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(luò)通道是指兩條單線隧道之間按照一定距離設(shè)置的橫向通道，簡(jiǎn)稱聯(lián)絡(luò)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(luò)通道大多采用凍結(jié)暗挖法施工[2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)聯(lián)絡(luò)通道的工法應(yīng)用和理論進(jìn)行過大量的研究，但對(duì)施工技術(shù)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(jié)法施工中的應(yīng)用；郝明強(qiáng)[4]等研究了MJS工法與凍結(jié)法結(jié)合加固區(qū)溫度場(chǎng)規(guī)律；李方政[5]、崔兵兵[6]等對(duì)PVC凍結(jié)管受力及導(dǎo)熱性能進(jìn)行了研究；楊開艮[7]等首次將凍結(jié)站模塊化，并應(yīng)用在凍結(jié)加固領(lǐng)域。

近年，隨著建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)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(duì)技術(shù)創(chuàng)新的需求不斷加深。本文從技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用、技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)、技術(shù)創(chuàng)新展望3方面梳理探討聯(lián)絡(luò)通道各工序技術(shù)創(chuàng)新項(xiàng)目，以啟發(fā)行內(nèi)企業(yè)進(jìn)一步研究推廣相關(guān)技術(shù)成果。

1.技術(shù)創(chuàng)新應(yīng)用

1.1 焊接機(jī)器人

焊接機(jī)器人多應(yīng)用在平直工件中（見圖1），對(duì)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求較高，凍結(jié)管焊接時(shí)水、砂較多，環(huán)境潮濕。在傾斜的小口徑的條件下，還需改進(jìn)焊接送絲、凍結(jié)管與鉆機(jī)間距不平行、焊機(jī)卡頓等問題。焊接機(jī)器人若改進(jìn)成功，焊接的焊縫質(zhì)量將會(huì)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(dòng)強(qiáng)度和對(duì)身體的傷害，工效約提高1/3。

圖1 焊接機(jī)器人

1.2 開挖機(jī)器人

由于聯(lián)絡(luò)通道凍結(jié)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(guó)內(nèi)人工、消耗性材料增漲，凍結(jié)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(jī)器人機(jī)動(dòng)靈活，可快速地到達(dá)作業(yè)面，可以360°旋轉(zhuǎn)進(jìn)行作業(yè)（見圖2）。電動(dòng)力遙控操作的設(shè)計(jì)，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(shí)，配備相應(yīng)工具，可進(jìn)行噴漿、銑刨、鉆孔等作業(yè)，一機(jī)多能提高了設(shè)備的利用率，目前，已應(yīng)用了上百個(gè)聯(lián)絡(luò)通道，10多個(gè)大體積凍結(jié)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(píng)價(jià)非常適合空間受限場(chǎng)所的作業(yè)。

圖2 Brokk機(jī)器人

1.3 混凝土小灌車

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

現(xiàn)根據(jù)隧道尺寸創(chuàng)新定制2臺(tái)混凝土小灌車進(jìn)行運(yùn)輸（見圖3），杜絕了混凝土運(yùn)輸中的離析現(xiàn)象，單次運(yùn)輸量1m3，并在運(yùn)輸過程中持續(xù)攪拌，可自動(dòng)卸料，澆筑時(shí)間縮短一倍，降低了隧道內(nèi)運(yùn)輸對(duì)混凝土性能的影響，提高了結(jié)構(gòu)澆筑質(zhì)量。

圖3 混凝土小灌車運(yùn)輸

1.4 快融注漿

聯(lián)絡(luò)通道結(jié)構(gòu)完成后，自然解凍跟蹤注漿的時(shí)間一般為4～6個(gè)月時(shí)間。若凍結(jié)暗挖法施工沉降未穩(wěn)定就鋪設(shè)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(yùn)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(shí)進(jìn)行土體注漿控制融沉（見圖4）。通過合理設(shè)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(shí)機(jī)，加快凍結(jié)壁的解凍速度，減少融沉固結(jié)的時(shí)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(shè)工期及安全運(yùn)營(yíng)[3]。目前已在上海、杭州城市完成應(yīng)用，完成時(shí)間約1.5月。

圖4 快融注漿示意圖

2.技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)

2.1 鉆孔機(jī)器人

多年以來聯(lián)絡(luò)通道鉆孔施工從未進(jìn)行過技術(shù)革新及裝備升級(jí)，一直采用錨桿鉆機(jī)或夯管錘施工。社會(huì)勞動(dòng)力隨著一批農(nóng)民工漸漸老去，中國(guó)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(dòng)，智能化機(jī)器裝備代替人工已迫在眉睫。

國(guó)內(nèi)研發(fā)的首個(gè)滿足聯(lián)絡(luò)通道各種角度的自動(dòng)化鉆機(jī)，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(luò)通道成功應(yīng)用。傳統(tǒng)鉆孔作業(yè)5人/班，成孔2～4個(gè)；鉆孔機(jī)器人作業(yè)3人/班，成孔4～6個(gè)。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(jiǎn)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(dòng)強(qiáng)度。

