隧道坍塌应急处置和未来科学救援发展趋势_胡科敏.pdf

DOI:10.13379/j.issn.1003-8825.202209054开放科学（资源服务）标识码（OSID）隧道坍塌应急处置和未来科学救援发展趋势胡科敏（中国中铁股份有限公司，北京100039）摘要：依托国家应急救援中铁二局昆明救援队历年来参加的 14 次隧道坍塌事故应急救援案例，总结分析如何科学有效地组织隧道坍塌应急救援，详细阐述成功救援的关键因素，包括救援方案选择和救援装备使用等，并提出隧道坍塌科学救援发展趋势，为今后隧道坍塌应急救援提供参考。关键词：隧道坍塌；应急救援；专业化；智能化；机械化中图分类号：U458.1文献标志码：B文章编号：1003 8825(2023)01 0043 06 0 引 言近年来，隧道工程在公路、铁路建设所占的比例不断提高，隧道数量不断增加。2017 年底，全国公路隧道16 229 处、1 528.51 万m，增加1 048 处、124.54 万 m，其中特长隧道 902 处、401.32 万 m，长隧道 3 841 处、659.93 万 m1。截至 2018 年底，铁路营业里程达 13.1 万 km，投入运营的铁路隧道15 117 座、总长 16 331 km，2018 年新增开通运营线路铁路隧道 550 座、总长 1 005 km，其中长度10 km 以上的特长隧道 12 座、总长约 144 km2。我国成为隧道工程建设的第一大国。由于隧道工程长度大、地质条件复杂、勘察深度不足、施工方案不合理、工序卡控红线、执行不力等原因，建设过程中的安全风险巨大，存在许多不确定性，在建隧道坍塌而引发的“关门”现象时有发生，给施工人员生命安全造成了极大威胁。19872014 年隧道工程施工过程中坍塌事故次数，见图 1。4050199030199520200010200502010隧道塌方次数年份图1国内隧道工程坍塌事故统计隧道坍塌事故从 2000 年以后明显增多3。近年来，发生被困人员超过 10 人的在建隧道坍方事故至少有 4 起，分别为“41”吉图珲客运专线小盘岭隧道坍方事故、“714”云桂铁路 I 标富宁隧道坍方事故、“810”安江高速公路两天窝隧道坍方、“125”厦蓉高速公路扩容工程 A3 合同段后祠隧道坍方等。由于缺乏对隧道坍塌原因的科学分析判断，缺少先进适用的救援装备，隧道坍塌事故发生后不能有效地组织救援，常常采用人海战术，不仅造成大量的人力财力浪费，还可能因救援处置措施不当引发次生灾害，导致救援失败4。事故发生后应根据坍塌情况、水文地质、坍塌体特点，选择科学的救援方法，并尽快掌握被掩埋人员的位置、人数、施工设计情况等信息，选择适用的装备，采取安全、快速的救援措施。本文依托中铁二局昆明救援队历年来参加的14 次隧道坍塌事故应急救援、共营救被困人员81 人案例，总结分析如何科学有效地组织隧道坍塌应急救援，包括制定救援方案、选择救援装备等，探索隧道坍塌应急救援专业化模式。1 救援方案 1.1 总体思路隧道坍塌发生后，现场应清点人数，确定被困人员数量；在保证安全的前提下踏勘坍体，利用既有风水管线联系坍体背后的被困人员；将现场情况报送至专业救援队；现场迅速建立监控量测体系，实时预警次生灾害；组织施工力量开始反压回填坍体和支撑变形初支，稳定救援环境；就近采用潜孔 收稿日期：2022 11 10作者简介：胡科敏（1980），男，安徽合肥人。高级工程师，主要从事安全质量风险管控和应急管理研究工作。E-mail：。胡科敏：隧道坍塌应急处置和未来科学救援发展趋势 43 钻机开始生命联系孔钻进作业；准备救援需用的物资材料和后勤保障。隧道坍塌救援的总体思路是：先确定被困人员生存状态，为被困人员输送生命物资保持良好生命状态，等待救援通道打通后营救被困人员。国内较成熟的救援方法有小导坑法、大口径水平钻机法、竖井法和顶管法等5。1.2 选取原则 1.2.1 安全救援在救援前置准备、救援方案制定和救援实施的过程中要保障安全救援要素7，主要有：交通运输及设备转运安全；坍体、初支加固，防止二次坍塌；加强现场监控量测，预警次生灾害；作业人员穿戴防护用具，现场设安全员；实施人员、车辆管控；杜绝冒进，如爆破、开挖方式救援需经过论证；加强气象跟踪，做好恶劣天气应对。