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        鐵路軟巖隧道施工安全與質量控制

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        更新時間: 2021年03月25日
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        0 鐵路軟巖隧道施工安全與質量控制北京鐵路局張唐鐵路工程指揮部祝明洪二○一○年十一月 備注:0 1 前 言 目前在建鐵路山嶺隧道約6600公里,已規劃建設隧道7600公里,隧道呈現“三多”特點(隧道數量多、長大隧道多、風險隧道多)。其中軟弱圍巖隧道占有相當大的比例。 軟弱圍巖隧道施工,除地質條件差,還會遇到斷面大、埋深淺、下穿公路或建筑物等情況,從而使施工更加復雜,難度更大。目前,由于技術措施不合理、施工方法不當、施工工藝不到位、現場管理薄弱等環節的諸多問題,造成了大量的隧道變形和坍方事故,損失巨大,教訓深刻。 備注:1 2 如何提高軟弱圍巖隧道施工水平,預防變形和坍方,確保施工安全,其核心是抓住軟弱圍巖隧道工程特點,落實好“三超前、四到位、一強化”施工技術關鍵環節。 ●三超前:超前預報、超前加固、 超前支護 ●四到位:工法選擇到位、支護措施到位、 快速封閉到位、襯砌跟進到位 ●一強化:強化量測 備注:2 3 目 錄 1 軟弱圍巖隧道變形、坍方事故案例 2 軟弱圍巖隧道地質特征和工程特點 3 軟弱圍巖隧道施工技術 備注:3 4 1 軟弱圍巖隧道變形、坍方事故案例 備注:4 5 1.1事故案例 鄭西客專南山口隧道大坍方(2007年7月15日發生)。坍方段埋深86米,地質為強風化粉砂巖及卵石土,采取臺階法施工。掌子面初期支護首先出現掉塊、開裂,3天后發生大坍方,坍方長度146米,洞內初期支護全部破壞,造成地表房屋開裂,經濟損失較大。坍方原因:快速封閉不到位、襯砌跟進不到位、量測未到位。(上臺階開挖83米,仰拱距掌子面126米,二襯距掌子面146米)。 備注:5 6 南山口隧道大坍方照片 備注:6 7 備注:7 8 貴廣鐵路東科嶺隧道涌砂坍方(2010年1月19日發生)。坍方段埋深21m(屬淺埋),地質為向斜構造全風化花崗巖,呈砂狀,開挖擾動后呈流塑狀,地表為水田和常年流水水溝。進口開挖到398米處,掌子面施作超前小導管時,突然發生涌砂坍方,涌砂量約800立方,隨后地面出現坍陷,坍坑直徑約35米。涌砂坍方原因:未進行超前預報、未進行超前加固、未進行超前支護 備注:8 9 東科嶺隧道涌砂坍方照片 備注:9 10 東科嶺隧道地面坍坑照片 備注:10 11 張集鐵路舊堡隧道初期支護開裂變形(2010年2月26日發生)。變形段隧道埋深約300米,地質為麻粒巖夾輝綠巖脈,處于F3斷層影響帶,構造節理發育,巖體破碎。進口開挖到4136米處,初期支護工25b鋼架發生變形,變形速率151mm/d,隨后掌子面后方30米范圍內初期支護扭曲變形,噴射混凝土開裂、掉塊,滲水量增大。該段變形原因:由于對工程地質特性認識不足,工法選擇不到位、支護措施不到位。 備注:11 12 舊堡隧道初期支護變形開裂照片 備注:12 13 集包鐵路新旗下營隧道坍方(2010年3月19日發生)。坍方段埋深約70米,地質為變質大理巖,前期施工時經常發生局部掉塊。進口開挖到370米處。后方56米位置初期支護(格柵鋼架)失穩破壞坍方,造成多名作業人員遇難。坍方原因:支護措施不到位、快速封閉不到位、量測不到位 備注:13 14 新旗下營隧道坍方照片 備注:14 15 2006年 3月21日:武康二線王家溝隧道坍方,8人受困。 