掌子面高分辨率圖像，從中重建得到掌子面圍巖高保真三維模型，并進(jìn)一步提取得到節(jié)理、產(chǎn)狀發(fā)育等信息。建立圍巖智能分級(jí)深度學(xué)習(xí)模型，智能化預(yù)測圍巖等級(jí)并給出推薦施工方案。將短距離圍巖動(dòng)態(tài)感知與30 m鑿巖臺(tái)車加深炮孔、150 m多功能地質(zhì)鉆機(jī)以及更長距離的定向地質(zhì)鉆機(jī)進(jìn)行合理組合，配以其他物探手段[12]，從而克服施工前期地勘困難帶來的不確定性，在不對(duì)施工周期和成本產(chǎn)生明顯影響的前提下，實(shí)現(xiàn)圍巖地質(zhì)信息的實(shí)時(shí)準(zhǔn)確獲取。在圍巖信息動(dòng)態(tài)感知的基礎(chǔ)上，通過信息化的決策方式與大型智能機(jī)械施工方法，實(shí)現(xiàn)特殊地質(zhì)的高效安全處治?；谘b備數(shù)據(jù)平臺(tái)，遠(yuǎn)程在線實(shí)時(shí)獲取圍巖綜合地質(zhì)信息(見圖1)，對(duì)不良地質(zhì)進(jìn)行超前預(yù)警，利用圍巖智能分級(jí)和在線動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)系統(tǒng)，快速完成必要的設(shè)計(jì)變更并將施工參數(shù)實(shí)時(shí)下發(fā)至施工裝備，將信息化、智能化手段與地質(zhì)災(zāi)害處置措施相結(jié)合，提高對(duì)特殊地質(zhì)的應(yīng)對(duì)能力。

(a) 勘測數(shù)據(jù)

(b) 鉆進(jìn)參數(shù)

隨著川藏鐵路隧道施工的不斷推進(jìn)，川藏鐵路沿線不良地質(zhì)條件與工程地質(zhì)問題被逐步揭示，施工裝備對(duì)于隧道復(fù)雜地質(zhì)的適應(yīng)性技術(shù)將得到不斷改進(jìn)和完善，以滿足川藏鐵路隧道建設(shè)的需求。

2.3 高原生態(tài)環(huán)境施工裝備適應(yīng)性

川藏鐵路沿線穿越川藏兩地生態(tài)紅線和自然保護(hù)區(qū)的緩沖區(qū)。高原氣候下生態(tài)脆弱、環(huán)境敏感，水土流失及土地荒漠化較為嚴(yán)重，植被生長速度慢，生態(tài)恢復(fù)困難[13]。然而，川藏鐵路隧道工程總長超過800 km，預(yù)估棄碴量高達(dá)1.1億m3，棄碴量大、種類成分復(fù)雜，棄碴場選址、棄碴運(yùn)輸和再利用均存在較大困難。隧道施工產(chǎn)生的揚(yáng)塵、廢水、廢氣易引起一定范圍的生態(tài)環(huán)境破壞。隧道施工廢棄物對(duì)土壤上層植被、凍土層等的破壞可能導(dǎo)致風(fēng)蝕強(qiáng)度和面積的增加，進(jìn)一步加劇水土流失，誘發(fā)次生生態(tài)災(zāi)害。