1.2.2 发挥专业救援队核心作用专业救援队具有丰富的救援经验、专业化装备和常备救援技术人员团队，具备救援过程中疑难问题、典型问题的解决能力，组织突击能力强，对本区域内的不良地质表现和可调动应急资源较为了解。事故隧道施工单位以救援准备、前期工作和救援配合为主，专业救援队伍以救援作业组织为核心，是成功救援重要保障。1.2.3 保障被困人员生命现场踏勘时，利用既有高压风管、水管与被救人员联系；生命通道钻机打通生命通道后，向被救人员送风、水、食和小型手电等生命所需物资，建立音视频监控系统，实时掌握被困人员情况，安抚被困人员情绪。浅埋隧道要考虑地面钻孔，同时要考虑借助辅助坑道或平行隧道实施救援。1.2.4 多种救援通道方案制定救援方案时，要选取多种救援通道方案，当一种救援通道方案实施受阻时，有备用方案继续实施，最大程度地尽早营救保障被困人员。2 救援通道施工方法隧道坍塌事故救援通道施工方法主要有人工小导坑法、大口径水平钻机法、顶管法、中心水沟法、竖井法等，各方法的特点分析，见表 1。本文主要介绍人工小导坑法、大口径水平钻机法这两种应用最广泛的救援通道方法。表1不同救援通道方法特点分析救援通道方法掘进速度（m/h）适用条件受限缺点人工小导坑法0.51坍塌围岩较弱，不能采取火工爆破作业掘进遇到高强度围岩坍塌掘进困难，突破长距离坍塌体耗时较长大口径水平钻机法35满足5 m（宽）5.3 m（高）隧道救援作业断面尺寸设备体积大、运输便道要求高，狭小断面隧道不能展开顶管法 0.52坍塌围岩强度低且松散，坍体长度小于20 m难以突破较硬岩层，长距离顶进需要更大的顶进力中心水沟法13隧道有中心水沟结构，已施工水沟超出坍体覆盖范围水沟清理情况复杂，也涉及受限空间作业竖井25隧道埋深小于50 m，隧道顶部地表有钻机作业面地表承载力须满足钻机及辅助设施重量，地质成孔性须良好 2.1 人工小导坑法（1）适用范围：适用于坍体已稳定，且无其他扰动因素；初支破坏程度较轻围岩较弱，便于掘进的坍塌体。特点：一是实施方便灵活，采用人工施作，对进入救援场地道路的宽度要求较低，能更快进入救援现场，救援所需器材方便人工携带，施工容易开展；二是成功率和可靠性高，人工施作时塌方体内部结构可见，使用小型机械设备开挖故障率减低，救援成功案例中最常用的便是小导坑法。（2）工艺原理：在坍塌体处选择合适断面作为洞口，按照梯形小导坑的断面尺寸，以人工辅以风镐、手风钻等对隧道坍方体进行开挖，采取边开挖，边支护的方式，打通救援通道，营救被困人员。施工工艺流程，见图 2。准备工作小导坑洞门搭建施作超前支护及洞口反压小导坑出渣小导坑贯通小导坑断面选取及尺寸制定小导坑开挖小导坑洞口位置选择小导坑支护图2小导坑施工工艺流程（3）导坑支护方式6：主要采取方木箱架支护，箱架采用密排满铺，箱架木料采用 15 cm15 cm的方木做竖向支撑，10 cm10 cm 的方木做顶板，30 cm10 cm 的方板做底板。特殊条件下，也可采用矿用液压支撑或钢结构件做支撑材料。小导坑支护结构主要有梯形和三角两种，坍体正面掘进采用路基工程 44 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）梯形小导坑，利用完好初支侧壁掘进时采用三角小导坑。三角、梯形小导坑通道示意，见图 3。三角、梯形小导坑通道尺寸，见图 4。隧道中线初支轮廓线救援导坑坍体 a 三角形导坑 b 梯形导坑隧道中线坍体初支轮廓线救援导坑图3三角、梯形小导坑通道示意 180救援导坑150 a 三角形导坑 b 梯形导坑15120157 88 75救援导坑16015100图4三角、梯形小导坑通道（单位：cm）2.2 大口径水平钻机法（1）适用范围：大口径水平钻机法基本适用任意隧道坍塌救援环境。特点：建立时间短、营救速度快，成孔快速、安全，成孔过程中对周围塌方体影响小，出渣简单迅速，安全系数高。应满足的条件：一是救援工作面满足“18.0 m（长）5.0 m（宽）5.3 m（高）”的净空空间，保证钻机平台填筑、钻机就位、钻具吊装系统及钻机配套机具装卸的空间需要；二是运输便道可通行 22 m 运输拖车；三是救援工作面附近有大于 200 kVA动力电源和高压水，满足电动机液压站运转动力电源和除尘水的需要。（2）工艺原理：采用潜孔锤套管钻进模式及螺旋排渣方式，使用内外钻具同时钻进、外管超前方式钻进穿越坍体，撤出内钻杆，外钻管形成外部安全区域与遇险区域人员的救援通道，通道直径62 cm，形成的通道空间满足一人通过，可钻进最深深度 50 m，能够满足穿越大多数隧道坍方长度的要求，采用油电双动力和液压履带自由行走以适用不同工况。