5月16日:大麗線南場嶺隧道洞口坍方,6人受困。 5月21日:洛湛線雙牌二號隧道洞口坍方,1死3傷。 8月12日:鄭西客專秦東隧道坍方,2人死亡。 9月13日:武康二線系家山一號隧道坍方,2人死亡。 2006年發生事故5起,造成5死3傷14人受困 1.2事故統計與分析 統計2006年至今軟弱圍巖隧道發生事故 備注:15 16 2007年 4月30日:太中銀吳堡隧道坍方,4死1傷。 7月15日:鄭西客專南山口隧道大坍方146米。 8月6日:石太客專南莊隧道坍方,2人死亡。 8月6日:廣深港客專水田隧道洞口坍方,2人死亡。 9月2日:合寧線亭子山二號隧道坍方,5人死亡。 9月30日:蘭青二線八盤峽二號隧道坍方,8人受困。 2007年發生事故7起,造成13死2傷8人受困 備注:16 17 2008年 1月9日:蘭青二線楊家店隧道坍方,2人死亡。 1月20日:鄭西客專盤東隧道坍方,3人死亡。 3月21日:田德線百安隧道坍方,2死3傷。 3月25日:包西線活沙兔隧道坍方,4人死亡。 7月15日:洛湛線古欖隧道坍方,1人死亡。 8月29日:西格二線克土隧道坍方,4死7傷。 2008年發生事故6起,造成16死10傷 備注:17 18 2009年 2月17日:包西線寨山村隧道坍方,2人死亡。 3月8日:石武客專木蘭隧道坍方,2死2傷。 3月16日:向莆線寶臺山隧道坍方,3死1傷。 7月19日:襄渝二線楊家溝隧道坍方,2人死亡。 8月1日:湘桂線梅子坳隧道洞口坍方,3人死亡。 10月29日:包西線新響沙灣隧道坍方,人員逃脫。 12月19日:包西線鄧家樓一號隧道坍方,6人受困。 2009年發生事故7起,造成12死3傷6人受困 備注:18 19 2010年 1月14日:南廣線白云隧道突水突泥,5人死亡。 3月19日:集包線新旗下營隧道坍方,10人死亡。 7月11日:南黎線那適2號隧道坍方,10人死亡。 截止目前,2010年發生事故3起,已造成25人死 亡 備注:19 20 對統計數據進行分析,軟弱圍巖隧道事故主要表現在三個方面: 一是洞口坍方,占20%。 二是掌子面變形坍方,占33%。 三是掌子面后方坍方“關門”,占47%。 備注:20 21 據以上不完全統計,從2006年到2010年目前為止,4年多時間內,軟弱圍巖隧道發生事故28起,死亡71人,事故發生之頻繁,死亡人數之多,令人心痛。究其原因,主要有兩個方面,一是客觀上地質和環境的復雜性,二是主觀上技術措施、施工方法及工藝、現場管理等原因。因此,提高對軟弱破碎圍巖的認識,提高設計和施工水平,做到“三超前、四到位、一強化”,對杜絕工程事故的發生十分重要。 備注:21 22 2 軟弱圍巖隧道地質特征和工程特點 備注:22 23 2.1軟弱圍巖隧道地質特征 圍巖強度低,承載能力低。如粘性土、粉土、砂類土、黃土、全風化巖體等。 節理發育、破碎、自穩能力差。如巖體破碎的泥巖、頁巖、砂巖、千枚巖、板巖等。 斷層帶散體結構、自穩能力極差。受構造影響,斷層帶結構面雜亂無序,呈角礫、縻棱狀或碎裂結構,充填泥質或泥夾巖屑。 備注:23 24 2.2軟弱圍巖隧道工程特點 軟弱圍巖強度低、自穩能力差,隧道開挖后地應力重新分布,使隧道周邊產生較大的松動圈。一旦工程措施(包括設計措施)和施工方法不當,將極易發生初期支護變形侵限和隧道坍方等工程事故。因此,軟弱圍巖隧道施工的核心是“控制變形、防止坍方”。 備注:24 25 3 軟弱圍巖隧道施工技術 備注:25 26 軟弱圍巖隧道施工,應在以下七個方面予以重視,實現標準化施工管理,從而避免變形和坍方事故的發生。 ◆超前預報 ◆超前加固 ◆超前支護 ◆開挖工法 ◆初期支護 ◆二次襯砌 ◆監控量測 備注:26 27 3.1超前預報 現場時常會遇到實際開挖揭示的地質與設計提供的地質存在較大差異,引起技術措施和施工方法的變化。因此,除設計階段加強地質勘察外,施工階段也必須進行超前地質預報工作,這一點尤為重要。 地質素描、物探、超前鉆探方法是軟弱圍巖超前預報的主要手段。 在破碎帶和斷層地段,加強超前長、短鉆孔,及時探明隧道前方地質情況,特別是地下水較發育的隧道,嚴禁在未探明情況下盲目開挖。 備注:27 28 參建各方都應該重視施工階段超前地質預報工作,建立責任制,明確責任和分工。高和極高風險隧道,必須進行超前地質預報的專項設計。 備注:28 29 3.2超前加固 在斷層破碎帶和軟弱地層,特別是富含水時,必須對圍巖進行超前加固,改良地層,確保隧道安全施工。 必須配備專業隊伍、專業設備,進行專項設計,保證加固效果。 目前,常用的圍巖加固方法是注漿法。 注漿法主要分全斷面注漿和局部注漿兩種。在富水斷層地帶,通常采取全斷面注漿。 備注:29 30 全斷面注漿法鉆孔數量多,施作周期長;局部注漿是針對隧道前方地層特點,對薄弱部位進行注漿,鉆孔數量少,施作周期短。 無論是全斷面注漿,還是局部注漿,都要求必須配備先進的鉆孔注漿設備,必須采取信息化注漿。 備注:30 31 別巖槽隧道F1斷層全斷面注漿照片 備注:31 32 齊岳山隧道F11斷層信息化注漿照片 備注:32 33 注漿加固范圍 縱向加固長度應根據鉆機能力和地層特點確定,一般為20~30m。特殊地層條件下,應及時調整縱向注漿加固長度,否則既影響進度,又影響質量。 環向加固厚度一般為3~5m,局部可增加到5~8m。 備注:33 34 中國產MGJ-50鉆機 中國產XY-2PCG鉆機 該類鉆機最大扭矩2000~3000N·m 鉆進速度3~5m/h 備注:34 35 中國產MZ200鉆機 最大扭矩3400N·m 鉆進速度5~15m/h 備注:35 36 日本產RDP-150鉆機 最大扭矩8000N·m 鉆進速度15~20m/h 備注:36 37 日本礦巖RPD-180C多功能鉆機 最大扭矩8000N·m,鉆進速度15~20m/h 備注:37 38 意大利C6鉆機 最大扭矩13550N·m 鉆進速度20~30m/h 備注:38 39 意大利產SM400鉆機 最大扭矩13630N·m 鉆進速度20~30m/h 備注:39 40 德國KR805鉆機 最大扭矩27000N·m 鉆進速度25~30m/h 備注:40 41 3.3超前支護 常用的超前支護方式有超前大管棚和超前小導管兩種。 ●超前大管棚:超前大管棚一般是在對沉降有嚴格要求時使用,適宜于淺埋洞口、堆積體、砂土質地層、斷層破碎帶地層,以及下穿公路、鐵路、地面建筑物時采用。大管棚一般采用φ70mm~φ159mm的鋼管,縱向長度10~100m根據工程需要設置。 備注:41 42 洞內大管棚照片 備注:42 43 設管棚工作間:一般施作管棚時都要設置管棚工作間,管棚工作間按鉆機特點設計,比隧道斷面加寬50~70cm,工作間長度7~10m,如果只進行一個循環管棚施作,管棚工作間比較簡單。但如果循環多時,施作多個管棚工作間就存在著三個問題。 備注:43 44 齊岳山隧道F11斷層前期管棚工作間照片 備注:44 45 一是為施作工作間,隧道斷面加大后,開挖難度加大,開挖安全風險增加。 二是若循環注漿后未能按設計開挖到位,工作間尺寸將滿足不了要求,將無法進行正常管棚作業。 三是由于管棚工作間采取擴挖斷面方法,既增加了開挖費用,又增加了回填混凝土的費用,浪費大。 備注:45 46 無工作間管棚施作技術:在標準斷面采用頂進器將管棚頂到開挖斷面外。該技術不需要擴大斷面,不切割大量的管棚,降低了施工風險,提高了工效,節約了投資,應大力推廣。 