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钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024收稿日期：2024-03-10修回日期：2024-03-22基金项目：国家重点研发计划（地下工程装备数字样机及数字孪生技术与系统研发）；湖南省科技重大专项（2019GK1010）.作者简介：刘飞香（1963-），男，教授级高级工程师，主要从事隧道建造智能装备研制与规划工作，E-mail：.钻爆法隧道施工装备技术进展与展望刘飞香（中国铁建重工集团股份有限公司，长沙 410100）摘要：随着我国水利、交通、能源等基础工程蓬勃发展，隧道及地下工程建设迎来了高速大发展时期。首先，介绍了钻爆法施工装备发展，依次从“人工”、“小型机械化”、“单一工序大型机械化”、“全工序大型机械化”等4个阶段进行阐述；然后分别对目前钻爆法在施工过程中存在的岩芯收获率、超欠挖控制、拱架设立效率、湿喷回弹、锚杆注浆密实度等问题的现状及发展趋势进行了阐述和思考，并提出了钻爆法施工装备、协同管理平台、绿色施工装备等未来着重发展的建造技术；最后，对钻爆法隧道智能装备与隧道智能建造发展前景进行了展望，以推动我国隧道工程向无人、智能、信息、环保、节能与可持续的目标发展。关键词：钻爆法施工；超挖控制；智能建造；协同管理平台；数字孪生；绿色施工装备中图分类号：U455.3+2文献标志码：A文章编号：1009-6582（2024）02-0190-13DOI:10.13807/ki.mtt.2024.02.017引文格式：刘飞香.钻爆法隧道施工装备技术进展与展望J.现代隧道技术,2024,61(2):190-202.LIU Feixiang.Technological Advancements and Prospects of Drill and Blast Tunnel Construction EquipmentJ.ModernTunnelling Technology,2024,61(2):190-202.1引 言21世纪以来，随着我国水利、交通、能源等基础工程蓬勃发展，隧道及地下工程建设迎来高速大发展时期。我国已成为世界上隧道数量最多、隧道地质条件及结构形式最复杂、隧道技术发展速度最快的国家，不仅建成了大量的隧道工程，而且在隧道修建技术上取得了长足进步，制约隧道建设和运营的许多技术瓶颈及设备取得了重大突破13。目前，隧道修建的主流方法仍然是钻爆法和盾构法，其中钻爆法凭借施工速度快、建造成本低、适应范围广等优势在我国山岭隧道广泛应用。以郑万铁路等为代表的一批世纪工程建设使我国隧道钻爆法施工技术水平迈上了一个新的台阶，其主要成果也表明，日趋复杂的地形、地质条件，高海拔、高地应力、高地温、高烈度等极端地质问题对隧道安全建造提出了更高的要求，也为隧道工程智能化施工和新的建设理论、方法、装备发展提供了更广阔的实践空间。当前，以人工智能、无碳能源等技术为代表的第四次工业革命和第三次能源革命叠加，世界正处在一个前所未有的超级技术窗口期，国际化、电动化、智能化成为行业共识，也是世界各国争相抢占的产业制高点。2015年以来，国家相继出台“中国制造2025”等一系列政策措施，将基础工业智能化转型作为应对激烈国际化竞争的重要举措。党的十九届五中全会对交通运输工作作出重大决策部署，十四五规划的出台，更加凸显了加快建设交通强国的重要性，我国重大基础设施发展在今后很长一段时间内仍将处于“黄金时期”4。2023年2月，国务院安委会办公室等八部门发布关于进一步加强隧道工程安全管理的指导意见，明确要加大先进工艺技术推广应用，大力实施“科技兴安”，推进“机械化换人、自动化减人”，加大机械化、信息化及先进技术推广应用，推动提升隧道工程项目信息化、智能化和精细化管理水平，加快淘汰严重危及安全的施工工艺、设备和材料5。总体而言，目前钻爆法隧道建造技术正处于高速发展阶段，还存在一系列关键问题亟待突破，且随着市场环境不断变化，未来将进一步朝着高端化、智能化、绿色化方向发展。