隧道联络通道创新一体化施工技术探讨

刘东启

（中煤隧道工程有限公司，江苏徐州 221000）

0.引言

隧道联络通道是指两条单线隧道之间按照一定距离设置的横向通道，简称联络通道，具有安全紧急疏散、排水及防火等作用[1]，软土地层的联络通道大多采用冻结暗挖法施工[2]。国内外学者对联络通道的工法应用和理论进行过大量的研究，但对施工技术创新方面的研究较少。史志明[3]等研究了快融注浆在冻结法施工中的应用；郝明强[4]等研究了MJS工法与冻结法结合加固区温度场规律；李方政[5]、崔兵兵[6]等对PVC冻结管受力及导热性能进行了研究；杨开艮[7]等首次将冻结站模块化，并应用在冻结加固领域。

近年，随着建设标准的不断提高，安全、质量、文明施工等方面的管理水平也不断提高，对技术创新的需求不断加深。本文从技术创新应用、技术创新研发、技术创新展望3方面梳理探讨联络通道各工序技术创新项目，以启发行内企业进一步研究推广相关技术成果。

1.技术创新应用

1.1 焊接机器人

焊接机器人多应用在平直工件中（见图1），对现场环境要求较高，冻结管焊接时水、砂较多，环境潮湿。在倾斜的小口径的条件下，还需改进焊接送丝、冻结管与钻机间距不平行、焊机卡顿等问题。焊接机器人若改进成功，焊接的焊缝质量将会更稳定，成型更美观，速度更快，能有效降低操作人员的劳动强度和对身体的伤害，工效约提高1/3。

图1 焊接机器人

1.2 开挖机器人

由于联络通道冻结暗挖地层和施工条件的特殊性，以往只能人工开挖，但如今国内人工、消耗性材料增涨，冻结暗挖工程向大体积发展，人工开挖已满足不了工期需要。

开挖机器人机动灵活，可快速地到达作业面，可以360°旋转进行作业（见图2）。电动力遥控操作的设计，体积小、重量轻、环保低噪音，并提高了开挖作业的安全性和效率。同时，配备相应工具，可进行喷浆、铣刨、钻孔等作业，一机多能提高了设备的利用率，目前，已应用了上百个联络通道，10多个大体积冻结暗挖工程施工，平均开挖工效40m3/d，为人工开挖的4倍，综合评价非常适合空间受限场所的作业。

图2 Brokk机器人

1.3 混凝土小灌车

由于隧道运输空间受限，结构浇筑原采用吊车、料斗将混凝土下放到三轮车上，再运输至工作面。单次运输体量0.4m3，在运输过程中容易失浆，且不能搅拌，混凝土易早凝、离析、板结，浇筑时间长。

现根据隧道尺寸创新定制2台混凝土小灌车进行运输（见图3），杜绝了混凝土运输中的离析现象，单次运输量1m3，并在运输过程中持续搅拌，可自动卸料，浇筑时间缩短一倍，降低了隧道内运输对混凝土性能的影响，提高了结构浇筑质量。

图3 混凝土小灌车运输

1.4 快融注浆

联络通道结构完成后，自然解冻跟踪注浆的时间一般为4～6个月时间。若冻结暗挖法施工沉降未稳定就铺设轨道，后期将面临道床与隧道一起沉降的问题，影响列车上线调试和运行安全。

快融注浆就是通过冻土内热盐水循环使冻土温度逐渐上升并快速解冻，同时进行土体注浆控制融沉（见图4）。通过合理设置解冻分区和解冻顺序，优化解冻工艺、注浆参数及注浆时机，加快冻结壁的解冻速度，减少融沉固结的时间，缩短跟踪注浆的周期，从而更好地控制地层融沉，保证地铁隧道后期建设工期及安全运营[3]。目前已在上海、杭州城市完成应用，完成时间约1.5月。

图4 快融注浆示意图

2.技术创新研发

2.1 钻孔机器人

多年以来联络通道钻孔施工从未进行过技术革新及装备升级，一直采用锚杆钻机或夯管锤施工。社会劳动力随着一批农民工渐渐老去，中国迎来了用工荒，建筑业用工成本激增，新生建筑业农民工由于受教育程度提高，已不愿意从事恶劣环境下大体力劳动，智能化机器装备代替人工已迫在眉睫。

