高海拔地區(qū)鐵路隧道施工設(shè)備數(shù)字化改造及控制技術(shù)研究*

趙鵬鵬,曾建國(guó),郝傳志,徐 鋒,王 維

(中建鐵路投資建設(shè)集團(tuán)有限公司,北京 102629)

0 引言

在復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境及惡劣施工條件影響下,川藏鐵路隧道在施工過(guò)程中面臨軟巖大變形、突泥突水、巖爆及冒頂?shù)裙こ虨?zāi)害,加大了施工難度。

本文通過(guò)實(shí)地調(diào)研及隧道施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,提出鑿巖臺(tái)車(chē)、除塵臺(tái)車(chē)、襯砌臺(tái)車(chē)及濕噴機(jī)等設(shè)備的數(shù)字化改造方案,通過(guò)對(duì)硬件改造及軟件升級(jí),使設(shè)備能獲得各類(lèi)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)及關(guān)鍵參數(shù);基于BIM+GIS技術(shù)的隧道場(chǎng)景化物聯(lián)交互集成控制系統(tǒng),將獲取的數(shù)據(jù)對(duì)接到該系統(tǒng)中,完善系統(tǒng)功能,以覆蓋隧道建造全周期,集成地勘信息、設(shè)計(jì)信息、綜合監(jiān)測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、人員設(shè)備定位、電子圍欄、監(jiān)控量測(cè)等信息,實(shí)現(xiàn)相關(guān)信息與實(shí)體環(huán)境硬件間的有機(jī)異構(gòu)融合,能對(duì)現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行實(shí)時(shí)控制,以實(shí)現(xiàn)隧道數(shù)字化建造。

1 隧道施工環(huán)境調(diào)查與分析

通過(guò)對(duì)川藏沿線及某標(biāo)段實(shí)地調(diào)研,了解到川藏鐵路沿線具有地形地質(zhì)及氣候條件復(fù)雜多變、生態(tài)環(huán)境脆弱、板塊運(yùn)動(dòng)強(qiáng)烈、地質(zhì)災(zāi)害頻繁等特點(diǎn),使工程施工難度艱巨,因此項(xiàng)目采用三臂鑿巖臺(tái)車(chē)、濕噴機(jī)、襯砌臺(tái)車(chē)等大型設(shè)備施工。

三臂鑿巖臺(tái)車(chē)型號(hào)為ZYS113G,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)加卸桿、自動(dòng)潤(rùn)滑、自動(dòng)精準(zhǔn)定位、自動(dòng)輪廓掃描功能,保護(hù)施工人員安全,具備在復(fù)雜風(fēng)險(xiǎn)環(huán)境下遠(yuǎn)程操控作業(yè)功能;可實(shí)現(xiàn)管棚、超前鉆探、爆破、錨桿孔等多類(lèi)鉆孔作業(yè)。濕噴機(jī)型號(hào)為GHP3017E,泵送系統(tǒng)采用大缸徑長(zhǎng)行程混凝土泵,耐磨性好且吸料能力強(qiáng);混凝土輸送管采用大通徑耐磨管道,抗堵管能力強(qiáng);工作臂施工無(wú)盲區(qū),機(jī)動(dòng)靈活轉(zhuǎn)場(chǎng)方便,可同時(shí)兼顧多個(gè)工作面,施工效率高;操作人員可遠(yuǎn)距離操作,避免粉塵污染,人員需求少。襯砌臺(tái)車(chē)為CQZ1309AG-01型智能化模板臺(tái)車(chē),采用360°旋轉(zhuǎn)混凝土布料機(jī),管路自動(dòng)伸縮,減小勞動(dòng)強(qiáng)度;管路分層布置實(shí)現(xiàn)分層澆筑,克服一孔到底和料斗溜槽無(wú)壓輸送造成的混凝土離析、人字坡冷縫弊端;插入式與附著式組合振搗:拱頂采用4臺(tái)插入式振動(dòng)器,在拱肩與拱墻配置24臺(tái)氣動(dòng)振動(dòng)器,實(shí)現(xiàn)自動(dòng)行走,混凝土自動(dòng)布料與分窗入模。