本文在总结钻爆法隧道装备发展历史的基础上，提出目前隧道施190钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版工过程的痛点和未来的技术发展方向，并系统阐述了铁建重工研发的先进机械化施工装备、智能建造平台和绿色施工装备等，以期为我国隧道施工技术的转型升级及施工装备的市场推广方面提供一些借鉴。2钻爆法隧道施工装备发展历程钻爆法隧道施工装备的发展必然伴随着社会科技的发展，总结来看，自19世纪第一台气动凿岩机的出现至今，钻爆法隧道施工装备的发展可以分为“人工”、“小型机械”、“单一工序大型机械化”、“全工序大型机械化”四个阶段6。2.1人工施工机具以“钢钎钻孔”、“人力车运输”为代表的人工施工机具阶段，如图1所示。本阶段的施工机具只能在土质或松软的石质隧道，使用铁铲、镐、鹤嘴斧及铁撬棍和铁楔进行开挖。石质隧道，使用钢钎及铁锤人工打眼爆破。出碴用架子车、板车、鸡公车，甚至人力挑运、人力推车。开挖中的临时支护多用木料，永久衬砌则用青砖、石料和混凝土预制块及现浇混凝土。本阶段具有人员数量大、劳动强度大、安全性差等特点。图1 钢钎人工打眼Fig.1 Artificial drilling with steel drill2.2小型机械施工以“手持风钻钻孔”为代表的小型机械施工阶段，如图2所示。我国在20世纪5070年代，隧道施工转入中、小型机械施工，主要工序小型机具、机械逐渐配套。配备了内燃空压机、发电机、电瓶车、凿岩机、抽水机、鼓风机等小型设备。采用了湿式凿岩，装碴机装碴，电瓶车牵引、有轨运输，搅拌机搅拌混凝土进行衬砌，卷扬机进行提升，首次采用了平行导坑巷道式机械通风，基本实现了主要工序小型机具、机械的部分配套作业，使铁路隧道施工进入了一个新的里程碑。图2 手持风钻作业Fig.2 Handheld pneumatic drill operation2.3单一工序大型机械化施工装备以“液压凿岩台车钻孔”为代表的单一工序大型机械化施工装备阶段，如图3所示。20世纪80年代，我国引进了世界上最先进的多臂液压凿岩台车，并开始对钻爆法隧道大型机械化施工装备展开研制，新奥法引入及大型机械化配套逐渐形成。隧道施工技术从传统的矿山法逐步向“新奥法”等一系列新技术、新设备发展。包括凿岩台车、装载机及衬砌模板台车逐步形成大型机械化配套作业。为降低成本，提高工效，实现相关工序的平行作业，施工单位设计了拼装式简易台架进行隧道施工钻岩、支护作业。图3 多臂液压凿岩台车Fig.3 Multi-arm hydraulic rock drilling jumbo2.4全工序大型机械化施工装备以“全电脑凿岩台车钻孔”、“混凝土湿喷工艺”为代表的全工序大型机械化施工装备阶段，如图4所示。随着科技的发展，全电脑凿岩台车、混凝土喷射机器人、挖装机、多功能钻机、新型衬砌台车等一大批先进超前探测、开挖、支护、通风和出碴运输等设备研发并投入使用。为研发具有中国特色的钻爆法隧道施工工法及其成套施工装备，施工企业在郑万线、安九线上191钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图4 铁建重工全工序成套装备Fig.4 Complete set of equipment for the full process byCRCHI进行了一系列钻爆法隧道施工全工序机械化、智能化尝试。装备制造企业也在不断探索和实践隧道施工机械化配套模式。3目前存在的问题和发展方向3.1存在的问题现阶段，隧道钻爆法施工过程中存在岩芯收获率低、超欠挖控制难度大、拱架设立效率低下、湿喷回弹率高、锚杆注浆密实度低、部分区域衬砌质量难以保证等诸多问题。3.1.1岩芯收获率低岩芯收获率是指取出岩芯的长度与取心时钻进进尺的比值，影响岩芯收获率的主要因素包括开采岩芯地段的地质情况、钻进工艺和操作手的操作水平等79。当遇到较破碎和破碎岩体地层时，可通过下套管或使用特制泥浆循环冲洗液，在钻进的孔壁形成泥浆护壁，增加岩芯收获率10。3.1.2超欠挖控制难度大超欠挖数据量是现阶段各承包商较为关注的信息点之一，超欠挖数据在一定程度上可以反映凿岩台车的性能。影响超欠挖量的因素包括设备本身的钻头定位精度、操作人员的责任心、科学合理的爆破设计方案等1114。从施工装备的角度出发，钻头定位精度小、定位精度稳定性良好是非常必要和重要的。