大口径水平钻机，见图 5。大口径水平钻机施工工艺流程，见图 6。（3）关键环节：钻孔前期作业平台填筑过程应严格控制保证钻机进入路面平整无偏斜，保证路面地基承载力大于 10 MPa，钻机履带下方铺设20 mm 专用钢板。坍方体洞口回填应用沙袋回填至拱顶位置，对围岩等级差的洞口还应打入超前小导管或搭建临时防护支架，保证作业时坍方体不会二次坍塌。大钻机钻孔前期应先用 180 小型钻机打通生命通道，确定坍方体长度和被困人员位置后再确定大钻机钻孔位置，钻孔期间应严格控制钻孔角度，防止在钻孔作业途中钻具过长自身重力下沉导致钻具卡顿无法作业，应在钻入前期对钻具下方加装钻管支撑架防止钻具下沉。钻孔过程中应记录钻进过程是否突进、卡钻、钻进速度变化等，并对钻孔进行地质描述。钻进过程中应控制钻管外悬长度，防止钻机下沉和钻管下挠，钻机动力不足与克服钻管与坍塌的摩擦力，导致钻进受阻。a 结构示意 单位 mm b 实物图5大口径水平钻机 洞内加固钻孔定位钻机钻头选择钻机就位钻孔作业钻机贯穿钻孔内钻杆撤出逃生通道形成洞口处理打通生命通道吊装系统和配套设备就位坍体回填推算坍体长度渣土传送带安装拆装钻具图6大口径水平钻机工艺流程（4）钻头选择：内钻头有螺旋钻头、DTH 潜孔锤钻头、DTH 潜孔锤伸缩扩孔钻头三种。塌方体为砂土、黄土和黏土时，采用外钻筒+螺旋钻头钻进，见图 7；塌方体为碎石土（碎石粒径最大不超过 60 cm）时，采用 DTH 潜孔锤+外钻筒钻进，见图 8；塌方体主要为碎石（粒径超过 60 cm）胡科敏：隧道坍塌应急处置和未来科学救援发展趋势 45 时，采用 DTH 潜孔锤伸缩钻头+外钻筒钻进，见图 9。因此，该钻机适合各种复杂地质条件下隧道塌方救援。钻机准备钻机贯通钻孔逃生通道形成钻机钻进砂土图7大口径水平钻机在软弱围岩中钻进 钻机准备钻机贯通钻孔逃生通道形成碎石土DTH潜孔锤钻头突前钻进图8大口径水平钻机在较硬围岩中钻进 钻机准备钻机贯通钻孔逃生通道形成钻头破碎钻进碎石图9大口径水平钻机在硬岩层中钻进 3 救援案例 3.1 小导坑法 3.1.1 救援经过2014 年 8 月 10 日 19 时 50 分，贵州省石阡县甘溪镇境内瓮安至江口高速公路两天窝隧道发生坍塌，13 名施工人员被困。国家隧道应急救援中铁二局昆明队 8 月 12 日接上级救援命令后，于 13 日凌晨 0 时 30 分抵达事故现场后立即展开救援。救援通道采用小导坑法，排除了坍体松散溜坍、坍体内孤石和钢结构物阻拦等困难，不断调整掘进方案，坚持科学、安全、快速救援。经过 86 小时全力救援，于 16 日 14:15 分成功打通了 26.6 m 的救援通道，13 名被困人员全部成功获救。3.1.2 救援方案制定根据昆明队和技术专家组救援方案，首先在右幅隧道对应左幅隧道可能存在空腔的位置，使用施工钻机施作生命联系孔，寻找被困人员生命迹象；其次，在右幅坍塌隧道采用渣土回填和沙袋堆码，反压稳定坍体变形，并对初期支护进行加固；由于坍塌段地质富水，施工单位对坍体进行注浆止水封闭，防止因漏水导致坍体滑移变形；对冒顶区域和洞内坍体进行实时监测，记录变形数据，保证救援现场安全；后勤保障组准备救援物资和后勤保障物资。11 日 8 时 5 分，打通了 45 m长的生命通道，与被困人员取得联系，及时通过救援管道向洞内输送食品、水等必需品，随后建立音视频监控，与被困人员保持实时通信。13 日 1 时 20 分，救援指挥部召开救援现场工作会，调集专家制定救援通道方案：一是侧壁小导洞法，从左幅隧道向右幅隧道采用爆破法打通可供被困人员爬出的通道；二是采取气压顶管直接将管道通过坍塌处打入隧道，被困人员顺管道爬出；三是人工辅助钻机成洞，使用钻机钻进 6 个环形孔，采用人工爆破的方法，向被困人员推进；四是采用人工小导坑从坍体正面依靠原初支面掘进，打通救援通道，梯形小导坑上宽 1.0 m、下宽 1.2 m、高1.2 m。由于当时昆明队国内唯一一台大口径水平钻机的钻具在富宁隧道救援还未撤出，故未制定大口径水平钻机救援通道方案。3.1.3 救援通道实施过程根据救援指挥部的指令，几种救援通道方案同时进行。气压顶管法因缺乏必要的设备和物资，没有进入实施阶段。