多褶皱页岩环境下新型隧道防塌方开挖装置及施工技术研究

翟鹏飞，梁 庆，赵飞鹏

（中交二公局国际公司，陕西 西安 710065）

隧道施工在土木工程领域具有重要的意义和价值，但也面临着诸多困难和挑战，尤其是在多褶皱页岩环境下。多褶皱页岩是一种特殊的软弱围岩，其具有变形性能差、强度低、易发生塌方等不良特征，给隧道开挖和支护造成了极大的困扰。为了保证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开挖装置及施工技术，以适应多褶皱页岩环境下的复杂条件[1-5]。本文针对这一问题，进行了系统而深入的研究，并取得了一定的成果。本文主要分析了多褶皱页岩环境下隧道开挖过程中遇到的主要问题和风险，并指出了传统开挖方法存在的不足；为有效预防隧道开挖过程中掌子面及拱顶塌方现象发生，设计了一种新型可收折式防护支撑装置，并详细介绍了该装置的结构组成、功能特点和工作机理；结合实际工程案例，评价了新型可收折式防护支撑装置及配套施工技术在多褶皱页岩环境下隧道施工中的应用效果和优势，并提出了改进意见和建议。本文旨在为今后多褶皱页岩环境下隧道施工提供一种新颖而有效的方法，并为相关领域提供一定的参考价值。

1 多褶皱页岩环境下隧道塌方风险分析

多褶皱页岩是一种常见的不良地质类型，其主要特征是具有多层次、多方向、多幅度的褶皱构造，导致地层变形强烈、结构复杂、力学性质不均匀。在隧道开挖过程中，多褶皱页岩会给施工带来很大的困难和风险，主要表现在以下3 个方面：一是由于地层变形强烈，导致地应力分布不规则、大小不一、方向不定，容易引起隧道围岩破坏和变形。二是由于结构复杂，导致地质条件预测困难、设计参数选取不准确、支护技术选择不合理，容易造成开挖过程中出现突水、突泥等异常情况。三是由于力学性质不均匀，导致隧道围岩稳定性差、抗压强度低、抗剪强度低、软化系数高等，在开挖过程中容易发生局部或整体塌方现象。

隧道塌方是指在开挖过程中或完成后，在一定时间内发生的隧道围岩局部或整体垮落现象。隧道塌方会给施工安全和效率带来严重的影响和损失，主要表现在以下3 个方面：一是影响施工安全。隧道塌方会危及施工人员和设备的生命安全，造成人员伤亡和设备损坏。二是影响施工效率。隧道塌方会阻断施工进度和交通运输，增加清理和修复的时间和成本。三是影响工程质量。隧道塌方会破坏隧道结构完整性和稳定性，降低其使用寿命和功能[6-8]。

综上所述，在多褶皱页岩环境下进行隧道开挖时需要高度重视其对塌方风险产生的影响，并采取有效的措施进行评估和控制。

2 面向多褶皱页岩环境的新型隧道防塌方开挖装置及施工技术

针对隧道施工中常见的掌子面及拱顶塌方等工程地质灾害，设计了一种新型可收折的防护支撑装置，并提出了一套适用于多褶皱页岩环境下的新型隧道开挖方法。该装置由支撑结构、收折框架、液压支撑装置和可升降台阶等部分组成，能够有效地保护和加固隧道围岩，减少和避免洞内工程地质灾害的发生。该方法包括对洞内回填反压、加固塌方体、采用三台阶开挖并加固支护、从地表打入钢管并进行腔体填充等步骤，能够提高隧道施工的安全性和效率。

2.1 多褶皱页岩环境下新型隧道防塌方开挖装置

隧道施工过程中遇到掌子面及拱顶塌方等工程地质灾害，会给施工安全造成很大威胁，同时严重影响施工进度。为了解决这一问题，结合隧道施工时的实际情况，本文设计一种新型可收折的防护支撑装置，能够很好地减少和避免洞内工程地质灾害的发生。

