文/虫虫

研究前提

隧道事故救援和管理养护对保证高速公路交通安全运营十分重要，但隧道空间相对封闭、狭小，导致隧道救援和管养十分困难。

论文简要介绍了移动机械臂在公路隧道事故的研究现状，分析了智能机械臂在公路隧道事故中应用的可行性，并从灭火救援、管理、养护 3方面详细探讨了智能机械臂在公路事故救援中的应用。

为确保高速公路隧道安全、畅通运行，提供了一定的理论基础。

引言

中国是世界上公路隧道规模最大 、运营里程最长的国家之一。

公路隧道作为高速公路建设的重要组成部分，对道路的通行和经济的发展起着非常重要的作用。

由于隧道长且空间相对封闭，以及能见度低且空气质量差的特点，造成了一系列 严重影响交通运营安全的问题。

作为交通运输的重要组成部分，如何应用现代科技给乘客提供最为安全的出行服务，已经成为当前亟待解决的重要问题。

一些较为先进的救援设备， 如履带式、行走式机器人等，这些设备移动速度较慢，比较昂 贵；

且设备受到自身稳定性约束，不能承载较重物体，不能多角度对事故点进行救援。本文综合国内外研究现状，从检测感知、作战指挥、人员安全管理方面对智能机械臂在救援灭火方面进行了分析；

