狹小空間隧道坍方救援方法及配套設備研究

摘要：針對狹小空間隧道坍方救援難度大、安全風險高等問題，文章提出一種自進式救援通道裝備。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的人員救援任務。通過試驗證明，其在黏土、沙土、碎石土等渣體中均表現出良好的適用性。相比小導坑救援法、大口徑水平鉆機救援法、液壓頂管救援法等傳統方法，該裝備對土層穩定性要求更低，安全性要求更高，并且綜合掘進速度達到0.8～1.5 m/h，是傳統小導坑救援法掘進速度的2倍以上。因此，該自進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。

關鍵詞：狹小空間；隧道救援；救援設備

中圖分類號：B60R" " " "文獻標識碼：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條件，加之隧道內部環境復雜，隧道結構面臨著變形與坍方的重大風險。巖土圍巖自身強度低且抗災能力弱，如果沒有得到及時有效的支護，長時間暴露在外界環境中，會在自身重力與應力分布的作用下發生變形，進而導致圍巖失穩甚至垮塌，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峻挑戰。軟巖塌方主要分為蠕變型和松散滑動型兩種。通常情況下，軟巖在塌方前會經歷一個應力逐漸累積的過渡期，一旦應力超出其承受極限，便會迅速發生變形并最終垮塌。軟巖塌方的規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。

現階段，隧道救援方式主要包括人工開挖小導坑法、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，易受隧道周圍環境的限制，救援風險較大；液壓頂管法通過鋼管穿透坍方體的方式形成救援通道，但對事故現場條件要求較高，適用性有限。王獻澤等［1］采用人工開挖小導坑法成功處置了隧道塌方險情，結果表明該方法能有效提升救援安全性，但施工的難度較大。石國領等［2］采用大口徑水平鉆機開展隧道救援，并從科研攻關、整合資源等方面提出了改進方案，結果表明該方法救援效率較高，但國內救援鉆機數量較少，事故發生后設備調運難度大。鄭東等［3］分析了孤石對大口徑水平鉆機鉆進性能的影響，并且發現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，提升施工現場的應急救援處理能力，并提升救援過程的安全性。本文基于盾構機原理，研制了一種適用于狹小空間隧道的救援裝備，并在此技術上提出了救援方案。

1 常見救援方法與設備

1.1 大口徑水平鉆機救援法

大口徑水平鉆機救援法是現階段常用的隧道塌方救援方法之一，救援設備主要使用FS-120CZ救援鉆機。發生隧道塌方后，該鉆機通過大口徑水平鉆進到達救援位置，隨后撤出鉆桿，布設直徑為620 mm的外套管，構成救援通道。雖然此方法具有一定的優勢，但是目前僅國家級隧道救援隊配備有4臺此類設備［4］。因此，事故發生后難以迅速調運至事故現場，并且設備安裝耗時較長，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，該設備分為主機與后靠背兩個部分。主機含機架、導向滑軌及頂進結構，后靠背則由頂托、立桿、斜桿、底板等組成。此救援法采用步進式結構，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，最后將頂進結構后橫梁精確地安裝于機架上。作業時，千斤頂伸出，為鋼管提供必要的頂進力，同時在頂進過程中有效排出渣土。一個頂進行程完成后，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，準備下一輪頂進［5］。鋼管進入渣土后，撤回頂進機構，連接新鋼管與前段鋼管，重復此過程直至構建出逃生通道。但是，此方法對救援現場的條件要求較高，適用性相對較低。

1.3 小導坑救援法

小導坑救援法是在穩固的隧道支護結構上開挖小導坑，形狀可為矩形或三角形，采用木箱架或液壓支撐進行支護，以此構成救援通道。該方法操作簡單，并且在救援通道搭設過程中能就地取材，因此在隧道塌方救援中具有一定的優勢；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，棚架穩定性差；三是遇到堅硬石塊需采用風鎬或人工破碎，不僅可能損壞支護結構，而且還可能危及救援人員的安全，存在較高的風險［6］。

2 救援裝備設計

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

2.1 機頭頂進部分

救援設備機頭由20 mm厚的16錳鋼板焊接而成，內徑設計為1 200 mm，可為救援人員提供寬敞的作業空間。機頭內部對稱布置4臺液壓千斤頂，總頂推力可達到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與收縮過程中的穩定性，4臺千斤頂通過250 mm厚的頂環固定。機頭上部縱向長度為3 100 mm，底部縱向長度為2 800 mm。此外，機頭內集成了照明、監控及空壓機等輔助裝置與系統，總重量為2.8 t，能在掘進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，分為內外兩圈，中間增設鋁合金骨架支撐；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時提供反作用力，并便于人工清理渣土。拼接滑道設計的目的在于確保掘進時機頭與后靠背保持在同一中軸線上，使機頭能平直進入渣體，防止軌道偏移。

3 力學分析與計算

為分析自進式救援設備掘進時的受力狀況，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過程中的受力情況。

