隧道施工建设智能化(2)

隧道钻爆法施工设备智能化探讨

赵昊1赵守民2杨宏射3（1、中铁隧道集团二处有限公司，河北燕郊0652012、青岛国信集团，山东青岛2660003、

(相关资料图)

中铁隧道集团二处有限公司，河北燕郊065201）

摘要：列举了隧道施工设备的智能化的个例，提出了借鉴科学新技术使隧道施工生产线设备智能化实现的可能性；通过研究“北斗+5G、车联网、BIM”等新技术，借鉴“北斗+5G”定位的优势、“车联网”无线通信和信息交换的特点以及“BIM和三维激光扫描技术”在工程技术方面的广泛应用；以“矿山法隧道”施工单体设备智能化的为例，总结了隧道施工设备行业发展现状，提出今后发展思路；最后提出了“通过技术嫁接扩能改造单体智能化设备，链接综合智能化平台，来实现生产线的智能化”的设想，并对“隧道施工设备生产线智能化”的实现提出了建议。

关键词：隧道；BIM；北斗+5G；设备智能化

0引言

北斗导航+5G技术的诞生，国内很多行业智能化呈现爆发式的发展。借鉴其他行业的发展，隧道施工这个高危行业，借助智能化设备做到少人化或无人化作业。使更多的隧道从业人员能够理解智能化的可能性、可行性，对项目决策、设备投入提供新的思路。

随着2020年10月北斗导航卫星的组网完成和通讯5G技术应用，各行业在智能化领域如虎添翼，发展迅速。例如无人驾驶的公交汽车，北京、长沙无人驾驶的出租车；农业领域无人驾驶的播种机、插秧机、拖拉机、收割机［1］；智能化港口无人操作的港口桥吊、运输车［2］；矿业开采方面山东能源集团无人（远程）操作的煤矿采掘设备［3］等等。作为施工条件艰苦、作业环境恶劣、危险性大的隧道施工，隧道施工少人化或无人化越来越迫切。

隧道施工设备智能化有一些学者做了研究，并取得了一定的成果：王同军对我国铁路了隧道智能建造体系［4］及建造技术［5］进行了介绍；王志坚以郑万铁路湖北段为例、对高速铁路山岭隧道智能化建造技术做了介绍［6］；韩自力对高速铁路隧道轻量化BIM、监测监测信息化平台等方面对智能化技术进行了研究和展望［7］；刘飞香通过智能建造、智能装备、协同管理等方面对铁路隧道智能化技术创新和展望进行了阐述［8］；刘喆主要以BIM技术为例对铁路隧道智能建造技术的发展与应用做了介绍［9］。

隧道施工设备智能化研究才刚刚起步，只是部分设备的智能化和部分隧道部分工序的智能化，还没有形成真正全线的无人化、智能化。随着北斗导航+5G技术发展，解决了数字信息传输速度问题，即解决了授时延迟和授位精度问题，进而解决了隧道施工设备智能操作的基础问题；在前人研究成果的基础上，借鉴科学新技术、对隧道施工生产线设备智能化提出构想和建议。

1、隧道施工设备智能化的必要性

1.1劳动力供求的需要

目前从事钻爆法施工的一线劳动力年龄偏大，一般年龄都在50岁左右，钻爆法施工的隧道作业劳动强度大，年龄超过50岁的工人从体力、大脑反应等方面已不易满足工作的要求；作为现代的年轻人，大多都接受过了高等教育、掌握了一定技术技能，反而在体能方面相对较弱。这就导致了钻爆法隧道施工不缺技术人员，反而缺少体力劳动者；钻爆法隧道施工就应顺应脑力劳动者比例大于体力劳动者比例的趋势，发展施工设备的智能化。

1.2职业健康的需要

随着社会的进步，从业者的工作环境要求越来越高。无论是从人权角度还是从社会文明进步来看，职业健康越来越重视，施工法规越来越严格。作为钻爆法施工的隧道，其作业环境存在粉尘、噪音、潮湿等因素，施工企业虽然在努力的采取措施降低这些危害、但是不能彻底消除，仍然会对人体造成伤害；这就需要实现隧道施工设备的智能化，使作业人员在不良的作业环境中少暴露、甚至不暴露。