備注:46 47 齊岳山隧道F11斷層后期無管棚工作間照片 備注:47 48 ●超前小導管:超前小導管是在對施工安全要求較高的條件下使用。在破碎圍巖、堆積體、砂土質地層、斷層破碎帶中普遍采用。當地層卡鉆嚴重時,可采用自進式錨桿。小導管一般采用φ32mm~φ60mm的鋼管,縱向長度2.5~6m根據工程需要設置。小導管布設后根據地層穩定情況,如需要可進行注漿,加固周邊地層。 備注:48 49 洞內超前小導管施工照片 備注:49 50 ●水平旋噴支護:軟塑土體、含水砂層等可采用水平旋噴進行超前加固與支護。 備注:50 51 預切槽支護:用特制的鏈式機械切刀沿斷面周邊連續切割出一條厚約數十厘米,深數米的窄槽,同時應用與切刀一體化的混凝土灌注設備注入混凝土,形成一個連續的,起預先支護作用的混凝土拱殼。然后在“拱殼”支護下進行工作面的全斷面機械挖掘 備注:51 52 預切槽法三維示意 備注:52 53 3.4開挖工法 常用的開挖工法有臺階法、環形導坑(預留核心土)法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等。 開挖工法應根據地質情況和地層加固情況確定。實施中根據地質情況和量測成果及時調整工法。 開挖工法選擇時,原則上在確保安全條件下,應從簡單到復雜,盡量減少開挖步驟。 現場施工應嚴格執行設計工法,不得擅自更改。 備注:53 54 ●臺階法:該工法一般適合于Ⅳ級圍巖,要求臺階長度不大于1倍洞徑,仰拱距掌子面距離不大于2倍洞徑。 備注:54 55 ●環形導坑(預留核心土)法:該方法利用核心土穩定掌子面,然后開挖兩側邊墻、中部核心土,最后開挖仰拱。該工法步驟多,工藝要求高。 備注:55 56 目前,軟弱圍巖大斷面隧道多采用環形導坑法(三臺階七步流水法),出現的問題也最多,對該工法技術要求如下(雙線隧道): 上臺階每循環開挖進尺Ⅴ、Ⅵ級圍巖不大于1榀鋼架,Ⅳ級不大于2榀。 邊墻開挖進尺不大于2榀。 仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿(管),每循環開挖進尺不大于3m。 初期支護封閉成環位置距掌子面距離原則上不宜不大于2倍洞徑。 根據地質、量測情況,設置臨時仰拱或橫撐。 備注:56 57 環形導坑(預留核心土法)照片 備注:57 58 ●CD法(中隔壁法):該工法適合于淺埋地段或穿越建(構)筑物時采用,以減少沉降,防止坍方。該工法是將隧道分為左右兩部分進行開挖,先在一側采用臺階法分層開挖及支護,再開挖隧道另一側。每臺階縱向長度3~5m。初期支護仰拱緊跟下臺階,封閉成環。 備注:58 59 ●CRD法(交叉中隔壁法):該工法在特殊條件下采用。該工法是將大斷面隧道上、下、左、右分塊開挖,并施作初期支護和臨時橫撐(臨時仰拱),每臺階縱向長度3~5m,步步封閉成環。 備注:59 60 CRD工法開挖照片 備注:60 61 ●雙側壁導坑法:該工法在特大斷面等特殊條件下采用。該工法先開挖隧道兩側導坑,再進行中部開挖支護。工法特點:控制沉降變形好,但連接點多,受力復雜,對工藝要求高。 備注:61 62 雙側壁導坑工法開挖照片 備注:62 63 對于巖石強度低,環境要求高的隧道應采用單臂掘進機、銑挖機、機械破碎等開挖。 備注:63 64 3.5初期支護 初期支護方式:錨網噴;錨網噴+鋼拱架,鋼架形式有格柵鋼架、工字鋼、H型鋼。特殊地質條件下使用噴鋼纖維混凝土。 初期支護受力特征:隧道開挖后短時間或變形量小時,初期支護與地層共同承受形變壓力。支護不及時或支護后變形量過大,巖體松動后荷載加大,由初期支護完全被動地承受松動壓力。