宜万铁路金子山高风险隧道施工安全保障技术

1、宜万铁路金子山高风险隧道施工安全保障技术作者：綦彦波来源：科技创新导报2011年第17期摘 要:隧道施工安全管理是搞好铁路建设施工安全工作的关键,金子山隧道作为宜万铁路级高风险隧道,为规避施工中的高风险,保证安全施工,施工中设立了安全质量部作为安全专职管理部门,配备专职安全检查工程师,对现场施工安全进行全面管理,同时制定一系列安全管理制度和办法,形成完善的安全保证和监控体系。在具体操作中主要有不良地质地段施工控制以及值班通讯、抽排水、超前地质预测预报、围岩监控量测、电视监控、警报、应急照明、逃生等八大系统。考虑到金子山隧道水文地质情况极其复杂,施工中不可预见的因素多,同时以上建立的各项安全技术

2、措施和手段是互相联系,相辅相成,因此,在建立以上保障体系基础上加强了风险处理制度,通过定期的演练,不断增强施工人员的安全意识和技术素质,提高综合安全管理水平,全面强化了施工过程的安全控制,达到规避施工高风险,安全施工的目的。金子山隧道的成功表明,在建立合理的施工安全保障技术基础上进行定期的演习是确保高风险隧道施工的必然选择,宜万铁路风险隧道的成功实践对我国隧道的信息化施工技术具有积极的推进作用。 关键词:隧道工程高风险岩溶施工安全保障技术 中图分类号:U2 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)06(b)-0097-03 1 引言 金子山隧道全长6835m,为单线隧道,是宜万

3、铁路八大级高风险隧道之一。隧道最大海拔高度为1768.0m,相对高差约785m;隧道埋置深度最大约为420m,最浅约为119m。隧道地处中低山区,位于金子山复向斜及两翼,自然坡度为2540度,斜坡区大部分基岩裸露。向斜两翼及中部节理裂隙很发育,岩层破碎;且为储水构造,核部富水。线路通过F1、F2两条断层。其中F1断层为压性,破碎带宽约1m,呈糜棱状,裂面粗糙。F2断层为张性,断层产状为5075,带宽约为2025m,破碎带由胶结较松散的构造角砾岩组成,角砾成分主要为灰岩和泥灰岩,角砾胶结差,富水,且导水性好。金子山隧道位于构造剥蚀侵蚀中低山区,河谷深切,地势险峻。又因其处在新华夏系构造带及其复合

4、部位,不良地质普遍,岩溶广布而复杂,主要工程地质问题有:岩溶、岩溶水、断层破碎带、软岩等。隧道穿越岩溶地层、断层破碎带及深埋软岩塑性变形地段,加上埋置深度大,地下水丰富,在施工过程中安全风险非常高,极易出现安全事故。 为了规避施工中的高风险,保证安全施工,项目部设立了安全质量部作为安全专职管理部门,配备专职安全检查工程师,对现场施工安全进行全面管理,同时制定一系列安全管理制度和办法,形成完善的安全保证和监控体系。在具体操作中主要有不良地质地段施工控制以及值班通讯、抽排水、超前地质预测预报、围岩监控量测、电视监控、警报、应急照明、逃生八大系统。 2 金子山隧道不良地质地段的施工 21 穿越断层破

5、碎带的施工 施工通过断层破碎带及其影响范围前,对断层及物探低阻地层段采取超前钻孔、地质雷达探测、TSP超前地质预报技术等预报手段,准确判断出断层的具体位置。技术措施主要是加强超前帷幕注浆(或结合超前管棚),短开挖,强支护,快衬砌。通过注浆加固后,如果涌水量仍较大,应考虑补注浆。当实测水压大于设计水压时,考虑二衬采用加强型复合式衬砌。 22 软岩软塑性变形地段的施工 加强对隧道可能发生高地应力地段的地应力测试,绘制相关曲线,对岩体的岩性特征,岩石的物理力学性质、地应力特征等进行综合分析,根据分析结果,预测软岩产生软塑性大变形的可能性及变形等级,制定相应的处理方案。施工时深孔爆破改为浅孔爆破,减少

