钻爆法隧道施工装备技术进展与展望.pdf
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1、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 410
2、100)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;
3、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)
4、: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、
5、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
6、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MODER
7、N 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
8、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
9、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
10、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
11、、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。
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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
17、 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.
18、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
19、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
20、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
21、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
22、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
23、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
24、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
25、),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
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