生態(tài)環(huán)境適應(yīng)性的關(guān)鍵是研發(fā)廢棄物處置和資源化技術(shù)，通過配套的綠色環(huán)保裝備實(shí)現(xiàn)隧道施工廢碴、廢水、廢氣等的減量、無害處理以及回收再利用。針對(duì)高原隧道施工產(chǎn)生的廢碴、廢水，可通過研發(fā)高能破碎技術(shù)、高頻篩分技術(shù)提高機(jī)制砂裝備對(duì)于不同巖性碎石棄碴的適應(yīng)性[14]，提高棄碴處理能力，同時(shí)配備污水循環(huán)處理壓濾系統(tǒng)，整個(gè)生產(chǎn)過程實(shí)現(xiàn)水循環(huán)利用，污水零排放。砂石骨料在線檢測系統(tǒng)采用顆粒分散裝置、高精度顯微攝影系統(tǒng)和顆粒智能分析算法，在線連續(xù)獲取長徑比、圓形度等指標(biāo)(如圖2所示)，保障成品砂質(zhì)量，提高棄碴利用比例。采用砂石質(zhì)量在線智能監(jiān)控技術(shù)，實(shí)時(shí)分析機(jī)制砂各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)參數(shù)，并通過智能調(diào)節(jié)算法動(dòng)態(tài)調(diào)整機(jī)制砂裝備的運(yùn)行參數(shù)，提高機(jī)制砂質(zhì)量和廢碴利用率。針對(duì)高原隧道施工產(chǎn)生的揚(yáng)塵，通過研發(fā)隧道除塵設(shè)備，快速吸附隧道內(nèi)聚集的煙塵，有效避免施工過程中產(chǎn)生的揚(yáng)塵對(duì)高原生態(tài)環(huán)境造成污染。

(a) 機(jī)制砂顆粒分析

(b) 顆粒粒徑分布統(tǒng)計(jì)

2.4 高原隧道群施工裝備協(xié)同適應(yīng)性

川藏鐵路長大隧道群建設(shè)管理風(fēng)險(xiǎn)主要源自于工程體量大、組織調(diào)度困難、質(zhì)量要求高等因素。川藏鐵路密集分布的長大隧道是世所罕見的，而艱難的運(yùn)輸條件則進(jìn)一步加劇了施工管理的困難。運(yùn)輸條件惡劣導(dǎo)致設(shè)備轉(zhuǎn)場、備件運(yùn)輸、物資周轉(zhuǎn)相對(duì)滯后，由設(shè)備故障、天氣不良等因素導(dǎo)致施工中斷、工期延誤的概率顯著增加。此外，現(xiàn)階段隧道建設(shè)過程中裝備信息化、智能化應(yīng)用還非常有限，仍然以人工溝通、手動(dòng)填報(bào)和輸入操作的模式為主，信息缺失和滯后的問題普遍存在，施工過程不透明、缺少提前預(yù)測、組織協(xié)調(diào)困難、受人為主觀影響等現(xiàn)象突出[15]，無法適應(yīng)川藏鐵路長大隧道群建設(shè)過程中裝備機(jī)群協(xié)同作業(yè)的要求。

以智能裝備信息交互為基礎(chǔ)，研發(fā)裝備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的協(xié)同作業(yè)平臺(tái)，通過對(duì)裝備機(jī)群感知獲取的數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析、挖掘和決策，為川藏鐵路長大隧道群在建設(shè)過程中的信息化管控與裝備機(jī)群協(xié)同作業(yè)提供重要基礎(chǔ)。智能裝備機(jī)群是隧道施工過程中關(guān)鍵信息產(chǎn)生的源頭和施工指令的執(zhí)行終端(如圖3所示)，其中交互信息包括地質(zhì)數(shù)據(jù)、設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)、施工數(shù)據(jù)和質(zhì)量數(shù)據(jù)，通過打通裝備數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸轉(zhuǎn)化的橋梁，為在線交互和智能決策奠定數(shù)據(jù)基礎(chǔ)。

