隧道及地下工程的灾害事故及其防治技术概述

隧道及地下工程的灾害、事故及其防治技术

张子新教授、博导同济大学地下建筑与工程系，上海，200092

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1介绍提纲一、隧道的灾害防护、保养与养护二、隧道及地下工程事故分析2一、隧道的灾害防护、保养与养护3我国各类隧道均存在不同程度的病害。以隧道铁路为例：根据1997年技术状态检查统计，我国运营铁路有隧道5000余座。大部分存在不同程度的病害，有的还相当严重，其中发生失稳现象隧道3270座，占运营总数的65%

现状4隧道主要病害包括：隧道水害、衬砌裂损、隧道冻害、震害、洞内空气污染和火灾5隧道水害与隧道防水6隧道水害的种类及其危害隧道渗漏水隧道渗漏，按发生的部位分为：拱部有渗水、滴水、漏水成线和成股射流四种，边墙有渗水、淌水两种，少数有涌水灾害。危害：隧道渗水对隧道稳定、洞内设施、行车安全、地面建筑和隧道周围水环境产生诸多不利影响甚至威胁。衬砌周围积水危害:水压过大时导致衬砌破裂软化围岩，从而加大衬砌压力，导致衬砌破裂膨胀性围岩体积膨胀，导致衬砌破裂寒冷地区引发冻胀病害7潜流冲刷概念：由于地下水渗流和流动而产生的冲刷和溶蚀作用。危害：衬砌基础下沉，边墙开裂或仰拱、整体道床下沉开裂围岩滑移错动导致衬砌变形开裂超挖回填不实或未全部回填着，引起围岩坍塌，导致衬砌破坏。89边墙溶洞出水10涌水11水害的成因因可以归结为为客观和主主观两方面面原因：隧道穿越含含水的不良良地层隧道衬砌防防水及排水水设施不完完善12防水设计应应考虑地表表水、地下下水、毛细细管水等的的作用，以以及由于人人为因素引引起的附近近水文地质质改变的影影响防水水原原则则：：防防、、排排、、截截、、堵堵相相结结合合，，刚刚柔柔并并济济，，因地地制制宜宜，，综综合合治治理理。。隧道道防防水水结结构构多多采采用用塑塑料料板板防防水水层层和和防防水水混混凝凝土土。。同同时时要要重重视视混混凝凝土土的的““裂裂缝缝””处处理理。。对于于承承受受高高压压水水的的隧隧道道防防水水或或防防水水要要求求高高的的地地下下工工程程要要考考虑虑多多层层防防线线，，层层层层设设防防。。隧道道的的防防水水设设计计13细部部构构造造防防水水隧道道与与地地下下结结构构的的施施工工缝缝、、变变形形缝缝、、后后浇浇带带、、穿穿墙墙管管、、埋埋设设件件、、孔孔口口等等处处是是整整个个工工程程防防水水的的薄薄弱弱环环节节，，对对于于细细部部构构造造的的设设计计与与施施工工要要认认真真对对待待。。14施工工缝缝防防水水15变形形缝缝的的防防水水1617隧道道排排水水隧道道排排水水洞内内排排水水洞外外排排水水竖向向盲盲沟沟环向向盲盲沟沟纵向向盲盲管管排水水沟沟截水水沟沟排水水沟沟洞门门仰仰坡坡防防护护1819盾构隧道道防水主主要是解解决管片片本身的的防水和和管片接接缝的防防水衬砌管片片的防水水方法：：管片结结构的自自防水;管片的的制作精精良管片的防防水措施施：密封封垫防水水、嵌缝缝防水、、螺栓孔孔防水、、二次衬衬砌盾构隧道道防水2021管片接头头常出现现的几个个问题和和解决办办法接头区混混凝土剥剥落小型管道道密封件件22拐弯区混混凝土裂裂开能增大柔柔性的几几何尺寸寸23十字接头头泄漏接口自动动闭合（（能在压压力下自自动挤