隧道安全与环保措施

第一章

隧道安全措施一、隧道安全隐患一般包括以下几个方面1）建设方面：投资不到位、工期不合理。2）设计方面：选线不当、勘测深度不够、支护结构承受力不够、变更不及时。3）地质方面：地质不明、复杂多变。4）施工方面：方案不合理、方法不当、施工工艺不能满足安全质量需要、资源配备不足（或不能满足安全质量需要）、管理失控、施工人员素质低、监督检查不严、弄虚作假、偷工减料、方案方法未完全落实。二、隧道施工中常发现的安全隐患现象1）超前地质预报不认真、不及时，流于形式，做假资料，准确性差，与实际出入较大。2）进出洞方式选择不当，洞口边仰坡防护不力，边仰坡坡陡、过高，防排水措施不完善。3）施工方法选择不合理，未根据实际地质情况，采用相适应的工法。4）支护不及时，封闭不及时，仰拱、二衬滞后。5）开挖进尺与工法不匹配，一次开挖进尺过大，台阶法施工台阶过长。6）超前支护不力。如超前管棚角度不对、间距大、数量少、长度不够；超前注浆达不到加固地层的要求。7）开挖效果差，凸凹不平，超欠严重。8）钢支撑强度不够：原材料强度低（尺寸或材质不符合要求），加工质量差。9）钢支撑安装不符合要求：接头连接不牢固，拱脚不稳固，间距过大，安装不垂直（垂直于地表及隧道轴线），与围岩不密贴。10）喷混凝土厚度、强度不足，背后有杂物、空洞，与围岩不密贴。11）锚杆安设质量不符合要求，如数量少、长度不够、角度不对、砂浆不饱满、未安垫板。12）仰拱底部软弱、不稳固，有集水、杂物、虚渣，未清理干净。13）防排水措施不到位。14）二衬厚度、强度不符合要求，背后有空洞。15）变形量测不规范，不准确，不及时，不反馈，编假资料。16）瓦斯（有害气体）隧道未按瓦斯隧道规定施工。17）易发岩爆隧道未按预防岩爆规定施工。18）高压富水隧道，防治水措施不能满足安全及环保要求。19）隧道内电线、电器不符合要求。20）隧道作业台架不稳固。三、隧道施工主要事故类型及危害1）突泥突水：掩埋隧道，机械损毁，人员伤亡，破坏环境。2）塌方：机械损毁，人员伤亡，破坏环境。3）瓦斯爆炸、燃烧：机械损毁，人员伤亡。4）岩爆：人员伤亡。5）触电：人员伤亡。6）高空坠落：人员伤亡。四、原因分析一是客观上地质和环境的复杂性，二是主观上技术措施、施工方法及工艺、现场管理等原因。因此，提高对软弱破碎围岩的认识，提高设计和施工水平，做到“三超前、四到位、一强化”，对杜绝工程事故的发生十分重要。4.1隧道易发生坍方的地段和部位在山区修建山岭隧道，因隧道穿越地区工程地质和水文地质条件复杂多变，决定了山岭隧道的施工难度，由于我国山多、地质类型多，这就决定了我国隧道施工是世界上最复杂、最困难的地区，随着我国国民经济发展的需要，地下空间不断得到开发利用，特别是铁路公路修建标准的提高，山岭隧道越来越多，越来越长，隧道施工中发生坍方的数量也就会有所增加。了解容易发生坍方的地段和部位，对预防隧道坍方非常重要。对统计数据进行分析，软弱围岩隧道事故主要表现在三个方面：一是洞口坍方，占20%。二是掌子面变形坍方，占33%。三是掌子面后方坍方“关门”，占47%。

