智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用.pdf

文章编号:()收稿日期:基金项目:中国铁路总公司铁路智能建造工程定额(隧道)测定项目()作者简介:崔步云()男甘肃天水人高级工程师主要从事铁路工程施工技术研究、项目管理方面的工作:.引文格式:崔步云.智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用.铁道建筑技术():.智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用崔步云(中铁十八局集团有限公司 天津)摘 要:为了解智能建造技术在我国铁路隧道中的应用情况依托郑万铁路苏家岩隧道、向家湾隧道及张吉怀铁路古丈隧道、吉首隧道项目阐述涨壳式 锚杆、锚杆应用情况及施工工序分析电脑智能凿岩台车施工工法特点及智能化功能总结隧道机械化拱架安装、智能化衬砌台车与智能化养护台车施工工序、技术指标、系统构成并对我国铁路隧道智能建造技术发展远景进行展望 实践表明智能建造技术在中铁集团多项隧道项目均取得良好的应用效果相关技术推动了凿岩、衬砌施工的智能化及信息化发展节省了人力资源施工效果良好可为隧道智能化建设提供参考关键词:铁路隧道 智能建造 智能衬砌台车 锚杆中图分类号:.文献标识码:./.(.):.:引言截至 年底我国铁路营业里程达.万 其中高铁运营里程突破 万 稳居世界第一 中国高速铁路隧道具有规模大、难度大、急需技术革新等特点 因此在铁路隧道工程的未来发展中需大幅度革新隧道修建技术才能够适应新时代高速铁路隧道建设需求 近两年国家大力推广智能建造技术以突破传统工程中的技术难题智能建造旨在建造过程中充分利用智能技术和相关技术从而减少对人的依赖达到安全建造的目的 目前智能建造在水利、土木工程、城市道路、渡河工程等领域的探索已初具成效形成了一定的智能建造理论与方法体系洪开荣在近 年我国隧道及地下工程发展与思考(年)中指出应当有目的、有计划地促进“智能建造”“”等先进技术与隧道工程有机融合智能建造技术在铁路隧道施工中也取得了丰硕成果其中智能建造技术主要应用于以下几个方面:()新施工技术的应用 如郑万高速铁路湖北段应用的机械化全断面施工超前支护体系设计方法与大断面机械化施工隧道二次衬砌支护()新装备、设备的制造 如广东省长大公路工程有限公司引进的 系列全电脑凿岩台车()数字化智能系统的研发铁道建筑技术 ()崔步云:智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用如武汉地铁小洪山段隧道应用的变形智能监测系统 徐剑安通过模块化开发了 关键参数智能掘进系统技术框架中国铁建、中国中铁旗下集团公司在郑万铁路、张吉怀铁路等隧道工程中对智能建造技术进行了相关探索应用了电脑智能凿岩台车、涨壳式锚杆等智能新设备取得了良好效果攻克了关键技术难题可为隧道智能建造提供参考 智能建造项目统计概况郑万铁路苏家岩隧道、向家湾隧道及张吉怀铁路古丈隧道、吉首隧道其项目情况概述如下:()郑万铁路苏家岩隧道郑万铁路湖北段 标苏家岩隧道全长 设 座施工横洞 全隧分进、出口两个工区 进口担负正洞施工长度 出口担负正洞施工长度 隧道进口工区长 配置全电脑三臂凿岩台车、拱架安装台车、湿喷机械手、衬砌模板台车、整体移动式沟槽模板台车、混凝土蒸汽养护台车、自行式液压仰拱栈桥等大型机械设备()郑万铁路向家湾隧道郑万铁路湖北段 标向家湾隧道为双线隧道全长 该工点配置全电脑三臂凿岩台车、湿喷机械手、带压注浆二衬台车等大型机械设备()张吉怀铁路古丈隧道张吉怀铁路 标古丈隧道为双线铁路隧道全长 .