钻爆法铁路隧道预制装配化建造研究及智能建造展望

马伟斌，王志伟

(中国铁道科学研究院集团有限公司铁道建筑研究所，北京 100081)

0 引言

我国铁路隧道建设规模举世瞩目。改革开放40年间，我国建成铁路隧道12 412座，总长17 621 km。“十三五”期间建成铁路隧道3 387座，总长约6 592 km[1]。建国以来，我国隧道建造水平经历了起步、初步发展、快速发展和引领世界4个阶段[2]。社会生产力水平整体提升、不断飞跃的同时，生产关系不断演进，促进了隧道建造技术快速发展，钢钎大锤，肩挑手推，人工挖掘下碎片化、粗放式的建造方式已经遭到摒弃，新时期隧道建造已经逐步从机械化向智能化过渡。改革开放至今，我国隧道建设快速发展，在机械化、信息化、电子化各方面进步突出。工程建造与机械装备制造业深度融合，钻爆法技术领域已经实现了全断面、台阶法开挖方式下硬岩、软岩条件下在超前钻探、开挖作业、支护作业、仰拱作业、防(排)水板作业、二次衬砌作业及水沟电缆槽7条作业生产线大机装备的配套应用[3]，机械化深度融合信息化，推动隧道建造向着数字化、智能化方向发展。近年来，在京张、郑万等线路隧道建造过程中，参建各方积极探索并实践钻爆法铁路隧道智能建造，初步形成了智能建造总体技术架构[2]，采用钻爆法实现了整体技术水平的较大升级。然而，不同于铁路桥梁建设工程中的模块化、工厂化的装配式建造，隧道建造中的支护结构施工仍然是以混凝土现浇工艺为主。

相对于传统的隧道建造方法，装配式隧道在节约资源能源、减少施工污染、提升劳动生产效率和质量安全水平等方面已经在城市轨道交通等行业的盾构隧道建设中得到验证。在节地、节能、节材、节水和环保要求以及解决工程场地受限、材料制备复杂、人员需求量大等方面优势明显。作为一种新型隧道建造方式，装配式隧道已经开始了工程实践[4]。装配化建造方式在信息化、工厂化、机械化等方面更有利于隧道智能建造理念和技术的落地、实践。

在隧道装配化、智能化研究方面，王同军[2]、韩自力[3]、赵有明等[4]、何华武等[5]、王峰[6]、王志坚[7]在政策制定、工程建设与管理、单一领域实践应用方面进行了阐述，但关于钻爆法铁路隧道装配化、智能化建造方面的体系架构、关键技术尚未有学者进行系统的梳理。本文针对隧道工程建设和产业发展需求，概述钻爆法铁路隧道建造技术沿革，厘清装配化与工业化的内在联系，分析钻爆法装配式铁路隧道的技术体系和关键技术，并提出钻爆法铁路隧道装配式智能建造实现路径，在概念定义、体系架构、实现方法等方面进行较为系统的总结和分析，以期为铁路隧道装配化建造和智能建造提供一些参考。

1 钻爆法铁路隧道预制装配式建造方案研究

1.1 隧道建造技术概述

根据施工工法，可将隧道分为钻爆法隧道(矿山法隧道)和掘进机法隧道。根据适用的软硬地层又将掘进机法隧道分为盾构法隧道和TBM法隧道。掘进机法隧道在机械装备、支护技术和信息化管控方面具有一定的优势和便利性，一直践行着工业化建造。然而，由于地质适应性较差、不适宜中短距离隧道施工、断面适应性差等原因，采用掘进机法建设的铁路隧道较少，当前铁路隧道主要采用钻爆法施工[2]。

我国钻爆法铁路隧道发展简况如表1所示。钻爆法技术发展至今，我国已经形成了以机械化工装为基础，借助信息化手段，构建“洞口制造工厂、洞内装配车间”的建造模式，其涵盖超前地质预报、预加固、钻爆开挖、初期支护、仰拱作业、防排水作业、二次衬砌和养护作业、沟槽作业、工后检测生产线在内的“一洞九线”作业模式。

