隧道施工安全风险事件-2010-11

隧道施工安全风险事件 以下为隧道施工中可能遇到的安全风险事件 暂未考虑纯自然灾害风险 如 洪水 地震 高温 严寒 泥石流 飓风 也未考虑国家政策 市场经济 社会环境等因素带来 的风险 一 洞口段 一 洞口段 1 坍塌冒顶 2 山体开裂变形 4 洞口边仰坡失稳 5 弃渣对环境影响 6 洞口边仰坡落石伤人危及施工安全 7 洞口山体整体滑移 坍塌 二 洞身段 二 洞身段 一 施工地质风险 一 施工地质风险 1 岩溶及充填物危害 2 塌方 3 流沙 液化 4 涌突水 泥 石 5 岩爆 6 大变形 围岩失稳 7 渗漏水 8 采空区 9 断层破碎带 10 瓦斯及其它有害气体地层 11 高温地热 12 软弱围岩 13 黄土 14 冻土 15 膨胀性岩土 16 松散地层 17 盐渍土 二 施工引起的风险 二 施工引起的风险 1 施工准备不足 2 施工量测不准确 3 爆破引起的风险 4 开挖不合理 5 辅助施工措施施作不合理 6 初期支护不合理 7 隧道二衬不合理 8 落石伤人危及施工安全 三 其它风险 三 其它风险 1 地下径流破坏 2 对环境的破坏 2 火灾 3 通风 4 照明及用电 5 机械设备风险 6 其它如交通及意外事件 针对以上每个风险事件 首先列出时间产生的原因及后果 然后从以下几方面列出处 理措施 围岩加固措施及地下水处理措施 施工及技术改进措施和注意事项 辅助 施工措施 风险发生后应急处理措施 同时描述 2 3 个案例 包括工程介绍 地质情 况介绍 处理措施 要列出对应参考文献 三 施工对第三方构筑物风险三 施工对第三方构筑物风险 1 隧道施工引起的临近桥梁破损 2 隧道施工引起的临近房屋建筑破损 3 隧道施工引起的临近路面损坏 4 隧道施工引起的临近铁路损坏 5 隧道施工引起的临近管线破损 6 隧道施工引起的临近隧道破坏 针对以上每个风险事件 首先列出时间产生的原因及后果 然后从以下几方面列出处 理措施 地层加固措施及地下水处理措施 施工及技术改进措施和注意事项 辅助 施工措施 第三方构筑物加固措施 风险发生后应急处理措施 同时找出上述第三 方构筑物的破坏形式 描述 1 2 个案例 包括工程介绍 地质情况介绍 处理措施 要列 出对应参考文献 一一隧道洞口段施工安全风险事件隧道洞口段施工安全风险事件 1 1 坍塌冒顶坍塌冒顶 1 1 1 风险产生的原因风险产生的原因 隧道洞口开挖时 导致塌方的原因有多种 概括起来可归结为 一是自然 因素 即地质状态 受力状态 地下水变化等 二是人为因素 即不适当的设 计 或不适当的施工作业方法等 由于塌方和崩塌的后果的严重性 我们应尽 量注意排除会导致塌方的各种因素 尽可能避免可以避免的塌方或崩塌事故的 发生 塌方或崩塌的原因主要是不良地质及水文地质条件 隧道设计考虑不周 施工方法或措施不当 不良地质及水文地质条件 1 隧道穿过断层及其破碎带 或在薄层岩体的小曲褶 错动发育地段 一经开挖 潜在应力释放快 围岩失稳 小则引起围岩掉块 坍落 大则引起 塌方 当通过各种堆积体时 由于结构松散 颗粒间无胶结或胶结差 开挖后 引起坍塌 在软弱结构面发育或泥质充填物过多 均易产生较大的坍塌 2 隧道穿越断层破碎带 岩溶陷落柱 松散性围岩 地层覆盖过薄等地 质地段时极易发生塌方和崩塌 地层覆盖过薄地段如在沿河傍山 偏压地段 沟谷凹地浅埋和丘陵浅埋地段 3 水是造成塌方的重要原因之一 地下水的软化 浸泡 冲蚀 溶解等 作用加剧岩体的失稳和坍落 岩层软硬相间或有软弱夹层的岩体 在地下水的 作用下 软弱面的强度大为降低 因而发生滑坍 4 洞口段施工期间发生暴雨 地下水 地表水丰富 地下水 地表水对边 坡和围岩 尤其是浅埋段软弱围岩 容易产生侵蚀 软化作用 隧道设计考虑不周 1 隧道选定位置时 地质调查不细 未能作详细的分析 或未能查明可 能塌方的因素 没有绕开可以绕避的不良地质地段 2 缺乏较详细的隧道所处位置的地质及水文地质资料 引起施工指导或 施工方案的失误 施工方法和措施不当 1 施工方法与地质条件不相适应 地质条件发生变化 没有及时改变施工 方法 2 工序间距安排不当 3 地层暴露过久 引起围岩松动 风化 导致塌方 4 围岩爆破用药量过多 因震动引起坍塌 5 对危石检查不重视 不及时 处理危石措施不当 引起岩层坍塌 1 1 2风险发生的后果风险发生的后果 一旦在隧道洞口发生坍塌与冒顶 将造成严重的人员伤亡 并且造成工程 停滞 影响施工进度 延误工期 大幅增加施工费用 如果处理不当 还会留 下工程质量工程质量后患 给维修养护工作带来极大的不便 1 1 3风险预防处理措施风险预防处理措施 围岩加固措施及辅助施工措施 根据隧道洞口段地质条件 施工方法 环境要求采取必要的预加固措施 如地表注浆或超前锚杆 超前小导管 短管棚 长管棚进洞等 1 大管棚超前的进洞方法 一般洞口段地质条件相对较差 常采用大管棚超前进洞的辅助措施 大管 棚施工时 一般先在洞口开挖轮廓外施作管棚导向混凝土墙或导向钢架 长 2 一 3m 并采用锚杆使其和洞口仰坡连成一体 导向结构为管棚施工起到导向和 支架作用 然后施工大管棚 大管棚常采用小 80 3O0mm 的钢管 长度 18 一 40m 大管棚施工完成后 在导向墙或导向钢架内立模 浇注混凝土套拱 将 导向墙或导向钢架与管棚尾端浇注成整体结构 