3.1.3拱架设立效率低下拱架施工主要指拱架拼装及连接筋、网片焊接，影响拱架施工效率的主要因素是掌子面前拱架拼接次数及连接筋、网片焊接工作量，现阶段国内外绝大部分隧道还是以单榀拱架施工方式为主，每班次拱架拼接次数多，焊接量大，导致施工效率低1517。可通过组拼拱架、组拼铰接拱架的方式减少掌子面前拱架拼接次数及焊接工作量，从而达到提高立拱效率的目的。3.1.4湿喷回弹率高湿喷作业虽然改善了作业环境，提高了施工效率，但在湿喷作业过程中，往往会出现喷射回弹较高的情况1820，许多隧道工程甚至回弹率超过30%，对工程建设来说是巨大的浪费。湿喷混凝土回弹率的影响因素主要有两类，一类是混凝土配合比参数，包括砂率、速凝剂掺量等；另一类是喷射技术，如喷射距离、喷射角度、风压。如何有效降低湿喷过程中的回弹率成为隧道及地下工程施工过程中的重要研究课题。3.1.5锚杆注浆密实度低锚杆注浆密实度仍是影响锚杆施工质量的核心问题。锚杆注浆密实度主要受注浆材料、注浆设备、注浆量、注浆工艺等多因素的影响21，注浆材料各组分的配比通常由辅工现场拌制，浆液的水灰比无法保证，不合理的浆液配比可能会导致浆液的流动性和稳定性不足22，影响注浆密实度；注浆设备的参数与注浆质量息息相关，注浆过程中压力控制不当，压力不足或压力波动过大，会导致浆液无法充分填充锚杆周围土体，影响注浆密实度；注浆量不足会导致锚杆周围土体无法得到充分加固，影响注浆密实度。注浆方式不当会导致注浆不均匀，出现空洞、漏浆等现象，影响注浆密实度。3.2发展方向隧道钻爆法施工装备的发展必然是依靠人文、社会科技的发展，隧道建造施工过程的要求将更加的人性化、数据化、标准化。在一定程度上，上述问题可以通过不同程度的智能化、绿色施工理念、少人化甚至无人化施工等方式进行解决。3.2.1智能化施工装备的智能化是利用当下较为前沿的人工智能、大数据、物联网等技术，对各施工工序需要严格把控的环境进行最优处理。如：利用大数据模型，编写自动钻孔程序，自动钻进过程中，可以根据围岩的软硬、破碎程度，自动匹配不同的钻进参数，以达到更快的钻孔速度（图5（a），并对钻孔过程中的各项钻进参数予以记录，地质工程师可通过不同的钻进参数分析出前方围岩的具体情况，可提出针对性的优化建议（图5（b）。3.2.2绿色化随着全球气候的不断恶化，各个国家与地区分别提出了大型机械设备的排放的限制要求。随着全球新能源乘用车的成功，工程机械化行业的绿色施工必将成为后续发展的方向和主力，尤其192钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图5 智能化设计Fig.5 Intelligent design是在矿山、隧道等封闭环境下使用的设备。现阶段已有多个设备供应商提出了电动化设备的解决方案，如图6所示。图6 铁建重工电动化全电脑三臂凿岩台车驱动系统原理Fig.6 Schematic diagram of the driving system for an electricfully computerized three-arm rock drilling jumbo of CRCHI3.2.3少人化无人化随着社会科技的发展，隧道建造施工过程中的主要矛盾的转移，后续隧道钻爆法施工必然向着少人化甚至无人化的方向发展。上述方向的转变主要是因为大多数年轻劳动力无法适应繁重的体力劳动，年轻劳动力更加倾向于对于设备的操作与维修工作。除此之外，更加智能、方便操作的设备的问世也降低了现场的施工难度，也可以让更多的年轻劳动力快速地进入该行业。少人化施工一定不是终点，随着科技的发展，后续隧道建造有望实现彻底无人化、黑灯化。4钻爆法隧道施工新技术新装备4.1钻爆法施工装备4.1.1多功能钻机多功能钻机是钻爆法隧道超前勘探工序中的重要装备，利用随钻测量、绳索取芯技术，具备中长距离的超前钻探能力，对掌子面前方可能出现的不良地质进行提前预报，如图7（a）所示。现阶段各大厂商的产品技术成熟度已经非常高，并向着高自动化、宽适应性方向发展。一方面，升级设备自动钻孔控制技术，降低现场使用难度，提高岩芯收获率。另一方面，配置多档位液压动力头，以适应更多的复杂工况。随着隧道地质向更复杂地层方向转变，施工建设对地质取芯技术提出了更高的要求。取芯钻进过程中如遇软岩、软土、节理裂隙发育的破碎带、断层带、砾石层等复杂地层普遍存在怕振、怕冲、怕磨的特点，取出的岩芯很容易受到外界的扰动和水冲洗，不同程度地影响岩芯的物理化学指标、化验的准确度及完整度。