表1 我国钻爆法铁路隧道发展简况

由于钻爆法长期内仍然是铁路隧道建造的主要工法，因此高度机械化应用是当前隧道技术进步的主要推进力量。多年来科研攻关的重点也围绕机械装备技术提升、信息化应用、施工材料性能提升等方面进行，研究与实践已经为钻爆法铁路隧道工业化的发展奠定了基础。

隧道工业化的内涵是通过现代化的设计、施工、管理等高效生产方式，将工厂化先进的制造理念和方式应用至隧道内，代替隧道工程传统建造中分散、低效的生产方式，视工程为工厂，将制造复杂机器的过程演变为建造完整隧道的过程，秉承“安全、优质、高效、绿色、环保”的理念，加强施工机械化、工厂化、信息化融合，建造“高效、经济、绿色、美观”的精品工程。其标志是标准化设计、工厂化生产、机械化施工和科学化管理。隧道工业化可解决隧道工程传统建造方式中所面临的劳动生产率较低、资源消耗较大、作业环境较差、工程品质不高等问题，随着隧道建设规模的不断扩大和施工要求的日益提高，铁路隧道工业化建造全面推广与应用将是必然趋势。

1.2 钻爆法铁路隧道装配化建造

标准化设计和工厂化生产是隧道装配化建造的重要标志。受制于每个铁路隧道特殊的地质条件，隧道初期支护标准化设计难度极大，预制装配式铁路隧道主要针对二次衬砌及附属结构，将隧道拱墙、轨下结构、沟槽盖板等分模预制、分块安装，并将关键接头部件可靠连接的一种新型结构体系，其结构示意如图1所示[8]。隧道装配化建设有利于进行标准化设计、规模化生产、运输装配的物流化调度、高质量的快速建造、信息化集成管控。随着技术发展，装配化建造已经引起关注，在国内外轨道交通领域已经开始大范围的实践[9]。

图1 铁路隧道预制装配式结构示意图[8]

隧道装配化作为一种建设理念和建造方式在隧道工程单一领域运用与实施，其涵盖建设过程的各个要素，在科研与实践方面组成一个完整的技术体系。

2 钻爆法铁路隧道预制装配式建造技术体系

2016年以来，针对当前钻爆法铁路隧道设计、施工及运营过程中存在的一些问题，国内研究机构积极开展新技术的开发及应用，并依照国务院办公厅印发的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发[2016]71号)文件要求，立项了多项科研课题，在国内首次针对钻爆法山岭隧道预制装配化建造开展了系统的研究与工程试验，并提出了钻爆法装配式铁路隧道技术体系，如图2所示。该技术体系包括理论研究、设计方法、施工方法、工程管理4个方面，每个方面涵盖2层内容，每个内容涵盖5个分支。

图2 钻爆法装配式铁路隧道技术体系

2.1 理论研究

理论研究范围如图3所示。适用性研究需要以计算模型研究作为基础，计算模型研究包括数值分析中的结构梁弹簧或壳单元模拟、结构分块方式、环向/纵向接头模型、地层模型化以及连接件的非线性特性处理。其中，接头模型、连接件非线性特性所包含的接触面处理与连接件的选型是关键点，也是难点。

图3 理论研究范围

装配式地下工程中，常用干式接头，其包括铰接头、螺栓接头、榫槽接头、榫槽曲螺栓接头(如图4所示)。近年来，日本开始试验推压紧固式快速销插接头(如图5所示)，但尚未大范围应用[10]。接头作为结构断开处的连接部位，存在力学上的断续，因此，结构与接头连接或含有接头的整体结构应采取合理的计算模型进行受力验算。图6示出结构-接头计算模型种类。其中，梁-弹簧模型(见图7[10])应用最广，该模型中预制结构用梁单元模拟，接头部位用3个自由度的弹簧单元模拟，效果很好。

图4 榫槽曲螺栓接头

图5 推压紧固式快速销插接头

图6 结构-接头计算模型种类

图7 梁-弹簧模型[10]