由上述分析可知,川藏鐵路項(xiàng)目采用大型機(jī)械設(shè)備施工雖具備諸多優(yōu)勢(shì),能提高效率、加快進(jìn)度,但在施工過(guò)程中各設(shè)備間的系統(tǒng)性、關(guān)聯(lián)性不強(qiáng),且各設(shè)備不具備數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)能力,無(wú)法有效判斷設(shè)備工作時(shí)關(guān)鍵參數(shù),不能對(duì)施工過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和控制。

2 隧道主要施工機(jī)械設(shè)備改造措施

2.1 三臂鑿巖臺(tái)車(chē)改造措施

通過(guò)在現(xiàn)有裝備上安裝智能網(wǎng)關(guān)及車(chē)載網(wǎng)絡(luò)攝像頭等配件,滿足鑿巖臺(tái)車(chē)作業(yè)視頻監(jiān)控、實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、工后日志在線傳輸?shù)裙δ苄枨?具體所需配件如表1所示。

表1 三臂鑿巖臺(tái)車(chē)改造配件

通過(guò)上述改造,三臂鑿巖臺(tái)車(chē)可實(shí)現(xiàn)以下功能:①實(shí)現(xiàn)超前小導(dǎo)管/管棚數(shù)量及深度記錄存儲(chǔ)與傳輸;②實(shí)現(xiàn)開(kāi)挖鉆孔日志記錄與傳輸(含時(shí)間、定位里程、位置坐標(biāo)、鉆孔數(shù)量、鉆孔位置、鉆孔深度、炮眼布置圖等信息);③實(shí)現(xiàn)車(chē)載視頻監(jiān)控及影像傳輸;④能在運(yùn)行中24h實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給隧聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2.2 濕噴機(jī)改造措施

通過(guò)在現(xiàn)有裝備上增加硬件及軟件等配件,滿足濕噴機(jī)作業(yè)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及在線傳輸?shù)裙δ苄枨?具體所需配件如表2所示。

表2 濕噴機(jī)改造配件

通過(guò)上述改造,濕噴機(jī)可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1)實(shí)現(xiàn)濕噴機(jī)施工參數(shù)(包括混凝土噴射方量、噴射速度、速凝劑消耗量、速凝劑摻比、風(fēng)壓等)的自動(dòng)記錄、讀取、上傳功能,并通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給隧聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2)通過(guò)加裝智能空間感知系統(tǒng),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)噴頭與受?chē)娒娴慕嵌群痛怪本嚯x,并通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給隧聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3)網(wǎng)格化隧洞空間待噴區(qū)域,對(duì)該區(qū)域完成噴涂參數(shù)的統(tǒng)計(jì)并輸出至可視化數(shù)字終端。

4)擴(kuò)展CAN通信接口,將車(chē)體本身參數(shù)信息化,定向?qū)崟r(shí)觸發(fā)車(chē)體自身傳感器通信,得到實(shí)時(shí)噴射混凝土量、速凝劑量、風(fēng)壓、混凝土量與速凝劑量配合比參數(shù)。同時(shí),將所得參數(shù)與當(dāng)前所在的網(wǎng)格化區(qū)域同步序列化至Pickle本地文件,以便后期數(shù)據(jù)記錄、分析、查詢(xún)。

2.3 襯砌臺(tái)車(chē)改造措施

通過(guò)在現(xiàn)有襯砌臺(tái)車(chē)上增加協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊,隧道內(nèi)襯砌臺(tái)車(chē)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊將臺(tái)車(chē)內(nèi)部數(shù)據(jù)通過(guò)TCP或485轉(zhuǎn)換成MQTT協(xié)議發(fā)送到指定的信息采集系統(tǒng),現(xiàn)場(chǎng)需提供網(wǎng)絡(luò)接口,可使用有線網(wǎng)絡(luò)或4G網(wǎng)絡(luò),具體所需配件如下:協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊1套,安裝附件1套。

通過(guò)上述改造,襯砌臺(tái)車(chē)可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1)實(shí)現(xiàn)襯砌臺(tái)車(chē)施工參數(shù)(包括混凝土澆筑方量、澆筑壓力、拱頂壓力、澆筑溫度、工作效率、作業(yè)時(shí)間等)的自動(dòng)記錄、讀取、上傳功能,通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)傳輸給已開(kāi)發(fā)的隧聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2)通過(guò)協(xié)議轉(zhuǎn)換模塊,將相關(guān)施工參數(shù)通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)傳輸給隧聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3)可在運(yùn)行中24h實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給隧聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2.4 除塵臺(tái)車(chē)改造措施