隧道进口无进洞条件设杜家坡横洞 座横洞工区长.工区配备全电脑三臂凿岩台车和湿喷机械手、衬砌智能养护台车等主要大型机械设备()张吉怀铁路吉首隧道吉首隧道位于湖南省湘西州吉首市境内隧道全长 为单洞双线隧道 项目配备全电脑三臂凿岩台车和湿喷机械手、衬砌智能养护台车等主要大型机械设备 智能建造技术应用.涨壳式 锚杆主要施工工艺包括以下几步:()锚杆组装 锚杆主要由全螺纹中空杆体、螺母、半球形钢制垫圈、拱形垫板、钢制涨壳锚头组成 在锚杆安装前需对锚杆进行组装使前端的涨壳头与中空杆体连接在一起保证涨壳头只需套在中空杆体上不脱落即可结构见图 图 锚杆组装示意()钻孔采用锚杆台车或凿岩台车钻孔 钻孔时钻杆务必保证与岩面垂直钻孔深度不得小于设计长度的 根据围岩情况确定锚杆钻孔孔位孔位允许偏差 ()注浆采用水灰比为.的水泥浆强度为 搅拌时间为 注浆压力控制在.注浆过程应连续、不停顿浆液从垫板上的排气孔内溢出浓浆时终止注浆.锚杆单根 锚杆由锚杆体、注浆囊、防腐套管、涨壳锚固件、垫板、螺母组成 单根 锚杆结构如图 所示图 锚杆结构 锚杆安装需要额外几个步骤:()涨开涨壳:吹净钻孔孔道后将锚杆插入孔道到位后用力拉动锚杆体随着杆体被拉出涨壳头充分涨开使涨壳与岩壁充分咬紧()孔口找平:在施加预应力前应进行孔口找平工作 采用早强水泥等材料尽量使锚杆体与垫板垂直以便实现预应力施加()施加预应力:安装到位后调整垫板角度尽量与基面密贴 使用风动扳手拧紧螺母对杆体施加预应力.电脑智能凿岩台车电脑三臂凿岩系列台车是隧道智能建造发展的主要施工机械 目前代表机型有中铁装备的/系列凿岩台车和铁建重工的 系列凿岩台车 电脑智能凿岩台车在原液压式三臂凿岩台车基础上增加了激光辅助电脑导航、开挖断面电脑布孔和对点功能、工作过程数据实时监控与采集、系统自动检测及故障报警等多种智能化功能()工法特点测量、钻眼、装药均可通过全电脑三臂凿岩台车的相铁道建筑技术 ()崔步云:智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用关组件完成施工方便、快捷可提高工作效率安全系数明显高于人工风钻开挖 全电脑三臂凿岩台车开挖以电力作为动力不产生粉尘清洁无污染、噪音较小、级围岩采用全断面开挖级围岩在施工过程中根据围岩情况采用加固措施后可选择全断面法开挖或微台阶法开挖(见图)双线隧道现场配置 台全电脑三臂凿岩台车图 凿岩台车布置()智能化功能激光辅助电脑导航激光导航原理可以理解为沿着激光线走出隧道中心线 首先在隧道内架设激光发射器测量出激光线在隧道中的空间位置后根据交点法换算出激光线与每一个分段掌子面的交点坐标及夹角生成符合半电脑系统格式要求的激光文件并导入 系统内进行激光导航如图 所示通常分段间距为 分段号一般为距隧道口的米数图 激光分段导向示意开挖断面电脑布孔和对点功能全电脑三臂凿岩台车内置自动布孔软件 可实现按孔位对点功能给出相应凿岩、爆破参数根据布孔图要求自动反馈调整凿岩参数并根据预定深度自动计算凿岩机钻孔深度保证钻进深度内断面齐平数据采集、交互及传输全电脑三臂凿岩台车通过实时采集推进速度、回转速度、推进压力、回转压力、冲击压力、水排渣压力等参数形成记录文档并实时反馈至终端后得到色相图和曲线图实现岩石钻孔数据可视化如图 所示图 数据交互.