2.2 凍結(jié)器快速接頭

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

凍結(jié)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(fù)安裝、回收利用，施工工藝簡(jiǎn)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(hù)標(biāo)準(zhǔn)和節(jié)能減排的國(guó)情。

2.3 模塊化車架式凍結(jié)站

目前，凍結(jié)站一般安裝在聯(lián)絡(luò)通道附近隧道內(nèi)、工作井地面或車站結(jié)構(gòu)內(nèi)，施工準(zhǔn)備工期長(zhǎng)，設(shè)備、材料投入量大，因工期轉(zhuǎn)換快需經(jīng)常拆裝，設(shè)備吊運(yùn)過程中易磕碰損壞，造成較大不必要的浪費(fèi)，增加了許多臨時(shí)工程量，延長(zhǎng)了施工工期。另一方面，由于施工場(chǎng)地的限制，管路都由人工搬運(yùn)，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(jié)站是將凍結(jié)所需設(shè)備進(jìn)行打包整合（見圖5），使用槽鋼做框架，底部增加耐磨實(shí)心輪胎，方面運(yùn)輸。模塊四周配置可折疊平臺(tái)，操作方便，減少施工工序，降低材料使用，有效避免了凍結(jié)施工的資源浪費(fèi)，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(jī)模塊化→2#冷凍機(jī)模塊化→鹽水系統(tǒng)模塊化。最大規(guī)格5m（長(zhǎng)）×2m（寬）×3.28m（高）。每個(gè)凍結(jié)站安裝提前約10d、撤場(chǎng)工期提前約10d。

圖5 模塊化車架式凍結(jié)站

3.技術(shù)創(chuàng)新展望

3.1 新型凍結(jié)管研究

凍結(jié)暗挖工程中的凍結(jié)管普遍采用的是低碳無縫鋼管，凍結(jié)完成拔除時(shí)易造成凍結(jié)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(jié)暗挖凍結(jié)管割除嚴(yán)重影響工效。國(guó)內(nèi)雖試驗(yàn)了PVC免拔管，但由于導(dǎo)熱系數(shù)差異較大，實(shí)際凍結(jié)效果不盡理想，延長(zhǎng)凍結(jié)時(shí)間約一倍，沒有從根本上解決凍結(jié)管出現(xiàn)的問題。

研究應(yīng)用新型低強(qiáng)度高韌性高導(dǎo)熱性管材作為凍結(jié)管，是凍結(jié)管材本質(zhì)上的突破。可減少凍結(jié)時(shí)間，凍結(jié)完成后不用拔除，掘切設(shè)備可以直接切削凍土和凍結(jié)管[6]，提高工效，確保凍結(jié)加固體的完整有效性，從施工關(guān)鍵工序上控制工程風(fēng)險(xiǎn)。

3.2 凍結(jié)壁數(shù)字孿生可視系統(tǒng)研究

目前，凍結(jié)壁凍土與非凍土交界面無法用物探法探測(cè)，多采用CAD二維平面圖繪制，三維BIM應(yīng)用無法與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)適時(shí)關(guān)聯(lián)，且耗時(shí)耗力，無法直觀顯示實(shí)際凍結(jié)效果和交圈情況，并缺少對(duì)凍結(jié)趨勢(shì)的預(yù)警。

隨著數(shù)字孿生技術(shù)的快速發(fā)展，研究開發(fā)一套通過測(cè)溫?cái)?shù)據(jù)計(jì)算轉(zhuǎn)化為不同凍結(jié)時(shí)間凍結(jié)壁的孿生可視變化系統(tǒng)，顯示凍結(jié)壁實(shí)際發(fā)展過程，全面分析凍結(jié)效果，最終實(shí)現(xiàn)施工場(chǎng)景的三維立體化演示、實(shí)時(shí)預(yù)警，省去人工煩瑣統(tǒng)計(jì)、人工計(jì)算繪制凍結(jié)壁的過程和錯(cuò)誤，為凍結(jié)效果的判斷提供科學(xué)的依據(jù)，對(duì)防范凍結(jié)暗挖工程風(fēng)險(xiǎn)具有重大意義。

4.結(jié)語

創(chuàng)新改革已成為企業(yè)高質(zhì)量發(fā)展的重要?jiǎng)幽?，綜述以上創(chuàng)新研究應(yīng)用，包含了聯(lián)絡(luò)通道施工的各個(gè)工序，創(chuàng)新一體化的施工技術(shù)概念基本形成。培養(yǎng)技術(shù)素質(zhì)過硬、開拓創(chuàng)新能力強(qiáng)的技術(shù)科研團(tuán)隊(duì)，鉆研科技前沿技術(shù)，加快成果轉(zhuǎn)化步伐已成為企業(yè)發(fā)展的核心競(jìng)爭(zhēng)力。