形成 假洞 然后按照选定的 工法进行隧道的开挖 支护 2 接长明洞的进洞方法 洞口地质条件较差 边坡稳定困难时 常采用接长明洞的方法 明洞结构 对仰坡起到支挡作用 可保持仰坡的稳定 某公路隧道洞口接长明洞进洞工程 实例 3 小导坑反向扩大隧道的进洞方法 洞口采用大断面进洞困难时 可以采用小导坑先行进入隧道施工 在进入 长度大于 3 一 5 倍隧道洞径后 反向开挖隧道洞口段 小导坑的大小要满足施 工通道的基本要求 可以从隧道洞口面直接进行施工 也可以从其边上进行施 工 4 加固地层 反压法 进洞方法 洞口地层较差 地形不适宜进洞时 可以采用如下方法进洞 1 采用注浆加固地层 注浆方法可用地表垂直注浆或从坡面水平注浆 浆 液根据地层情况选择水泥浆 水泥一水玻璃双浆液 超细水泥浆或其他浆液 注浆时可以选用单孔注浆 旋喷注浆等 地层加固完成后 进洞施工 2 地形出现偏压或者覆土较浅时 可采用接长明洞保持洞口稳定 但明洞 开挖会引起边坡不稳定 此时可以采用填土反压 稳定坡脚 同时加大洞顶填 土厚度 采用明洞暗做的方法进洞 或者采用盖挖法施工明洞 然后进入正洞 施工 地表水处理措施 1 平整洞顶地表 排除地表积水 整理隧道周围流水沟渠 2 隧道洞口及明洞设置截水沟与排水沟 洞口边仰坡应采取防护措施 防 止地表水下渗 3 为防止洞外的水流入隧道内 应在洞口外设置反向排水沟或采取截流措 施 4 洞口施工应避开雨季和融雪期 地下水处理措施 隧道洞口地下水处理原则一般是以堵截为主 排引为辅 1 堵截 对整个富水段进行注浆止水 加固松散岩体 使得隧道洞口围岩 在原有的基础上整个综合指标得以改善 主要措施有深孔劈裂 挤压注浆 对 富水地段沿隧道开挖轮廓线以外进行环形注浆 形成止水帷幕 防止或减少地 下水进入开挖工作面 主要措施有浅孔注浆 管棚注浆 小导管注浆 中空锚 杆注浆 2 排引 排水辅助措施有导坑 钻孔等方法 目的是排水降压 1 1 4 施工及技术改进措施和注意事项施工及技术改进措施和注意事项 由于隧道洞口浅埋覆盖层很薄 隧道上方的岩土很难形成自承体系 而 且围岩早期压力大 变形快 如果对隧道变形控制不当 围岩会很快松弛 产 生张裂破坏 将导致直达地表面的塌陷 所以 洞口段开挖时应强调围岩变形 的控制而不应强调围岩变形的释放 必须采用强度较高和刚度较大的初期支护 限制土体变形 以免破坏土体结构 同时二次衬砌和仰拱紧跟 形成封闭结构 在隧道施工过程中 对于其进出口段的软弱围岩进行地表监控量测 并 对地质灾害以及预报预测 在进行洞口土石方工程时 不得采用深眼爆破或集中药包爆破 严格贯彻 早进晚出 的原则 坚持断面分割 化大为小 短进尺 弱 爆破 强支护 勤量测 早闭合 衬砌紧跟的施工原则 1 1 5风险发生后应急处理措施风险发生后应急处理措施 采用超前预支护治理 优点是安全可靠 实施过程中不易发生意外事故 缺点为造价高 需专用设备 治理时间长 1 对洞内塌体及时利用洞渣进行回填 形成反压平台 掌子面坍体采用超 前预支护将核心土注浆固结 在塌方段加密布置量测观测点 勤量测 2 对山体表面塌陷处首先清理松土 然后用碎石土分层回填夯实呈凸状 再用塑料布全断面覆盖 最后再在其上回填不少于80cm厚的种植土 施工时注 意对周边裂缝用粘土堵塞 表层喷射砼 对山体塌陷区域 利用小导管进行注 浆加固 表面铺10cm厚砂浆 塌陷部位周围边坡施工采用锚喷支护进行加固 对于洞内塌方 采用加强的超前预支护通过 例如 大管棚 超前双排小导管 等 3 对坍塌影响范围内地下水及地表水采取 防 排 堵 的治理方法 1 防 对冒顶陷穴口附近地面的降水及流水采用设简易排水沟的方式及 时进行排出 并对塌的洞体表面覆盖 防止地表水的大量进入 增大洞内的出 水量 2 排 采用挖集水坑 开挖排水沟 增加水泵台数等方法大力加强洞内 地下水的排水工作 减少正洞地下水 3 堵 采用土袋码设土围堰 堵塞流泥 同时采用注浆的方式充填裂隙 形成止水帷幕 减少或堵塞渗水 涌泥通道 坍体及洞顶挖除 以明洞处理 其优点是施工速度快 工艺简单 造 价低 缺点为挖除过程中容易再次发生坍方 坍坑清除并防护 优点是速度快 造价低 缺点为施工过程安全没有保 证 1 1 6 案例案例 永漳公路五尖岭隧道进口段坍塌冒顶治理措施永漳公路五尖岭隧道进口段坍塌冒顶治理措施 1 1 工程简介工程简介 永安至漳平国防战备公路全长117 5km 其中漳平境内56 7km 为山岭重 丘二级公路 分为A B C D E F G H等8个合同段 其中D合同段设计有 一条隧道 五尖岭隧道 该隧道长1 050m 单洞双车道 按新奥法设计 施 工 在隧道进洞口段内侧26m处 由于地质条件差 地下水位高等原因 洞口边 仰坡出现开裂 凸出滑移 为此 设计部门又增加了12m明洞 隧道总长1 062m 2 2 坍塌发生过程及稳定情况坍塌发生过程及稳定情况 五尖岭隧道进口洞门里程为K24 150 2002年6月28日下午4时许 当上半断 面于K27 180处开挖50cm 正在安装工字钢架时 掌子面开始坍塌 水与泥浆不 断涌出 围岩如泥石流般流动至K27 165 当晚11点40分 K27 181坍塌冒顶 坍塌漏斗深5 5m 纵 横向宽8 9m 周围4环裂缝 裂缝宽度达4cm 坍体封 堵掌子面后 坍塌停止 暂时趋于稳定 3 3 坍塌发生的原因坍塌发生的原因 