6、最大一段装药量,尽可能减轻爆破对围岩的扰动。同时加强对围岩的监控量测,留足预留变形量。对此地段的初期支护采取加强措施:一是可将格栅钢架改成型钢钢架;二是将中空锚杆长度加长;三是将喷射砼改成喷射钢纤维砼。本着“短开挖、强支护、早成环、快衬砌”的原则,一是初期支护要及早成环,二是必要时衬砌要紧跟。 2.3 穿越既有岩溶易坍方地段的施工 2.3.1 隧道围岩坍方前兆 水文地质条件的变化,如干燥的围岩突然出水、地下水突然增多、水质由清变浊(地下水将断层泥带走)等都是即将发生坍方的前兆。 围岩节理面裂缝逐步扩大,支护变形(拱架接头挤偏或压劈、喷射混凝土出现大量明显裂纹或剥落等)、敲击发声清脆有力、甚至发

7、出声响。拱顶不断掉下小石块,甚至较大的石块也相继掉落,预示着围岩即将发生坍方。 围岩量测所反映的围岩变形速度急剧加快,围岩面不断掉块剥落,初期支护喷射混凝土表面龟裂、裂缝或脱皮掉块,钢架严重变形。围岩或初期支护拱脚附近的水平收敛率大于0.2mm/d,拱顶下沉量大于0.1mm/d并继续增大时,说明围岩仍在发生变形,处于不稳定的状态,可能出现失稳坍方。 2.3.2 隧道坍方预防措施 做好超前地质预测预报工作,认真观察和分析开挖工作面的岩性变化,遇有探孔突水、涌泥、渗水量增大和整体性变差等现象,及时改变施工方法。 严格控制爆破装药量,尽量减小对软弱破碎围岩的扰动;加强围岩量测,通过对量测数据分析处理

8、,按照时间位移曲线规律,调整和加强初期支护,及时施作混凝土衬砌。 保证施工质量,超前地质预测预报,注浆固结止水,钢架制作、初期支护和混凝土衬砌质量必须符合设计文件、施工技术规范和质量验收标准要求。严格控制开挖工序,尤其是一次开挖进尺的大小,杜绝各种违章施工。 施工期间,洞口应常备一定数量的坍方抢险材料,如圆木、型钢钢架等,以备急用。 2.4岩溶发育地段 金子山隧道地质条件复杂,岩溶随时都会遇到,施工中要加强超前地质预测预报工作,及时查明溶洞的分布范围和类型、岩层的完整性和稳定程度、填充物及地下水情况,据此确定施工方法。对有可能突然发生大量涌水、流石流泥、崩坍落石的地段,事先制定防范措施,确保施

9、工安全。如岩石比较完整、稳定,溶洞已经停止发育,有比较坚实的填充,且地下水量小,可采用探孔或物探等方法,探明地质情况,采用帷幕注浆的方法固结溶洞,以利开挖。如溶洞尚在发育或穿越暗河水囊等岩溶区时,必须探明地下水量、水流方向等,先解决施工中的排水问题,采用上半断面超前开挖探明前方情况,当出现大量涌水、流石流泥、崩坍落石等情况时,上半断面可作为泄水通道。 3 金子山隧道施工期的安全管理技术 3.1 值班通讯系统 在金子山隧道各洞口均设置值班室,由专职安全员二十四小时值班,对进洞人员进行详细登记,包括姓名、工种(职务)、进出洞时间等。洞口值班室设电话座机,洞内每隔300m设置电话机一部,与洞口电话机

10、形成局域通讯网络,洞内各作业点均设一名值班员,兼职安全员,对各作业工序之间进行协调,使施工组织科学、合理、有序,遇有特殊或紧急情况,及时与洞口值班室人员进行沟通,上报队管理人员及时处理。 3.2 抽、排水系统 金子山隧道设计有1800m长的富水区,设计最大涌水量近5万方/天,存在极大的安全隐患。二号斜井为反坡排水,一旦发生涌水,正洞将形成一个大水塘,如果涌水时洞内作业人员较多,后果不堪设想。为此,必须完善抽排水系统。一是采用大直径钢管(D200)接至掌子面,配以大功率、大扬程水泵,作为发生大量涌水时的抽排水设备;同时辅以小直径钢管(D40)做临时排水用,开挖钻孔用的风管紧急时亦可作排水用。二是