圖3 施工裝備機(jī)群關(guān)鍵交互數(shù)據(jù)與處理辦法

在上述實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，通過裝備感知的圍巖地質(zhì)信息動(dòng)態(tài)掌握地質(zhì)情況，根據(jù)在線設(shè)計(jì)變更情況提前進(jìn)行裝備和人員的預(yù)測性調(diào)度。通過在線監(jiān)控裝備實(shí)時(shí)作業(yè)狀態(tài)和工序進(jìn)度，結(jié)合混凝土拌合站、鋼構(gòu)件加工廠等生產(chǎn)數(shù)據(jù)，對(duì)原材料運(yùn)輸、加工進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)配。此外，基于裝備自身的工作參數(shù)和歷史數(shù)據(jù)，開展裝備數(shù)字孿生模型分析，實(shí)時(shí)掌握裝備的健康狀態(tài)，提前規(guī)劃維護(hù)保養(yǎng)和備品備件。針對(duì)施工質(zhì)量管控，通過裝備三維掃描、精準(zhǔn)定位、施工作業(yè)等日志的在線傳輸，結(jié)合設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)和檢驗(yàn)批標(biāo)準(zhǔn)，實(shí)時(shí)分析各工序的參數(shù)偏差，自動(dòng)判定施工質(zhì)量。更進(jìn)一步，通過對(duì)建設(shè)全過程裝備反饋數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、轉(zhuǎn)化和整理，建立實(shí)體隧道數(shù)字化檔案，為隧道施工質(zhì)量管控和運(yùn)營維保提供重要的數(shù)據(jù)支撐。

3 川藏鐵路隧道裝備體系建議

針對(duì)川藏鐵路高原高寒環(huán)境和復(fù)雜地質(zhì)難題，以常規(guī)地質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)化配置和特殊地質(zhì)針對(duì)性處置為策略，提出川藏鐵路隧道裝備體系的建議方案，為川藏鐵路一般及特殊風(fēng)險(xiǎn)的隧道建設(shè)提供裝備基礎(chǔ)。建議在實(shí)踐中進(jìn)一步配合定制化設(shè)計(jì)方法，針對(duì)具體工程特點(diǎn)定制裝備型號(hào)以及輔助工裝，建立配套裝備數(shù)據(jù)庫。

3.1 超前作業(yè)裝備

超前作業(yè)裝備分為超前地質(zhì)探測裝備和超前加固裝備。其中，超前地質(zhì)探測裝備推薦多功能地質(zhì)鉆機(jī)，與智能型鑿巖臺(tái)車配合實(shí)現(xiàn)150 m級(jí)、30 m級(jí)的長短搭配地質(zhì)超前探測方案；在特殊地質(zhì)條件或工況施工過程中，建議輔助更長距離定向鉆作為補(bǔ)充手段。超前加固裝備推薦智能化注漿設(shè)備，與鑿巖臺(tái)車的鉆孔、超前小導(dǎo)管、超前管棚等功能配合實(shí)現(xiàn)超前預(yù)加固。

3.1.1 高原型智能多功能鉆機(jī)

高原型智能多功能鉆機(jī)主要用于150 m級(jí)超前鉆探作業(yè)，具備地質(zhì)取芯、隨鉆測量、自動(dòng)生成工作日志等功能，可在川藏惡劣環(huán)境下高效穩(wěn)定運(yùn)行。智能多功能鉆機(jī)的鉆進(jìn)速度為10～40 m/h，是傳統(tǒng)潛孔鉆機(jī)的3～5倍。針對(duì)川藏鐵路勘察鉆探困難的問題，建議進(jìn)一步采用具備長距離定向鉆孔能力的裝備型號(hào)，通過三維定位和調(diào)向糾偏功能，可沿預(yù)定軌跡精確鉆進(jìn)和取芯，通過鉆孔過程參數(shù)和巖芯樣品分析判斷地質(zhì)情況，為隧道設(shè)計(jì)及施工提供數(shù)據(jù)支撐。

3.1.2 高原型智能注漿設(shè)備

高原型智能注漿設(shè)備可在高原、低溫環(huán)境下完成超前注漿加固。智能化注漿設(shè)備可以共享鑿巖臺(tái)車鉆孔參數(shù)，結(jié)合注漿設(shè)計(jì)方案進(jìn)行超前注漿規(guī)劃。注漿作業(yè)根據(jù)漿液配比方案自動(dòng)上料、智能控制制漿、儲(chǔ)存和送料等作業(yè)，并自動(dòng)記錄注漿日志。

3.2 開挖作業(yè)裝備

開挖作業(yè)裝備推薦高原型全電腦鑿巖臺(tái)車、通風(fēng)除塵臺(tái)車、智能鏟銑機(jī)等，以實(shí)現(xiàn)開挖、出碴等高效安全作業(yè)。