1 地质条件差 为残积堆积亚粘土及呈粘土状强风化砂岩 裂隙发育 空 隙率大 透水性好 土质较松散 易坍塌流动 2 该处刚好处于地质断层 根据地质钻探报告 断层宽度约60m 地下水 大量集聚在断层中 围岩长期泡水软化 开挖进尺至该断面 地下水汹涌而出 把土石带动以至坍塌 4 4 坍塌冒顶处理方案 坍塌冒顶处理方案 1 洞内坍体加固处理及初期支护方案 洞内围岩呈粘土状且水量大 水位高 坍体为软泥 硬化困难 大管棚施 工没有工作平台 K27 171一K27 180段下半断面初期支护尚未施工 上半断面 初期支护已明显下沉 施工前应做好混凝土堵截墙及施工平台 先在已衬砌仰 拱端头垂直向下打入20a工字钢 间距0 7m 打入深度视地质情况决定 但不 小于1 5m 并用木板挡坍塌体 防止因施工造成岩体流动 堵截墙高4 0m 顶宽1 5m 底宽3 5m 外侧边坡率1 0 5 与隧道开挖等宽 打人qb89mm引 水管 间距1 5m 梅花型布置 喷射混凝土工作平台 厚70cm 下设20a工字 钢桩 问距1 0m 上半断面开挖掌子面 并用喷射混凝土封闭 厚度0 2m 工作平台上用大于200mm的原木支撑初期支护 横向4根 纵向间距0 5m 确保 施工安全 洞内采用大管棚注浆加固坍体 管棚采用由89热轧无缝钢管 壁厚5mm 每 节长4 6m 每根总长30m 纵向加固范围为K27 171 201 采用15cm长丝扣 695壁厚5mm 连接 大管棚环向间距0 40m 管棚四周钻qb8mm注浆孔 间距 20cm 钢管前端加工成尖状 尾部设箍 确保强度符合要求 注浆材料采用水 泥浆液 为缩短凝结时间 减少浆液的流失 在水泥浆液中掺人3 的水玻璃 水泥浆液水灰比为1 1 注浆压力 初压0 5 1 0MPa 终压2 0 3 0MPa 大管棚及注浆施工完成后 在管棚支护环的保护下开挖坍体 每开挖 50cm 安设一榀20号工字钢架 并分层喷射混凝土至设计厚度 纵向每开挖3 5m 施作径向小钢管注浆 取消原锚杆 并喷射混凝土至设 计厚度 35cm 挂钢筋网 小钢管间距0 5m 梅花形布置 小钢管长4 5m 采用外径42ram 壁厚3 5mm的热轧钢管 浆液采用纯水泥浆 水灰比l 1 注 浆压力 初压0 5 1 0MPa 纵向加固范围为K27 171 195 对于K27 171 180段拱部初期支护已完成并下沉较大地段 应在K27 180 190 5段进行径向小钢管注浆 待钢架 喷砼 工字钢卡Et梁等初期支护完成 后 反向施作管棚支护至 166里程 模筑里程 然后拆除原初期支护 喷射砼 钢筋网 钢架等 并按坍塌段方案施作初期支护及二次衬砌 上半断面设20a工字钢卡口梁 每榀设工字钢l根 上半断面初期支护拱脚 设4 22锁脚锚杆 每榀工字钢每侧4根 每根长3 5m 线路右侧水量较大 施工时打入15m长689钢管用于超前引水 降低地下水 位 防止围岩受水冲刷流动 2 衬砌方案 初期支护喷射混凝土厚度由29cm改为35cm 钢架由16号工字钢改为20号 间距50era 钢筋网间距 直径不变 锚杆改为径向小钢管注浆 小钢管间距 0 5m 梅花形布置 小钢管长4 5m 采用外径42mm 壁厚3 5mm的热轧钢管 注浆浆液采用纯水泥浆 水灰比1 1 注浆压力 初压0 5 1 0MPa 终压 2 0 3 0MPa 二次衬砌按 类围岩加强衬砌 其中主筋直径改为622 外层主筋内侧增加 20号工字钢骨架 间距0 75m 两层衬砌间仍按原设计要求铺设防水板 5 5 治理方案的修改及治理效果 治理方案的修改及治理效果 7月20日 施工单位开始实施大管棚治理施工 随后出现了以下几个问题 1 无专用机械设备 钢管无法顶 打 入 2 钢管向上角度太大 防护效果不理 想 3 速度太慢 无法在限定时间内完成治理任务 为此 我办 驻地监理工程 师办公室 召集业主技术负责人 施工单位主要技术人员 召开了实施方案修改 会议 提出修改后的具体方案 1 洞内处理 于洞内K27 168处打人4 100钢管桩并设拦板 把坍塌土固 定 不因洞顶坍坑回填而使洞内土流动 使坍坑能够填实 2 洞外地表坍坑处理 1 采用挖掘机分层夯实回填土至地表并用防水布遮 盖 以免雨水侵入 2 根据地形条件 在坍坑四周修筑两道地表截水沟 3 为 减轻坍方压力 便于排水 将原仰坡挖深7m左右 回填至明洞顶上 3 洞内坍体双排径向小钢管注浆加固 在坍方体开挖前 施作双排径向小 钢管注浆 小管采用长4 5m 外径42mm 壁厚3 5mm的热轧钢管 浆液采用水 泥 水玻璃双浆液 水玻璃含量为水泥重量的3 水灰比为1 1 注浆压力 初压0 5 1 0MPa 终压2 0 3 0MPa 小钢管分上下两排 排距为20cm 钢管呈梅花形布置 间距25cm 4 纵向每开挖3 5m 封闭掌子面 循环施作双排小钢管并注浆 5 初衬按 二类围岩加强 加固 6 二衬按原设计图执行 经会议讨论研究 一致同意上述修改方案 并决 定于7月25日开始实施 经过20个昼夜施工 至8月15日止 开挖进尺及初衬已 顺利通过坍塌体和地质断层 没有再发生坍塌事故 缩短治理工期40天 节省 造价200万元 修改后的方案之所以可行并顺利实施 原因有二 洞顶覆盖厚 度不大 经减载后采用双排小钢管支护 足以承受坍体荷载 坍塌发生后 断层内的地下水基本排干 