多褶皺頁巖環境下新型隧道防塌方開挖裝置及施工技術研究

翟鵬飛，梁 慶，趙飛鵬

（中交二公局國際公司，陜西 西安 710065）

隧道施工在土木工程領域具有重要的意義和價值，但也面臨著諸多困難和挑戰，尤其是在多褶皺頁巖環境下。多褶皺頁巖是一種特殊的軟弱圍巖，其具有變形性能差、強度低、易發生塌方等不良特征，給隧道開挖和支護造成了極大的困擾。為了保證隧道施工的安全性和高效性，亟需研究并采用新型的防塌方開挖裝置及施工技術，以適應多褶皺頁巖環境下的復雜條件[1-5]。本文針對這一問題，進行了系統而深入的研究，并取得了一定的成果。本文主要分析了多褶皺頁巖環境下隧道開挖過程中遇到的主要問題和風險，并指出了傳統開挖方法存在的不足；為有效預防隧道開挖過程中掌子面及拱頂塌方現象發生，設計了一種新型可收折式防護支撐裝置，并詳細介紹了該裝置的結構組成、功能特點和工作機理；結合實際工程案例，評價了新型可收折式防護支撐裝置及配套施工技術在多褶皺頁巖環境下隧道施工中的應用效果和優勢，并提出了改進意見和建議。本文旨在為今后多褶皺頁巖環境下隧道施工提供一種新穎而有效的方法，并為相關領域提供一定的參考價值。

1 多褶皺頁巖環境下隧道塌方風險分析

多褶皺頁巖是一種常見的不良地質類型，其主要特征是具有多層次、多方向、多幅度的褶皺構造，導致地層變形強烈、結構復雜、力學性質不均勻。在隧道開挖過程中，多褶皺頁巖會給施工帶來很大的困難和風險，主要表現在以下3 個方面：一是由于地層變形強烈，導致地應力分布不規則、大小不一、方向不定，容易引起隧道圍巖破壞和變形。二是由于結構復雜，導致地質條件預測困難、設計參數選取不準確、支護技術選擇不合理，容易造成開挖過程中出現突水、突泥等異常情況。三是由于力學性質不均勻，導致隧道圍巖穩定性差、抗壓強度低、抗剪強度低、軟化系數高等，在開挖過程中容易發生局部或整體塌方現象。

隧道塌方是指在開挖過程中或完成后，在一定時間內發生的隧道圍巖局部或整體垮落現象。隧道塌方會給施工安全和效率帶來嚴重的影響和損失，主要表現在以下3 個方面：一是影響施工安全。隧道塌方會危及施工人員和設備的生命安全，造成人員傷亡和設備損壞。二是影響施工效率。隧道塌方會阻斷施工進度和交通運輸，增加清理和修復的時間和成本。三是影響工程質量。隧道塌方會破壞隧道結構完整性和穩定性，降低其使用壽命和功能[6-8]。

綜上所述，在多褶皺頁巖環境下進行隧道開挖時需要高度重視其對塌方風險產生的影響，并采取有效的措施進行評估和控制。

2 面向多褶皺頁巖環境的新型隧道防塌方開挖裝置及施工技術

針對隧道施工中常見的掌子面及拱頂塌方等工程地質災害，設計了一種新型可收折的防護支撐裝置，并提出了一套適用于多褶皺頁巖環境下的新型隧道開挖方法。該裝置由支撐結構、收折框架、液壓支撐裝置和可升降臺階等部分組成，能夠有效地保護和加固隧道圍巖，減少和避免洞內工程地質災害的發生。該方法包括對洞內回填反壓、加固塌方體、采用三臺階開挖并加固支護、從地表打入鋼管并進行腔體填充等步驟，能夠提高隧道施工的安全性和效率。

2.1 多褶皺頁巖環境下新型隧道防塌方開挖裝置

隧道施工過程中遇到掌子面及拱頂塌方等工程地質災害，會給施工安全造成很大威脅，同時嚴重影響施工進度。為了解決這一問題，結合隧道施工時的實際情況，本文設計一種新型可收折的防護支撐裝置，能夠很好地減少和避免洞內工程地質災害的發生。