侧壁小导坑法掘进要穿越三级围岩原状土，必须采用爆破措施，与钻机钻孔爆破法的技术措施接近，两种方案合并后，由施工单位为主体在左幅隧道开始爆破掘进，由于爆破扰动太大，根据被困人员反馈信息，可能引起二次坍塌，暂停爆破作业，方案受阻。正面人工小导坑法由昆明 队 组 织 实 施，首 先 对 小 导 坑 洞 口 段 采 用42 mm 钢管锁脚加固，并将 22 mm 钢筋加工成1.00.1 m 的“L”筋对钢管焊接连接；其次对原洞口接长 3.8 m，同时采用砂袋对小导坑接长明洞进行回填反压；最后，救援作业人员倒班分工，分为 3 班作业，每班 30 人，救援队 10 人实施小导坑开挖及箱体立架，施工单位 20 人配合出渣作业，4 小时轮换一次。13 日 9 时 30 分，小导坑进入暗洞掘进，由于坍体松散，掘进采用长 4.5 m 的小导管超前支护。14 日，当掘进到 4.0 m 左右时，坍体内大块孤石、初期支护型钢拱架及钢筋网片等给路基工程 46 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）掘进带来极大困难，利用快速破拆设备，辅以风镐、气割等手段逐一破拆切割，并不断调整作业方案。16 日 14:15 分成功打通救援通道，被困人员全部获救。小导坑通道救援现场，见图 10。图10小导坑通道救援现场 3.2 大口径水平钻机法 3.2.1 救援经过2017 年 9 月 14 日，玉磨铁路曼么 1 号隧道出口发生塌坍，9 名作业人员被困。昆明队接到救援指令后，立即组织 53 名队员和大口径水平钻机等救援装备赶赴现场。历经 51 小时连续作战，9 月16 日大口径水平钻机打通 23 m 的救援通道，成功营救被困人员。3.2.2 救援方案制定救援队到达现场后，立即进行现场查勘，通过地质雷达、生命探测仪侦测被困人员情况，与指挥部领导及各方专家共同研讨，制定采用大口径水平钻机为主的钻机救援法、同时进行人工小导坑救援法的综合救援方案。3.2.3 救援通道实施过程首先对山体冒顶区域进行覆盖对地表的水沟进行疏导，防止地表水流入冒顶区域而引发二次坍塌；其次进行洞内坍体反压回填和封闭，使用型钢对坍体边缘的初支进行支撑加固，保证救援现场的安全。分析坍方情况选定钻孔位置，施作生命通道；180 钻机就位后用时 75 分钟打通长 24 m 的生命通道，向被困人员喊话，确认被困人员安全无恙；建立和被困人员联系的音视频系统，向被困人员输送水、食物等生命物资，稳定被困人员情绪。在救援指挥部的有序组织下，地方交通、公安、施工等单位通勤保障有力，大口径水平钻机克服长途运输、道路狭窄、弯急坡陡等困难，快速进场作业，就位后 5 小时 30 分钟持续钻进 24 m，形成了 620 mm 的逃生通道，成功营救 9 名被困人员。大口径水平钻机救援现场，见图 11。本次隧道坍方救援，应用钻机成功打通救援通道营救被困人员，流程标准，方法科学，快速高效，可视为一次“典型的救援案例”。a 坍塌现场情况 b 大口径水平钻机救援通道作业图11大口径水平钻机救援现场 3.2.4 救援过程中存在的问题救援通道方案的选择上技术组各持看法，在采用大口径水平钻机或小导坑法间犹豫不决，导致大口径水平钻机进场滞后 3 个小时。应急救援常强调“时间就是生命！”，救援指挥部应科学论证方案、果断决策、强力推进救援行动，采用最快速、安全的救援方案，要相信专业救援队的作战水平，不能贻误战机。大口径水平钻机救援法在隧道应急救援中充分体现了其优势所在，即高效、快速、安全。但大口径水平钻机救援法目前还处于初期阶段，实操经验不足，施救过程中技术卡控不到位、钻机自身动力不足等问题，需要在今后不断总结经验，不断完善装备的智能化，提升其可靠性。4 未来发展趋势隧道坍塌应急救援应遵循“以人为本、高效安全”的原则，把保障公众的生命安全和身体健康、最大程度地减少突发事件造成的人员伤亡作为首要任务，科学制定救援方案，利用先进的救援装备和技术，充分发挥专业救援骨干作用，加强区域联动，形成救援合力，过程中要积极主动地开展舆情监控和引导。随着我国应急救援体系不断完善和救援能力的持续，今后隧道坍塌应急救援朝着以下几个方面发展：（1）现场自救结合专业化救援。