为获得较高的岩芯收获率，保持岩芯原状性，铁建重工采用三重管无冲击式取芯钻进技术，三重管取芯钻具可降低因冲洗液冲洗掉部分岩芯；采用无冲击式取芯钻进方式，岩芯可避免因冲击振动造成碎裂，提升岩芯完整性；采用自动取芯钻进技术，可规避因操作经验不足造成岩芯丢失，如图7（b）所示。图7 多功能钻机与岩芯实物Fig.7 Physical image of multifunctional drilling rig and core193钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.20244.1.2凿岩台车凿岩台车是隧道钻爆法开挖工序中的关键装备，能实现钻爆破孔、超前钻探孔、管棚孔、锚杆孔、辅助装药等功能，如图8所示。作为钻爆法隧道建造的开挖工序的核心装备，凿岩台车技术的发展一定程度上影响着隧道建造的安全、质量、工效、进度、工法、经济性等。与传统的手持气动凿岩机施工相比，液压型的凿岩台车具有更高的施工效率、更低的人员投入、更高的安全性。在此基础上，全电脑型的凿岩台车上搭载更加先进的技术，使其具备更加智能、更加高效、更加安全的特点。图8 凿岩台车实物Fig.8 Physical image of rock drilling jumbo以超挖控制诱导技术为例，由于开挖过程中带来的超挖，需要采用混凝土进行填充，将使得施工成本严重上升。利用机械化设备模拟人工钻孔过程中的“憋钻”行为，在一定程度上可以降低超挖量，如图9所示。该技术的难点在于确定“憋钻”的量与诱导“纠偏”的量之间的关系，目前采用大量的数值模拟计算，并在不同的工地进行大量的工业试验。根据工业试验结果来看，可以有效纠偏58 m。以全自动钻孔技术为例，由于地质情况的多变性与不可预知性，导致的卡钻、空打现象直接影图9 超挖控制诱导技术示意Fig.9 Schematic diagram of overbreak control inductiontechnology响钻孔施工质量、施工效率和施工成本，铁建重工通过自主研究建立凿岩机协同运动状态下的多维信息感知和闭环控制系统，设立不同地层与不同工况下各参数阈值设置方法与最优控制策略，实现了凿岩过程压力流量的精确控制，实现能及时脱困的一键自适应快速钻孔，提高钻孔设备对多种复杂地质情况的适应性，精准控制超欠挖量，保障施工效率，降低功耗成本，如图10所示。图10 自动钻孔技术示意Fig.10 Schematic diagram of automatic drilling technology4.1.3装药台车装药台车是隧道钻爆法施工中装药工序的关键装备，装药台车是将乳胶基质与敏化剂进行现场定量混合，并按照一定的爆破设计进行装填的专业设备，如图11所示。在隧道建造行业中，精细化爆破对隧道的超欠挖、施工成本、安全性等方面均有较为正面的积极促进作用。现阶段行业中部分工区已完成机械化装药工业试验，结果表明：在精细化爆破方面仍有较大提升空间。在设备层面实现钻爆一体化设计、高精度自动寻孔、智能辅助装药、自动生成装药日志等功能，将成为下一代装药台车产品的必备功能，如图12、图13所示。上述先进功能的实现，提高了爆破质量和施工效率，降低了施工成本，加快了施工周期，综合效益显著提高。194钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图11 RHZ2高原智能型装药台车Fig.11 RHZ2 Plateau intelligent mixed and chargedemulsion explosive trucks图12 钻爆参数设计软件Fig.12 Software for drilling and blasting parameter design图13 高精度激光寻孔功能Fig.13 High precision laser hole finding function4.1.4除尘台车除尘台车作为通风除尘工序的核心装备，能够实现有效降低工序循环时间、提高人员劳动舒适度等作用，如图14所示。现阶段各大厂商除尘台车多以固体颗粒的降低为主，技术手段多以过滤芯、过滤袋居多，如图15所示。从多年的使用情况来看，后续除尘台车应当附加发动机尾气有害物质的过滤功能。