該裝置是一種新型的多功能隧道開挖施工裝置，其主要由支撐結構、收折框架、液壓支撐裝置和可升降臺階等部分組成。裝置示意圖見圖1。

該裝置的工作機理如下。

首先，在隧道掌子面及拱頂的中間位置設置支撐結構。支撐結構是該裝置的核心部分，其主要功能是為收折框架提供穩定的支撐力，并與初期支護形成一個整體。支撐結構由多根鋼管組成，其長度和角度可以根據隧道斷面形狀和尺寸進行調節。支撐結構兩端分別與掌子面和拱頂連接，形成一個倒三角形或梯形的空間結構。

其次，在支撐結構兩側設置可打開的收折框架。收折框架是該裝置的主要部分，其主要功能是為隧道圍巖提供有效的保護和加固，并與初期支護配合使用。收折框架由多個鋼板組成，其寬度和高度可以根據隧道斷面形狀和尺寸進行調節。收折框架具備可伸縮的支撐結構，使用時通過與初期支護連接來確保收折框架的穩定性。收折框架可以通過液壓系統或人工操作來打開或關閉，在打開時可以覆蓋隧道圍巖，在關閉時可以收縮到最小尺寸。

再次，在支撐結構頂部設置多級可升降臺階?？缮蹬_階是該裝置的輔助部分，其主要功能是為拱架安裝提供方便，并為支撐結構預留足夠的可移動空間?？缮蹬_階由多個鋼板組成，其數量和高度可以根據需要進行調節?？缮蹬_階可以通過液壓系統或人工操作來升降，在升起時可以作為拱架安裝平臺，在降下時可以縮入到最小空間。

最后，在支撐結構下端局部設置液壓支撐裝置以確保其整體穩定性。液壓支撐裝置是該裝置的補充部分，主要功能是為掌子面提供額外的反作用力，并增強掌子面與初期支護之間的連接強度。液壓支撐裝置由多個液壓油缸組成，數量和位置可以根據需要進行調節。液壓油缸可以通過液壓系統或人工操作來伸縮，在伸出時可以向掌子面施加一定大小和方向的力，在縮回時可以恢復到原始狀態。

2.2 多褶皺頁巖環境下新型隧道防塌方施工技術

在有上述開挖裝置的基礎上，討論了實際工程中所采用的各種配套的隧道防塌方施工技術，提出了一套適用于多褶皺頁巖環境下的新型隧道開挖方法。該方法包括以下步驟：一是對洞內及時回填反壓，阻止進一步變化。二是加固塌方體，封閉掌子面。三是采用三臺階開挖并加固支護，腔體內預留注漿管注入細?；炷列纬煞忾]層。四是從地表打入鋼管，采用液態水泥粉煤灰進行腔體填充。

該方法綜合運用了回填反壓、加固塌方體、三臺階開挖、注漿封閉和腔體填充等技術，旨在有效控制隧道塌方和變形，保證隧道結構的穩定性和安全性。該方法具有以下特點：回填反壓能夠有效地抵抗圍巖的變形和破壞，減少洞內沉降和位移；加固塌方體能夠有效地防止掌子面的進一步崩落，提高施工安全性；三臺階開挖能夠有效地分散圍巖荷載，減少單個臺階的受力大??；注漿封閉能夠有效地改善圍巖條件，增強圍巖強度和密實度；腔體填充能夠有效地消除空洞，提高隧道結構的整體性。該方法是一種創新性和實用性較強的隧道開挖方法，為多褶皺頁巖環境下隧道工程提供了一種可行的解決方案。

3 案例分析

在面向多褶皺頁巖環境下的新型隧道防塌方開挖裝置及施工技術研究的基礎上，為了驗證該裝置和施工技術的實用性與有效性，將該裝置應用在塞爾維亞E763 高速公路項目中，針對在項目實施過程產生的隧道塌方進行處理。