隧道坍塌事故发生后，专业救援队接到指令出发至抵达救援现场需要一定时间，在专业救援队和救援装备抵达救援现场前，施工单位要合理组织自救的同时紧密联系专业救援队，一是将现场信息报送至专业救援队，二是迅速开展前期处置，加固稳定坍体、准备救援物资、清理交通道路、填筑钻机作业平台等，为专业救援队开展救援作业创造有利条件，加快救援进程，提高救援成功率。（2）救援装备机械化、智能化。专业救援队要通过引入机械化、智能化、信息化的技术和设胡科敏：隧道坍塌应急处置和未来科学救援发展趋势 47 备，创新研究出能力更强、适应性更高的隧道救援装备，减少因外界环境、人为因素对于救援作业的负面影响，提升专业化救援能力，实现快速、安全、精准救援。（3）后台技术支撑辅助现场救援。各级应急救援中心和专业救援队通过先进信息技术，共享现场情报和应急资源，合理调遣救援力量和资源，形成技术专家作为后台支撑、科学优化救援方案、解决技术难题，与专业救援队作为现场执行的救援合力。（4）专业救援队伍全能化。地震、滑坡等自然灾害也可导致隧道坍塌，专业救援队需具备地震等自然灾害基础知识和处置能力；瓦斯隧道或有毒有害气体隧道发生坍塌，专业救援队还需具备防爆、防毒处置能力；面对极端复杂环境，专业救援队应做好队伍应急预案和应急演练，强化隧道坍塌救援的同时要考虑地震、有毒环境、瓦斯环境作业规范要求，保障安全高效救援。参考文献(References)：1 赵勇,田四明.截至 2017 年底中国铁路隧道情况统计J.隧道建设(中英文),2018,38(3):506 513.ZHAO Y,TIAN S M.Statistics of railway tunnels in China as of 2017J.Tunnel Construction,2018,38(3):506 513.2 赵勇,田四明.截至 2018 年底中国铁路隧道情况统计 J.隧道建设(中英文),2019,39（2）:324 335.ZHAO Y,TIAN S M.Statistics of railway tunnels in China as of end of2018 J.Tunnel Construction,2019,39（2）:324 335.3 蒋涛.隧道塌方特征分析和预报预警监测系统的研究D.北京:北京交通大学,2016.JIANG T.Analysis of the characteristics of tunnel collapse and researchon forecasting and early warning-monitoring systemD.Beijing:BeijingJiaotong University,2016.4 张晓景.大口径钻机在隧道塌方体中钻进的力学性能及优化控制研究D.重庆:重庆大学,2018.ZHANG X J.Study on mechanical properties and 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Engineering Group Co.,Ltd.has participated in emergency rescue of 14 tunnel collapseaccidents over the years,its summarized and analyzed that how to scientifically and effectively organizeemergency rescue for tunnel collapse.The key factors for a successful rescue are elaborated,including theselection of resue schemes and the use of rescue equipment,etc.The scientific resue trend of tunnel ollapse is putforward.It provides reference for tunnel emergency rescue in the future.Keywords:tunnel collapse；emergency rescue；specialization；intelligence；mechanization路基工程 48 Subgrade Engineering2023 年第 1 期（总第 226 期）