浦南高速公路梗珵隧道洞口段坍塌处理理浦南高速公路梗珵隧道洞口段坍塌处理理 2 1 1 工程概况工程概况 浦南高速公路是连接浙江至福建闽北的公路主干线 全线总长249km 工程 沿线地貌属闽北低山丘陵地形区 地貌形态基本类型为低山丘陵地貌 冲洪积 沟谷 海拔最高458 0m 最低85 6m 地形起伏相对较大 沿线丘项浑圆 条 带状 斜坡坡度较缓 本地区属亚热带季风湿润气候区 具有大陆性气候特征 兼受海洋性气候影响 年平均气温17 4 19 3 年平均降雨量 1669 1906mm 5 6月为梅雨季节 雨量约占全年雨量的36 37 每月降 雨量达到350mm左右 该隧道洞口段施工受雨水影响较大 埂埕隧道为分离式隧 道 全长490m 通过地段山体最高为202 5m 植被发育 地质较为复杂 围岩 全部为V级 且洞口段的洞顶覆盖层为松散的残坡积层及岩石风化层 强度低 土夹石状 结构松散 侧壁稳定性差 易坍塌 掉块和冒项 进口段支护型式 为JZ5 1型复合支护 采用F1型超前大管棚施工辅助措施 管棚长 20m YK225 278 298为管棚区 采用热扎无缝钢管 直径108mm 壁厚6mm 环 向间距为50cm 注纯水灰比为0 5 1的水泥浆 注浆压力0 7 1 5MPa 2 2 现场围岩变形及塌方情况简述现场围岩变形及塌方情况简述 该隧道受现场地形及施工条件所限 由出口向进口掘进 于2007年9月19日 早晨完成上导坑贯通 出口方向二衬已施工至YK225 322 仰拱闭合至 YK225 3ll 上半断面拱架落脚至YK225 291 上导坑Y勉25 282 Y1Q25 288共 6m长范围拱架 挂网 锚喷等初支完成 但未能及时完成上半断面落脚施工 进口段K225 278 298大管棚在管棚区掘进前已施工完毕 2007年9月20日清展现场施工人员发现进口端视支与套拱产生分离开裂 紧 接着该段进口仰坡及YK225 280 291段发生塌方 经现场检查发现 拱顶大管 棚被塌体所切断 长4m左右 套拱拱项除有一条竖向裂缝 拱顶有向下变形外 无其它损坏 洞内部分拱架被压垮 YK225 291 295附近初支有多处裂缝 塌 方体土体结构松散 有明显圆弧形滑移面 在YK225 298处原地表有裂缝 3 3 事故原因分析事故原因分析 1 由塌方前发现进口端初支与套拱产生分离开裂 塌方后检查发现套拱拱 顶除有一条竖向裂缝 拱顶有向下变形外 无其它损坏 说明本次塌方与套拱 拱脚支承力不足无关 2 由于洞顶右侧为一道天然冲沟 洞顶覆盖层为松散的残坡积层 强度低 土夹石状 结构松散 地质声波反射 1881m s 侧壁稳定性差 整体性不 好 围岩自身处于不稳定状态 无自承能力是本次塌方的最主要原因 3 初支使用中25的中空锚杆对该类土质围岩的加固效果较差 由于现场采 用水钻进行中空锚杆及管棚造孔 钻凿出的泥浆对孔壁形成了泥浆护壁 0 5 1 0MPa的注浆压力无法冲破护壁 导致砂浆无法形成扩散加固土体 围 岩自身未形成拱形自承体系 未能体现新奥法施工理念 4 管棚内水泥浆饱满 密实 刚度提高 但抗变形能力不足 导致直接剪 切破坏 这与从发现初支与套拱分离到发生塌方短短不到50min 塌方发生很快 的情况相吻合 属于 脆断 5 上导坑YK225 282 YK225 288共6m长范围拱架 挂网 锚喷等初支完成 但未能及时完成上半断面落脚施工 导致初支抵抗变形的能力不足 未能与管 棚形成复合支承体系 由图纸可见 YK225 285处洞顶17 65m厚覆盖层所形成 土压力全部由管棚承受 导致管棚因承力太大而产生剪切破坏 4 4 处理方案处理方案 1 立即停止掌子面的所有施工作业 安排专人进行安全巡视及管理 2 加强隧道的监控量测工作 地表下沉 拱顶下沉及围岩收敛均要求按每 2小时测量一次 为处理方案的实施提供依据 3 在洞外坍塌体上覆盖防水布 洞顶及时采用人工开挖形式设置截水沟 对洞内塌方体喷15cm厚混凝土进行封闭 4 采取措施保住YK225 291 295初支有裂缝段落 以保证塌方范围不进一 步扩大 确定从YK225 291至管棚区末端YK225 298向外延伸5m 即YK225 303段 施打径向小导管并注浆 小导管采用垂50 x5mm L 5m的钢花管 梅花形布置 间距1m lm 纯水泥浆水灰比0 5 0 8 1 注浆压力0 8 1 5MPa 由两 侧边墙向拱部依次进行 并在YK225 292 YK225 295两处打设两排超前注浆小 导管 5 仰拱从YK225 31I进一步跟进 以越接近塌方区越好为原则 要求必须 到达管棚区末端YK225 298处 以尽快形成初支闭合环 并及时进行仰拱和回填 的施工 进一步增强初支的稳定 6 二次衬砌及时施作至YK225 298 并从YK225 313处开始衬砌混凝土强度 等级由C25提高到C30 其中YK225 291 301二衬钢筋由原设计的qb20mm调整为 中25mm 并在每两板二衬间设置一道沉降缝 以改善二衬的受力条件 7 待洞内二衬施作至YK225 296处 再由进口开始处理仰坡的坍塌体 仰 坡重新开挖防护 仰坡面的防护按原设计采用锚杆 挂网 喷混凝土 自上而下 逐级防护 8 YK225 291 280段暗洞改为明洞施工 二衬厚度由原75cm调整为80cm 混凝土强度等级由C25调整为C30 钢筋直径由原设计的qb20mm调整为西 25mm