因此,必須保證初期支護的強度和剛度,及時支護,控制變形。 備注:64 65 ●初期支護仰拱(臨時仰拱)及時閉合極其重要,閉合成環后,提高了結構的承載能力,從而有效地控制變形、避免坍方。 備注:65 66 技術要求 雙線隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖時,必須設置鎖腳錨桿(管)等控制拱(墻)腳位移的措施。 雙線隧道Ⅴ級圍巖應設置橫向臨時支撐或臨時仰拱,臨時支撐采用型鋼,縱向每2榀設1處。 鋼拱架宜采用八字節格柵拱架。 鋼拱架應工廠化制造,出廠前必須進行檢驗、試拼裝。 噴混凝土原則上采用濕噴工藝,特殊地質條件下可另行設計。 備注:66 67 3.6監控量測 監控量測是軟弱圍巖隧道安全施工的“眼睛”,是判斷結構穩定性、指導軟弱圍巖隧道安全施工“最重要”的信息化手段。不進行監控量測,將無法保證軟弱圍巖的安全施工。很多隧道的變形與坍方是因為沒有進行量測、或沒有使用量測成果才產生的,教訓深刻。 備注:67 68 監控量測主要包括拱頂下沉和水平收斂,淺埋段應進行地表沉降量測。目前采用有尺量測的較多。由于隧道斷面大,采取有尺量測時,施工干擾大、耗時長。應大力推廣采用全站儀利用貼片反射進行量測。 備注:68 69 技術要求 建立等級管理、信息反饋和報告制度。 隧道監控量測必須設置專職人員,培訓后上崗,實行專業化管理,城市隧道要引入第三方監測。 量測斷面布置間距Ⅳ級圍巖10m(規程10~30m)、Ⅴ級圍巖5m(規程5~10m)。 拱頂下沉或水平收斂速率達5mm/d或位移累計達100mm時,要暫停施工,分析產生原因,提出處理措施。 采用有尺量測時,測點掛鉤要做成閉合三角形,保證不變形、點接觸。 備注:69 70 拱頂下沉量測照片 備注:70 71 水平收斂量測照片 備注:71 72 全站儀量測照片 備注:72 73 3.7二次襯砌 由于目前初支+二襯共同承載的設計方法,適時進行二次襯砌對安全施工十分重要,根據部有關要求:Ⅳ級圍巖二襯距掌子面距離不大于90m,Ⅴ級、Ⅵ級不大于70m,這些經驗數據是十分重要的,現場必須嚴格執行。 備注:73 74 下面介紹一下隧道洞口施工、高地應力地層施工應注意的幾個問題,以及新意法施工技術。 關于隧道洞口施工應注意的幾個問題 “早進晚出”,對洞口不良地質可采取加長明洞、管棚法進洞等措施。 一次刷坡到位,不允許上半斷面刷坡后進洞,這樣,進洞后再刷下半斷面時易引起洞口滑坍。 盡早施作洞口工程。 備注:74 75 洞口坍方照片 備注:75 76 高地應力軟巖隧道施工的幾個問題 超前預報。目前尚未系統開展掌子面地應力測試,這就給工程措施的制定造成困難。 錨桿加固。及時施作長錨桿加固圍巖,必要時采用預應力錨桿。 初期支護剛度。合理選取支護剛度參數,防止變形侵限。必要時可施作雙層初期支護。 超前釋放應力。目前現場進行了超前鉆孔、超前導洞釋放應力試驗,都沒有很好的效果,應繼續開展工程實踐及研究。 備注:76 77 巖土控制變形分析法: 對掌子面超前加固后可全斷面機械化施工,不但可加快進度,而且施工安全度高,應在工程中應用和推廣。 備注:77 78 結 語 近年來,軟弱圍巖隧道事故頻繁發生,不但造成了財產損失和工期延誤,而且造成了較大的人員傷亡和巨大的社會影響。 軟弱圍巖地質條件復雜,施工工序繁多,工藝要求嚴格,技術含量高。如果能認清軟弱圍巖“變形與坍方的發展過程和變化規律”,嚴格執行“三超前、四到位、一強化”的施工方針,完全能夠避免軟弱圍巖隧道事故的發生,確保工程安全和生命安全。 備注:78 79 謝謝大家! 備注:79
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