图4中所示榫槽结构，由于实际工程中结构拼装完成后，榫槽部位多填充环氧树脂等材料，等于人为制造了1层软硬交界面，因此涉及到接触面传力和位移问题，需要专门考虑。参照桩土耦合基础面的处理方式，榫槽结构之间的接触面可采用有限元分析中的界面模型模拟，如图8所示。该模型遵循界面摩擦力与界面摩擦因数和作用于界面的法向约束力成比例的假设，其分线性参数包括法向刚度模量、剪切刚度模量。1)法向刚度模量是界面单元在法线方向接合及非接合行为的弹性模量，有限元软件计算中，其取值范围一般是相邻单元较小弹性模量的10～100倍；2)剪切刚度模量是界面单元在切线方向滑动行为的弹性模量，在有限元软件中，其取值范围一般为相邻单元较小剪切模量的10～100倍。

图8 装配式基底结构中的接触面单元

螺栓与榫槽有多种组合方式，如图9所示。张胜龙[10]通过试验与数值分析系统研究了不同轴力和弯矩作用下各接头型式的力学行为，给出了可应用于实际工程中的抗弯刚度经验公式。

(a)无螺栓 (b)直螺栓

2.2 设计方法

针对装配式地下结构，当前铁路行业尚未制定设计标准。近年来，越来越多的研究者开始重视极限状态设计法在地下工程中的应用。得益于已经建立了地层及地层支撑的隧道结构相互作用的基本概念，在构建钻爆法装配式隧道设计方法时，提出了极限状态设计法与容许应力设计法平行设计的框架。

2.2.1 容许应力设计法

包括荷载计算、材料与容许应力、结构形状与接头类型、横断面与纵断面结构计算、结构构件设计与耐久性5个方面的内容。

1)荷载计算包括围岩压力、施工荷载、地震荷载、临近施工影响、平行隧道影响以及极端情况如滑坡等引起的沉降/隆起影响。

2)材料与容许应力包括材料的类别与规格、机械性能与尺寸、弹性模量与泊松比以及本身的容许应力。

3)结构形状与接头类型，主要涉及轮廓半径、结构分块与接头类型，其中，接头类型可优选2.2节所述的榫槽曲螺栓接头；结构分块遵循减少对衬砌受力的扰动和主动调整衬砌受力2种理念，可进行比选后确定[4]。

4)横断面与纵断面结构计算可采用盾构设计中的惯用计算法和修正惯用计算法，若计算模型为荷载-结构模型，则可采用2.2节所述的梁-弹簧接头模型。

5)结构构件设计与耐久性主要涉及结构环向/纵向的连接、防排水设计、裂缝验算以及防腐防锈设计。容许应力设计法设计流程见图10。

图10 容许应力设计法设计流程

2.2.2 极限状态设计法

包括安全系数与修正系数确定、荷载计算、荷载效应分析、材料设计值确定以及结构抗力计算与校核。

1)安全系数主要包括材料、构件、荷载、结构计算、结构重要性及地震6个方面的安全系数，可直接考虑荷载及材料强度的不统一性和不确定性。

2)荷载计算主要包括设计荷载的种类、标准值的计算及设计荷载的组合。

3)荷载效应分析是在荷载计算的基础上，细化计算方法，围绕结构抗力、结构断面、环向及纵向接头等方面进行分析。

4)材料设计值确定主要考虑强度、刚度、本构关系。

5)结构抗力计算与校核包括对承载力极限状态的验算以及使用极限状态的验算。极限状态设计法设计流程见图11。

图11 极限状态设计法设计流程

近年来，隧道工程设计理念已经开始由容许应力设计法向极限状态设计法转变。在极限状态设计法中，对结构物的承载力、耐久性等使用功能分别设定安全系数进行验算，可以明确结构的承载能力富裕程度。该方法得以推广应用的前提是正确把握结构的破坏机制，并对极限状态进行明确定义。目前极限状态设计法应用还很少，有待于进一步研究和实践。

2.3 施工方法

与盾构隧道等行业的装配式建筑施工方法类似，钻爆法装配式隧道施工方法流程包括生产制备、运输以及拼装施工2个方面，如图12所示。

图12 钻爆法装配式隧道施工方法流程

1)生产制备包括材料选型、连接件选型、模具制备和构件养护、工厂化制备、洞外运输及洞内搬运。其中，工厂化制备的控制要点包括模板安装、骨架及预埋件安装、混凝土生产及吊运灌注、脱模及养护、冬季施工和精准安装，如图13所示。