3.2.1 高原型智能鑿巖臺(tái)車

高原型智能鑿巖臺(tái)車具備智能定位、三維掃描、自動(dòng)鉆孔、圍巖地質(zhì)分析等功能，可滿足高原高效作業(yè)需要。通過增加掌子面精細(xì)化識(shí)別模塊、自動(dòng)管棚模塊、注漿模塊、裝藥模塊，拓展和增強(qiáng)了鑿巖臺(tái)車針對(duì)圍巖信息感知、超前支護(hù)、鉆孔裝藥等方面的作業(yè)能力。通過運(yùn)用高原型鑿巖臺(tái)車開展應(yīng)力釋放孔、應(yīng)力爆破解除、超前小導(dǎo)管等作業(yè)，有助于實(shí)現(xiàn)對(duì)巖爆、斷層破碎等特殊地質(zhì)的安全處置。

3.2.2 高原型隧道除塵臺(tái)車

高原型隧道除塵臺(tái)車采用高原型風(fēng)機(jī)并擴(kuò)大了設(shè)計(jì)除塵風(fēng)量，以解決川藏鐵路長大隧道通風(fēng)困難、爆破煙塵聚集的問題，可適用于4 000 m海拔高原環(huán)境，其輸出功率為390 kW，最大除塵風(fēng)量為3 000 m3/min。對(duì)于長大隧道鉆爆法施工產(chǎn)生的大量粉塵，采用隧道除塵臺(tái)車對(duì)掌子面進(jìn)行除塵僅需15～20 min，相比傳統(tǒng)除塵方法，其除塵時(shí)間縮短了75%以上，提高了生產(chǎn)效率。

3.2.3 高原型智能鏟銑機(jī)

高原型智能鏟銑機(jī)集鏟裝和銑挖功能于一體，主要用于裝碴、排險(xiǎn)和處理隧道欠挖，并針對(duì)高原環(huán)境增加了預(yù)熱裝置和雙動(dòng)力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。通過特殊的鏟裝機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，鏟裝效率可達(dá)200 m3/h，約為常見側(cè)卸式裝載機(jī)的2.5倍，極大地提高了裝碴效率。通過快換裝置，可以在5 min內(nèi)快速切換到銑挖模式，具備自動(dòng)定位、自動(dòng)三維掃描重建、自動(dòng)分析超欠挖、自動(dòng)規(guī)劃、自動(dòng)控制銑挖等功能，并已在鄭萬高鐵湖北段興山隧道、宜興聯(lián)絡(luò)線鐵路興山東隧道等工程中得到應(yīng)用。

3.3 初期支護(hù)作業(yè)裝備

初期支護(hù)作業(yè)裝備推薦高原型智能錨桿臺(tái)車、智能拱架臺(tái)車、智能混凝土濕噴機(jī)等，以快速、高效地穩(wěn)定圍巖。

3.3.1 高原型智能錨桿臺(tái)車

高原型智能錨桿臺(tái)車主要用于錨桿施工，可滿足高原施工條件，在高硬度巖石地層、軟弱圍巖大變形地層、破碎帶地層等均可適用。整機(jī)配置一臂一籃，具備隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)導(dǎo)入、空間補(bǔ)償定位、自動(dòng)移臂、自動(dòng)安裝錨桿、自動(dòng)預(yù)緊、一鍵鉆錨注、自動(dòng)記錄施工日志、數(shù)據(jù)交互、輔助作業(yè)等功能。

3.3.2 高原型智能拱架臺(tái)車

高原型智能拱架臺(tái)車采用多自由度機(jī)械手設(shè)計(jì)，可以實(shí)現(xiàn)隧道鉆爆法開挖中的拱架安裝，具備自動(dòng)精準(zhǔn)定位、三維輪廓掃描重建、拱架自動(dòng)運(yùn)送、拱架自動(dòng)拼接、拱架安裝日志生成等功能。拉林鐵路的應(yīng)用效果表明，Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖下立拱速度達(dá)到20～30 min/榀，其立拱作業(yè)工效是傳統(tǒng)人工立拱的2～3倍，能夠較好地滿足高原環(huán)境下拱架施工要求。

