关于我国山岭隧道钻爆法施工技术发展的一些思考.pdf
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1、引用格式:王青松.关于我国山岭隧道钻爆法施工技术发展的一些思考J.隧道建设(中英文),2023,43(增刊 1):37.WANG Qingsong.Some thoughts on development of drilling-and-blasting construction technology for mountain tunnels in ChinaJ.Tunnel Construction,2023,43(S1):37.收稿日期:2023-02-18;修回日期:2023-06-05基金项目:中铁二十局集团有限公司科研项目计划(YF2100SD01A,YF2000SD01B);中国铁
2、建股份有限公司科研项目计划(2021-B11)作者简介:王青松(1989),男,河南三门峡人,2019 年毕业于长安大学,桥梁与隧道工程专业,博士,高级工程师,主要从事隧道工程技术管理与科研工作。E-mail:10972076 。关于我国山岭隧道钻爆法施工技术发展的一些思考王青松1,2(1.中铁二十局集团有限公司,陕西 西安 710016;2.中国铁建高原隧道施工技术及装备研发中心,陕西 西安 710016)摘要:为进一步提升我国山岭长大隧道钻爆法施工技术水平,结合我国山岭隧道钻爆法施工技术现状,重点从超前地质预报、机械化施工、新能源电动装备应用、装配化施工、智能化施工、碳减排以及施工管理的高
3、效化等 7 个方面进行总结分析,并指出我国山岭隧道钻爆法施工技术的重要发展方向。得出:1)隧道超前地质预报应重视超长水平钻的研究和应用,重点开展多源地质信息采集技术和智能融合解译 2 个方面的研究,提高隧道超前地质信息的靶向采集水平以及预判精度。2)要进一步完善和细化隧道大型机械化配套施工相关标准及行业规范,攻克大型工装的核心技术,实现关键工序装备的研发及应用。3)对于新能源电动工程装备,需进一步提升其电池储能能力以及实现隧道洞内智能化快速拆换电池技术。4)加强受限于隧道狭小空间下不中断交通的衬砌拼装专有设备与相关施工组织的研究,是实现隧道钻爆法施工衬砌装配化的重要途径。5)隧道实现智能化施工
4、的 2 个阶段为装备智能化及施工智能化。6)要加强隧道建设期与碳排放相关的理论研究及实践应用。7)施工管理高效化的实现需进一步推进和完善设计施工总承包模式,建设单位要充分发挥设计及施工单位应对隧道施工复杂多变环境的自主性和灵活性,施工单位要加强在隧道施工关键路径和关键链中的资源倾向和配置,以及提升基层管理水平。关键词:隧道;钻爆法;新能源;机械化;装配化;智能化;碳排放DOI:10.3973/j.issn.2096-4498.2023.S1.005中图分类号:U 45 文献标志码:A 文章编号:2096-4498(2023)S1-0037-09S So om me e T Th ho ou u
5、g gh ht ts s o on n D De ev ve el lo op pm me en nt t o of f D Dr ri il ll li in ng g-a an nd d-B Bl la as st ti in ng g C Co on ns st tr ru uc ct ti io on nT Te ec ch hn no ol lo og gy y F Fo or r MMo ou un nt ta ai in n T Tu un nn ne el ls s i in n C Ch hi in na aWANG Qingsong1,2(1.China Railway 2
6、0th Bureau Group Co.,Ltd.,Xian 710016,Shaanxi,China;2.CRCC Limited Plateau TunnelConstruction Technology and Equipment R&D Center,Xian 710016,Shaanxi,China)A Ab bs st tr ra ac ct t:To further improve the construction level of drilling-and-blasting method for long tunnels in Chinas plateau areas,the
7、current situation of drilling-and-blasting construction technology in Chinas mountain tunnels is present,and advance geological prediction,mechanized construction,application of new energy electric equipment,assembly construction,intelligent construction,carbon emission,and efficient construction ma
8、nagement are introduced.In addition,the important development directions of carbon emission,construction technology in Chinas mountain tunnel are proposed.Following conclusions are drawn:(1)The research and application of ultra-long horizontal drilling in advance geological prediction of tunnel shou