图14 除尘台车Fig.14 Dust removal vehicle图15 除尘箱内部结构示意Fig.15 Schematic diagram of the internal structure of a dustremoval box4.1.5拱架台车拱架台车是拱架设立工序的核心装备，其研发的主要目的在于减少施工人员数量、降低施工人员劳动强度、提高施工安全性。经过多年的发展，先后发展出多榀拱架同时拼装、拱锚一体、铰接式拱架等多种施工工艺或产品类别，如图16所示。但现阶段仍然存在施工效率提升不明显、现场施工条件难以满足等诸多问题，各大厂商也在拱架安全快速设立、智能自动拼装等方向进行研发。铁建重工多年来针对快速立拱、高效施工自主创新研究了多榀拱架快速抓取、举、升及6自由度定位技术，铰接式拱架一次展开、定位技术，拱架锚杆双工位切换技术，智能定位、三维轮廓重建、超欠挖判别等技术实现了初期支护拱架快速智能安装，如图17所示。195钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024图16 三台阶拱架施工Fig.16 Three-step construction method for arch图17 自动拼装软件界面Fig.17 Automatic assembly software interface4.1.6湿喷台车湿喷台车是混凝土喷射工序的核心装备。经过多年的发展，湿喷台车行业技术发展非常迅速，且现阶段相应的设计、试验等技术非常成熟，各大厂商逐步在速凝剂准确供应、自动喷射等技术方面进行研究。以自动喷射技术为例，可依照不同工况，结合实际施工情况，系统设计了初喷洞身、初喷掌子面、拱架背后填充、拱架填充、扫面平整5种不同喷射模式，选定喷射模式后，系统根据喷射参数与超欠挖情况自动规划喷射轨迹，并进行对于模式的自动喷射，如图18、图19所示。喷射过程中系统自动计算喷射方量，并统计混凝土回弹率，施工完成后自动生成喷射日志，包含定位桩号、喷射类型、施工起止时间、拟喷方量、泵送方量、实喷方量、起止里程、回弹率等数据，并同步上传至隧道装备管理云平台，以方便施工管理。为进一步控制湿喷回弹率，铁建重工自主研发了多自由度柔性模喷机械手以及自动喷射技术，采用臂架自动控制系统保证模板在拱架上的精确定位。通过分析机械手动力学特性，建立机械手弯曲关节的运动方程，进一步提高机械手关节的控制性能，实现模板与拱架的柔性贴合。同时，模板上搭载激光雷达实时扫描混凝土轮廓并图18 自动喷射现场Fig.18 The scene of automatic spraying图19 自动喷射软件控制界面Fig.19 Control interface of automatic spraying software重建实体BIM，通过自动控制算法实时调节喷射角度和喷射距离，实现模板内混凝土分层喷射，保证喷射混凝土的密实度。4.1.7锚杆台车锚杆台车是锚杆施作工序的核心装备，其技术成熟度主要体现在不同类型锚杆的一体化、机械化施工过程中，如图20所示。现阶段各大厂商采用不同的技术路线，可以实现单根锚杆的自动施工，但对锚杆类型是有一定的要求。近年来，行业中更多的项目采用树脂锚杆、水涨式锚杆等类型，各大厂商也在积极跟进市场发展，研发不同的工作装置，以适应不同的锚杆类别，如图21所示。图20 系统锚杆施作Fig.20 System-based rock bolt construction196钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图21 水涨式锚杆界面Fig.21 Water swelling rock bolt interface针对锚杆注浆密实度无法保证的问题，铁建重工开发了智能注浆系统，实现：（1）精准计量注浆料各组成部分的参入量，保证浆液配比；（2）实时计量注浆压力、单孔注浆量，确保每个锚孔注浆量达到设计要求；（3）机载注浆泵、注浆管路与锚杆紧密连接，实现注浆过程零泄漏。多重手段保证注浆密实度达到设计要求。4.2协同管理平台钻爆法隧道施工管控涉及风险管理、设计管理、施工管理、设备管理、质量管理等多个方面，装备作为各个施工环节的重要基础，作为各类信息管控数据产生的源头，由装备来供给数据是最优选择。