隧道聯絡通道創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]，軟土地層的聯絡通道大多采用凍結暗挖法施工[2]。國內外學者對聯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溫度場規律；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、質量、文明施工等方面的管理水平也不斷提高，對技術創新的需求不斷加深。本文從技術創新應用、技術創新研發、技術創新展望3方面梳理探討聯絡通道各工序技術創新項目，以啟發行內企業進一步研究推廣相關技術成果。

1.技術創新應用

1.1 焊接機器人

焊接機器人多應用在平直工件中（見圖1），對現場環境要求較高，凍結管焊接時水、砂較多，環境潮濕。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，焊接的焊縫質量將會更穩定，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，但如今國內人工、消耗性材料增漲，凍結暗挖工程向大體積發展，人工開挖已滿足不了工期需要。

開挖機器人機動靈活，可快速地到達作業面，可以360°旋轉進行作業（見圖2）。電動力遙控操作的設計，體積小、重量輕、環保低噪音，并提高了開挖作業的安全性和效率。同時，配備相應工具，可進行噴漿、銑刨、鉆孔等作業，一機多能提高了設備的利用率，目前，已應用了上百個聯絡通道，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。

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。

現根據隧道尺寸創新定制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象，單次運輸量1m3，并在運輸過程中持續攪拌，可自動卸料，澆筑時間縮短一倍，降低了隧道內運輸對混凝土性能的影響，提高了結構澆筑質量。

圖3 混凝土小灌車運輸

1.4 快融注漿

聯絡通道結構完成后，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，影響列車上線調試和運行安全。

快融注漿就是通過凍土內熱鹽水循環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和解凍順序，優化解凍工藝、注漿參數及注漿時機，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.技術創新研發

2.1 鉆孔機器人

多年以來聯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民工漸漸老去，中國迎來了用工荒，建筑業用工成本激增，新生建筑業農民工由于受教育程度提高，已不愿意從事惡劣環境下大體力勞動，智能化機器裝備代替人工已迫在眉睫。

國內研發的首個滿足聯絡通道各種角度的自動化鉆機，配備液壓轉盤、伸縮油缸及無線遙控系統，2021年5月已在南通地鐵聯絡通道成功應用。傳統鉆孔作業5人/班，成孔2～4個；鉆孔機器人作業3人/班，成孔4～6個。主要解決建筑業用工荒、工人老齡化、工作環境惡劣、文明施工的問題，新伺服系統人員上下更簡便，施工更便利、更安全，施工環境更好，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%，更能符合現今環境保護標準和節能減排的國情。

2.3 模塊化車架式凍結站

目前，凍結站一般安裝在聯絡通道附近隧道內、工作井地面或車站結構內，施工準備工期長，設備、材料投入量大，因工期轉換快需經常拆裝，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：清水系統模塊化→變壓系統模塊化→配電系統模塊化→1#冷凍機模塊化→2#冷凍機模塊化→鹽水系統模塊化。最大規格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。國內雖試驗了PVC免拔管，但由于導熱系數差異較大，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，是凍結管材本質上的突破。可減少凍結時間，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 凍結壁數字孿生可視系統研究

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應用無法與實際監測數據適時關聯，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。

隨著數字孿生技術的快速發展，研究開發一套通過測溫數據計算轉化為不同凍結時間凍結壁的孿生可視變化系統，顯示凍結壁實際發展過程，全面分析凍結效果，最終實現施工場景的三維立體化演示、實時預警，省去人工煩瑣統計、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，對防范凍結暗挖工程風險具有重大意義。

4.結語

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