该装置是一种新型的多功能隧道开挖施工装置，其主要由支撑结构、收折框架、液压支撑装置和可升降台阶等部分组成。装置示意图见图1。

该装置的工作机理如下。

首先，在隧道掌子面及拱顶的中间位置设置支撑结构。支撑结构是该装置的核心部分，其主要功能是为收折框架提供稳定的支撑力，并与初期支护形成一个整体。支撑结构由多根钢管组成，其长度和角度可以根据隧道断面形状和尺寸进行调节。支撑结构两端分别与掌子面和拱顶连接，形成一个倒三角形或梯形的空间结构。

其次，在支撑结构两侧设置可打开的收折框架。收折框架是该装置的主要部分，其主要功能是为隧道围岩提供有效的保护和加固，并与初期支护配合使用。收折框架由多个钢板组成，其宽度和高度可以根据隧道断面形状和尺寸进行调节。收折框架具备可伸缩的支撑结构，使用时通过与初期支护连接来确保收折框架的稳定性。收折框架可以通过液压系统或人工操作来打开或关闭，在打开时可以覆盖隧道围岩，在关闭时可以收缩到最小尺寸。

再次，在支撑结构顶部设置多级可升降台阶。可升降台阶是该装置的辅助部分，其主要功能是为拱架安装提供方便，并为支撑结构预留足够的可移动空间。可升降台阶由多个钢板组成，其数量和高度可以根据需要进行调节。可升降台阶可以通过液压系统或人工操作来升降，在升起时可以作为拱架安装平台，在降下时可以缩入到最小空间。

最后，在支撑结构下端局部设置液压支撑装置以确保其整体稳定性。液压支撑装置是该装置的补充部分，主要功能是为掌子面提供额外的反作用力，并增强掌子面与初期支护之间的连接强度。液压支撑装置由多个液压油缸组成，数量和位置可以根据需要进行调节。液压油缸可以通过液压系统或人工操作来伸缩，在伸出时可以向掌子面施加一定大小和方向的力，在缩回时可以恢复到原始状态。

2.2 多褶皱页岩环境下新型隧道防塌方施工技术

在有上述开挖装置的基础上，讨论了实际工程中所采用的各种配套的隧道防塌方施工技术，提出了一套适用于多褶皱页岩环境下的新型隧道开挖方法。该方法包括以下步骤：一是对洞内及时回填反压，阻止进一步变化。二是加固塌方体，封闭掌子面。三是采用三台阶开挖并加固支护，腔体内预留注浆管注入细粒混凝土形成封闭层。四是从地表打入钢管，采用液态水泥粉煤灰进行腔体填充。

该方法综合运用了回填反压、加固塌方体、三台阶开挖、注浆封闭和腔体填充等技术，旨在有效控制隧道塌方和变形，保证隧道结构的稳定性和安全性。该方法具有以下特点：回填反压能够有效地抵抗围岩的变形和破坏，减少洞内沉降和位移；加固塌方体能够有效地防止掌子面的进一步崩落，提高施工安全性；三台阶开挖能够有效地分散围岩荷载，减少单个台阶的受力大小；注浆封闭能够有效地改善围岩条件，增强围岩强度和密实度；腔体填充能够有效地消除空洞，提高隧道结构的整体性。该方法是一种创新性和实用性较强的隧道开挖方法，为多褶皱页岩环境下隧道工程提供了一种可行的解决方案。

3 案例分析

在面向多褶皱页岩环境下的新型隧道防塌方开挖装置及施工技术研究的基础上，为了验证该装置和施工技术的实用性与有效性，将该装置应用在塞尔维亚E763 高速公路项目中，针对在项目实施过程产生的隧道塌方进行处理。