图13 装配式构件工厂化制备的控制要点

2)拼装施工包括拼装机械、拼装精度及公差控制、防排水工艺、注浆工艺及预应力工艺，其中，在相关工点的试验过程中独立开发了施工装备，如基底结构拼装装备和拱墙结构拼装装备(分别如图14与图15所示)。

2.4 工程管理

隧道工程建造与管理方面的一个趋势是建造平台化，其与建造服务化有着密切的联系。工程经济管理与信息化管理共同组成工程管理技术体系，如图16所示。

图16 工程管理技术体系

1)建设投资、资金筹措、运维管理投资、效益分析和技术经济分析是工程经济管理的5个核心，尤其是技术经济分析，装配式建造技术作为一种新型隧道建造方式，将其与传统的钻爆法建造技术进行技术性分析和经济性比对是绕不开的一个问题。鉴于隧道长至百年的设计服役年限，其经济性应该从施工期的前期投入和运维期的维护投入2个方面综合测算。

2)信息化管理包括设计方面的BIM与虚拟建造、构件生产方面的构件身份识别与追踪以及生产管理方面的ERP、APS、MES等相关系统，独立开发了基于BIM、RFID技术与ERP融合的设计生产管理信息化系统(如图17所示)[4]，一定程度上将装配式结构构件设计、制造、运输、拼装、质量管控串联起来，提高了该领域的信息化建造与管理水平。

图17 基于BIM、RFID技术与ERP融合的设计生产管理信息化系统[4]

3 预制装配式钻爆法铁路隧道智能建造展望

3.1 智能建造在钻爆法铁路隧道装配式建造中的应用研究

隧道技术发展日新月异，传统建造与制造融合的同时正在朝着智能化建造方向发展。2011年，德国公布《德国2020高技术战略》；2013年，德国提出“工业4.0”，旨在支持工业领域新一代革命性技术的研发与创新。在美国，“工业4.0”的概念更多地被“工业互联网”所取代，其将虚拟网络与实体连接，形成更具有效率的生产系统。2015年，我国发布《中国制造2025》行动纲领，其中，在轨道交通领域提出了绿色智能等概念和要求。在“交通强国、铁路先行”的行业战略指导下，近年来铁路行业智能建造技术取得了很大的进步。

隧道智能建造技术作为中国“智能铁路”的一个重要组成部分，代表了未来隧道修建技术的发展方向与趋势[3]。未来已来，针对京张、郑万等铁路线路中的隧道工程在该领域的研究与实践很大程度上推进了隧道智能建造的落地生根。作为面向勘察设计、施工及质量管控、建设管理等方面的技术体系，其技术架构中所涵盖的智能装备、智能感知、数据资源、智能决策、智能管控5个方面(见图18)[11]，同样适用于钻爆法装配式隧道。

图18 隧道智能化建造技术架构[11]

第2章节所述的钻爆法装配式隧道关键技术可对应融合于隧道智能建造技术体系相关内容中。装配式隧道目前的研究重点仅在二次衬砌支护方面，局部施工工艺的改变对于其余工序并无大的改变，对掌子面开挖、初期支护施作等作业线的智能化作业方式与控制手段并无影响，即装配式建造方式为智能建造的一个实践领域和发展方向。作为前沿发展方向，发展装配式建造在智能建造领域中的应用可拓展智能建造的范畴与深度，为隧道技术创新开辟新的方向。

3.2 钻爆法装配式隧道实现智能建造的路径分析

3.2.1 预制构件设计标准化

作为“制造”与“建造”衔接的基础与前提，标准化设计有利于产生模块化的构件，从而进行模块化拼装，如图19所示。标准化设计、模块化生产包含标准统一性、组合协同性、结构可靠性、运输条件及经济性4个方面的原则。

图19 隧道底部结构模块化拼装流程示意图

3.2.1.1 标准统一性

当前钻爆法铁路隧道二次衬砌结构依据通用标准图或参考图进行设计[12-14]，尽管不同隧道工程地质参数不同，但是以通用图为基准，隧道建设完成后，二次衬砌外观尺寸上实际具有统一化特征，这就为二次衬砌装配式结构的设计统一性提供了便利。