3.3.3 高原型智能混凝土濕噴機(jī)

高原型智能混凝土濕噴機(jī)可適應(yīng)高原不同地層的施工。與傳統(tǒng)混凝土濕噴機(jī)相比，高原型智能混凝土濕噴機(jī)具有遠(yuǎn)程遙控駕駛、智能定位、三維輪廓掃描重建、自動(dòng)識(shí)別拱架、自動(dòng)路徑規(guī)劃、自動(dòng)噴射控制、自動(dòng)計(jì)算噴射方量、自動(dòng)生成噴射日志等智能化功能，滿足高風(fēng)險(xiǎn)施工條件下少人、安全、高效作業(yè)需求。

3.4 結(jié)構(gòu)作業(yè)裝備

結(jié)構(gòu)作業(yè)裝備推薦仰拱橋模臺(tái)車、防水板鋼筋鋪設(shè)臺(tái)車、數(shù)字化襯砌臺(tái)車、數(shù)字化養(yǎng)護(hù)臺(tái)車，實(shí)現(xiàn)高原條件下隧道襯砌結(jié)構(gòu)的高質(zhì)量高效作業(yè)。

3.4.1 高原型仰拱橋模臺(tái)車

高原型仰拱橋模臺(tái)車具有行走、定位、糾偏、脫模等功能，針對(duì)高原環(huán)境進(jìn)行電氣系統(tǒng)、液壓系統(tǒng)改造，實(shí)現(xiàn)了低溫低氣壓、高溫高地?zé)岬南到y(tǒng)參數(shù)匹配。

3.4.2 防水板鋼筋鋪設(shè)臺(tái)車

防水板鋼筋鋪設(shè)臺(tái)車用于隧道防水板自動(dòng)鋪設(shè)和二次襯砌鋼筋綁扎，實(shí)現(xiàn)一車兩用。具有防水板卷材起吊上料系統(tǒng)，具備環(huán)向和縱向鋼筋提升、臺(tái)車整體縱向自行走和橫向平移功能。

3.4.3 高原型數(shù)字化襯砌臺(tái)車

高原型數(shù)字化襯砌臺(tái)車可適應(yīng)高原高寒環(huán)境，具有實(shí)時(shí)液位顯示、入模溫度監(jiān)測、拱頂灌滿提醒功能，可以減少襯砌空洞、裂縫等病害，從而保障混凝土襯砌質(zhì)量。

3.4.4 高原型數(shù)字化養(yǎng)護(hù)臺(tái)車

高原型數(shù)字化養(yǎng)護(hù)臺(tái)車根據(jù)實(shí)時(shí)溫濕度結(jié)果自動(dòng)控制養(yǎng)護(hù)過程，可定時(shí)進(jìn)行溫度逐級(jí)遞減，并全過程記錄養(yǎng)護(hù)日志，有效保障養(yǎng)護(hù)質(zhì)量。針對(duì)高原環(huán)境采用防凍裝置、電氣元器件、液壓元器件進(jìn)行高原型適配，以適應(yīng)低溫、低氣壓條件。

3.5 洞碴加工處理裝備

針對(duì)川藏鐵路棄碴處理與再利用，推薦隧道洞碴加工處理裝備。結(jié)合川藏鐵路工程實(shí)際需要，按照生產(chǎn)線形式分為固定式生產(chǎn)線和移動(dòng)式生產(chǎn)線，根據(jù)破碎物料的硬度分為硬巖生產(chǎn)線和軟巖生產(chǎn)線，按加工處理能力分為100 TPH、200 TPH和300 TPH，根據(jù)實(shí)際隧道工程巖性和棄碴量進(jìn)行選型配套。通過改進(jìn)生產(chǎn)工藝配合選粉裝置，解決反擊破成砂細(xì)度模數(shù)大、含粉量多的難題。采用機(jī)制砂在線檢測系統(tǒng)實(shí)時(shí)對(duì)顆粒粒度、粒型等參數(shù)進(jìn)行在線分析和統(tǒng)計(jì)，實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)優(yōu)化各模塊工作參數(shù)，實(shí)現(xiàn)粗砂級(jí)配和細(xì)砂級(jí)配良好、粒形優(yōu)良、砂石質(zhì)量穩(wěn)定，滿足相關(guān)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范的要求。針對(duì)生產(chǎn)過程產(chǎn)生的揚(yáng)塵、廢水污染，破碎及震動(dòng)篩配備干法除塵、噴淋除塵裝置、污水循環(huán)處理系統(tǒng)，以進(jìn)一步提高環(huán)保水平。