出出粘性物物质）24密封松动动倒钩设计计25嵌入封顶顶块滑动材料料表面26衬砌类型型和防水水：衬砌砌由防水水混凝土土，钢板板或钢板板与混凝凝土复合合材料制制作，在在侵蚀性性介质中中采用耐耐侵蚀材材料或做做内衬保保护层管筒的接接口是关关键，形形式有刚刚性接口口、刚柔柔结合接接口和柔柔性接口口顶管隧道道防水27不同形式式的顶管管接头形形式刚性接口口刚柔结合合接口28柔性接头头29沉管隧道道防水分分为管段段自身防防水、管管段外防防水和管管段接头头防水特点：1）采用用水密型型的防水水技术；；2）采采用柔性性接头，，常采用用的是性性能优越越的GINA和和OMEGA型型橡胶止止水带所所形成的的柔性接接头形式式；3））三种防防水形式式的综合合应用形形成严密密的防水水体系沉管隧道道防水30GINA断面止止水设计计31基本方法法：适当疏通通注浆堵水水增设内防防水层水害整治治技术关关键：分析病害害成因，，对症整整治合理选择择防水材材料严格施工工工艺运营隧道道的水害害治理32隧道衬砌砌裂损及及其防治治33衬砌裂损损的常见见病害衬砌变形形、开裂裂、渗漏漏水端墙、侧侧墙、翼翼墙位移移、开裂裂路面拱起起、沉陷陷、错台台、开裂裂34衬砌开裂裂35对不良地地质地段段衬砌，，应贯彻彻“宁强强勿弱，，宁曲勿勿直，加加强衬砌砌过渡段段，宁长长勿短””的原则则尽量减少少对围岩岩的的扰扰动，提提高衬砌砌质量。。大力推推广光面面爆破，，锚喷支支护，提提高混凝凝土永久久性衬砌砌的抗裂裂、抗渗渗性能。。预防措施施36衬砌变形、、开裂的治治理措施若衬砌背面面存在空隙隙，可在衬衬背压注水水泥砂浆由于衬砌厚厚度不足,年久变质质，或裂缝缝区域过大大，影响到衬砌砌强度，可可在衬砌面面喷射混凝凝土衬砌裂缝稳稳定时处理理可采用压注注环氧水泥泥砂浆或水水泥砂浆的的方法加固固对于衬砌表表面腐蚀、、剥落及灰灰缝脱落可可先清除表表面然后加加喷一层混混凝土整治措施37路面拱起、、沉陷、错错台、开裂裂处理诱因采取措施围岩侧压力力过大，导导致两边侧侧墙内移而而引起的路路面拱起在路面下加加设水平支支撑路面局部沉沉陷、错台台、严重碎碎裂挖出破损的的路面以及及其下部的的基层，重重铺路面治理渗漏水水，并将水水引入两侧侧边沟38无损检测3940对洞口的检检查与养护护须引起注意意的方面：：挡墙、边坡坡的稳定性性洞口的排水水、防水系系统危石41泥石流堵塞塞洞口4243隧道冻害44常见的冻害害种类：拱部挂冰、、边墙结冰冰；围岩冻胀破破坏，引起起衬砌变形形破坏；衬砌发生冰冰楔隧道内网线线挂冰危害性：隧道冻害会会导致衬砌砌冻胀开裂裂，甚至疏疏松剥落，，造成隧道道衬砌结构构的失稳破破坏，降低低衬砌结构构的安全可可靠性，严严重影响运运输的安全全和正常运运行。概念：冻结圈、融融化圈45严寒及寒冷冷地区隧道道冻害的防防治，其基基本措施是是：综合治水更换或改造造土壤保温防冻加强结构，，如加设仰仰拱衬砌，，采用防水水钢筋混凝凝土衬砌，，锚喷混凝凝土加固，，加抗冻胀胀锚杆等。。通过加深边边墙，加强强底部排水水等方法防防止融坍冻害的防治治46衬砌腐蚀47隧道衬砌腐腐蚀分为物物理腐蚀和和化学腐蚀蚀。物理腐蚀冻融交替部部位的冻胀胀性裂损干湿交替部部位的盐类类结晶性胀胀裂损坏化学腐蚀：：硫酸盐侵蚀蚀、镁盐侵侵蚀、软水水溶出性侵侵蚀和一般般酸类腐蚀蚀隧道腐蚀的的分类和影影响因素48提高衬砌的的密实度和和整体性外掺加料法法：比如掺掺加粉煤灰灰可以去除除游离的Ca(OH)2。