3.1 機頭頂進力理論計算

（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，該值只與材料和接觸面的粗糙程度有關，與接觸面積無關，當鉆進層為黏土時，[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。本文設計的自進式救援設備中部署的4臺液壓千斤頂的總推力為600 kN，因此千斤頂的推力符合掘進要求。

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，需計算掘進過程中螺栓的剪力值，據此評估其受力情況并判斷安全性。計算結果顯示，螺栓的最小安全系數為2.12，滿足強度設計要求。

4 救援流程

狹小隧道塌方救援流程見圖3。

4.1 施工準備

（1）掘進施工前，需勘察事故現場地質環境，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場。

（3）根據事故現場情況制訂救援方案并部署救援設備，確保支護結構穩定，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、出渣

（1）掘進與頂進：啟動掘進，根據機頭入土量實時調整頂進壓力，采用“頂進→開挖→出渣”的循環作業模式。

（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，由人工將管內渣體裝載至小車內。

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向的管片。

4.4 特殊情況處理

（1）鋼構件切割。在掘進過程中，若遇隧道內的鋼構件，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件，確保機頭正常掘進。此過程可利用機頭內置空壓機進行空氣置換［8］。

（2）巨石裂解。掘進時，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。鉆孔規格需根據巖石尺寸進行調整，并且要在裂解過程中密切監控裂解方向。

5 應用效果檢驗

為驗證救援設備的實際應用成效，本文開展了3次現場試驗。第一次為模擬試驗，選用了含有大量雜質（如鋼筋、水泥等）的渣土模擬隧道環境。此次試驗的目的是驗證救援設備的可行性，通過實踐探索出科學且合理的操作流程，并針對模擬過程中發現的問題進行相應的改進。第二次試驗在第一次試驗的基礎上進行了優化，重點測試了救援設備的綜合頂進速度，以確定其試驗參數。此次試驗的救援環境與真實環境更加接近，經過24 h的不間斷作業，獲得該設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上，進一步測試了裝備的性能。根據現階段收集的隧道坍方數據，多數塌方體的長度為20 m左右，部分可達30 m左右。為充分驗證裝備性能，本次試驗設計的渣堆長度為35 m。

經測試驗證，該裝備貫穿塌方體后，僅軸線中后段發生輕微偏移，其余部分保持正常狀態，裝備仍能繼續掘進，并且整體運行平穩，達到了預期目標。

6 結語

隧道施工作為一項復雜且規模龐大的工程，施工過程中面臨的安全風險相對較高。由于軟弱圍巖地質條件惡劣及隧道內部環境復雜，所以隧道作業極易發生坍塌事故，對施工人員的生命安全構成嚴重威脅。針對狹小空間隧道塌方救援的迫切需求，本文研發了一種自進式救援通道裝備。模擬實驗結果表明，該救援裝備在不同類型的土層中均展現出較好的救援成效，安全性高，綜合掘進速度可達0.8～1.5 m/h，是傳統小導坑救援法掘進速度的2倍以上。此外，該裝備具有操作簡便、成本低、運輸便利等優勢，特別適用于高風險隧道塌方救援場景。事故發生后，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，為被困人員的生命安全提供保障。然而，本研究在設備管片拼裝部分仍存在不足，雖然在鉆進作業中管片未出現明顯變形，但是其材質仍需進一步加固。后續研究應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。

7 參考文獻

［1］王獻澤，慕開洪，肖敏，等.“一主一輔一備”救援方案高效處置隧道坍塌險情［J］.路基工程，2023（3）：44-48.

［2］石國領，穆樹元，李影平.隧道搶險救援大口徑水平鉆機應用研究［J］.路基工程，2021（6）：179-182.

［3］鄭東，劉衛華，黃達，等.孤石對大口徑水平鉆機鉆進性能影響研究［J］.鐵道工程學報，2021，38（9）：48-53.

［4］盧清國，馬少軍，姚文杰，等.巖土松散體內開挖救援通道的套筒式螺旋驅動掘進機自行進功能研究［J］.現代隧道技術，2023，60（1）：256-261.

［5］孫毅，王濤.一種新型應急救援掘進機設計及應用［J］.工程機械，2021，52（6）：6-11，7.

［6］楊全亮，王志偉.基于設備設施監控系統的長大鐵路隧道疏散救援管理組織及方案研究［J］.鐵道建筑，2020，60（12）：48-52.

［7］陳建.特長高速公路隧道火災滅火救援的思考［J］.今日消防，2021，6（7）：9-12，16.

［8］陳亮，石勝，趙仁佳，等.隧道救援用履帶式機器人設計及越障性能分析［J］.醫療衛生裝備，2021，42（12）：17-22.

*云南省重點研發計劃（社會發展專項）“云南重大地震災害及其災害鏈綜合風險評估技術與應用”（202203AC100003）。

【作者簡介】朱峰，男，北京人，碩士，高級工程師，研究方向：衛星應用；李巍，女，河北唐山人，碩士，助理經濟師，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。

【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備研究［J］.企業科技與發展，2024（9）：60-63.