通過(guò)在現(xiàn)有高原普通型除塵臺(tái)車(chē)上增加智能網(wǎng)關(guān)及粉塵濃度傳感器,滿足除塵信息化數(shù)據(jù)采集傳輸?shù)墓δ苄枨?具體所需配件如表3所示。

表3 除塵臺(tái)車(chē)改造配件

通過(guò)上述改造,除塵臺(tái)車(chē)可實(shí)現(xiàn)以下功能。

1)實(shí)現(xiàn)除塵臺(tái)車(chē)施工參數(shù)(包括粉塵濃度、除塵風(fēng)量、作業(yè)時(shí)間等)的自動(dòng)記錄、讀取、上傳功能,通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)傳輸給已開(kāi)發(fā)的隧聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

2)可在運(yùn)行中24h實(shí)時(shí)獲取數(shù)據(jù)并通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)將相關(guān)數(shù)據(jù)傳輸給隧聯(lián)網(wǎng)平臺(tái)。

3 隧道數(shù)字化建造控制技術(shù)

3.1 隧道洞內(nèi)網(wǎng)絡(luò)布設(shè)

為滿足隧道施工過(guò)程中設(shè)備數(shù)據(jù)傳輸要求,施工隧道內(nèi)布置良好的網(wǎng)絡(luò)環(huán)境。

3.1.1網(wǎng)絡(luò)配置標(biāo)準(zhǔn)

按現(xiàn)場(chǎng)可能的最大網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷情況考慮隧道網(wǎng)絡(luò)配置,隧道內(nèi)網(wǎng)絡(luò)配置如下:①最低帶寬承載能力為30Mbits/s(僅考慮裝備部分);②最大上行速率為30Mbits/s(隧道內(nèi)向隧道外);③最大下行速率為4Mbits/s(隧道外向隧道內(nèi))。

3.1.2洞內(nèi)典型供網(wǎng)

網(wǎng)絡(luò)按4.1.1節(jié)要求配置,同時(shí)隧道內(nèi)網(wǎng)絡(luò)建設(shè)按裝備典型供網(wǎng)如下:①運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)以光纖方式進(jìn)洞;②在防水板臺(tái)車(chē)后襯砌臺(tái)車(chē)上布設(shè)信息化柜,光貓、路由器、交換機(jī)等網(wǎng)絡(luò)裝置可集成在其中;③在防水板臺(tái)車(chē)附近設(shè)置wifi發(fā)射點(diǎn);④隧道內(nèi)wifi雙通道設(shè)置,人機(jī)分流,避免干擾;⑤無(wú)線發(fā)射點(diǎn)與掌子面間信號(hào)盡量無(wú)遮擋,距離≤100m。

3.1.3設(shè)備供網(wǎng)

1)結(jié)構(gòu)類(lèi)設(shè)備供網(wǎng) 襯砌臺(tái)車(chē)直接通過(guò)有線連接方式,將運(yùn)營(yíng)商網(wǎng)絡(luò)接入臺(tái)車(chē)路由器,實(shí)現(xiàn)設(shè)備聯(lián)網(wǎng)。

2)移動(dòng)類(lèi)設(shè)備供網(wǎng) 通過(guò)配置鑿巖、除塵等設(shè)備自身搭載的智能網(wǎng)關(guān),建立與隧道無(wú)線wifi間的網(wǎng)絡(luò)通道,裝備工作時(shí),自主建立無(wú)線網(wǎng)絡(luò)連接,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)類(lèi)裝備聯(lián)網(wǎng),如圖1所示。

3.2 隧道施工可視化物聯(lián)交互控制技術(shù)

3.2.1隧道施工可視化物聯(lián)交互控制系統(tǒng)