从隧道土建结构、内部设施方面对智能机械臂在养护管理方面进行了分析，不仅能满足日常监测与养护需求，还保障了事故发生的高效救援。

同时，对行车人员的生命财产安全大有裨益。

国内外的研究现状

随着高速公路隧道里程的不断增加，智能化的公路隧道管理已经得到了人们越来越多的关注。

从近年来国内外发生的重特大隧道火灾事故可知，我国的隧道火灾发生概率明显高于其他国家，形势不容乐观。

随着社会的发展，对智能化救援方法的研究越来越多。

1986 年，日本消防厅首次使用消防机器人进行灭火，卡内基梅隆大学 WOLF 等研究了一种能够运动空间大和探测范围广的可移动机器人。

此后，美国的 In Rob Tech 公司研制了 FFR- 1 型消防机器人，该机器人采用遥控控制，可以爬 30°的坡度，跨越高度为 20 cm 的障碍。

1997 年，我国开始研究了救援消防机器人。

2002 年 6 月， 由 上 海 强 师 消防装备有限公司研制的消防灭火机器人 JMX-LT50 诞生，其采用轮式行走机构。

2014 年，沈阳自动化研究所研究了一种能够折叠变形的履带式救援机器人。

虽然灭火救援设备种类繁多，但在处理火灾、帮助被困人 员逃生等方面仍存在诸多不足。

例如，高压脉冲设备和水消防设备都需要人工操作，当产生大量烟雾时，救援人员无法确认 着火点具体位置，无法在最短的时间内使用救援设备。

综上所述，目前，对于现代化智能救援机器人的研究发展迅速，但针对隧道事故特征以及空间特性的智能化救援设备研究较少，成果不明显。

传统隧道救援设备操作容易受到局限，自动化程度不够高。

而救援机器人存在其成本高、无法承 受较重物资、移动速度慢不能及时到达救援点、道路堵塞时设 备无法通行等缺点，在隧道救援中效果一般。

智能机械臂在公路隧道侦察灭火救援中的应用

3.1 全方位的检测感知

对灾害现场情况的侦察工作是灭火救援作战的重要保障，为达到该研究的主要目标，避免轨道移动机械臂与隧道壁上的设备发生冲突。

实现救援时轨道机械臂能够第一时间快速移动到突发事件现场，所以，本文主要研究轨道移动机械臂安装在隧道顶部上的场景。

目前，隧道壁上的检测工作 主要是在机械臂上安装图像传感器(摄像机)，利用摄像机通过对隧道进行内部观察。

然后，利用一些仪器进行隧道检测， 但这些其实都无法保证对灾害现场情况的全面掌握。

通过在 机械臂上布置微型的多功能传感器，形成隧道的侦察传感网络监控系统。

3.2 智能的作战指挥方位

智能机械臂是结合物联网技术应用于消防应急领域，利用物联网技术对无线传感器及其图像反馈回来的信息进行分类汇总。

并通过监控设备的监控站向操作员发出紧急求助信号，为操作员的灭火救援战斗提供有效信息。

利用已经安装在机械臂上的 GPS 定位系统，及时将车辆的位置信息发送到电脑中。

然后，利用事先在机械臂上装配好的RFID电子标签，统计好救援车辆的类型、车辆数量、救援人员数量，以及所属单 位和配备的装备。

并且在救援车辆到达之前，预先为车辆确定 停靠位置和分配作战任务。

统一有序的管理，不仅能提高救援 指挥效率，还能将灾害损失降到最小。

3.3 智能的人员安全管理

当发生火灾时，往往需要救援人员进入现场探查火灾的情况，但火灾现场的温度以及烟雾浓度对救援人员的生命安全产生了严重的威胁，智能机械臂为解决这一问题提供了方法。

进入火灾现场的救援人员都会携带存储温度、烟雾浓度压力、特定的编号以及姓名等信息的电子标签。

在智能机械臂安装的隧道地图可以实时显示隧道内全貌，通过定位功能对救援人员的路线进行跟踪，以实时确定各种医疗仪器的使用状态和人员位置。

一旦当救援人员的生命体征参数出现异常时， 医疗仪器就会自动震动，提示救援人员赶紧撤离，为保护救援人员产生了极大的作用。

智能机械臂在公路隧道管理与养护方面的应用

4.1 公路隧道土建结构的养护管理

土建结构的最主要的养护管理工作首先是清洁 、维修和 结构检查；其次是病害处治。

公路隧道土建结构的清洁、维修，主要是采用机械臂模仿人的手功能，利用软布、水枪进行照明 灯具擦拭、顶部结构物的脏污及标志牌的清理，保持外观的干净。

另外，一般在严寒地区春季冰雪融化后，隧道内部可能会出现挂冰、漏水的情况，通过在机械臂上安装超声波检测仪和全站仪，进行渗漏水以及结构变形的检查，以达到保养维修、 病害处治的目的。

4.2 公路隧道内部设施的养护管理

公路隧道内部设施的养护主要包括供配电设施 、监控设施、照明设施、通风设施及救援设施的维护。

考虑到当前国内 高速公路的隧道结构比较复杂且隧道内部的机电设施功能多样,所以,在进行隧道机电设施养护时必须首先对隧道的通风通道进行检查。

并借助各类仪器实现对隧道内外部环境的实时监控。

常用的仪器主要有烟雾传感器、温湿度传感器、光照传感器、气体探测器(O2、H2S、CO、CH4)等效。

开创了富水软弱地区应用大断面顶管施工的先河，为后续 类似工程施工积累了一定的经验，该工程入围 ITA(世界隧道 及地下空间协会)2018年度地下空间开发应用创新奖。

结论

经本工程实践证明，在加注触变泥浆还不能有效地控制地层沉降的情况下，有针对性地对向变形超过一定范围(沉降超过控制沉降值的 70%)的区域所代表的管节注入红泥，对控制地面沉降有明显的作用。

在设备上增加帽檐后，能有效地杜绝背土现象，可以使触变泥浆完全填充空隙，减少管机与土体之间的不均匀摩擦，

减少对土体的扰动，从而降低地层损失。

由于大直径顶管机机头重达几百吨，为了使顶管机与管节形成一个整体，运动轨迹保持一致，减少对土体的扰动。

采用顶管机与首节管节一圈采用钢板满焊的方式进行刚性连接，并采取大螺杆拉紧连接管节的措施，对控制顶管机、管节姿态及地面沉降十分重要。

顶管隧道洞门一直处于持续始发状态，渗漏水风险极高，一旦发生渗漏水将引起地面沉降，严重时甚至会交通瘫痪，造成重大的社会影响。

在始发洞门处采用增加外延钢箱 +2 道帘布橡胶板，并在空腔内注入持续惰性浆液可达到洞门动态防水的目的。

隧道事故救援、管理和维护是保证公路交通安全运行的重要手段。

世界上许多国家对公路隧道的安全和健康状况进行了大量的研究，建立了各种的救援及管养系统，但是，大多数检测 系统的智能化、自动化程度相对较低。

因此，为了实现公路隧道交通事故下的智能、灵活、高效救援，该系统通过在隧道顶部设置轨道移动智能机械臂，结合物联网技术，建立了智能化机械臂救援和管养系统 。

实现运营管理和救援指挥快速反应的目标，最大限度降低了隧道运营费用和事故危害。

参考文献：

[1]贾连辉 .超大断面矩形盾构顶管设计关键技术[J]. 隧道建设,2014(11):1098-1106．

[2] 葛春辉.顶管工程设计与施工[M].北京:中国建筑工业出版社,2012．

[3]刘平,戴燕超.矩形顶管机的研究和设计[J].市政技术,2005(3):92-95．

[4]周顺华,廖全燕,刘建国,等.矩形顶管隧道顶进过程的地层损失[J].岩石力学与工程学报,2001(3):342-345. [8]姜洪建.超大断面矩形顶管隧道施工引起的地表沉降规律研究[D].郑州:华北水利水电大学,2019.

[5]刘营.顶管施工对周围土体扰动范围影响研究[D].郑州:郑州大学,2016.

[6]胡宝生.大断面类矩形盾构顶管施工风险及对策综述[J].公路交通技术,2020,36(1):118-123. [7]韩国良.顶管施工引起的地面变形问题研究[D]. 哈尔滨:哈尔滨工业大学,2018.