标准统一性涉及结构构件本身的标准化和接口的标准化2个方面内容。1)结构构件本身的标准化，一方面，可以统一生产流程，实现生产过程的集约化管理，并促进市场化行为；另一方面，容易建立数据库或者“构件设计库”，利于智能化设计。2)接口的标准化设计既要求减少类型，又要求满足多种结构的排列组合拼装，这就要求在设计上综合调研掌握需求、考虑功能互换和几何互换，同时进行多专业的协同，满足自洽性和多样性。

3.2.1.2 组合协同性

为了保证参建各方之间的信息交流与协同作业，结构设计时需要遵循协同性原则。协同性涵盖2个方面的内容：设计图纸的碰撞检查；连接接头(点)的深化设计。

1)碰撞检查有利于将建筑专业、结构专业、设计专业、四电专业(通信工程、信号工程、电力工程和电气化工程)的图纸进行汇总，借助BIM、三维设计(见图20)等技术进行直观地展示与更改，减少错、漏、碰、缺等问题，提高设计效率与质量。

图20 全断面装配式隧道衬砌结构三维设计示意图

2)连接接头(点)的深化设计是为了保证施工过程中构件较好地对接，避免单个构件组合后累计公差和误差的影响，一方面进行打磨或拼接，另一方面避免时序冲突，从而更好地按照图纸施工。

3.2.1.3 结构可靠性

结构可靠性是有效保障隧道服役性能的前提，可靠性设计需考虑围岩荷载及施工期和运维期承受的各类荷载，对于不良工程地质，还需进行专门性验算。钻爆法装配式铁路隧道结构可靠性分析应进行的力学验算如图21所示。

图21 钻爆法装配式铁路隧道结构可靠性分析应进行的力学验算

3.2.1.4 运输条件及经济性

运输条件包含洞外运输条件和洞内搬运条件2个方面。1)铁路隧道多位于远离大城市的偏远山区，道路狭窄或不通畅，物流条件较差，因此在构件标准化设计时应充分考虑运输的可行性和运输成本，构件生产场地优选同线路同标段的桥梁箱梁或无砟轨道制备厂。2)洞内搬运主要受隧道开挖断面的影响，在总尺寸限定的条件下，拼装构件的大小受制于拼装机械的吊装或举升能力，此时，构件质量是制约洞内搬运是否方便的主要因素。纵向分块鱼腹式整体结构与底部分块装配式结构(如图22所示)质量差距很大，显然小构件更易拼装和搬运。值得注意的是，便于拼装绝不是工程应用中的首要和决定性因素，整体式结构在稳定性、受力等方面的优势均较明显，若采用分块式结构拼装，承载力、受力稳定性、耐久性等都是需要优先考虑的。

(a)鱼腹式整体结构

3.2.2 预制构件工厂化生产

在建立了完善的设计标准化体系的基础上，可进行预制构件的工厂化生产，其可借鉴工业与民用建筑装配式建造领域推行的柔性生产技术。柔性管理体系如图23所示。

图23 柔性管理体系

生产过程中，强调应对变化的能力和特征，客观上要求具备多样性生产能力，同时要求实现用户(设计单位、施工单位)价值最大化，供应商(预制构件生产制造方)浪费最小化。图24为隧道预制构件典型生产设备。在预制结构构件生产过程中，生产设备应具有多样性和可组合性。

图24 隧道预制构件典型生产设备

生产过程中，可基于轻量化BIM与RFID技术，结合企业生产管理ERP系统，推动预制装配式隧道结构全生命周期智能建造，其主要功能框架如图25所示。

图25 轻量化BIM、RFID技术与ERP系统主要功能框架

3.2.3 工程建造机器人

工业化发展推动装配化进步，装配化催生出各类建造机械，建造机械分为生产机械、拼装机械和监测检测机械。随着人工智能、计算机、大数据等技术的发展，建造机械最终发展为建造机器人。工程建造机器人应具备以下5种核心能力：1)机械作业能力；2)复杂环境感知能力；3)远程管控能力；4)自主适应和学习能力；5)人机交互能力。近年来，在装配式建造领域国内外已经有多种类型建造机器人得到应用，例如：3D打印机器人用于构件生产[15]、工程检测机器人用于结构病害扫描[16]、群体建造机器人用于构件拼装(如图26所示[17])。