3.6 遠(yuǎn)程指揮控制中心

推薦遠(yuǎn)程指揮控制中心作為川藏鐵路隧道特殊地質(zhì)危險(xiǎn)作業(yè)環(huán)境的裝備遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)，通過搭載基于無線通訊的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遙控操作系統(tǒng)，使施工人員能夠在遠(yuǎn)程安全區(qū)域內(nèi)操控施工設(shè)備行走和作業(yè)，如圖4所示。

圖4 遠(yuǎn)程指揮控制中心工作原理

遠(yuǎn)程指揮控制中心有車載式和固定式2種不同形式，其中固定式可以與項(xiàng)目指揮部進(jìn)行集成。遠(yuǎn)程指揮控制中心采用標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)控制總線以及視頻、數(shù)據(jù)協(xié)議，可實(shí)現(xiàn)不同系列、不同型號(hào)裝備的統(tǒng)一交互及控制，并具備信號(hào)自診斷、自恢復(fù)能力；人機(jī)交互界面實(shí)時(shí)顯示施工現(xiàn)場三維模型動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)畫面和現(xiàn)場實(shí)時(shí)高清視頻，配套智能控制系統(tǒng)提供的數(shù)字化設(shè)計(jì)圖、實(shí)時(shí)碰撞預(yù)警等輔助信息，采用與現(xiàn)場裝備對(duì)應(yīng)映射的操作面板，保障遠(yuǎn)程操控的效率和安全。該遠(yuǎn)程指揮控制中心已在鄭萬高鐵、貴南高鐵、合璧津高速公路等工程的隧道建設(shè)中得到驗(yàn)證。川藏鐵路沿線活動(dòng)斷裂、地震和地質(zhì)災(zāi)害等風(fēng)險(xiǎn)廣泛分布，采用遠(yuǎn)程指揮控制中心可以減少風(fēng)險(xiǎn)區(qū)域作業(yè)人員的數(shù)量和滯留時(shí)間，保障現(xiàn)場施工安全，提高特殊風(fēng)險(xiǎn)處理能力。

4 川藏鐵路隧道智能裝備機(jī)群協(xié)同作業(yè)平臺(tái)初步探索

裝備機(jī)群協(xié)同作業(yè)平臺(tái)是川藏鐵路隧道鉆爆法裝備技術(shù)體系向信息化、智能化應(yīng)用擴(kuò)展的重要組成部分。平臺(tái)與裝備機(jī)群進(jìn)行實(shí)時(shí)在線數(shù)據(jù)交互，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、挖掘和決策反饋，為更高層次的工程建設(shè)信息化平臺(tái)和數(shù)字化管控提供重要基礎(chǔ)。基于川藏鐵路在圍巖地質(zhì)條件、施工組織調(diào)度、施工質(zhì)量管控等方面存在的困難和挑戰(zhàn)，裝備機(jī)群協(xié)同作業(yè)平臺(tái)重點(diǎn)圍繞圍巖分級(jí)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、裝備機(jī)群施工調(diào)度、施工質(zhì)量在線評(píng)價(jià)3方面的核心功能進(jìn)行了初步探索及展望。

4.1 裝備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圍巖分級(jí)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