1.3施工安全的需要

隧道钻爆法施工，开挖作业环境恶劣。上世纪八十年代起，由于当时隧道施工设备多数为引进，价格高、维修配件价高且不及时，加上中国劳动力充足，除当时引进国外设备的项目外，主要以人工为主。“塌方冒顶、（倒）关门”等事故频发，群死群伤重特大事故时有发生。采用智能化设备施工，掌子面作业少人化或无人化，可杜绝（减少）群死群伤重特大事故的发生。

1.4发展进步的需要

上世纪90年代到本世纪，隧道施工很少使用凿岩台车、装药台车，目前，隧道钻爆法施工设备装备水平，与上世纪八十年代引进新奥法时期的设备相比，进步不大。随着中国制造业的发展，中国装备制造水平不断提高，隧道施工设备已经完全国产化且部分非内燃化，部分主要设备已经具备智能化。隧道钻爆法生产线设备智能化已经具备条件。

2、我国隧道钻爆法施工设备的发展

2.1隧道钻爆法施工设备的兴起

隧道施工设备机械化是中国在上世纪80年代建设铁路衡广复线大瑶山隧道（1981年11月开工到1989年12月建成）时，最先引进新奥法理念，同时引进隧道钻爆法施工配套设备；由日本大成建设株式会社承建的鲁布革水电站（1982年11月开工建设，1988年12月第一台机组投产发电）引水洞，也是按新奥法施工的；在大秦铁路一期军都山隧道，新奥法理念进一步深化扩展，施工设备配套基本齐全，并向国产化迈进。以军都山隧道施工设备为例，对配套设备介绍。

2.1.1开挖设备

凿岩台车有瑞典阿特拉斯公司的四臂、三臂；有日本古河公司的三臂、两臂台车；瑞典阿特拉斯公司生产的装药台车和集喷射混凝土的运输、喷射机、机械手三位一体的喷射混凝土设备。

2.1.2装渣运输设备

有美国卡特皮勒公司生产的966D\988B装载机和柳州生产的装载机、徐州生产的挖掘机；意大利生产的DP255和英国生产的金马翻斗运渣车。

2.1.3混凝土生产、运输、浇筑设备

日本三菱的混凝土拌合运输车、散装水泥车；德国生产的混凝土拌合站；袋装水泥拆包机；日本生产的混凝土模板台车（有附着式震动捣固器、模板清理设备、橡胶气囊当头板），日本新泻混凝土输送泵。

2.1.4测绘设备

（1）红外线光电测距仪瑞士威尔特生产的红外线光电测距仪，是当时最先进的测绘仪器。上世纪八十年代国内距离测绘主要还是以钢尺为主，精度低、劳动强度大、人员技能水平要求高。光电测距仪的使用，提高了工程测绘精度，减少了劳动强度。

（2）自动置平水准仪瑞士威尔特生产的自动置平水准仪，具有精度高、操作简单特点，提高了功效，为我国重点工程提供了保障。

2.2隧道钻爆法施工设备的现状

与隧道钻爆法施工设备兴起阶段相比，我国目前的施工设备除测绘设备外、其它的没有大的发展。测绘设备由当时的“水平仪+经纬仪”发展为今天的“全站仪”，全站仪的使用提高了掌子面画线的速度和准确度，对测量人员的安全和开挖质量都起到了积极的作用。

3、智能化可借鉴的新技术及应用情况

3.1“北斗+5G”技术“

十一五”期间，国家高技术研究发展计划(863计划)地球观测与导航技术领域支持的“广域实时精密定位技术与示范系统（北斗导航系统）”重点项目，即北斗导航系统。北斗卫星导航系统由空面段、地面段和用户段三部分组成，可在全球范围内全天候、全天时为各类用户提供高精度、高可靠定位、导航、授时服务，并具短报文通信能力。2018年，第五代移动通信技术（英语：5thGenerationMobileCommunicationTechnology简称5G）开始推向市场应用；2021年3月，北斗三号全球卫星导航系统正式开通，运行稳定、持续为全球用户提供优质服务。

“北斗+5G”技术带宽传输快，具有授时、授位精度高的特点，解决了人与物、物与物通信延迟问题，满足移动医疗、车联网、智能家居、工业控制、环境监测等物联网应用需求。“北斗+5G”技术和“东数西算”工程，成为支撑经济社会数字化、网络化、智能化转型的关键新型基础设施。

说到定位技术，不得不说“羲和”计划（“羲和”是中国上古时代制定时历的人，以其取名寓意为大众提供全空域、全时域、无缝的导航定位服务）。国际欧亚科学院院士、中国邮电大学邓中亮教授团队，解决了移动通讯频道定位问题。目前“北斗+5G”高精度定位网络技术，已经应用于我们经常使用的微信“位置”、“共享实时位置”。