YK225 280往小里程方向仍按原设计施工 现场施工班组严格按上述处理方案对该段落进行了处理 共历时一个月左 右 未出现异常情况 基本满足设计及规范要求 1 2 山体开裂变形山体开裂变形 1 2 1 风险产生的原因风险产生的原因 不良地质及水文地质条件 1 隧道穿过断层及其破碎带 山体与隧道处于围岩挤压破碎带范围 破碎 带软弱 破碎 易充水 软化 解体 结构松散 缝隙大 节理裂隙发育 2 山体与隧道所处地段地下水丰富 隧道所处区域降水量大 地表水补给 量大 雨水通过地表渗入破碎的围岩裂隙缝里 造成山体发生较大的变形 3 洞口段存在着严重的浅埋偏压特征 施工对山体开裂的影响 1 隧道洞室开挖后空间效应造成的土体变形及土体收缩 导致山体地表开 裂 2 隧道开挖后围岩应力调整的影响 上覆土体自下而上产生松弛 并牵动 上部曾遭受浅滑层扰动的土体 导致了裂缝的产生 3 隧道施工爆破的震动 使挤压破碎带的松散岩体的缝隙和空隙不断震动 挤密 引起体积的调整 形成差异变形 地表出现裂缝 1 2 2 风险发生的后果风险发生的后果 隧道洞口段施工引起的山体开裂变形如果不加以治理 任其发展 恶化 将会造成隧道洞口段的坡体滑塌 洞口段山体发生整体滑移 隧道坍塌冒顶 隧道洞内变形等严重的工程事故 从而造成施工人员伤亡 施工停滞 影响施 工进度 造成工程费用的增加 同时 如果对山体开裂变形处置不当将会给隧 道留下病害隐患 时时威胁运营安全 1 2 3风险预防处理措施风险预防处理措施 围岩加固措施及辅助施工措施 根据隧道洞口段地质条件 施工方法 环境要求采取必要的预加固措施 如地表注浆或超前锚杆 超前小导管 短管棚 长管棚进洞等 1 大管棚超前的进洞方法 一般洞口段地质条件相对较差 常采用大管棚超前进洞的辅助措施 大管 棚施工时 一般先在洞口开挖轮廓外施作管棚导向混凝土墙或导向钢架 长 2 一 3m 并采用锚杆使其和洞口仰坡连成一体 导向结构为管棚施工起到导向和 支架作用 然后施工大管棚 大管棚常采用小 80 3O0mm 的钢管 长度 18 一 40m 大管棚施工完成后 在导向墙或导向钢架内立模 浇注混凝土套拱 将 导向墙或导向钢架与管棚尾端浇注成整体结构 形成 假洞 然后按照选定的 工法进行隧道的开挖 支护 2 接长明洞的进洞方法 洞口地质条件较差 边坡稳定困难时 常采用接长明洞的方法 明洞结构 对仰坡起到支挡作用 可保持仰坡的稳定 某公路隧道洞口接长明洞进洞工程 实例 3 小导坑反向扩大隧道的进洞方法 洞口采用大断面进洞困难时 可以采用小导坑先行进入隧道施工 在进入 长度大于 3 一 5 倍隧道洞径后 反向开挖隧道洞口段 小导坑的大小要满足施 工通道的基本要求 可以从隧道洞口面直接进行施工 也可以从其边上进行施 工 4 加固地层 反压法 进洞方法 洞口地层较差 地形不适宜进洞时 可以采用如下方法进洞 1 采用注浆加固地层 注浆方法可用地表垂直注浆或从坡面水平注浆 浆 液根据地层情况选择水泥浆 水泥一水玻璃双浆液 超细水泥浆或其他浆液 注浆时可以选用单孔注浆 旋喷注浆等 地层加固完成后 进洞施工 2 地形出现偏压或者覆土较浅时 可采用接长明洞保持洞口稳定 但明洞 开挖会引起边坡不稳定 此时可以采用填土反压 稳定坡脚 同时加大洞顶填 土厚度 采用明洞暗做的方法进洞 或者采用盖挖法施工明洞 然后进入正洞 施工 地表水及地下水处理措施 1 平整洞顶地表 排除地表积水 整理隧道周围流水沟渠 2 隧道洞口及明洞设置截水沟与排水沟 洞口边仰坡应采取防护措施 防 止地表水下渗 3 为防止洞外的水流入隧道内 应在洞口外设置反向排水沟或采取截流措 施 4 洞口施工应避开雨季和融雪期 5 采用导坑 钻孔等方法引排地下水 目的是排水降压 1 2 4 施工及技术改进措施和注意事项施工及技术改进措施和注意事项 隧道洞口浅埋段 应结合地质构造特征 节理裂隙发育情况 岩层破碎 程度及岩石矿物成分 雨水的补给条件 地下水发育性等因素综合判定 对于隧道洞口段地质构造复杂的软岩开挖 当雨水补给丰富时 应短开 挖 强支护并及时跟进衬砌 应坚持信息法施工 做好变形量测 建立地表变 形监测网 及时掌握洞室及山体变形规律 以便作出相应的处理措施 施工方法是确保施工安全和质量安全的关键 应切实严格遵循 管超前 严注浆 短进尺 少扰动 快支护 勤测量 的原则 1 2 5 风险发生后应急处理措施风险发生后应急处理措施 迅速撤出各线掌子面施工人员 暂停一切施工 在抢险过程中 要求设计 施工紧密配合 协调 及时处理施工中出现 的突发事件 安排专人加强对地表裂缝及洞身裂缝的观察 及时反馈裂缝变化信息 在裂缝周围挖一条截水沟 防止地表水流入裂缝中 在确认地面裂缝稳定后 为了防止雨水渗流对隧道造成更大的影响 及 时对地表裂缝进行夯填处理 裂缝收敛期处理 1 加强初衬 及固结周边围岩 2 拱角处增设双排锁脚注浆小导管 3 对已施做的二次衬砌采用注浆小导管加固措施 裂缝稳定期处理措施 1 加强隧道开挖预支护措施 2 加固二次衬砌模筑混凝土 3 加强隧道施工监控量测 1 2 6 案例案例 朱亭隧道山体开裂及洞内变形整治朱亭隧道山体开裂及洞内变形整治 3 3 1 1 工程概况 工程概况 朱亭隧道长889m 为京广线武昌至衡阳段电气化技术改造工程中的新建重 点工程之一 位于湖南省株洲县平山塘至朱亭区间 