3.1 工程概况

塞尔维亚E763 高速公路PP 段全长30.15 km，该工程包括Laz 隧道和Munjino Brdo 隧道两个标段，总长约11 km。Laz 隧道是全线最长隧道（5 504.89 m），地质复杂（粉质黏土和泥灰岩），是控制性工程。Munjino Brdo 隧道长度为5 492.21 m，地质单一（页岩），但存在多褶皱和软弱夹层等问题。洞口段为强风化层状泥岩堆积体，围岩破碎，对水敏感，开挖过程中自稳性差。该项目的合同工期为36 个月。T3 隧道洞口段主要支护参数见表1。

3.2 施工过程及应用价值

在开挖施工过程中，洞内发生了拱顶垮塌、洞外边仰坡喷锚防护多次产生裂缝等问题。为了解决这些问题，本文应用了新型隧道防塌方开挖装置及施工技术，并取得了良好的效果。

具体而言，在项目建设期间，采取了以下措施：一是在现场加强了临时仰拱支护，并补增洞内沉降监控观测点；二是在设计意见基础上，在洞内加设型钢支撑以加强支护，并在上导坑拱脚位置每循环增加4 根6 m 长的自进式锚杆；三是针对洞内围岩变形仍未收敛且发生纵向位移的问题，将临时仰拱与掌子面间距由设计的30 m 调整为15 m 以内，并在洞外套拱两侧增加钢管基础混凝土挡墙；四是在开挖前对地表进行注浆加固，并在管棚间隙增加6 m 长自进式锚杆作为超前支护；六是针对初期支护拱顶位置出现由沉降引起的横向裂缝和纵向位移的情况，在洞外套拱两侧浇筑钢管基础混凝土挡墙对初期支护进行支挡，并将洞内初期支护设计6 m 锚杆改为9～12 m 自进式锚杆，且每循环增加5 根；七是针对右洞仰坡喷锚防护表面出现沉降裂缝，在洞顶截水天沟附件及外侧出现地表裂缝的情况，采用净浆灌注处理裂缝位置，并对边仰坡采用防水彩条布全覆盖。

在施工过程中，新型隧道防塌方开挖装置及施工技术的应用，使得施工过程中出现的问题得到了有效的解决。新型隧道防塌方开挖装置的主要作用是在开挖过程中，通过对洞内的支撑，使得洞内的围岩得到了有效的支撑，从而避免了洞内的围岩发生垮塌的情况。而在施工技术方面，主要采用了注浆加固、钢管基础混凝土挡墙、自进式锚杆等技术，从而使得施工过程中出现的问题得到了有效的解决。具体的处理方案流程见图2。

图2 处理方案流程

综上所述，新型隧道防塌方开挖装置及施工技术的应用，可以有效地解决施工过程中出现的问题，保证了施工过程的安全性，缩短了项目建设工期，降低了项目建设的成本，减少了因塌方带来的损失，具有很高的应用价值。

4 结束语

本文针对目前在多褶皱页岩环境下隧道防塌方方面的研究不足、隧道塌方防治技术体系以及开挖装置的缺乏等的问题，开展研究。首先对多褶皱页岩环境下的隧道塌方风险进行分析；然后在分析结果的基础上，研究出了面向多褶皱页岩环境的新型隧道防塌方开挖装置及施工技术；最后通过塞尔维亚E763 高速公路项目开挖施工过程中，洞内发生的拱顶垮塌、洞外边仰坡喷锚防护多次产生裂缝等问题，进行了应用。应用结果表明，面向多褶皱页岩环境的新型隧道防塌方开挖装置及施工技术能够有效地预防多褶皱页岩环境下隧道塌方，能够为项目减少因塌方带来的损失，具有实际应用价值。

但是由于本文在风险分析方面不够全面，仍有一定的不足，因此该装置与施工技术并不都适用于所有的多褶皱页岩环境下隧道的防塌方过程中。因此，未来应对在多褶皱页岩环境下隧道塌方的产生机理进行更深入的研究。