选用耐侵蚀蚀水泥加强衬砌外外排水措施施在衬砌表面面做隔离防防水层采用与侵蚀蚀性环境水水不起化学学反应的天天然石料筑筑衬砌向衬砌背后后压注防蚀蚀浆液等防治措施49隧道的震害害与抗震50特点：地下结构在在地震作用用下，由于于周围岩土土介质的存存在，会发发生不同于于地面结构构的响应隧道容易发发生震害的的地段与部部位隧道洞口特殊地层条条件衬砌有缺陷陷的地段和和部位对隧道震害害的认识51隧道震害与与支护的关关系：当围岩不稳稳定时，衬衬砌只要能能与围岩保保持大致一一致的变形形，既不致致产生严重重的震害支护与围岩岩密贴对隧隧道震害十十分重要。。推广新奥奥法施工、、采用喷锚锚衬砌及复复合衬砌，，衬砌背后后压浆等措措施。为保证机构构具有适应应地层变形形的能力，，应适当减减少结构的的刚度曲墙式衬砌砌优于直墙墙式，封闭闭衬砌优于于未封闭式式单线隧道的的裂缝出现现在仰拱、、拱顶内侧侧以及仰拱拱拱趾的外外侧52隧道抗震加加固与震害害整治问题加固方法有滑坡危险险的不安全全斜坡新设抵抗偏偏压的加厚厚边墙混凝凝土、拱架架保护工程程，，内衬砌，，锚杆加固固工程表面有岩石石滑下危害害的洞口延长隧道，，重新衬砌砌，进行防防护有泥石流危险险的洞口治理山坡，筑筑防沙堤有山体崩毁、、流沙历史，，以及随喷水水有泥砂流出出的的区间山体注浆及排排水衬砌背后有空空洞回填注浆53地铁震害与抗抗震1995年日日本阪神地震震表明，强烈烈地震时，地地下结构震害害严重；同时时地下铁道延延伸范围广，，其间场地土土的特性复杂杂多变，土层层的液化、震震陷等现象亦亦会对地铁造造成间接影响响。因此，对对地铁抗震性性能的研究应应该引起重视视。54对95年阪神神地震资料总总结发现，地地震破坏主要要特点：不对称结构发发生的破坏比比对称结构严严重上层结构比下下层破坏严重重。破坏主要发生生在中柱上地下结构上部部土层越厚，，破坏越轻。。纵墙和横墙均均出现大量的的斜向裂纹，，特别是角点点部位。顶板板与侧墙的破破坏程度与中中柱密切相关关区间隧道的破破坏形式主要要是裂缝，其其中多为侧墙墙中部的轴向向弯曲裂缝55隧道及地下工工程安全与防防灾56隧道和地铁建建筑结构复杂杂、环境密闭闭，加上人员员密集，一旦旦发生火灾，，扑救相当困困难，往往会会造成重大的的人员伤亡和和财产损失隧道火灾的危危害性572003年2月18日上上午，由于一一名中年男子子纵火，韩国国大邱市地铁铁一号线的中中央路车站顷顷刻间被烈焰焰和浓烟吞没没，两列满载载乘客的地铁铁列车被烧毁毁。根据韩国国官方提供的的数字，当时时有126人人死亡，146人受伤，，另有318人下落不明明5859火灾现场试验验结果60隧道火灾的主主要原因1.车辆电电气线路短路路、汽化器失失灵、载重汽汽车气动系统统故障等引发发火灾。2.隧道内内道路狭小，，能见度较差差、情况又较较复杂，容易易发生车辆相相撞事故，也也可引发隧道道火灾。3.隧道内内通行的车辆辆所载货物可可能有易燃易易爆物品，遇遇明火（或热热源）发生燃燃烧或自燃。。61主要防火措施施1.采用耐火火材料2.较长的隧隧道划分防火火分区3.隧道内设设置自动的水水喷淋灭火系系统和火灾自自动报警系统统，以及配备备各类便携式式灭火器。4.设置疏散散避难设施，，如避难通道道、隧道两侧侧的诱导路、、定点急救避避难场所等5.