9、ld be paid attention to.The research on multi-source geological information acquisition technology and intelligent fusion interpretation should be conducted to improve the target acquisition level and prediction accuracy of tunnel advance geological information.(2)It is necessary to further improve
10、and refine the relevant standards and industrial specifications for large-scale mechanized supporting construction of tunnels,conquer the core technology of large-scale tooling,and realize the development and application of some key process equipment.隧道建设(中英文)第 43 卷(3)For the new energy electric eng
11、ineering equipment,it is necessary to further improve its battery energy storage capacity and realize the intelligent rapid battery replacement technology in the tunnel.(4)It need to strengthen the research on specialized lining assembly equipment and related construction organizations that are limi
12、ted to uninterrupted traffic in narrow tunnel spaces,it is an important way to achieve the assembly of tunnel lining using drilling and blasting methods.(5)The realization stage of intelligent tunnel construction includes:intelligent equipment and intelligent construction.(6)The theoretical research
13、 and practical application of carbon emissions during tunnel construction should be strengthened.(7)The realization of efficient construction management needs to further promote and improve the design and construction general contracting mode.The construction unit should fully leverage the autonomy
14、and flexibility of the design and construction units in dealing with the complex and ever-changing environment of tunnel construction.Construction companies should strengthen the resource orientation and allocation in the key path and key chain of tunnel construction,and improve the level of grassro
15、ots management.K Ke ey yw wo or rd ds s:tunnel;drilling-and-blasting method;new energy;mechanization;assembly;intelligence;carbon emissions0 引言进入 21 世纪以来,随着我国经济的不断发展和基础建设的持续推进,隧道修建技术水平得到进一步的发展。目前,我国已是世界上隧道及地下工程规模最大、数量最多、地质条件和结构形式最复杂、修建技术发展速度最快的国家,并逐步朝着“高、深、大、长”的方向发展1-3。截至 2022 年底,我国已投入运营铁路隧道共 17 873
16、 座,总里程约 21 978 km4。截至 2021年底,我国已建成公路隧道累计 23 268 座,总里程约24 699 km5。虽然我国已成为隧道大国,并在一些领域已达到世界先进水平,但整体距离隧道科技强国还有较大差距,在工程建设领域还存在一些亟待解决的问题。我国盾构/TBM 制造水平已进入国际前列,实现了隧道掘进的智能化、信息化,自主制造的盾构已基本覆盖国内市场,并已转向出口6。但山岭长大隧道往往地质条件复杂多变,施工风险高,TBM 难以有效适应,且造价高昂,从隧道建设发展的实际来看,钻爆法施工具有较强的灵活性和适用性,仍是隧道施工中较为重要和普遍的施工方法7-10。很多学者针对山岭隧道施
17、工技术发展的方向和趋势做了相关研究,严金秀11从勘察方面、设计理念、施工方面及运营方面,提出了深埋特长山岭隧道技术挑战及对策;王述红等12提出一种新的山岭隧道围岩参数智能反演模型;马伟斌13系统总结了我国山岭隧道的主要设计、施工方法,并分析了近 10 年钻爆法关键技术在工程中的应用及机械化装备的技术概况,提出了山岭隧道面临的问题及未来的发展趋势;郭卫社等14阐述了隧道智能建造的总体目标与技术路径,并提出智能预制生产线+现场智能化装配+数字化管控将成为隧道智能建造的发展趋势;马伟斌等15论述了钻爆法铁路隧道预制装配式建造方案,并进一步阐述了钻爆法装配式隧道在理论研究、设计方法、施工方法和工程管理