11、在施工方案上考虑,尽快在进入富水区前使二号斜井与进口之间的正洞全断面贯通,提供泄水通道。 3.3 超前地质预报系统 3.3.1 超前地质预报分类 根据隧道施工地质情况,超前地质预报分为两类,地质分级为C级地段进行一般性常规预报,必要时增加物探或钻探;由于B级仅有一段821m,将该段与施工地质A级列为重点预报范围。 金子山隧道施工地质预报分级见表1所示。其中,DK265+700DK267+780段、DK269+620DK271+714(出口)段施工地质分级为C级,基本为碎屑岩,岩层产状平缓,岩质软弱,遇水易软化、崩解,与T2b2灰岩接触带岩溶及岩溶水较发育,施工时可能坍方,施工时注意拱顶坍方掉块

12、和洞口段冒顶现象的发生。DK264+879(进口)DK265+700段隧道施工地质分级为B级,本段隧道埋层较浅,雨季施工时局部可能产生小规模涌水、突泥,F1断层带附近施工易涌突水及坍方。DK267+780DK269+720段隧道地质分级为A级,该段位于金子山向斜核部附近,为富水地段;核部附近岩层产状较平缓,节理裂隙发育,F2断层为张性断层,导水性好,可能将地表水和地下水沿断裂破碎带及裂隙渗入,导致隧道出现大量的涌水、涌泥,并可能引起溪水断流及井泉干枯等环境灾害;F2断层带附近施工易涌突水及坍方;DK267+800+880段T2b1与T2b2灰岩接触带可溶岩与非可溶岩交界地段岩溶发育,易产生突水

13、涌泥;全段隧道埋藏于地下水位以下的承压水位带内。DK267+880DK269+620段为碳酸岩地层,在仰拱形成前,基底及周边需用地质雷达进行岩溶探测,有异常时用适量的机动钻孔进行验证,工后对基底进行岩溶复查,对周边岩溶进行抽查。 在宜万铁路金子山隧道施工中,引进了TSP203PLUS隧道地质超前预报系统、地质雷达、红外探水仪等仪器进行多途径超前地质预报。表2列出了金子山隧道施工期超前地质预报所用仪器,在施工中,针对当前物理探测结果存在多解性的弱点,在施工中形成了以中、长超前物探和超前水平地质钻探验证为主,辅以短距离地质素描超前分析和超长炮孔加密确认及红外探水的“多阶段、多层次、多方法”的“综合

14、立体式超前预测预报技术”。 3.3.2 金子山隧道主要预测预报方法 1)地质素描。调查掌子面围岩的岩性、岩层产状、岩体结构、岩体节理等实际状况及地质构造的变化特征,形成掌子面地质素描报告,据以及时调整钻爆参数。素描原始记录、图、表当天整理;施工一定距离后,隧道地质素描图分段完善、总结,并作出相应的隧道纵断面图、表;及时整理标本;填写施工阶段围岩类别断定卡,与设计地质情况对比确定围岩级别的符合性,提出设计围岩分级修正建议。 2)TSP203法。TSP和其它地震反射波方法一样,采用了回声测量原理,地震波在岩石中以球面波形式传播,当遇到断层、岩石破碎带和岩性变化等情况时,反射回部分地震波信号,据此可

15、分析掌子面前方一定范围内围岩的变化情况。 3)超前水平钻孔法。超前水平钻孔是以地质素描和TSP203物探手段提供的资料为基础,根据设计文件的地质描述和掌子面的地质状况,C级地段在物探异常处增加1孔超前水平钻,距离30m;B级地段在异常处、富水断层和岩溶发育层面,增加超前水平钻13孔,距离30m;A级地段超前水平钻1孔贯通,距离30m,遇异常不少于3孔,距离30m;每两次循环的超前水平钻探搭接长度不小于5m,对断层、溶洞充填物干钻取样,不同岩层代表性取样。钻进过程中,随钻孔观察施钻参数变化和孔内出水情况,及时准确记录,如有异常情况,及时分析研究,提出施工对策。 4)地质雷达法。地质雷达是基于地下

16、介质的电性差异,向地下发射高频电磁波,并接收地下介质反射的电磁波进行处理、分析、解释的一项工程物探技术。其工作过程是由发射天线送入地下一高频电磁脉冲波,当其在地下传播过程中遇到不同目标体(岩土体、空洞等)的电性介面时,有部分电磁能量被反射回来,被接收天线所接收,并由主机记录,得到从发射经地下界面反射回到接收天线的双程走时t。地质雷达方法是由已知条件推断未知情况的方法,当地下介质的波速已知时,可根据测到的精确t值求得目标体的位置和埋深。 5)HY-303型防爆红外探测仪探水.防爆红外探测仪在隧道施工中主要用于超前防水预测预报,了解掘进前方一定范围内是否存在隐伏水体、是否存在含水断层和溶洞、含水破