3.1 工程概況

塞爾維亞E763 高速公路PP 段全長30.15 km，該工程包括Laz 隧道和Munjino Brdo 隧道兩個標段，總長約11 km。Laz 隧道是全線最長隧道（5 504.89 m），地質復雜（粉質黏土和泥灰巖），是控制性工程。Munjino Brdo 隧道長度為5 492.21 m，地質單一（頁巖），但存在多褶皺和軟弱夾層等問題。洞口段為強風化層狀泥巖堆積體，圍巖破碎，對水敏感，開挖過程中自穩性差。該項目的合同工期為36 個月。T3 隧道洞口段主要支護參數見表1。

3.2 施工過程及應用價值

在開挖施工過程中，洞內發生了拱頂垮塌、洞外邊仰坡噴錨防護多次產生裂縫等問題。為了解決這些問題，本文應用了新型隧道防塌方開挖裝置及施工技術，并取得了良好的效果。

具體而言，在項目建設期間，采取了以下措施：一是在現場加強了臨時仰拱支護，并補增洞內沉降監控觀測點；二是在設計意見基礎上，在洞內加設型鋼支撐以加強支護，并在上導坑拱腳位置每循環增加4 根6 m 長的自進式錨桿；三是針對洞內圍巖變形仍未收斂且發生縱向位移的問題，將臨時仰拱與掌子面間距由設計的30 m 調整為15 m 以內，并在洞外套拱兩側增加鋼管基礎混凝土擋墻；四是在開挖前對地表進行注漿加固，并在管棚間隙增加6 m 長自進式錨桿作為超前支護；六是針對初期支護拱頂位置出現由沉降引起的橫向裂縫和縱向位移的情況，在洞外套拱兩側澆筑鋼管基礎混凝土擋墻對初期支護進行支擋，并將洞內初期支護設計6 m 錨桿改為9～12 m 自進式錨桿，且每循環增加5 根；七是針對右洞仰坡噴錨防護表面出現沉降裂縫，在洞頂截水天溝附件及外側出現地表裂縫的情況，采用凈漿灌注處理裂縫位置，并對邊仰坡采用防水彩條布全覆蓋。

在施工過程中，新型隧道防塌方開挖裝置及施工技術的應用，使得施工過程中出現的問題得到了有效的解決。新型隧道防塌方開挖裝置的主要作用是在開挖過程中，通過對洞內的支撐，使得洞內的圍巖得到了有效的支撐，從而避免了洞內的圍巖發生垮塌的情況。而在施工技術方面，主要采用了注漿加固、鋼管基礎混凝土擋墻、自進式錨桿等技術，從而使得施工過程中出現的問題得到了有效的解決。具體的處理方案流程見圖2。

圖2 處理方案流程

綜上所述，新型隧道防塌方開挖裝置及施工技術的應用，可以有效地解決施工過程中出現的問題，保證了施工過程的安全性，縮短了項目建設工期，降低了項目建設的成本，減少了因塌方帶來的損失，具有很高的應用價值。

4 結束語

本文針對目前在多褶皺頁巖環境下隧道防塌方方面的研究不足、隧道塌方防治技術體系以及開挖裝置的缺乏等的問題，開展研究。首先對多褶皺頁巖環境下的隧道塌方風險進行分析；然后在分析結果的基礎上，研究出了面向多褶皺頁巖環境的新型隧道防塌方開挖裝置及施工技術；最后通過塞爾維亞E763 高速公路項目開挖施工過程中，洞內發生的拱頂垮塌、洞外邊仰坡噴錨防護多次產生裂縫等問題，進行了應用。應用結果表明，面向多褶皺頁巖環境的新型隧道防塌方開挖裝置及施工技術能夠有效地預防多褶皺頁巖環境下隧道塌方，能夠為項目減少因塌方帶來的損失，具有實際應用價值。

但是由于本文在風險分析方面不夠全面，仍有一定的不足，因此該裝置與施工技術并不都適用于所有的多褶皺頁巖環境下隧道的防塌方過程中。因此，未來應對在多褶皺頁巖環境下隧道塌方的產生機理進行更深入的研究。