1999年3月底完成施工图设 计 同年3月18日开工 1999年10月底 朱亭隧道出口端中 上台阶掌子面施工至DK1 674 590处时 连降3天暴雨 在11月4日下午5时发现山体开裂 DK1 674 590 640段拱顶下 沉 里程DK1 674 615处下沉量累计 31d 达294mm 至11月8日DK1 674 620处下 沉量累计 35d 达349mm 出口端施工被迫停止 2 2 工程地质特征 工程地质特征 朱亭隧道濒临湘江东岸 紧挨既有线 既有线傍山以半填半挖通过 左侧 傍山 路堑边坡高达40m 右侧为湘江一级阶地 朱亭隧道地处剥蚀低山区 相 对高差约100m 自然山坡25 45 植被发育 DK1674 590 640段山坡平 顺 山顶较平缓 隧道埋深约48 m 隧道上覆第四系坡残积黏土层 褐黄色到棕黄色 半干硬 厚一般为0 9m 2 5m 基岩均为元古界板溪群拉揽组泥质板岩夹粉砂板岩 钙质板岩 中 薄层状 表层极严重风化呈棕红色碎石土状 风化层厚簿不均 为4m 10m 区 内岩层产状较为稳定 节理裂隙十分发育 节理裂隙中充填黑褐色氧化薄膜及 黑褐色铁锰物质 将岩体切割成碎裂状 朱亭隧道位于区域朱亭背斜的近核部 一走向北东向区域断层的近旁 褶 皱和压性 扭性破裂面十分发育 同时还拌有走向北西的张扭性结构面 隧道 范围内受6条构造带的影响 经过在施工过程中的调查 勘探 进一步确定 DK1674 590 740段位于北东向F1挤压破碎带中 3 3 变形情况与原因分析 变形情况与原因分析 隧道变形情况隧道变形情况 1999年10月底 朱亭隧道出口端中 上台阶掌子面施工至DK1 674 590处时 连降3天暴雨 在11月4日下午5时发现山体开裂 观测到的裂缝长度为70m 对 应隧道里程为DK1 674 610 680 裂缝距既有线左侧水平距离最大值为120m 距隧道中线50m 裂缝最大宽度15cm 洞内初期支护量测反馈信息显示 里程 DK1 674 620处收敛量累计 31d 达193mm 里程DK1 674 615处下沉量累计 31d 达294mm 根据施工单位精测队11月4日测量DK1 674 660里程处山体上导线点坐 标和6月30日测量值比较 发现该点向既有线方向发生位移150mm 下沉量 120mm 此时 二次衬砌已做到DK1 674 655处 已做二次衬砌地段没有出现衬 砌变形 但未做二次衬砌地段的洞内量测收敛值递增 超出规定的正常值范围 至11月8日DK1 674 620处拱顶下沉量累计达349mm 但山顶裂缝无明显变化 原因分析 1999年11月9日至10日 建设 施工 设计及监理单位四方在工地召开了现 场会议 对山体和隧道的稳定状况和整治措施进行了分析研究 形成了现场办 公会议纪要 此后我处又召开了地质 隧道专家的专题论证会 并进行了遥感 地质 地质钻探 设立变形观测网等几方面的工作 分析此次事故原因如下 事故地段山体和隧道位于挤压破碎带范围内 由于破碎带软弱 破碎 易充水 软化 解体 结构松散 缝隙大 隧道开挖时 对此种岩体扰动较大 形成洞 体较大变形 由于隧道施工爆破的震动 使挤压破碎带的松散岩体的缝隙和空 隙不断震动挤密 引起体积的调整 形成差异变形 地表出现裂缝 雨水的补给 渗入和地下水从隧道中的渗出 加剧了此种变形 完成挤压破碎带范围内的衬 砌后 洞内变形已停止 地面变形受到抑制 最终也将逐渐停止 4 4 地面整治方案 地面整治方案 a 建立完整的观测网络 在山上设置3个地表位移观测桩 间距10m 每天观测4次 既有京广铁路上 设置3个位移观测桩点 间距30m 每天观测4次 以保证既有线运营的安全 b 修建截水天沟 在裂缝以上5m外修建截水天沟 沟身采用10cm厚M15水泥砂浆抹平 使排水 畅通 c 裂缝封闭 对地表裂缝地段表层采用30cm厚粘土隔水层封闭 以防地下水下渗 封闭 后 要在封闭层上做观测标志发现封闭层沉降或开裂时应及时处理 5 5 洞内整治 洞内整治 由于此次洞内变形很大 DK1 674 620处下沉量累计达349mm 而且山体开 裂长度较长 施工地点又紧挨既有京广铁路大动脉 为了施工的安全和结构的 稳定以及既有线的运营安全 首先应在洞内对掌子面采取构件支撑 然后采取 加固周边围岩及调整施工方法的处理措施 施工采用 短开挖 少扰动 快封 闭 强支护 勤量测 早衬砌 的原则 a 注浆 该段往出口方向的DK1 674 640 720段已施作二次衬砌 为预防由于DK1 674 590 640段洞内初期支护变形对该段产生影响 对该段周边采用小导管径 向注浆加固措施 注浆小导管采用 42mm 壁厚3 5mm 长4m的热轧无缝钢管 注浆浆液采用水泥 水玻璃双液浆 水灰比为1 1 水泥浆与水玻璃比为1 0 5 水玻璃浓度为35Be b 构件支撑 对已施工初期支护段采用 18工字钢架加固 间距0 5m 加强纵向连接 并用C20混凝土喷至钢架的上缘 对中台阶和上台阶采用三层卡口梁支撑 卡口 梁之间采用斜撑和竖撑 卡口梁 斜撑和竖撑均采用 150mm普通焊接钢管 钢 管连接采用10mm钢板 c 设锁脚小导管 本段每0 5m在拱脚增设两排锁脚注浆小导管 每排两根 锁脚小导管构造 和注浆参数与注浆导管相同 通过对洞内变形地段采取锁脚锚杆 工字钢 扇 形支撑进行强支护措施后 洞内初期支护局部出现裂纹 部分地段收敛值出现 