然而传统钻爆法施工配套的机械装备信息化程度较低，存在网络建设不规范、数据缺乏统一要求、数据加工程度不深等问题，无法满足复杂隧道施工地质环境条件下高质量、高标准快速施工的要求。因此，需进一步加大智能化施工装备的深化应用，研究基于装备的协同管控技术，逐步实现网络建设标准化、数据交互标准化、数字孪生标准化、数据应用标准化，提升钻爆法隧道施工的信息化和智能化管控水平，着力推进隧道智能建造。4.2.1网络标准化钻爆法是分工序、流水线作业，不可避免地需要多次拆装维护网络，而传统网络部署方式设备繁杂、链路重复建设、模块化程度不高，导致网络维护困难，可用性不高，无法满足数据实时传输及管控要求，需对现场网络设备及网络建设方案进行规范。标准化网络设备应具备模块化快速部署、防护等级高、覆盖能力强等特点，一套设备即能满足强衰减隧道环境下的网络、视频、语音、定位等各项应用需求。采用洞外主站、洞内从站模块化、主从站功能配置模块化的方式，可满足快速拆装及维护要求，主从站功能特征如图22、图23所示。图22 主站功能图Fig.22 Master station function diagram图23 从站功能图Fig.23 Slave station function diagram网络建设应能满足隧道网络全覆盖要求，支撑洞内洞外数据的双向通信与实时管控。基于主从站的典型网络搭建方式如图24所示。图24 隧道标准化网络建设Fig.24 Construction of standardized network for tunnels4.2.2数据标准化数据标准化对于提高施工管理时效性、准确性和科学性至关重要。首先需要在钻爆法隧道装备上搭载各类智能传感元件，完成隧道施工管控数据的标准化自动采集、真实记录、高效传输，实现数据的有效对接和实时共享。进一步将隧道施工管控数据具象为反映隧道施工即时动态的实时数据和反映不同作业工序的日志数据，分别在边197钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024缘侧进行标准化加工，形成各类标准数据格式，实现实时数据的快速解析、高效入库、灵活使用。最后，针对数据类型、应用场景和产生方式的不同，确定各类数据的传输方式及采集周期，经由上述网络链路以标准化数据交互模式进行传输共享，用以支撑后续数据深化应用，如图25所示。图25 隧道施工管控数据分类Fig.25 Classification of tunnel construction control data4.2.3数字孪生标准化隧道现场施工场景全要素数字孪生是隧道设计优化、施工组织管理、装备预测性维护、质量评价的重要基础，目前钻爆法施工隧道数字孪生模型的建立和应用缺乏标准方法体系，那么如何快速、保真地建立数字孪生模型显得至关重要。施工现场数字孪生场景主要包括各施工阶段的地质模型、隧道模型及装备模型。地质模型依托于原始地勘数据和各个施工循环推演得到的真实围岩信息，动态更新沿隧道线路方向的三维地质模型；隧道模型主要依托于全工序施工日志数据，基于时空序列基准，完成各工序施工模型构件的动态加载映射；装备模型依托于装备状态信息，基于保留关键特性和动态行为的装备轻量化模型，实现隧道施工装备工作场景的还原。融合上述多元施工信息，创建交互式可视化虚拟施工现场，形成包含隧道几何结构和物理特性的标准制式数字孪生体，最终满足隧道施工过程中爆破、支护的精细化设计，施工组织的透明化管理，施工设备的预测性维护，施工质量的精细化管控，如图26所示。4.2.4应用标准化针对钻爆法隧道施工管控需求，围绕风险预警、设计管理、工序组织、质量管控、远程操控等关键环节展开数据深化应用。图26 数字孪生隧道技术路线Fig.26 Technology road-map for digital twin tunnel（1）风险预警风险预警包含环境、进度、地质、装备等多个方面。环境风险方面，基于装备获取的隧道点云扫描数据，分析围岩沉降、收敛等变形情况，计算围岩变形速率和量等数据信息作为围岩变形风险依据，并设定风险提示阈值，实现隧道周身的围岩变形风险管控。进度风险方面，基于全工序施工日志，从开挖和衬砌两个维度对施工进度进行风险预警，可视化展示实际进度与计划的对比结果，并设定滞后风险提示阈值，辅助施工管理决策。