隧道施工可視化物聯(lián)交互控制系統(tǒng)是以BIM+GIS與物聯(lián)異構(gòu)融合技術(shù)為抓手,以“全要素、數(shù)據(jù)傳感、異構(gòu)融合、交互”為核心,貫穿施工全過(guò)程,搭建“基于BIM+GIS技術(shù)的隧道場(chǎng)景化物聯(lián)交互控制系統(tǒng)平臺(tái)”,該平臺(tái)能覆蓋隧道建造全周期,集成地勘信息、設(shè)計(jì)信息、綜合監(jiān)測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、人員設(shè)備定位、電子圍欄、監(jiān)控量測(cè)及施工過(guò)程中各類(lèi)關(guān)鍵施工數(shù)據(jù)等信息,實(shí)現(xiàn)虛擬信息與實(shí)體環(huán)境硬件間的有機(jī)異構(gòu)融合。

該系統(tǒng)是一個(gè)項(xiàng)目實(shí)施級(jí)的管理工具,將隧道內(nèi)人、機(jī)、料、法、環(huán)、測(cè)六要素運(yùn)行的生產(chǎn)數(shù)據(jù)通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)進(jìn)行信息交互,可實(shí)現(xiàn)三維管理。同時(shí),還可集成人員勞務(wù)信息、工裝生產(chǎn)數(shù)據(jù)、有害氣體監(jiān)測(cè)、不良地質(zhì)體信息、監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)等,結(jié)合工程大數(shù)據(jù)技術(shù),深度分析運(yùn)算關(guān)鍵數(shù)據(jù),優(yōu)化開(kāi)挖、初支參數(shù)等關(guān)鍵工序,以及安全、質(zhì)量、進(jìn)度、物資等環(huán)節(jié)中的決策管理,智能識(shí)別、定位、跟蹤、監(jiān)控,如圖2所示。

圖2 隧道物聯(lián)交互系統(tǒng)

3.2.2隧道施工改造設(shè)備控制技術(shù)

本文通過(guò)對(duì)三臂鑿巖臺(tái)車(chē)、襯砌臺(tái)車(chē)等大型機(jī)械設(shè)備的數(shù)字化改造,使設(shè)備能自動(dòng)采集、存儲(chǔ)施工過(guò)程中的關(guān)鍵參數(shù),然后通過(guò)網(wǎng)絡(luò)將數(shù)據(jù)傳輸至隧道施工可視化物聯(lián)交互控制系統(tǒng)平臺(tái);平臺(tái)能對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行集成、分析,對(duì)不安全的行為及因素做出預(yù)警,如能識(shí)別、判斷三臂鑿巖臺(tái)車(chē)鉆孔數(shù)量不足、鉆孔位置錯(cuò)誤及鉆孔深度不夠等,襯砌臺(tái)車(chē)的澆筑壓力過(guò)大,濕噴機(jī)的噴射速度、角度及距離不符合要求,除塵臺(tái)車(chē)的除塵效果不達(dá)標(biāo)、粉塵超標(biāo)等問(wèn)題,然后系統(tǒng)可根據(jù)預(yù)定的閾值發(fā)出指令,提醒相關(guān)管理人員及時(shí)采取措施,在過(guò)程中及時(shí)糾偏及控制,預(yù)防質(zhì)量及安全問(wèn)題發(fā)生;同時(shí),基于隧道施工可視化平臺(tái),可實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)施工動(dòng)態(tài),合理調(diào)度現(xiàn)場(chǎng)各施工機(jī)械進(jìn)行工序穿插,保證各類(lèi)機(jī)械聯(lián)合作業(yè)的高效性及流暢性。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于對(duì)現(xiàn)場(chǎng)主要大型施工設(shè)備進(jìn)行數(shù)字化改造,使相關(guān)設(shè)備能實(shí)時(shí)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)施工過(guò)程中的施工關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行采集、存儲(chǔ)及傳輸?shù)?然后將相關(guān)施工參數(shù)通過(guò)工程現(xiàn)場(chǎng)既有網(wǎng)絡(luò)傳輸給隧道施工可視化物聯(lián)交互控制系統(tǒng)平臺(tái),基于隧道施工可視化物聯(lián)交互控制系統(tǒng),實(shí)時(shí)了解現(xiàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài),判斷各項(xiàng)工作的合規(guī)性,對(duì)存在的問(wèn)題及時(shí)自動(dòng)做出反饋,從而減少人員投入、加快施工進(jìn)度、降低安全質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)、提升數(shù)字化建造水平等,從而能更好地控制現(xiàn)場(chǎng)。