隧道机械化拱架安装拱架安装台车具有在台阶法、全断面法施工时对钢拱架的举升及定位、网片安装、拉筋焊接、打锁脚锚杆、支护导管等功能 三臂结构可满足钢拱架的上拱、上导拱与两侧下导拱的一次性同时安装 拱架安装台车行走装置采用履带式动力装置采用柴油发动机驱动和电动机驱动的双动力型式同时配备有 的电缆卷盘便于隧道内采用电源为动力进行移动作业三个工作臂可以进行带载伸缩作业配合前方工作平台可以实现对钢拱架安装时的微调定位 主要施工工艺:施工准备钢架运输钢架台车就位安装钢架、钢筋网安装纵向连接筋锚杆固定、打锁脚锚杆(管)检查、验收.隧道智能化衬砌台车通过对隧道衬砌台车进行进一步改造在智能化基础上又增加了带模注浆功能 新型智能衬砌台车规格参数见表 表 智能衬砌台车规格参数序号项目参数台车衬砌长度/台车外轮廓半径加大值/模板面板厚度/台车纵向坡度/通风管直径/混凝土输送管直径/台车通过净空尺寸(高 宽)/工作窗尺寸(长 宽)/台车脱模方式(液压式或机械式)液压式台车行走方式(自行式或拖动式)自行式铁道建筑技术 ()崔步云:智能建造技术在铁路隧道施工中的技术应用 新型智能砼衬砌台车在无骨架台车的基础上对结构进行优化改造具备以下功能及特点:()台车结构优化采用双门架大跨结构取消原支撑栈桥减轻了部分重量加大了人车通行净空增大了布料系统操作空间模板底面垂直支撑采用手摇蜗轮蜗杆式螺旋千斤顶降低了工人劳动强度在模板台车中心线位置沿纵向设置一定数量的注浆孔并安装注浆用固定法兰在浇筑混凝土前预埋活性粉末注浆管浇筑混凝土完成后及时进行带模注浆操作(见图)相对无骨架模板台车操作更简单 液压系统具备遥控控制、手动控制两种作业模式图 衬砌台车带模注浆孔设置()系统功能特点在无骨架台车的基础上增加了智能操控系统显示界面优化刹尖孔结构采用液压控制替代人工操作采用倒三角胶条与光电测距报警配合优化了砼搭接端的防顶裂功能自动生成衬砌数据报表根据相关联数据进行工作分析模板拱部采用 个气动振捣器 气动振捣器相对于传统的附着式振捣器具有频率高且振动频率可调的特点避免了与模板台车产生共振 台车设置不少于 个注浆孔并配套专门的注浆设备和 注浆管可具备带模注浆功能提高拱顶混凝土密实度和强度.隧道衬砌智能养护台车隧道衬砌智能养护台车能够实现养护区域内温度、湿度智能控制可显著提高隧道衬砌质量特别是衬砌混凝土强度、表面致密性()主要性能及参数台车尺寸为 .行走轮中心距为 行车道净空为.行走速度为 /智能温控系统为温度数显、自动控制、可导出温度曲线、生成报表雾化系统可实现湿度 以上总功率为()系统结构组成隧道衬砌智能养护台车整体结构设计为门架形式主要由主结构、外拱、加热系统、密封系统、雾化系统、智能温湿度控制系统等组成(见图)图 隧道衬砌智能养护台车结构组成主结构主结构为整车中心受力部件由上部支撑结构及走行驱动系统组成 上部支撑结构采用型材焊接走行驱动系统为养护台车向下一个工作面推进提供行走动力外拱外拱采用折线形设计为型材焊接结构布置于主结构外侧与主结构上部支撑采用螺栓连接加热系统加热系统采用定制的防水、耐高温、耐强酸强碱、阻燃隔热保温的工业级电加热装置 在外拱外侧分区域实现加热并设置独立温度传感器通过控制器实现智能温度控制密封系统密封系统设置于外拱前后两端及底部 密封系统的应用使养护区域处于一个相对封闭的空间为养护台车温湿度控制提供保障雾化系统雾化系统采用 级雾化喷头、不锈钢高压流体输送管道等实现区域雾化并通过湿度传感器将数据传送至控制器(下转第 页)铁道建筑技术 ()刘时光:湖底隧道侧墙抗裂混凝土刚性自防水技术研究与应用保湿养护、实体结构检验与验收及工程监测等方面提出抑制混凝土收缩开裂的具体措施实现了放热与变形性能优化调控()夏季施工当侧墙厚度大于.