地质风险方面，基于智能型凿岩台车钻孔日志采集的钻进参数23，24与掌子面图像数据，对掌子面前方的围岩情况进行分析评定，当围岩判识结果与设计围岩等级不一致，自动进行掌子面前方的地质风险预警。装备故障风险方面，基于数字孪生隧道实时监测装备的运行状态数据，识别装备的异常行为，形成不同装备、不同故障的故障分析算法，并将故障预警信息定向推送到相关人员，确保故障的及时处置。（2）设计管理基于标准制式的数字孪生隧道对不同断面、不同工法下的支护及衬砌结构进行模拟仿真，对隧道结构进行应力分析和稳定性评估，预测可能的结构问题并进行设计调整，确保设计方案的准确性和可行性，保证隧道工程的整体质量和性能。（3）工序组织基于工序组织信息，实时判识当前所处工序以及工序作业结果，实现隧道内工序实时反馈。进一步结合地质数据、工序计划配置信息，及时作出下一循环的施工方案设置调整，对后续现场的施工作业装备及各类施工人员的进场作业时间进行调度安排和衔接优化，如图27所示。198钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGYVol.61,No.2(Total No.415),Apr.2024第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版图27 工序组织管理技术路线Fig.27 Technology road-map for process organization andmanagement（4）质量管控基于扫描日志、全工序施工日志，提取质量智能管控参数25，集成隧道施工质量全要素信息，结合设计院的隧道施工设计数据，以各类隧道施工检验标准为依据，建立与时间关联的隧道支护结构质量评价数字化模型，实现基于装备作业质量信息的全方位全过程实时有效反馈，如图28所示。图28 质量智能管控技术路线Fig.28 Technology road-map for intelligent quality control（5）远程操控为应对隧道施工过程中面临的各种突发地质灾害，保障施工人员安全及施工正常开展，利用远程操控技术实现风险条件下的洞内外作业协同，最大程度地减少施工人员的风险尤为关键。远程操控体系是由洞外集中控制中心通过隧道网络向洞内各装备下发远程控制指令，并实时监控装备工作状态、车载视频影像等数据，实现对装备行驶和作业的远程协同管控，解决在高风险地质环境下的安全作业问题。4.3绿色施工装备随着我国“一带一路”、“向地球深部进军”、“绿色建造”等国家战略的实施，一大批急难险重的国家重大工程提上议程并相继开工建设，呈现出“超恶劣环境、超长距离、超大埋深”的复杂作业隧道环境发展态势。当作业场景海拔高，隧道埋深大，隧道内通风困难，空气稀薄时，燃油型钻爆法施工装备普遍面临动力下降、能耗增加、排放污染加剧等问题，存在“与人争氧”、有害气体大量积聚等安全隐患。绿色施工装备不消耗氧气，作业效率基本不受影响，且在整个作业循环中无废气排放，工作噪音强度可降低30%左右，能有效改善洞内作业环境。绿色建造是我国实施创新驱动发展战略的重要目标，绿色清洁能源逐步代替化石能源势在必行。在国家实现“双碳”目标、构建双循环新发展格局的背景下，燃油型隧道钻爆法装备向纯电动化绿色升级转型成为重要的发展方向。安全、高效、节能是隧道钻爆法绿色施工装备的主要目标和技术研究热点。当前隧道钻爆法施工装备正处于全电动绿色化转型发展初期，存在工程适应性不足、驱动形式单一、能量综合利用率较低等问题，制约了钻爆法绿色施工装备的推广与应用。针对以上诸多问题，亟需深入研究隧道钻爆法绿色施工装备工况自适应控制方法、钻爆法绿色施工装备电驱动设计体系、多源多模式电力供给技术、钻爆法绿色施工装备与模块化电池组空间协同优化设计技术等，加快形成适应于隧道复杂作业环境的隧道钻爆法绿色施工装备全工序谱系，实现隧道钻爆法施工全流程零排放，节能高效作业。4.3.1钻爆法绿色施工装备隧道复杂作业环境工况自适应技术基于如高寒、高海拔、高温、高湿度施工环境，长距离陡坡、大转弯、坑洼、非铺装雨雪路面等路况，构建多场景环境动态匹配数据库；明确绿色施工装备不同行驶模式下动态载荷变化规律，阐明路面状态-电驱动系统相互耦合机理；研究装备动力电池、电驱动系统、作业对象之间的全流程动力-载荷双向匹配方法，提升钻爆法绿色施工装备的复杂工况适应性，如图29所示。