目前，就室外来说，在卫星信号接收不到或卫星信号不稳定的高架桥下、隧道、林荫遮挡和城市峡谷等各类复杂场景，容易导致定位不精准。通过“北斗+5G”技术，将卫星导航与移动通信、互联网进行了无缝连接，形成全方位导航信号服务技术，促进基于CRP构建的广域室内外高精度定位导航系统，实现卫星信号到不了的地方即室内、桥下、洞内的定位。通过进一步构建和丰富5G生态应用，这些复杂场景下的稳定可靠精准定位［10］从而得以实现，达到能够提供厘米级定位服务。

3.2车联网

车联网是“北斗+5G”的重要应用场景。5G可为车联网提供高清视频信息传输、行车信息和控制信息及时交互等服务。车联网是车与车、车与人、车与道路基础设施，以及车与网络之间进行无线通信和信息交换的系统［11］即“东数西算”工程。在北京亦庄已经开始应用。

3.3BIM技术

BIM的英文全称是BuildingInformationModeling，国内较为一致的中文翻译为:建筑信息模型。是以建筑工程项目的各项相关信息数据作为模型的基础，通过数字信息仿真模拟建筑物所具有的真实信息。它具有信息完备性、信息关联性、信息一致性、可视化、协调性、模拟性、优化性和可出图性八大特点。应用思路主要是通过BIM数字模型与三维激光扫描设备结合进行数据交换，达到现场高精度三维坐标定位。再通过测绘导线网、高程网，进行现场测绘复核，校正三维坐标精度。BIM在项目设计可以精确定位构建、设备位置。施工阶段，可以接入项目建设管理系统、造价系统和智慧工地系统。通过“北斗+5G”系统，可精确定位人员、施工设备位置及状态，可接入监控数据。为工程质量检查、工程验收带来巨大帮助［12］。运营维管理阶段，这里不做介绍。

4、隧道钻爆法施工设备智能化及发展设想

应用BIM技术，搭建隧道结构数字模型，计算隧道结构的空间坐标。通过三维激光扫描技术、北斗导航“北斗+5G”技术，单体设备计算出设备空间坐标，从而确定设备操作位置，实现无（少）人化操作。隧道施工单体设备首先智能化是基础。单体设备通过加装无人驾驶操作系统，进行设备行走；通过三维激光扫描或雷达技术，确定与其他物体的相对位置；与部署的“北斗+5G”网络，确定空间位置；通过物联网技术，实现设备智能化操作，达到少人化或无人化操作功能。

4.1钻爆法设备空间定位智能化

隧道开挖工作面设备如何智能化？实现隧道施工设备智能化，三维空间定位是关键。

通过构建“北斗+5G”高精度定位网络，能够提供分米级定位服务。通过施工测绘对基站进行精确定位，消除基站误差累积。辅助激光指向仪定位隧道直线段中线，校核与凿岩台车、喷射台车等设备关系定位。

钻爆法施工由于移动设备比较多，特别是装载机与运渣车之间、装载机与隧道边墙、运渣车与边墙之间的安全距离是非常重要的。借鉴车联网技术，通过北斗导航“北斗+5G”技术，三维激光扫描或雷达技术，确定与其他物体的相对位置，从而确定空间位置；通过设备智能操作系统，实现人工操作功能。过去，之所以实现不了无人驾驶、操作，主要问题是没有高精度的卫星导航系统和高速通讯传输带宽。有了“北斗+5G”技术，工程设备无人驾驶、智能化操作成为现实。

过去主要是通过雷达扫描或者激光扫描来实现相对定位，成本较高且精度较低，所以应用场景比较少。现在，“北斗+5G”技术可以低成本、高精度实现无人驾驶、智能操作。利用“北斗+5G”技术与隧道BIM数据模型(BIM实景定图）三维坐标比较,实时传输激光扫描定位、空间坐标变换和姿态,构建隧道智能装备的空间定位、工程量测、目标路径规划和机器人控制等智能装备自身功能需求的系统。可以实现隧道智能装备的精准定位、精准操作、远程控制和工作量计算,如凿岩台车钻孔和锚杆作业,混凝土自动喷射、自动找平和方量计算等,超欠挖、锚杆、拱架、喷射混凝土、防水板、衬砌混凝土、养护等隧道构筑物的精准量测和数字化档案建立。

