隧道聯(lián)絡通道創(chuàng)新一體化施工技術探討

劉東啟

（中煤隧道工程有限公司，江蘇徐州 221000）

0.引言

隧道聯(lián)絡通道是指兩條單線隧道之間按照一定距離設置的橫向通道，簡稱聯(lián)絡通道，具有安全緊急疏散、排水及防火等作用[1]，軟土地層的聯(lián)絡通道大多采用凍結暗挖法施工[2]。國內(nèi)外學者對聯(lián)絡通道的工法應用和理論進行過大量的研究，但對施工技術創(chuàng)新方面的研究較少。史志明[3]等研究了快融注漿在凍結法施工中的應用；郝明強[4]等研究了MJS工法與凍結法結合加固區(qū)溫度場規(guī)律；李方政[5]、崔兵兵[6]等對PVC凍結管受力及導熱性能進行了研究；楊開艮[7]等首次將凍結站模塊化，并應用在凍結加固領域。

近年，隨著建設標準的不斷提高，安全、質(zhì)量、文明施工等方面的管理水平也不斷提高，對技術創(chuàng)新的需求不斷加深。本文從技術創(chuàng)新應用、技術創(chuàng)新研發(fā)、技術創(chuàng)新展望3方面梳理探討聯(lián)絡通道各工序技術創(chuàng)新項目，以啟發(fā)行內(nèi)企業(yè)進一步研究推廣相關技術成果。

1.技術創(chuàng)新應用

1.1 焊接機器人

焊接機器人多應用在平直工件中（見圖1），對現(xiàn)場環(huán)境要求較高，凍結管焊接時水、砂較多，環(huán)境潮濕。在傾斜的小口徑的條件下，還需改進焊接送絲、凍結管與鉆機間距不平行、焊機卡頓等問題。焊接機器人若改進成功，焊接的焊縫質(zhì)量將會更穩(wěn)定，成型更美觀，速度更快，能有效降低操作人員的勞動強度和對身體的傷害，工效約提高1/3。

圖1 焊接機器人

1.2 開挖機器人

由于聯(lián)絡通道凍結暗挖地層和施工條件的特殊性，以往只能人工開挖，但如今國內(nèi)人工、消耗性材料增漲，凍結暗挖工程向大體積發(fā)展，人工開挖已滿足不了工期需要。

開挖機器人機動靈活，可快速地到達作業(yè)面，可以360°旋轉(zhuǎn)進行作業(yè)（見圖2）。電動力遙控操作的設計，體積小、重量輕、環(huán)保低噪音，并提高了開挖作業(yè)的安全性和效率。同時，配備相應工具，可進行噴漿、銑刨、鉆孔等作業(yè)，一機多能提高了設備的利用率，目前，已應用了上百個聯(lián)絡通道，10多個大體積凍結暗挖工程施工，平均開挖工效40m3/d，為人工開挖的4倍，綜合評價非常適合空間受限場所的作業(yè)。

圖2 Brokk機器人

1.3 混凝土小灌車

由于隧道運輸空間受限，結構澆筑原采用吊車、料斗將混凝土下放到三輪車上，再運輸至工作面。單次運輸體量0.4m3，在運輸過程中容易失漿，且不能攪拌，混凝土易早凝、離析、板結，澆筑時間長。

現(xiàn)根據(jù)隧道尺寸創(chuàng)新定制2臺混凝土小灌車進行運輸（見圖3），杜絕了混凝土運輸中的離析現(xiàn)象，單次運輸量1m3，并在運輸過程中持續(xù)攪拌，可自動卸料，澆筑時間縮短一倍，降低了隧道內(nèi)運輸對混凝土性能的影響，提高了結構澆筑質(zhì)量。

圖3 混凝土小灌車運輸

1.4 快融注漿

聯(lián)絡通道結構完成后，自然解凍跟蹤注漿的時間一般為4～6個月時間。若凍結暗挖法施工沉降未穩(wěn)定就鋪設軌道，后期將面臨道床與隧道一起沉降的問題，影響列車上線調(diào)試和運行安全。

快融注漿就是通過凍土內(nèi)熱鹽水循環(huán)使凍土溫度逐漸上升并快速解凍，同時進行土體注漿控制融沉（見圖4）。通過合理設置解凍分區(qū)和解凍順序，優(yōu)化解凍工藝、注漿參數(shù)及注漿時機，加快凍結壁的解凍速度，減少融沉固結的時間，縮短跟蹤注漿的周期，從而更好地控制地層融沉，保證地鐵隧道后期建設工期及安全運營[3]。目前已在上海、杭州城市完成應用，完成時間約1.5月。

圖4 快融注漿示意圖

2.技術創(chuàng)新研發(fā)

2.1 鉆孔機器人

多年以來聯(lián)絡通道鉆孔施工從未進行過技術革新及裝備升級，一直采用錨桿鉆機或夯管錘施工。社會勞動力隨著一批農(nóng)民工漸漸老去，中國迎來了用工荒，建筑業(yè)用工成本激增，新生建筑業(yè)農(nóng)民工由于受教育程度提高，已不愿意從事惡劣環(huán)境下大體力勞動，智能化機器裝備代替人工已迫在眉睫。