加强隧道道消防管理和和交通管理以以及经常检查查隧道的防火火安全工作62地铁火灾的主主要原因1.地铁车车站在装修、、设备、办公公等方面存在在一定数量的的可燃物，操操作不慎引发发火灾2.施工中中进行焊接、、切割作业以以及工作人员员吸烟、列车车运行时产生生的电弧等原原因。3.乘客违违反规定，以以及车上电器器设备故障等等原因4.变配车车站设备故障障导致火灾5.人为纵纵火和恐怖袭袭击63主要防火措施施1.车站的布布局应合理，，采取防火墙墙、水幕等措措施。严格限限制车站内各各类易燃物品品2.加强隧道道维修施工管管理3.地铁客车车采用不燃材材质制造4.地铁变电电站、高压电电缆应在地面面建筑敷设。。5.设计时考考虑火灾排烟烟要求6.自动监控控系统；灭火火淋喷系统64火灾时的烟雾雾排放系统65附属设施的养养护66隧道附属设施施养护工作范范围包括：照明、通风、、排水、消防防等隧道的维修保保养检查包括括经常检查、、定期检查以以及特殊检查查67通风对于利用竖井井、边窗通风风者，应随时时检查，清除除井内杂物对各式通风机机、管道、机机电、动力设设备等，每月月进行一次运运转情况检修修68照明通过遮阳棚、、减光格栅、、绿化等尽量量保持洞外附附近低亮度采用路面标线线、路缘石、、刷白色反光光材料等方式式，提高隧道道亮度并诱导导视线加强隧道内路路面、侧墙、、顶棚和照明明灯具的清扫扫工作设置的照明器器应当防震、、防水、防尘尘，并作定期期检查69二、隧道及地地下工程事故故分析●盾构隧道－事故调查及分分类－事故原因分分析－工程对策●公路隧道70盾构隧道－事故调查及分分类盾构法中常见见的施工事故故类型有以下下几种：结饼压力舱土体在在隔板传递的的推力作用下下发生固结，，结成硬块的的现象。闭塞闭塞是由于土土体成拱使得得不能正常出出土进入土体体压实充满压压力舱，而缺缺乏流塑性的的土体又使搅搅拌翼的阻力力上升，加大大刀盘扭矩进进而引起施工工困难。喷涌盾构掘进打开开螺旋输送器器阀门出土时时，以水为主主，水和砂混混合从出土口口喷涌而出，，散落在隧道道内，皮带运运输无法带走走土体。开挖面失稳由于千斤顶、、隔板传递到到压力舱的压压力不能均匀匀作用于开挖挖面，而使开开挖面失去稳稳定的现象。。地表发生沉降降隧道施工中不不论采用何种种施工方法都都会产生不同同程度的地面面沉降，盾构构法也不例外外。特别是在在松软饱和和和含水不稳定定的淤泥质粘粘土层的浅覆覆土隧道中，，这种现象尤尤为明显。盾盾构法施工中中要求将地面面沉降控制在在允许的范围围内。当地面面沉降超出允允许范围时，，会引起地面面建筑物墙体体开裂，个别别地点由于墙墙体开裂而产产生不良的影影响。渗漏水不论何种隧道道施工，都要要对渗漏水采采取相应的措措施及时加以以控制和治理理，否则会隧隧道施工带来来严重威胁，，因此渗漏水水量应符合结结构防水标准准。塌陷其他事故71上海地铁四号号线事故照片片（1）72上海地铁四号号线事故照片片（2）73上海地铁四号号线事故照片片（3）74上海地铁四号号线事故照片片（4）75北京地铁五号号线崇文门车车站事故现场的坍坍塌钢筋76广州地铁三号号线事故照片片(1)77广州地铁三号号线事故照片片(2)78台湾高雄坑內內滲水情形及及阻漏79陷下去的车子子808182事故原因分析析结饼原因分析析闭塞原因分析析喷涌原因分析析开挖面失稳原原因分析地表发生沉降降原因分析渗漏水原因分分析坍塌原因分析析其他事故原因因分析83工程对策结饼1、掘进时注注泡沫剂，改改善土体的和和易性，预防防粘土结块2、盾构刀盘盘在设计上应应考虑对泥岩岩的切削功能能，使刀盘尽尽少出现粘结结堵塞3、也可以在在刀盘背面和和土舱胸板上上增设空心搅搅动棒，增加加搅拌强度和和范围，并且且空心棒内还还可以预留注注水孔，以便便清洗刀盘和和土舱。