狹小空間隧道坍方救援方法及配套設(shè)備研究

摘要：針對狹小空間隧道坍方救援難度大、安全風(fēng)險高等問題，文章提出一種自進(jìn)式救援通道裝備。該裝備具有小型化、輕量化且操作簡單等特點，特別適用于狹小隧道空間內(nèi)的人員救援任務(wù)。通過試驗證明，其在黏土、沙土、碎石土等渣體中均表現(xiàn)出良好的適用性。相比小導(dǎo)坑救援法、大口徑水平鉆機救援法、液壓頂管救援法等傳統(tǒng)方法，該裝備對土層穩(wěn)定性要求更低，安全性要求更高，并且綜合掘進(jìn)速度達(dá)到0.8～1.5 m/h，是傳統(tǒng)小導(dǎo)坑救援法掘進(jìn)速度的2倍以上。因此，該自進(jìn)式救援通道裝備在狹小空間隧道坍方救援中具有較強的適用性。

關(guān)鍵詞：狹小空間；隧道救援；救援設(shè)備

中圖分類號：B60R" " " "文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A" " " 文章編號：1674-0688（2024）09-0060-04

0 引言

在隧道施工過程中，由于遭遇軟弱圍巖地質(zhì)條件，加之隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，隧道結(jié)構(gòu)面臨著變形與坍方的重大風(fēng)險。巖土圍巖自身強度低且抗災(zāi)能力弱，如果沒有得到及時有效的支護(hù)，長時間暴露在外界環(huán)境中，會在自身重力與應(yīng)力分布的作用下發(fā)生變形，進(jìn)而導(dǎo)致圍巖失穩(wěn)甚至垮塌，危及隧道開挖人員的安全。尤為棘手的是隧道空間狹小，在一定程度上增大了救援難度，使得在緊急情況下的救援成為一項嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。軟巖塌方主要分為蠕變型和松散滑動型兩種。通常情況下，軟巖在塌方前會經(jīng)歷一個應(yīng)力逐漸累積的過渡期，一旦應(yīng)力超出其承受極限，便會迅速發(fā)生變形并最終垮塌。軟巖塌方的規(guī)模及破壞特征主要取決于巖體的含泥量和破碎程度，而軟弱圍巖的破壞形式主要包括重力崩塌和滑動坍落。

現(xiàn)階段，隧道救援方式主要包括人工開挖小導(dǎo)坑法、液壓頂管法和大口徑水平鉆機法等。其中，人工開挖小導(dǎo)坑法操作簡單，救援成功率較高，但耗時較長，易受隧道周圍環(huán)境的限制，救援風(fēng)險較大；液壓頂管法通過鋼管穿透坍方體的方式形成救援通道，但對事故現(xiàn)場條件要求較高，適用性有限。王獻(xiàn)澤等［1］采用人工開挖小導(dǎo)坑法成功處置了隧道塌方險情，結(jié)果表明該方法能有效提升救援安全性，但施工的難度較大。石國領(lǐng)等［2］采用大口徑水平鉆機開展隧道救援，并從科研攻關(guān)、整合資源等方面提出了改進(jìn)方案，結(jié)果表明該方法救援效率較高，但國內(nèi)救援鉆機數(shù)量較少，事故發(fā)生后設(shè)備調(diào)運難度大。鄭東等［3］分析了孤石對大口徑水平鉆機鉆進(jìn)性能的影響，并且發(fā)現(xiàn)碎石土塌方體中的孤石會改變鉆機鉆具的受力情況，從而影響救援效率。為了有效提高施工效率，提升施工現(xiàn)場的應(yīng)急救援處理能力，并提升救援過程的安全性。本文基于盾構(gòu)機原理，研制了一種適用于狹小空間隧道的救援裝備，并在此技術(shù)上提出了救援方案。

1 常見救援方法與設(shè)備

1.1 大口徑水平鉆機救援法

大口徑水平鉆機救援法是現(xiàn)階段常用的隧道塌方救援方法之一，救援設(shè)備主要使用FS-120CZ救援鉆機。發(fā)生隧道塌方后，該鉆機通過大口徑水平鉆進(jìn)到達(dá)救援位置，隨后撤出鉆桿，布設(shè)直徑為620 mm的外套管，構(gòu)成救援通道。雖然此方法具有一定的優(yōu)勢，但是目前僅國家級隧道救援隊配備有4臺此類設(shè)備［4］。因此，事故發(fā)生后難以迅速調(diào)運至事故現(xiàn)場，并且設(shè)備安裝耗時較長，難以普及。