回弹现象 至12月初收敛趋于正常范围 d 隧道周边加固 已做初期支护地段的中台阶和上台阶周边径向采用吉迈R27N自进式注浆锚 杆加固 锚杆长6m 环向及纵向间距1m 梅花型布置 注浆浆液同小导管注浆 e 侵限部位处理 由于洞内变形引起隧道初期支护侵入限界 故在洞内变形趋于稳定 洞外 山体未发生位移的情况下 进行初期支护侵限部分的凿除处理 每次处理循环 进尺为0 6m 0 8m 首先拆除工字钢架及扇形支撑 对本段采用小导管注浆 超前支护 导管采用 42mm长4m的热轧无缝钢管 注浆浆液采用水泥浆液 水 灰比为1 1 环向间距30cm 搭接长度1 5m 在该段施工中拱墙初期支护采用I18工字钢架加强支护 其间距为0 5m 在该段下台阶的开挖过程中 在下部周边径向采用吉迈R27N自进式注浆锚杆加 强支护 锚杆长6m 环向及纵向间距1m 梅花型布置 注浆浆液与小导管注浆 相同 由于该段围岩软弱 在下台阶开挖后 应及时施作临时仰拱 封闭断面 减少变形 f 相邻段施工 在通过该段后 由于DK1 674 570 590段的围岩级别为 级 对该段的初 期支护中的喷混凝土厚度调整为30 cm 并加大其早期强度 径向系统锚杆的环 向间距改为0 8m 拱部二次衬砌改为钢筋混凝土 其余设计参数不作调整 仍 然按照原设计图纸施工 对洞内变形地段加强监控量测 每5m 10m设一个监测断面 主要量测项目 如下 地质和支护状况观察 周边位移 拱顶下沉 围岩压力及两层支护间压力 钢支撑内力及外力 施工时应及时整理量测资料 以使施工中的各种参数能根据量测资料进行 调整 按照以上处理办法 隧道施工进展顺利 安全通过该段 山体也无异常变 化 隧道于2000年3月18日贯通 1 3 洞口边仰坡失稳洞口边仰坡失稳 1 3 1 风险产生的原因风险产生的原因 隧道边仰坡破坏模式 对于岩质边坡和土质边坡的隧道边仰坡的诸多不同 破坏模式也是多种多 样 总体言之 在隧道工程中 边坡的破坏模式主要表现为以下几种 1 边仰 坡喷层剥落破坏 2 张拉破坏 3 剪切破坏 4 局部塌陷破坏 5 雨水冲 刷破坏 6 洞口初期支护失稳破坏 比较常见的是剪切挤压破坏和拉裂破坏 隧道边仰坡的破坏模式 可以分为以下几种 平面滑动破坏 楔形破坏 崩溃破坏 局部塌陷破坏和堆塌破坏 1 平面破坏模式 此类破坏是实际工程中发生最多的破坏 一般是由于边坡岩体结构面的存 在以及开挖等施工因素的影响 破坏了原有的平衡 使得岩体沿着软弱结构面 产生平面滑动破坏 最常见的破坏形式是张拉破坏和剪切破坏 如果隧道边坡坡脚较大 则下部岩块重心的合力将在其支撑面以外穿过 产生的旋转力矩会使岩块沿一基面脱离 产生张裂缝 随着裂缝的进一步发展 滑坡后部的岩体常常沿张裂缝脱离 此裂缝在压碎性滑坡上经常具有较大的深 度 边坡将形成张拉破坏 这种破坏在高边坡中比较常见 隧道洞口的剪切破坏也是常见的破坏形式之一 在隧道工程中 经常遇到 洞口偏压现象 随着隧道洞口的开挖 原有的平衡被破坏 使得偏压现象更加 严重 围岩受到由高到低的剪切作用 边坡围岩形成沿剪切带移动的趋势 这 种破坏主要发生在具有悬殊偏应力的偏压地段 而且当围岩中有软弱带时 软 弱夹层可能作为剪切滑移带 使边坡发生剪切破坏 2 楔形破坏模式 若隧道围岩的完整性较好 基本上由一些完整的岩块组成 但是存在一些 有限岩块的不连续面的结构 在隧道的开挖过程中 就有可能正好将支撑上部 的关键块挖除 造成上部整体岩块的塌落 导致岩体的楔形破坏 此类破坏主 要发生在洞口围岩较好的地段 发生破坏的规模一般不大 对隧道工程影响也 不是很大 3 崩溃破坏模式 此类破坏的发生是高地应力的影响 由于隧道的开挖 破坏了原有的地应 力场 由于关键岩块的去除 如果富含高地应力的岩块应力发生突然释放 则 边坡岩体将产生崩溃破坏 就像在岩洞中经常发生的岩爆 此类破坏主要发生 在围岩情况比较好的洞口段 特别是在严重偏压的连拱隧道洞口段容易发生 破坏力极大 对工程影响很大 由于一般隧道进出口段的岩体较为松散 所以 此类边仰坡破坏在实际工程中较少 4 局部塌陷模式 由于隧道的开挖 使得原有平衡被破坏 极有可能隧道的关键块被挖除 使得上部岩块缺少必要的支撑 再加上若围岩比较松散 粘聚力较小 不能形 成平衡拱达到平衡 一般首先发生局部的掉块 发生洞口段的局部塌陷破坏 直至冒顶 此类破坏一般危害性较大 局部掉块会对施工人员的生命安全造成 很大威胁 局部塌陷使山体地表发生较大下沉 裂缝破坏 此类破坏一般发生 在填埋 围岩风化较为严重的洞口段 5 堆塌破坏模式 这种破坏主要发生在节理发育或软质 破碎 风化的岩质隧道中 或在土 质隧道中 特别是在湿陷性土质隧道中比较常见 当隧道洞口附近地表层岩土 体软弱破碎 由于隧道开挖的坡度较陡 在坡顶或边坡的外缘会产生拉裂缝 并逐次向山侧发展而堆塌在坡脚 堆塌体多呈半锥体形 堆塌直至稳定的安息 脚为止 隧道边仰坡稳定影响因素 影响边仰坡稳定性的基本因素是多种多样的 对于一个具体的隧道边坡 首先要从隧道所处地质的结构状况 力学特性出发 再结合具体的工程因素和 自然因素等综合分析 寻求各因素的影响特点和耦合关系 1 地质结构的影响 对于处于岩质地区的隧道 洞口岩体中结构面的存在是影响岩质边坡稳定 性的重要因素之一 结构面的表面性质有 粗糙起伏程度 含泥质充填物程度 岩桥 锁固 