圍巖分級(jí)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)(見圖5)以智能裝備在施工過程中動(dòng)態(tài)感知的圍巖信息為基礎(chǔ)，通過在線圍巖綜合判識(shí)和動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)，配合“邊掘邊探”的施工方式，更加有效地應(yīng)對(duì)地質(zhì)的不確定性和潛在風(fēng)險(xiǎn)。鑿巖臺(tái)車搭載鉆進(jìn)參數(shù)感知和掌子面精細(xì)化識(shí)別系統(tǒng)，在每個(gè)施工循環(huán)中將鉆孔日志和掌子面識(shí)別日志實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)。平臺(tái)對(duì)鉆孔參數(shù)進(jìn)行處理后得到反映圍巖相對(duì)性質(zhì)的標(biāo)準(zhǔn)化參數(shù)，形成圍巖定性分析的3D輪次圖；通過掌子面精細(xì)化識(shí)別系統(tǒng)獲取雙目成像原始圖片和成像參數(shù),并生成掌子面高清晰三維模型，提取得到節(jié)理、產(chǎn)狀發(fā)育等信息。建立圍巖判識(shí)機(jī)器學(xué)習(xí)模型，給出圍巖分級(jí)的定量建議結(jié)果。平臺(tái)基于標(biāo)準(zhǔn)化的隧道設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)庫，根據(jù)圍巖定量分級(jí)結(jié)果自動(dòng)匹配和推薦合理的設(shè)計(jì)參數(shù)。平臺(tái)自動(dòng)將設(shè)計(jì)參數(shù)解析轉(zhuǎn)換為各個(gè)工序的施工參數(shù)，并在線推送到施工裝備上，實(shí)現(xiàn)根據(jù)實(shí)時(shí)圍巖信息的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)。

圖5 裝備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)圍巖分級(jí)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

4.2 裝備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)群協(xié)同調(diào)度

機(jī)群協(xié)同調(diào)度通過裝備施工數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳輸，可以全面、動(dòng)態(tài)地掌握各個(gè)工序的作業(yè)情況，自動(dòng)對(duì)工序用時(shí)、原材料消耗、裝備維保周期等進(jìn)行分析、預(yù)判和決策，如圖6所示。在開挖工序，平臺(tái)根據(jù)圍巖地質(zhì)條件、鑿巖臺(tái)車工作特性和鉆爆設(shè)計(jì)參數(shù)預(yù)估當(dāng)前輪次鉆孔、裝藥的時(shí)長及物資的消耗量，通過實(shí)時(shí)上傳至平臺(tái)的數(shù)據(jù)更新工序進(jìn)度。在初期支護(hù)工序，平臺(tái)根據(jù)濕噴臺(tái)車掃描重建結(jié)果計(jì)算待噴方量和噴射時(shí)長，根據(jù)初期支護(hù)動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)結(jié)果預(yù)估拱架和錨桿施作時(shí)間。在襯砌工序，平臺(tái)根據(jù)二次襯砌設(shè)計(jì)預(yù)估澆筑方量和拆模時(shí)間，并根據(jù)隧道環(huán)境參數(shù)預(yù)估養(yǎng)護(hù)時(shí)間，利用實(shí)時(shí)反饋的作業(yè)參數(shù)動(dòng)態(tài)更新作業(yè)進(jìn)度。進(jìn)一步應(yīng)用裝備智能維保系統(tǒng)、施工動(dòng)態(tài)調(diào)度系統(tǒng)，實(shí)時(shí)分析設(shè)備各個(gè)子系統(tǒng)的工作狀態(tài)，針對(duì)潛在故障風(fēng)險(xiǎn)提前預(yù)警、自動(dòng)規(guī)劃維護(hù)保養(yǎng)時(shí)間和備品備件數(shù)量；實(shí)時(shí)更新各裝備、工序、工作面的工作進(jìn)度，從而提前規(guī)劃后續(xù)工序裝備和物料進(jìn)場，并指導(dǎo)配套的混凝土攪拌站、鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)廠等生產(chǎn)、倉儲(chǔ)、運(yùn)輸系統(tǒng)協(xié)同運(yùn)作。

圖6 裝備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)機(jī)群協(xié)同調(diào)度

4.3 裝備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)施工質(zhì)量在線評(píng)價(jià)