1.2 液壓頂管救援法

液壓頂管救援法在隧道塌方救援中主要采用液壓頂管機，該設(shè)備分為主機與后靠背兩個部分。主機含機架、導(dǎo)向滑軌及頂進(jìn)結(jié)構(gòu)，后靠背則由頂托、立桿、斜桿、底板等組成。此救援法采用步進(jìn)式結(jié)構(gòu)，后靠背通過[?]25 mm精軋螺紋鋼或[?]30 mm膨脹螺栓牢固地錨定于隧道圍巖。在安裝過程中，首先穩(wěn)固后靠背底板，其次安裝機架，并將后靠背固定于頂托之上，最后將頂進(jìn)結(jié)構(gòu)后橫梁精確地安裝于機架上。作業(yè)時，千斤頂伸出，為鋼管提供必要的頂進(jìn)力，同時在頂進(jìn)過程中有效排出渣土。一個頂進(jìn)行程完成后，插銷自動回縮，使橫梁與機架分離，隨后千斤頂回縮，橫梁隨之沿著機架滑動至下一個插銷孔位置，準(zhǔn)備下一輪頂進(jìn)［5］。鋼管進(jìn)入渣土后，撤回頂進(jìn)機構(gòu)，連接新鋼管與前段鋼管，重復(fù)此過程直至構(gòu)建出逃生通道。但是，此方法對救援現(xiàn)場的條件要求較高，適用性相對較低。

1.3 小導(dǎo)坑救援法

小導(dǎo)坑救援法是在穩(wěn)固的隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)上開挖小導(dǎo)坑，形狀可為矩形或三角形，采用木箱架或液壓支撐進(jìn)行支護(hù)，以此構(gòu)成救援通道。該方法操作簡單，并且在救援通道搭設(shè)過程中能就地取材，因此在隧道塌方救援中具有一定的優(yōu)勢；然而，其也具有一定的局限性，具體如下：一是耗時較長，尤其是在塌方體松散的條件下，每米鉆進(jìn)需3～4 h；二是易受套件限制，施工過程中存在較大誤差，棚架穩(wěn)定性差；三是遇到堅硬石塊需采用風(fēng)鎬或人工破碎，不僅可能損壞支護(hù)結(jié)構(gòu)，而且還可能危及救援人員的安全，存在較高的風(fēng)險［6］。

2 救援裝備設(shè)計

為有效提升救援效率與安全性，本文設(shè)計了一套自進(jìn)式救援通道裝備及技術(shù)，其結(jié)構(gòu)見圖1，該裝備主要包括機頭頂進(jìn)部分、管片拼裝部分及后靠背部分。

2.1 機頭頂進(jìn)部分

救援設(shè)備機頭由20 mm厚的16錳鋼板焊接而成，內(nèi)徑設(shè)計為1 200 mm，可為救援人員提供寬敞的作業(yè)空間。機頭內(nèi)部對稱布置4臺液壓千斤頂，總頂推力可達(dá)到600 kN，工作壓力為120.3 MPa，有效行程為650 mm。為了確保千斤頂在頂進(jìn)與收縮過程中的穩(wěn)定性，4臺千斤頂通過250 mm厚的頂環(huán)固定。機頭上部縱向長度為3 100 mm，底部縱向長度為2 800 mm。此外，機頭內(nèi)集成了照明、監(jiān)控及空壓機等輔助裝置與系統(tǒng)，總重量為2.8 t，能在掘進(jìn)過程中為救援人員提供必要的支持與幫助。

2.2 管片拼裝部分

管片拼裝部分主要分為雙層型和單層型兩種（圖2）。其中，雙層型管片部署于頂部與側(cè)面，其主要作用在于承受外部渣體施加的壓力；單層型管片位于設(shè)備底部，主要用于排出渣土［7］。雙層型管片采用鋁合金材料，分為內(nèi)外兩圈，中間增設(shè)鋁合金骨架支撐；單層型管片由20 mm厚的鋁板加工而成，每圈長50 cm，單個管片重量不超過25 kg。管片兩端增設(shè)加肋板，通過[?]16 mm的螺栓連接。