国内研发的首个满足联络通道各种角度的自动化钻机，配备液压转盘、伸缩油缸及无线遥控系统，2021年5月已在南通地铁联络通道成功应用。传统钻孔作业5人/班，成孔2～4个；钻孔机器人作业3人/班，成孔4～6个。主要解决建筑业用工荒、工人老龄化、工作环境恶劣、文明施工的问题，新伺服系统人员上下更简便，施工更便利、更安全，施工环境更好，功能上提高工效，降低劳动强度。

2.2 冻结器快速接头

以往冻结器接头采用焊接方式，需要诸多材料、工具和人员进行加工，冻结完成后需割除，无法循环利用，导致施工材料、人员、工期大量浪费，损耗也过多。为解决以上问题，发明了一种可以重复安装、回收利用的冻结器快速接头。

冻结器快速接头通过使用柔口接管器螺栓快速安装与拆卸，可以重复安装、回收利用，施工工艺简便，施工工种要求性降低，材料损耗降低，可提高功效70%，更能符合现今环境保护标准和节能减排的国情。

2.3 模块化车架式冻结站

目前，冻结站一般安装在联络通道附近隧道内、工作井地面或车站结构内，施工准备工期长，设备、材料投入量大，因工期转换快需经常拆装，设备吊运过程中易磕碰损坏，造成较大不必要的浪费，增加了许多临时工程量，延长了施工工期。另一方面，由于施工场地的限制，管路都由人工搬运，且需要大量的割焊，给施工带来安全隐患[7]。

模块式车架式冻结站是将冻结所需设备进行打包整合（见图5），使用槽钢做框架，底部增加耐磨实心轮胎，方面运输。模块四周配置可折叠平台，操作方便，减少施工工序，降低材料使用，有效避免了冻结施工的资源浪费，提高了工作效率。主要包括：清水系统模块化→变压系统模块化→配电系统模块化→1#冷冻机模块化→2#冷冻机模块化→盐水系统模块化。最大规格5m（长）×2m（宽）×3.28m（高）。每个冻结站安装提前约10d、撤场工期提前约10d。

图5 模块化车架式冻结站

3.技术创新展望

3.1 新型冻结管研究

冻结暗挖工程中的冻结管普遍采用的是低碳无缝钢管，冻结完成拔除时易造成冻结管断裂残留障碍，冻土壁融化过多易造成水砂突涌，大体积冻结暗挖冻结管割除严重影响工效。国内虽试验了PVC免拔管，但由于导热系数差异较大，实际冻结效果不尽理想，延长冻结时间约一倍，没有从根本上解决冻结管出现的问题。

研究应用新型低强度高韧性高导热性管材作为冻结管，是冻结管材本质上的突破。可减少冻结时间，冻结完成后不用拔除，掘切设备可以直接切削冻土和冻结管[6]，提高工效，确保冻结加固体的完整有效性，从施工关键工序上控制工程风险。

3.2 冻结壁数字孪生可视系统研究

目前，冻结壁冻土与非冻土交界面无法用物探法探测，多采用CAD二维平面图绘制，三维BIM应用无法与实际监测数据适时关联，且耗时耗力，无法直观显示实际冻结效果和交圈情况，并缺少对冻结趋势的预警。

随着数字孪生技术的快速发展，研究开发一套通过测温数据计算转化为不同冻结时间冻结壁的孪生可视变化系统，显示冻结壁实际发展过程，全面分析冻结效果，最终实现施工场景的三维立体化演示、实时预警，省去人工烦琐统计、人工计算绘制冻结壁的过程和错误，为冻结效果的判断提供科学的依据，对防范冻结暗挖工程风险具有重大意义。

4.结语

创新改革已成为企业高质量发展的重要动能，综述以上创新研究应用，包含了联络通道施工的各个工序，创新一体化的施工技术概念基本形成。培养技术素质过硬、开拓创新能力强的技术科研团队，钻研科技前沿技术，加快成果转化步伐已成为企业发展的核心竞争力。