施工質(zhì)量在線評(píng)價(jià)功能通過對(duì)施工裝備生成的日志數(shù)據(jù)進(jìn)行在線分析，并對(duì)照施工檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，在線判定施工質(zhì)量，如圖7所示。施工質(zhì)量在線評(píng)價(jià)首先從施工日志中提取關(guān)鍵施工參數(shù)。智能裝備機(jī)載掃描儀可以在開挖、初噴、復(fù)噴等作業(yè)工序獲取掃描日志，經(jīng)過三維重建后與設(shè)計(jì)輪廓進(jìn)行對(duì)比，得到隧道輪廓偏差。鉆孔日志記錄了爆破孔的入口和終點(diǎn)坐標(biāo)，可以作為鉆爆設(shè)計(jì)優(yōu)化的依據(jù)。錨桿日志、拱架日志、濕噴日志記錄了隧道初期支護(hù)的關(guān)鍵工藝參數(shù)，是隱蔽工程質(zhì)量管控的重要依據(jù)。襯砌日志、養(yǎng)護(hù)日志為襯砌施作工藝參數(shù)的管控提供了數(shù)據(jù)支撐，配合襯砌質(zhì)量檢測車的檢測結(jié)果，可以為襯砌質(zhì)量管控提供較為全面的手段。

圖7 裝備數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)施工質(zhì)量在線評(píng)價(jià)

在上述基礎(chǔ)上，形成隧道施工質(zhì)量檢驗(yàn)批報(bào)表，并將其轉(zhuǎn)化為在線驗(yàn)收的標(biāo)準(zhǔn)程序，實(shí)現(xiàn)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的在線核驗(yàn)和驗(yàn)收記錄的自動(dòng)生成。平臺(tái)通過自動(dòng)分析、存儲(chǔ)施工全過程數(shù)據(jù)形成施工階段數(shù)字化檔案，為隧道在運(yùn)營期的維護(hù)保養(yǎng)和安全運(yùn)行提供重要數(shù)據(jù)支撐。

5 結(jié)論與展望

川藏鐵路長大隧道群建設(shè)面臨環(huán)境、地質(zhì)、生態(tài)、管理等多方面的困難和挑戰(zhàn)。針對(duì)川藏鐵路高標(biāo)準(zhǔn)、高質(zhì)量建設(shè)需求，研究了鉆爆法成套裝備適應(yīng)性技術(shù)，通過機(jī)械化、智能化、信息化融合，提出了滿足川藏鐵路工程建設(shè)需要的鉆爆法成套裝備體系的建議方案。

1)分析川藏鐵路隧道建設(shè)存在的主要風(fēng)險(xiǎn)，總結(jié)了川藏鐵路鉆爆法施工面臨的主要挑戰(zhàn)，針對(duì)高原環(huán)境、復(fù)雜地質(zhì)、生態(tài)環(huán)境、施工管理方面的需求，提出了裝備適應(yīng)性技術(shù)。

2)結(jié)合川藏鐵路工程實(shí)際，提出了涵蓋超前作業(yè)、開挖、初期支護(hù)、襯砌等工序的高原型智能成套裝備體系的建議方案，通過機(jī)械化、智能化滿足少人、安全、高效建設(shè)和應(yīng)對(duì)復(fù)雜地質(zhì)的需要。

3)建立了智能裝備機(jī)群協(xié)同作業(yè)平臺(tái)，通過智能裝備數(shù)據(jù)分析、挖掘、處理，針對(duì)圍巖分級(jí)與動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)、裝備機(jī)群施工調(diào)度、施工質(zhì)量在線評(píng)價(jià)等核心功能開展了初步探索，支撐川藏鐵路高標(biāo)準(zhǔn)高質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)。

隨著川藏鐵路建設(shè)推進(jìn)，川藏鐵路隧道鉆爆法施工裝備將在應(yīng)用中不斷進(jìn)步，鉆爆法施工成套裝備技術(shù)體系的內(nèi)涵還將不斷創(chuàng)新和發(fā)展。川藏鐵路建設(shè)必將促進(jìn)裝備技術(shù)與施工技術(shù)協(xié)同進(jìn)步，使我國鐵路隧道建設(shè)水平達(dá)到嶄新高度。