2.3 后靠背部分

后靠部分由后靠背基座和拼接滑道組成。后靠背基座采用型鋼加工而成，其作用在于機頭頂進(jìn)時提供反作用力，并便于人工清理渣土。拼接滑道設(shè)計的目的在于確保掘進(jìn)時機頭與后靠背保持在同一中軸線上，使機頭能平直進(jìn)入渣體，防止軌道偏移。

3 力學(xué)分析與計算

為分析自進(jìn)式救援設(shè)備掘進(jìn)時的受力狀況，針對坍土松散的特點，將圍巖定為Ⅵ級，通過模擬試驗分析安全救援管道頂進(jìn)過程中的受力情況。

3.1 機頭頂進(jìn)力理論計算

（1）黏土機頭摩阻計算。機頭與圍巖的摩擦力[F摩]通過以下公式計算：

[F摩=μ×FN]，" " " " " " " " " " " " " " " （1）

其中：[μ]為機頭與黏土之間的動摩擦因數(shù)，該值只與材料和接觸面的粗糙程度有關(guān)，與接觸面積無關(guān)，當(dāng)鉆進(jìn)層為黏土?xí)r，[μ]值取0.3；[N]為黏土的正壓力，kN；[F]為機頭表面對黏土的作用力，kN。通過計算可得黏土機頭摩阻[F摩]=337 kN。

（2）砂土機頭摩阻計算。在機頭周圍巖層為砂土的情況下，機頭與黏土之間的[μ]值取0.4。通過公式（1）可計算出砂土機頭摩阻[F摩]=474 kN。

（3）碎石土機頭摩阻計算。在機頭周圍巖層為碎石土的情況下，機頭與黏土之間的[μ]值為0.45。通過公式（1）可計算出碎石土機頭摩阻[F摩]=563" kN。本文設(shè)計的自進(jìn)式救援設(shè)備中部署的4臺液壓千斤頂?shù)目偼屏?00 kN，因此千斤頂?shù)耐屏Ψ暇蜻M(jìn)要求。

3.2 管片變形與受力分析

分析管片在黏土、砂土、碎石土等不同塌方體渣體掘進(jìn)時的變形與受力情況（見表1），管片在黏土中的變形量及受力最小，分別為5.1 mm和85 MPa。在碎石土中，土質(zhì)堅硬，管片變形量與受力增大至6.4 mm和112 MPa，但仍低于鋁合金強度（200 MPa）。

3.3 螺栓剪力和安全性分析

分析螺栓的剪力與安全性時，需計算掘進(jìn)過程中螺栓的剪力值，據(jù)此評估其受力情況并判斷安全性。計算結(jié)果顯示，螺栓的最小安全系數(shù)為2.12，滿足強度設(shè)計要求。

4 救援流程

狹小隧道塌方救援流程見圖3。

4.1 施工準(zhǔn)備

（1）掘進(jìn)施工前，需勘察事故現(xiàn)場地質(zhì)環(huán)境，包括塌方長度、渣體類型等。

（2）將挖掘機、叉車等輔助機械運輸至現(xiàn)場。

（3）根據(jù)事故現(xiàn)場情況制訂救援方案并部署救援設(shè)備，確保支護(hù)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，提升救援的安全性。

（4）整平施工場地，加固地基，做好排水措施。

（5）安裝后背頂架及輔助裝備。

4.2 掘進(jìn)、出渣

（1）掘進(jìn)與頂進(jìn)：啟動掘進(jìn)，根據(jù)機頭入土量實時調(diào)整頂進(jìn)壓力，采用“頂進(jìn)→開挖→出渣”的循環(huán)作業(yè)模式。

（2）開挖工具：主要包括工兵鐵鍬和工兵“十”字鎬。

（3）出渣方式：出渣主要有兩種方式：一是人工傳遞，使用橡皮撮箕或橡膠桶，每位出渣人員需保持1 m的間距；二是小車運輸，由人工將管內(nèi)渣體裝載至小車內(nèi)。

4.3 管片拼裝

（1）千斤頂伸展至極限位置后收縮，并在機頭尾部安裝相應(yīng)的管片。

（2）安裝時，將部件運至指定位置，通過M16高強螺栓連接縱向與環(huán)向的管片。

4.4 特殊情況處理

（1）鋼構(gòu)件切割。在掘進(jìn)過程中，若遇隧道內(nèi)的鋼構(gòu)件，需首先移除其周圍的土層，其次采用人工切割方式切斷鋼構(gòu)件，確保機頭正常掘進(jìn)。此過程可利用機頭內(nèi)置空壓機進(jìn)行空氣置換［8］。