通过采用抗裂混凝土与冷却水管协同技术降低实体结构水泥水化温升全过程以补偿不同时期收缩变形开裂系数低于.有效降低了收缩开裂风险()经.厚度侧墙抗裂性实践应用采用抗裂混凝土及冷却水管协同控制最高温升、最大温差、膨胀与收缩均符合要求 高度方向越靠近底板位置外约束更强单位温升膨胀变形与温降收缩越小 通过温升抑制、全过程补偿收缩裂缝控制技术综合应用监测周期内变形曲线光滑未出现开裂跳跃点与实体结构观察结果相对应参考文献 王铁梦.工程结构裂缝控制.北京:中国建筑工业出版社.赵长才郭玮.建筑自防水混凝土核心技术研究.新型建筑材料():.胡福洪胡翔宇.防渗墙塑性混凝土材料性能试验研究.新型建筑材料():.吴海林 彭云枫.沥青混凝土心墙坝应力变形及水力劈裂研究.水力发电学报():.张坤 张戎令.入模温度及引气剂含量对混凝土力学性能的影响.混凝土():.李进荣.基于改进骨干粒子群算法的大体积混凝土水化热管冷参数优化.铁道建筑技术():.何艳杰.冷却管在大体积混凝土工程中的应用.铁道建筑技术():.刘可心吴柯刘豪雨.港珠澳大桥超大断面隧道混凝土裂缝控制技术.水运工程():.林立文王晨光.抗裂剂与冷却水管协同控制金鸡湖隧道侧墙结构开裂应用研究.混凝土与水泥制品():.金文良 徐文.太湖隧道混凝土收缩裂缝控制技术.中国港湾建设():.徐文李忠超张建亮等.水管冷却控制地铁车站侧墙混凝土早期开裂研究.中国建筑防水():.张坚徐文王育江等.金鸡湖隧道现浇侧墙结构抗裂性能提升技术与应用.江苏建筑():.(上接第 页)智能温湿度控制系统智能温湿度控制系统是养护台车的核心部分由温湿度控制器、传感器和加热加湿部分组成()蒸汽养护工序流程施工准备养护台车行走、就位、固定养护区域密封养护温度、湿度设定养护作业检查、加水、维护工作面清理结束 结论与展望张吉怀铁路古丈隧道、郑万铁路湖北段苏家岩隧道张吉怀铁路吉首隧道、郑万铁路向家湾隧道施工广泛应用了涨壳式 锚杆及 锚杆能够配合锚杆台车实现围岩的锚固施工三臂凿岩台车增加了激光辅助电脑导航系统可高效完成工程中数据采集、故障报警、及时纠正钻进误差等工作在辅助布孔、数据采集交互等方面具有明显优势隧道智能化衬砌台车丰富了带模注浆功能且具有操作空间大、安装简单、便于遥控作业等优点隧道智能养护台车实现了养护区域温度、湿度的智能控制显著提高了隧道衬砌混凝土强度、表面致密性等衬砌质量参考文献 王志坚.郑万高铁隧道智能化建造技术研究及展望.隧道建设(中英文)():.马智亮.智能建造应用热点及发展趋势.建筑技术():.刘耀儒 侯少康 程立 等.水利工程智能建造进展及关键技术.水利水电技术(中英文):.刘占省 孙啸涛 史国梁.智能建造在土木工程施工中的应用综述.施工技术(中英文)():.佚名.城市道路隧道建造技术取得新突破.中国公路():.卓越.京张高铁官厅水库特大桥工程智能建造及智能运维技术应用方案.铁路计算机应用():.洪开荣 冯欢欢.近 年我国隧道及地下工程发展与思考(年).隧道建设(中英文)():.王明年 张霄 赵思光 等.软弱围岩隧道机械化全断面施工超前支护体系设计方法研究.铁道学报():.王志龙 童建军 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