4、空转刀盘盘，使泥饼在在离心力的作作用下脱落84闭塞从人孔进入到到密闭舱内除除去障碍物；；加固好开挖面面前的地基土土，将盾构机机停留在加固固体范围中，，从盾构机侧侧面除去障碍碍物（存在埋埋设物和作业业带的制约））；在开挖面前筑筑工作井，牵牵行盾构机入入内，从地面面一侧除去障障碍物（要增增加费用和工工期）工程对策85喷涌关闭螺旋输送送器情况下继继续掘进，让让切削下的土土体挤出土舱舱内的水。采采取这种措施施时，要预防防舱内压力过过高，造成盾盾构前方隆起起、冒浆以及及盾尾被击穿穿等。提前采用气压压平衡模式掘掘进，但要预预防漏气事件件的发生。加入高浓度泥泥浆或泡沫，，改善土体的的和易性，使使土体中的颗颗粒和泥浆成成为一整体。。盾构选型方面面，螺旋输送送器选择具有有土塞效应的的中轴式螺杆杆和简短式螺螺杆。在盾构刀盘设设计时，优化化设计好刀盘盘的开口率和和刀具，使切切削进仓的颗颗粒较小且均均匀。如果施工特别别困难的情况况下，在螺旋旋输送器某一一位置安装连连接管道，改改成泥水盾构构出土模式工程对策86开挖挖面面失失稳稳施工工单单位位控控制制好好压压力力舱舱的的应应有有压压力力，，防防止止开开挖挖面面失失稳稳；；为了了保保证证开开挖挖面面的的稳稳定定，，重重要要的的是是要要使使开开挖挖下下来来的的土土砂砂具具有有塑塑性性流流动动性性，，并并使使土土砂砂确确实实充充满满压压力力舱舱内内，，同同时时还还应应是是开开挖挖下下来来的的土土砂砂具具有有止止水水性性。。同时时为为了了一一边边保保持持开开挖挖面面的的稳稳定定一一边边顺顺利利进进行行推推进进，，则则需需要要适适量量的的进进行行排排土土，，维维持持排排土土量量和和开开挖挖量量的的平平衡衡工程程对对策策87地表表发发生生沉沉降降在发发生生沉沉降降的的地地点点，，在在沉沉陷陷范范围围派派专专人人值值班班，，负负责责人人员员、、交交通通、、建建筑筑物物的的安安全全；；盾构构关关闭闭进进土土阀阀门门，，建建立立土土压压，，所所设设的的土土压压比比所所处处位位置置的的水水土土压压力力高高0.2kg/cm2，，盾盾构构停停止止掘掘进进，，用用盾盾构构上上的的超超前前注注浆浆设设备备和和注注浆浆孔孔向向地地层层注注浆浆加加固固。。不不停停地地向向管管片片背背后后注注浆浆，，并并调调整整浆浆液液配配合合比比，，使使其其具具有有足足够够的的强强度度和和快快速速凝凝结结；；在沉沉陷陷范范围围内内采采用用钻钻机机进进行行地地表表注注浆浆加加固固方方法法，，增增加加地地基基的的强强度度；；增加加沉沉降降观观测测，，及及时时反反馈馈信信息息工程程对对策策88渗漏漏水水工程程对对策策89坍塌塌事事故故首先先拦拦截截塌塌陷陷四四周周的的地地表表水水，，防防止止地地下下水水进进一一步步渗渗入入隧隧道道内内，，降降低低隧隧道道内内的的涌涌水水量量。。及及时时对对塌塌孔孔进进行行回回填填，，尤尤其其是是漏漏水水口口处处，，回回填填密密实实，，形形成成相相对对隔隔水水层层。。控制制好