17、碎带;探测隧道上方是否存在含水层或含水破碎带,避免隧道掘进一定距离后出现透水或透泥;向隧道下方探测,了解底板下方是否存在含水岩溶构造、承压水是否以潜在形式向上运移,预防滞后突水突泥;向隧道两壁外侧探测,了解两壁外侧是否存在隐伏水体、是否存在与隧道走向成小角度斜交的含水断层。根据掌子面的渗水、涌水情况和设计文件对地下水的地质描述,在临近富水地段时,采用HY303型红外线探测仪超前探水,确定掌子面前方地层富水程度,进而修正止水方案以指导施工,确保施工顺利通过富水地段。 6)超前炮眼。隧道掘进作业钻爆设计设35个超长炮眼,作为上述超前预报的补充,从而加密超前物探或超前水平钻孔的频度和探测范围,超长炮

18、眼距离510m,根据钻进的难易及炮眼内出水情况分析掌子面前方的水文地质情况。 7)围岩监控量测系统 围岩监控量测是新奥法复合衬砌设计、施工的核心技术之一,通过在隧道施工过程中对围岩和支护系统的稳定状态进行监测,为初期支护和模筑混凝土衬砌的参数调整提供依据,把通过对量测的数据进行整理和分析得到的信息及时反馈到设计和施工中,进一步优化设计和施工方案,以达到安全、经济、快速的目的。围岩量测是施工管理中的一个重要环节,同时也是施工安全的基本保障。通过现场监控量测可以了解围岩、支护变形情况,以便及时调整和修正支护参数,保证围岩稳定和施工安全;提供判断围岩和支护系统基本稳定的依据,确定衬砌砼施作时间;依据

19、量测资料采取相应措施,在保证施工安全的前提下加快施工进度;积累量测数据资料,提高施工技术水平。 3.4 电视监控系统 在隧道各洞口设电视监控室,分别配置一台9屏有线电视监控器,先期使用4屏,根据工程进展增加屏数。在隧道内的主要作业工点(掌子面、衬砌台车附近、主要横通道入口、斜井与正洞交汇处等)合适位置安装摄像头,由监控值班员二十四小时观察各监控区的施工情况,发现异常及时上报处理,避免发生安全事故。 3.5 警报系统 在隧道内的主要作业点(掌子面、衬砌台车附近、主要横通道入口、斜井与正洞交汇处等)适当位置安装警报器,洞内值班员加强检查和巡视,各工班负责人提高施工安全的警觉性,一旦发生紧急情况,立

20、即拉响警报器,通知洞内所有施工作业人员迅速撤离。 3.6 应急照明系统 一旦发生涌水或其他紧急事故,洞内的普通照明系统很可能损坏,起不到照明作用。在黑暗中人的方向感极差,势必给洞内施工人员的避险和逃生产生非常不利的影响。为解决此项问题,一是准备专门的发电机,作为备用电源;更有效的办法是在隧道内的侧墙上每隔一定距离(20m或30m)安装应急灯,此应急灯采用电池供电,可持续供电1小时,能保证距洞口最远处的掌子面施工人员有足够的时间安全撤出。 3.7 逃生系统 金子山隧道最大的安全隐患就是涌水,由于富水区设计涌水量非常大,为保证发生涌水时隧道内的作业人员能够及时安全撤出,必须准备逃生设备和工具。根据在洞内各工点的施工作业人数购置救生衣和救生圈,并考虑一定富余量,分别放置在掌子面、衬砌台车、主要横通道入口等主要作业工点附近,放置位置要便于人们拿取。涌水一般均具有不可预见性和突然性,在遇险时人的第一反应一般是逃生,可能想不到或来不及穿取救生工具,为此,采用大直径钢筋(28)或普通钢管(D40)焊制逃生爬梯,置于掌子面附近。同时开挖用的钻爆台车、铺设防水板的简易台车以及衬砌台车均可作为涌水时的临时逃生避险梯架。 在日常施工中,未发生安全事故时,人们常会产生麻痹大意思想,为了增强大家的安全意识和警觉性,同时也为了提高施工作业人员应对突