段 所占的比例 表面硬度等 结构面部位往往是物理力学变动和物理化学作用 的强烈反应地带 结构面的存在降低了岩体的整体强度 增大了岩体的变形性 能 加强了流变力学特性和其它的时间效应 以及加深了岩体的不均匀性 各 向异性和非连续性等性质 而且不同级别的结构面对岩质边坡稳定性的影响和 作用不同 不稳定岩体往往是沿着一个适宜的结构面或多个结构面的组合边界 的剪切滑移 张拉破裂和错动变形等而造成岩体边坡的失稳 对于地处土质地区的隧道 黄土怕水 这是目前很多从事黄土研究的专家 学者们的共识 黄土边坡的破坏 无不与地表水的冲刷 侵蚀有关 大气降水 是影响黄土边坡的最主要因素 而黄土自身的凝聚力对边坡稳定的影响最大 结构密实 强度较高 抗风化能力强的老黄土构成的边坡比新黄土边坡稳定的 多 2 地应力的影响 地应力包括自重应力 地质构造应力 地震应力 温度应力以及有关物理 化学作用所引起的应力等 而这些应力在长期的地质历史年代里 随环境条件 的变化而变化 存在着一个相当复杂的初始地应力状态 由于隧道的开挖 工程活动形成的二次应力场的叠加 干扰和调整问题 破坏了边坡岩土体的相对平衡的应力状态 进而进一步加剧了岩体的物理力学 状态的复杂性 初始应力状态重新分布 不仅表现在应力释放方面 而且表现 在应力几种方面 这对于洞口处的边坡稳定是很不利的 3 其他因素的影响 1 大气降水及地下水的影响 在工程施工的过程中 由于隧道的开挖 可 能破坏原有的稳定控制界面 将原有的控制界面带间的水流秘鲁系统破坏 形 成渗流通道 使得界面上的粘性参数大幅降低 导致边坡的滑移破坏 大气降 水是地下水的一种补给源 地下水相对比较稳定 可以传递静水压力并能在自 重应力下移动 服从水力学定律 如果边坡上有粘土层 那么它是导致滑坡又 是隔水层 边坡的稳定性将非常差 因此 除边坡的地质构造外 边坡的文水 条件将是影响稳定性的重要因素 水 不仅对应力 而且对于岩土体的强度有很大的影响 因此 如果隧道 洞口的开挖位于地下水位以上 地下水对隧道的稳定性影响较小 反之如果位 于地下水位以下 则必须做好必要的防排水措施 减少地下水的影响 2 气候和天气变化的影响 气候是各种气象要素的综合表现 气候要素几 乎经常对边坡稳定性系统产生影响 如果将岩土体强度的季节变化 大气降雨 渗透部分地重量 雪载和风载 大气压力等纳入计算 则对之影响可做定量评 价 气候对边坡影响最重要的因素是湿润条件和温度条件 也即是水的影响 气候除了对边坡稳定性系数直接影响外 还通过其他因素产生间接的影响 譬如 气候决定了风化作用的类型和强度 植被特征 地下水和地表水的水量 和动态 并通过后者影响侵蚀和腐蚀作用的时间和强度 3 植被的影响 在天然边坡上 植被几乎是产生滑坡的环境中必然存在的 要素 在隧道的施工过程中 洞口部位原有植被的破坏 对于洞口边坡的稳定 性将会产生一定的影响 植被及其种植方法对边坡稳定性系数的影响是多方面的 而每一种因素的 影响可以做定量的分析评价 树木的重量以及由它传递的风载 由于植被根系 的加固作用使土壤表层强度的提高 或者当植被根系嵌入致密岩石时其强度的 降低 边坡湿度 含水状况及温度状况对边坡稳定性的种种影响等 总体来看 草皮对边坡稳定性的影响总是有利的 木本植物的影响则是有利有弊 而且植 被对边坡稳定性系数的影响不仅有直接的作用 而且还有间接的作用 它影响 侵蚀强度 风化特点等 4 时间的影响 由于隧道洞口的开挖 洞口原有的围岩产生应力重分布 随着时间的增长 洞口边坡的应力应变将产生和时间有关的流变 其中对隧道 仰坡稳定性影响较大的是岩体的蠕变 土的蠕变不仅与应力大小有关 还与温 度有关 因此在实际工程中应该考虑这一因素 1 3 2 风险发生的后果风险发生的后果 隧道洞口安全关系到隧道能否顺利进洞并进行安全施工 是隧道施工中的 重中之重 隧道洞口边仰坡失稳容易造成滑坡 导致施工停滞 延误工期洞口 防护工程治理费用增大 边仰坡植被遭破坏 如治理措施不彻底 容易留下质 量隐患 危及洞口运营安全 1 3 3 风险预防处理措施风险预防处理措施 边仰坡的设计与支护方案的拟订要综合考虑可能影响边坡稳定的所有方面 因素 但这些因素需有主次之分 边仰坡的设计和支护方案要根据所面临的 特殊地质和施工条件 取主弃次 做到既经济又安全 隧道洞口边仰坡的防治 措施分析 总结如下图示 隧道边仰坡预防措施 钢筋混凝土支挡结构优化边坡体型改变土体性质排水工程减载和压坡锚固技术 抗滑桩加筋土 微群效应格构结构 复合挡土结构预应力锚索 抗滑挡墙 坡面防水措施 排水沟渠 内部排水地面排水 土墙钉 普通砂浆锚杆 锚索桩 1 3 4 施工及技术改进措施注意事项施工及技术改进措施注意事项 隧道洞口段的施工应最大限度地减少对山体的扰动 对山体的开挖 加 固方案必须充分考虑工程地质 自然 施工环境等因素 经过充分论证后实施 严禁大挖大刷 在松散破碎体地段进行隧道施工 水的危害是难以估量的 在施工前 一定要做好开挖线以外及施工段的排水系统 使排水通畅无阻 对浅埋 严重偏压的隧道施工 洞口段山体的加固一定要充分 及时 隧道施工严格按 先加固 后开挖 弱爆破 强支护 早封闭 快衬砌 的 原则进行 认真做好监控量测 根据量测信息及时调整支护参数和施工工序 1 3 5 边坡各沉降阶段出现破坏的不同处理措施边坡各沉降阶段出现破坏的不同处理措施