國內(nèi)研發(fā)的首個滿足聯(lián)絡通道各種角度的自動化鉆機，配備液壓轉(zhuǎn)盤、伸縮油缸及無線遙控系統(tǒng)，2021年5月已在南通地鐵聯(lián)絡通道成功應用。傳統(tǒng)鉆孔作業(yè)5人/班，成孔2～4個；鉆孔機器人作業(yè)3人/班，成孔4～6個。主要解決建筑業(yè)用工荒、工人老齡化、工作環(huán)境惡劣、文明施工的問題，新伺服系統(tǒng)人員上下更簡便，施工更便利、更安全，施工環(huán)境更好，功能上提高工效，降低勞動強度。

2.2 凍結器快速接頭

以往凍結器接頭采用焊接方式，需要諸多材料、工具和人員進行加工，凍結完成后需割除，無法循環(huán)利用，導致施工材料、人員、工期大量浪費，損耗也過多。為解決以上問題，發(fā)明了一種可以重復安裝、回收利用的凍結器快速接頭。

凍結器快速接頭通過使用柔口接管器螺栓快速安裝與拆卸，可以重復安裝、回收利用，施工工藝簡便，施工工種要求性降低，材料損耗降低，可提高功效70%，更能符合現(xiàn)今環(huán)境保護標準和節(jié)能減排的國情。

2.3 模塊化車架式凍結站

目前，凍結站一般安裝在聯(lián)絡通道附近隧道內(nèi)、工作井地面或車站結構內(nèi)，施工準備工期長，設備、材料投入量大，因工期轉(zhuǎn)換快需經(jīng)常拆裝，設備吊運過程中易磕碰損壞，造成較大不必要的浪費，增加了許多臨時工程量，延長了施工工期。另一方面，由于施工場地的限制，管路都由人工搬運，且需要大量的割焊，給施工帶來安全隱患[7]。

模塊式車架式凍結站是將凍結所需設備進行打包整合（見圖5），使用槽鋼做框架，底部增加耐磨實心輪胎，方面運輸。模塊四周配置可折疊平臺，操作方便，減少施工工序，降低材料使用，有效避免了凍結施工的資源浪費，提高了工作效率。主要包括：清水系統(tǒng)模塊化→變壓系統(tǒng)模塊化→配電系統(tǒng)模塊化→1#冷凍機模塊化→2#冷凍機模塊化→鹽水系統(tǒng)模塊化。最大規(guī)格5m（長）×2m（寬）×3.28m（高）。每個凍結站安裝提前約10d、撤場工期提前約10d。

圖5 模塊化車架式凍結站

3.技術創(chuàng)新展望

3.1 新型凍結管研究

凍結暗挖工程中的凍結管普遍采用的是低碳無縫鋼管，凍結完成拔除時易造成凍結管斷裂殘留障礙，凍土壁融化過多易造成水砂突涌，大體積凍結暗挖凍結管割除嚴重影響工效。國內(nèi)雖試驗了PVC免拔管，但由于導熱系數(shù)差異較大，實際凍結效果不盡理想，延長凍結時間約一倍，沒有從根本上解決凍結管出現(xiàn)的問題。

研究應用新型低強度高韌性高導熱性管材作為凍結管，是凍結管材本質(zhì)上的突破?？蓽p少凍結時間，凍結完成后不用拔除，掘切設備可以直接切削凍土和凍結管[6]，提高工效，確保凍結加固體的完整有效性，從施工關鍵工序上控制工程風險。

3.2 凍結壁數(shù)字孿生可視系統(tǒng)研究

目前，凍結壁凍土與非凍土交界面無法用物探法探測，多采用CAD二維平面圖繪制，三維BIM應用無法與實際監(jiān)測數(shù)據(jù)適時關聯(lián)，且耗時耗力，無法直觀顯示實際凍結效果和交圈情況，并缺少對凍結趨勢的預警。

隨著數(shù)字孿生技術的快速發(fā)展，研究開發(fā)一套通過測溫數(shù)據(jù)計算轉(zhuǎn)化為不同凍結時間凍結壁的孿生可視變化系統(tǒng)，顯示凍結壁實際發(fā)展過程，全面分析凍結效果，最終實現(xiàn)施工場景的三維立體化演示、實時預警，省去人工煩瑣統(tǒng)計、人工計算繪制凍結壁的過程和錯誤，為凍結效果的判斷提供科學的依據(jù)，對防范凍結暗挖工程風險具有重大意義。

4.結語

創(chuàng)新改革已成為企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要動能，綜述以上創(chuàng)新研究應用，包含了聯(lián)絡通道施工的各個工序，創(chuàng)新一體化的施工技術概念基本形成。培養(yǎng)技術素質(zhì)過硬、開拓創(chuàng)新能力強的技術科研團隊，鉆研科技前沿技術，加快成果轉(zhuǎn)化步伐已成為企業(yè)發(fā)展的核心競爭力。