18、等方面的核心内容和关键技术;王志坚等16认为钻爆法隧道智能建造的基本内涵是采用智能化、信息化技术构建智能超前地质预报、智能围岩质量评价、智能设计、智能施工、工程智能管理的多系统协同控制的隧道建造新模式。然而,已有研究多偏重于理论方面,因此,本文着眼于山岭隧道施工中存在的一些重要问题,并结合现阶段山岭隧道施工一线的工程实践,对当前山岭长大隧道钻爆法施工技术现状、不足及其发展趋势进行总结,以期为长大山岭隧道的修建提供参考。1 超前地质预报与灾害预警隧道超前地质预报技术总体分为地质分析法类和物探法类,前者主要包括洞内地质素描法、超前钻探类、超前导坑等,后者则主要包括地震波反射类(TSP),电磁法类(
19、地质雷达法、瞬变电磁法),电法类(直流电法、激发极化法)及其他方法(红外探测法等)17。传统的地震波法设备(TSP)对地下水探测的能力非常有限,而瞬变电磁探测方法对地下含水体响应敏感,其相关理论水平已显著提高,实践应用也较为广泛18-20。隧道施工过程中,超前地质预报应重视超长水平钻的研究和应用。实际施工中现有超前取芯钻机的设备性能仍存在一些不足,3050 m 长若只进行钻孔,一般需 23 h,若需要取芯,则耗费时间较长,一般需1530 h。在高指标的进度要求下,超前钻孔取芯的实施往往大打折扣,因此,高性能的超前水平钻仍是行业亟需解决的难题。目前国外某型号的超前钻机,其卡盘式动力头的转速和转矩
20、分别可达 1 400 r/min 和2 425 Nm,钻杆起/下钻时间需 11 s,可节省 30%辅助时间。另外,通过电脑自动控制系统,可实现自动钻进、内管泵入及绳索循环等功能,通过智能分析功能,83增刊 1 王青松:关于我国山岭隧道钻爆法施工技术发展的一些思考实现地质钻进参数的随钻随测。该设备在国内某大型隧道勘探施工中单孔取芯钻进成功达到 1 400 m 进尺级别,综合钻进速度达到近 30 m/d,可为国内相关设备研发提供参考。当前多源复杂地质信息融合及智能判别技术水平整体较低,应在传统地质综合预报技术的基础上,结合机械化装备,综合运用钻探、监测、成像、视频等多项技术深化隧道超前钻孔的综合探
21、测技术,提高精度和准确度,形成多源地质信息融合的围岩质量评判与不良地质智能评价方法。综合“TSP+地质雷达+瞬变电磁+超前钻孔+加深炮孔”多参数实施探测等方法,提出模块化、半智能-智能化多源信息联合反演理论与综合预报技术,提高多源复杂地质信息的解译效率与准确性。隧道施工中,需细化超前地质预报必测和选测项目,重视超长水平钻的研究和应用,开展多源地质信息采集技术和智能解译研究,提高隧道超前地质信息的靶向采集水平以及预判精度21-22。2 机械化配套施工我国山岭隧道施工机械化配套技术始于 20 世纪 80 年代,建设大瑶山隧道时首次从国外引进液压凿岩台车、混凝土喷射三联机等大型隧道施工装备,此后长时
22、间受国内劳动力成本较低和机械化装备一次性投入费用高等因素的影响,隧道钻爆法施工机械化水平发展滞缓23。施工机械化是隧道施工发展的必然趋势,郑万铁路、京张铁路的建设运用了三臂液压凿岩台车、拱架拼装机、智能衬砌台车等装备,取得了良好的效果。山岭隧道钻爆法施工常用的机械化配套方案见表 1。表 1 山岭隧道钻爆法施工大型机械化配套24Table 1 Mechanization matching plan for drilling-and-blasting construction of mountain tunnels24工序装备地质预报超前地质钻超前支护锚杆钻机、多功能钻机开挖液压凿岩台车装药人工装
23、药初期支护拱架安装台车、锚杆钻机、湿喷机械手、多功能台架防排水防水板自动铺设台车、钢筋作业台架二次衬砌及养护智能衬砌台车、自行式仰拱栈桥、养护台车水沟电缆槽自行式沟槽模板台车 现阶段我国山岭隧道的机械化施工水平已经有了很大的提高,但依旧存在很多问题。1)行业规范标准有待完善。例如凿岩台车本身结构的影响及远距离打孔使得周边炮眼孔产生较大的外插角,爆破产生的超挖较人工手持风钻大,隧道现行标准对不同级别、岩性的围岩施工时,凿岩台车的超挖量暂无明确的给定值。2)当前我国隧道施工装备的一些核心技术并未完全国产化,或国产同等设备性能存在不足。例如,液压凿岩台车的核心构件 凿岩机以及智能控制系统,现阶段多从
24、国外采购,导致液压凿岩台车整机价格昂贵;并且现阶段我国人口红利仍然存在,人力成本相对国外较低,导致隧道施工中仍存在大量人工手持风钻打设炮孔等情况。大型机械熟练操作手的欠缺,也是制约隧道施工机械化作业的重要因素,因此,建议相关施工单位注重培养自己的蓝领技工以及机械化施工队伍。3)关键工装设备欠缺或不成熟。受行业管控要求,我国隧道爆破施工采用的是人工药卷式装药,目前国内关于药卷式装药的机械化设备研究非常欠缺。一方面由于行业管控问题,另一方面药卷式炸药实现装药机械化的难度很大,短期内仍需大量人力进行装药。同样,现有隧道拱架安装台车已有效解决拱部拱架的架设和安装,但其抓举机构灵活性仍存在不足,对于不良
25、地质隧道仰拱处的拱架安装仍采用人工布设。隧道二次衬砌施工采用的主要是现浇工艺,市场上现有钢筋台车并未有效解决二次衬砌环向及纵向双层钢筋的布设问题,仍需要大量人力进行施工。因此,建议相关科研单位联合施工企业加大对隧道关键工序机械化设备的研发投入,重点攻克钻爆法施工中的自动化装药、二次衬砌钢筋自动布设等技术。4)施工观念有待改变。长期以来我国的大量隧道工程实践形成了台阶法、CD 法、CRD 法、环形开挖预留核心土法等施工工法,有效解决了不良地质隧道的开挖难题,促进了我国隧道施工技术的积累和进步。但这些施工技术及施工工艺是离不开当时的中国国情,传统分部分块施工理念已不能完全适应现阶段大型机械化的施工
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