4.2隧道钻爆法智能化装备未来发展构想

目前，隧道钻爆法施工，单体设备已经实现初级智能化，还没有形成作业生产线智能化。单体设备智能化水平及未来发展如下。

4.2.1凿岩台车

凿岩台车为目前世界上较为先进的钻爆作业钻孔设备，采用液压、电动动力成孔。

智能化实施可以分为两步走。

第一步初步智能化，利用隧道内的通讯网络，通过BIM开展台车智能定位；通过输入隧道钻爆设计参数,钻爆孔定位、钻孔；利用网络实现隧道钻进数据、扫描数据实时自动上传。

第二步，进一步深化凿岩台车的应用。

（1）智能判识。智能型凿岩台车以钻进速度、进尺、压力等参数，传输到平台数据库，通过“东数西算”工程，形成对围岩智能判识与分级。

（2）自主决策与动态优化设计。充分利用隧道智能装备通过“东数西算”工程，积累处理数据库的大数据,实现隧道建造过程由人工经验决策向计算机自主决策和动态优化设计转变。

4.2.2装药台车

优点是：作业人员少，施工效率高。由于在中国，炸药属于管控物资，炸药供应受地区限制，制度成本高。若不考虑制度限制，乳状、粉状炸药可以使用装药台车，减少人工成本，抬高作业效率。只需要安装起爆药和雷管、扫描电子雷管和连接起爆网络。

4.2.3找顶挖掘机

通过“北斗+5G”技术平台，对找顶机械进行智能化改造，做到无人化。4.2.4装渣运输设备装渣运输设备目前社会企业研究较少。理念是采用驾驶汽车或者拖拉机无人技术，通过“北斗+5G”物联网技术，实现目前的装载机（挖掘机）和运渣车的智能操作。装运设备采用非内燃设备，最好是氢燃料电池动力。

4.2.5混凝土喷射设备

目前已经实现远程操控，通过物联网进一步升级，链接BIM技术数据模型，精确定位设备。设备通过携带的三维激光扫描技术设备实时获取作业面的点云数据并进行分析，实现精准施工。目前，已经解决了粉尘影响设备扫描、传输问题。

4.2.6拱架台车、锚杆台车智能化

同样利用“北斗+5G”物联网技术，实现智能化。

4.3应用推进建议

施工设备单体智能化已经实现，已经具备实现作业生产线智能化的条件。目前困境在于，行业认识不足，总认为太超前；其次在于使用者太少，单机成本居高不下，设备制造集成商应大力推广、降低造价，向智能化深度研发。

实现路线是行业充分认识到智能化的必要性，项目决策者应该对投入产出、安全、质量、进度的风险有充分评估，再不实施施工设备智能化，安全、质量、进度风险越来越大，相应的投资风险越来越大。第一步，选择关键工序智能化设备，形成使用智能化设备的生态。第二步，引入“北斗+5G”技术，形成部分设备无人（少人）操作。第三步，逐步完善作业生产线的工序智能设备的配备，在一定时间内实现生产线的智能化，做到开挖工作面无人化，再无人员伤亡事故的发生，使隧道钻爆法开挖成为安全、绿色低碳、经济效益好的生产工艺。

5、结论与建议

5.1结论

目前，社会上无人驾驶汽车、出租车技术已经成熟，无人驾驶的拖拉机、收割机等技术也已经成熟，无人装卸的港口已经建成，特别是天津港利用“北斗+5G”技术，建成的智能港，更是起到示范作用。隧道施工单体设备智能化部分已经成熟应用，通过BIM技术和“北斗+5G”技术的应用还没有先例。隧道钻爆法施工设备部已经在郑万铁路等隧道实现单体智能化。通过技术嫁接扩能改造单体智能化设备，链接综合智能化平台，来实现生产线的智能化。

5.2建议

隧道施工设备生产线智能化是一种新技术，新技术的实现需要资金的支持、也需要政府的支持和参建各方的共同努力，故提出以下几点建议：

（1）政府部门把隧道施工设备的智能化作为一种导向，通过一些优惠政策支持智能化的发展和应用；

（2）建设方在项目立项时，将隧道施工设备智能作为立项的一部分不可缺少的内容；

（3）设计方根据项目立项的内容，把智能化施工写进设计文件；

（4）施工方积极使用智能化设备施工，通过智能化施工设备提高施工效率、施工质量和施工安全。

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