(a)堡垒式结构

值得说明的是，当前隧道装配式领域建造机械还远未达到建造机器人的技术水平，满足功能所需的机械仍是当前应用研发的主流。该项技术发展需要装配式技术大范围的应用，以市场促进创新，多领域科研的协同创新是发展的关键。

3.2.4 建造服务化

钻爆法装配式隧道建造过程不仅包含勘察、设计、施工期，还包括运维期。工业化的生产体系客观上允许实现上述全生命周期建造的服务化，其组成如图27所示。其中，运维过程服务化中个性化服务包括BIM虚拟建造、VR场景再现等；专业化运维服务即委托有资质的相关单位面向结构、设备进行定期的一般巡检、重点巡检；智能软硬件解决方案包括基于物联网的各类传感器采集信息汇集及展示等，可最大程度提高运维效率。

图27 建造服务化组成

3.3 钻爆法装配式铁路隧道智能建造愿景

钻爆法装配式铁路隧道智能建造的愿景包括发展目标与未来期许。

作为建造方式的重大变革以及新型工业化建造方式的转变，装配式不是唯装配，其建造过程中将包括生产资料、劳动力、生产技术、组织管理、信息资源等在内的各个生产要素在生产方式上充分体现专业化、集约化和社会化。钻爆法装配式铁路隧道智能建造发展的目标包括标准化设计、工业化生产、装配化施工、信息化管理，通过设计、生产、施工与管理的全方位融合，实现全产业链更新改造和升级，从而全面提高隧道工程的质量、效率与效益。

钻爆法装配式隧道有望在一定程度上解决隧道工程全产业链、全生命周期的发展问题，建造过程中实现智能化建造与精益建造融合。事实上，智能建造的目的与精益建造的导向都是以运维管理单位等隧道使用方需求为中心的，隧道同所有的工业化产品一样，通过构建工程建造价值链，持续消除该链条上的投资浪费，减少养护费用，进而实现工程价值的最大化。与此同时，建立先进的技术体系、建立现代化的产业体系、建立高效的管理体系，迈上数字化、智能化、社会化的发展之路，这既是未来的努力方向，也是该领域发展的期许。

4 结论与展望

2016年以来，针对当前钻爆法铁路隧道设计、施工及运营过程中存在的一些问题，国内研究机构积极开展新技术的开发及应用，并依照国务院办公厅印发的《关于大力发展装配式建筑的指导意见》(国办发[2016]71号)文件要求，立项了多项科研课题，在国内首次针对钻爆法山岭隧道预制装配化建造开展了系统的研究与工程试验。由于当前尚未有暗挖铁路隧道采用全断面装配式结构的工程设计及建造案例，因此所做研究及实践可一定程度上代表当前该领域的设计水平。

本文从钻爆法铁路隧道预制装配式建造方案引入，分析了钻爆法铁路隧道建造技术沿革，阐明了装配化作为工业化的一个表现方式在隧道工程领域的发展，重点针对钻爆法装配式铁路隧道在理论研究、设计方法、施工方法、工程管理技术4个方面的技术体系及关键技术进行了阐述，分析了装配式建造方式与智能建造之间的关系，并给出了以装配式建造方式实现智能建造的技术路径，最后提出了愿景。

装配式建造技术在隧道工程中的应用及进一步向智能建造方向的发展会是一个长期的、艰苦的、全方位的创新过程，涉及到政策导向、财政审批、建设管理、勘察设计、施工等多方面的内容，需要工程参建各方积极参与，文中所述并不能将建造要点全覆盖，但所做总结或阐述可为该项技术推广及类似工程实施提供有益借鉴。

此外，钻爆法装配式隧道建造技术一定是现在和未来隧道建造方式的一个重要组成部分，如何将关键工序如隧道二次衬砌的预制拼装技术与当前传统的作业线融合是摆在科研和设计人员面前的首要问题和难题，值得开展持续性的科研与技术攻关。每一个科学问题的突破都是始于一个问题，隧道装配化、智能化建造技术如何发展并得以应用，是时代摆在隧道从业者面前的一个难题，当无法提供所有答案时，共享问题并与同领域学者分享，也是一个很好的起点。