（2）巨石裂解。掘進(jìn)時，若遇到隧道中的巨石，可使用YT24氣壓鑿巖機在巖石表面鉆取3～5個直徑為42 mm、深500 mm的孔。鉆孔完成后，使用液壓巖石劈裂機將巨石破碎。鉆孔規(guī)格需根據(jù)巖石尺寸進(jìn)行調(diào)整，并且要在裂解過程中密切監(jiān)控裂解方向。

5 應(yīng)用效果檢驗

為驗證救援設(shè)備的實際應(yīng)用成效，本文開展了3次現(xiàn)場試驗。第一次為模擬試驗，選用了含有大量雜質(zhì)（如鋼筋、水泥等）的渣土模擬隧道環(huán)境。此次試驗的目的是驗證救援設(shè)備的可行性，通過實踐探索出科學(xué)且合理的操作流程，并針對模擬過程中發(fā)現(xiàn)的問題進(jìn)行相應(yīng)的改進(jìn)。第二次試驗在第一次試驗的基礎(chǔ)上進(jìn)行了優(yōu)化，重點測試了救援設(shè)備的綜合頂進(jìn)速度，以確定其試驗參數(shù)。此次試驗的救援環(huán)境與真實環(huán)境更加接近，經(jīng)過24 h的不間斷作業(yè)，獲得該設(shè)備的綜合挖掘速度為0.8～1.5 m/h。第三次試驗則在前兩次試驗的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步測試了裝備的性能。根據(jù)現(xiàn)階段收集的隧道坍方數(shù)據(jù)，多數(shù)塌方體的長度為20 m左右，部分可達(dá)30 m左右。為充分驗證裝備性能，本次試驗設(shè)計的渣堆長度為35 m。

經(jīng)測試驗證，該裝備貫穿塌方體后，僅軸線中后段發(fā)生輕微偏移，其余部分保持正常狀態(tài)，裝備仍能繼續(xù)掘進(jìn)，并且整體運行平穩(wěn)，達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)。

6 結(jié)語

隧道施工作為一項復(fù)雜且規(guī)模龐大的工程，施工過程中面臨的安全風(fēng)險相對較高。由于軟弱圍巖地質(zhì)條件惡劣及隧道內(nèi)部環(huán)境復(fù)雜，所以隧道作業(yè)極易發(fā)生坍塌事故，對施工人員的生命安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅。針對狹小空間隧道塌方救援的迫切需求，本文研發(fā)了一種自進(jìn)式救援通道裝備。模擬實驗結(jié)果表明，該救援裝備在不同類型的土層中均展現(xiàn)出較好的救援成效，安全性高，綜合掘進(jìn)速度可達(dá)0.8～1.5 m/h，是傳統(tǒng)小導(dǎo)坑救援法掘進(jìn)速度的2倍以上。此外，該裝備具有操作簡便、成本低、運輸便利等優(yōu)勢，特別適用于高風(fēng)險隧道塌方救援場景。事故發(fā)生后，僅需迅速評估險情并采取必要的安全保障措施，即可快速啟動救援作業(yè)，為被困人員的生命安全提供保障。然而，本研究在設(shè)備管片拼裝部分仍存在不足，雖然在鉆進(jìn)作業(yè)中管片未出現(xiàn)明顯變形，但是其材質(zhì)仍需進(jìn)一步加固。后續(xù)研究應(yīng)致力于研制更輕量化且更牢固的材料，以提升救援效率和安全性。

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*云南省重點研發(fā)計劃（社會發(fā)展專項）“云南重大地震災(zāi)害及其災(zāi)害鏈綜合風(fēng)險評估技術(shù)與應(yīng)用”（202203AC100003）。

【作者簡介】朱峰，男，北京人，碩士，高級工程師，研究方向：衛(wèi)星應(yīng)用；李巍，女，河北唐山人，碩士，助理經(jīng)濟(jì)師，研究方向：安全管理；朱海霞，女，江蘇南京人，本科，高級工程師，研究方向：地理信息系統(tǒng)。

【引用本文】朱峰，李巍，朱海霞.狹小空間隧道坍方救援方法及配套設(shè)備研究［J］.企業(yè)科技與發(fā)展，2024（9）：60-63.