图29 钻爆法绿色施工装备隧道复杂作业环境工况自适应构架Fig.29 Adaptive framework for green constructionequipment in complex working conditions199钻爆法隧道施工装备技术进展与展望现 代 隧 道 技 术MODERN TUNNELLING TECHNOLOGY第61卷第2期(总第415期),2024年4月出版Vol.61,No.2(Total No.415),Apr.20244.3.2钻爆法绿色施工装备多轮分布式电驱动系统设计体系针对现有集中式传动效能较低、驱动模式单一、空间利用率不高等问题，结合隧道复杂作业环境、钻爆法施工装备结构特性，研究高效能、轻量化多轮分布式电驱动系统。多分布式驱动系统具有传动链短、结构紧凑、能源利用率高、轮胎附着力分配精细等优势，能够大幅提高整车综合性能和能源利用效率，但行驶工况、运行模式以及结构参数变化对整车动力学特性存在不同程度的影响，需对其多源激励耦合机制及运动形成机理展开深入研究，构建满足行驶续航、应急工况需求等多项指标的钻爆法绿色施工装备多轮分布式电驱动标准化控制系统设计体系，如图30所示。图30 钻爆法装备多轮分布式电驱动系统模型Fig.30 Model of multi-wheel distributed electric drive system for drill and blast construction equipment4.3.3 钻爆法绿色施工装备与动力电池深度集成技术针对隧道狭小空间施工、长续航作业等需求，研究绿色施工装备与模块化电池组空间协同优化设计技术，开展低能耗与轻量化设计，提升单位空间电池装机容量与装备施工灵活性，建立钻爆法绿色施工装备与模块化电池深度集成设计方法，提升整机的动力电池装机容量、模块化和标准化部件达20%以上。4.3.4钻爆法绿色施工装备多源多模式电力供给与管理技术钻爆法施工装备整机所需动力容量大，分系统多，结构复杂。针对复杂地质隧道狭小空间施工、长续航作业等需求，研究钻爆法绿色施工装备与模块化动力电池组空间协同优化设计技术，提升单位空间电池装机容量与装备施工灵活性。针对电力供给方式与装备补能灵活性，研究多种电力供给模式下钻爆法电驱动施工装备多源融合方法，实现对交流浮充、直流快充、电池更换一体化集成，同步研究复杂工况下电池系统与驱动系统能量分配控制策略，提升装备能量利用效率与续航能力，实现能耗与维护保养成本较燃油设备显著降低。研制适应于高原隧道复杂作业环境的隧道钻爆法关键工序成套绿色施工装备：纯电动多功能钻机、纯电动凿岩台车、纯电动除尘台车、纯电动湿喷台车、纯电动锚杆台车、纯电动拱架台车，实现隧道钻爆法施工全流程零排放，对于改善施工人员作业环境，提高隧道施工装备作业效率，提升我国隧道绿色建造水平，带动工程装备技术迭代更新，加快构造我国现代化建造技术体系具有重要意义。5结 论从全球近几年的工程项目来看，建筑行业已从路面建筑逐步在向地下空间发展，在未来很长一段时间中，地下空间建造行业中必然呈现出繁荣的景象，因此占据地下空间施工方法大部分份额的钻爆法仍有非常广泛的应用。在当下科技水平极具爆炸性发展的今天，钻爆法隧道施工装备的技术也是日新月异，必将跟随时代发展的步伐，对原有无法想象、无法实现的功能、性能等予以实现。从整体技术发展的方向上来看，必然向着无人、智能、信息、环保、节能等方向发展。参考文献References1 洪开荣.我国隧道及地下工程近两年的发展与展望J.隧道建设,2017,37(2):123-134.HONG Kairong.Development and Prospects of Tunnels and Underground Works in China in Recent Two YearsJ.Tunnel Construction,2017,37(2):123-134.2 严金秀.中国隧道工程技术发展40年J.隧道建设(中英文),2019,39(4):537-544.YAN Jinxiu.Achievements and Challenges of Tunneling Technology in China over Past 40 YearsJ.T