1)定义：坍

方：因周围岩体或支护失稳破坏而引起的隧道垮塌。坍方类型：掉块、偏帮、冒顶、关门。掉

块：隧道局部岩块失稳而掉落，危害较小；偏

帮：隧道边墙失稳破坏的坍方，处理不当将引起大坍方，危害较大；冒顶：发生于隧道拱部的坍方，个别可塌穿至地表，危害很大；关

门：在隧道开挖面（掌子面）后方发生的坍方，多数可将前方施工人员、设备掩埋或堵在塌体至开挖面（掌子面）之间，危害极大。4.2容易发生坍方的地段1）埋深较浅地段。山岭隧道埋深在100米以下时，围岩由于受到地表水侵蚀，风化严重，如施工不当，支护不力，易发生坍方。特别是浅埋和超浅埋段，更易发生坍方。2）断层破碎带及断层影响带。因其围岩破碎，自稳能力差，并有大量的填充物和地下水，如处理不当，极易发生坍方。地下水丰富时，易发生突水突泥。3）岩层接触带。因其岩性不同，且大多伴有小构造，若重视不够，可能会发生坍方。软弱围岩隧道地质特征：强度低。如黏性土、粉土、砂类土、黄土、全风化岩体等，围岩强度低，承载能力低。节理发育、破碎。节理发育、岩体破碎的泥岩、页岩、砂岩、千枚岩、板岩等，自稳能力差。断层带呈散体结构。受构造影响，断层带结构面杂乱无序，呈角砾、縻棱状或碎裂结构，充填泥质或泥夹岩屑，自稳能力极差。4）高地应力地段，在软质围岩中，由于受到高地应力的影响，围岩变形较大，若支护不力，极易发生坍方。硬岩易发生岩爆。5）在高水位富水区段，由于地下水丰富，围岩受地下水影响较大，若措施不当，易发生坍方或突水。6）可溶岩地区，岩溶呈无规律性分布，随时会遇到意想不到的溶洞，若防备不及，溶洞内的填充物及水突然涌出或塌坍，将给工程造成极为不利的影响。特别是高位富水区的大规模充填溶洞，危害更大。7）黄土地区及砂土地区，因围岩自稳能力差，若方法不当，支护不力，极易发生坍方。软弱围岩隧道工程特点：软弱围岩强度低、自稳能力差，隧道开挖后地应力重新分布，使隧道周边产生较大的松动圈。一旦工程措施（包括设计措施）和施工方法不当，将极易发生初期支护变形侵限和隧道坍方等工程事故。因此，软弱围岩隧道施工的核心是“控制变形、防止坍方”。4.3容易发生坍方的部位1）隧道洞口：隧道洞口集埋深浅，石质较差，受力结构复杂等不利因素于一体，处理不当极易发生坍方。2）隧道拱脚：当采用台阶法施工，开挖下部时，若台阶过长、拱脚悬空、背后空洞、支护不力、开挖过长，极易造成拱部冒顶或关门坍方。3）隧道墙脚：当进行检底施工时，措施不当、墙脚悬空、开挖过长，致使边墙失稳而发生偏帮。4）

隧道拱部。当采用先拱后墙法施工或拱部变形较大，支护强度不足、背后有空洞时，易发生掉拱塌坍。5）

隧道与隧道的交叉部位，即两洞交叉的部位，也就是通常所说的交叉三角区，因跨度大，受力复杂，如果处理不当，支护不力，极易发生坍方。6）在水平岩层或近似水平岩层中，拱部易发生掉顶；在垂直岩层或近似垂直岩层中，边墙易发生偏帮。4.4突泥突水、瓦斯爆炸、岩爆易发区域1）突泥突水：高压富水，断层破碎带，岩层接触带，岩溶，水下（河底、雨季沟底、海底、水库底或旁边），高地应力。2）瓦斯爆炸：富存瓦斯地区，煤系地层。

3）岩爆：高地应力区硬岩。五、预防措施方案方法规避风险，工艺过程控制风险，细节管理降低风险。5.1

隧道洞口段施工防坍隧道洞口段具有埋深浅、石质破碎、受力结构复杂等特点。洞口段是隧道施工中极易发生坍方的地段，为避免坍方，应遵循“早进晚出，安全、经济”的设计施工原则，采取必要的防坍措施，安全通过洞口段。1）施工调查：设计部门提供的施工图之地形地貌，往往与实际情况有出入，施工单位在进洞前必须对隧道洞口段实际地形地貌进行勘察、测绘，为制定施工方案提供依据。隧道洞口段一般有三种情况：1.1洞口不具备进洞条件（洞口有障碍物或紧靠河流

悬崖等），或施工埸地狭窄，不能满足施工需要。1.2洞口虽具备进洞条件，施工埸地也能满足施工需要，但地质条件较复杂，需要采取的加固措施不经济，或从正面进洞易引起坍方，增加工程成本。1.3具备进洞条件，施工埸地满足施工需要。2）进洞位置的选择：针对上述三种情况，应选择不同的进洞位置，以满足安全经济的要求。2.1

针对第一种情况，应及时向设计部门提出变更设计，并选择合适的位置设横洞，横洞的设置除满

足设计规范要求外，横洞位置一般距洞口不大于500m。横洞的位置、方向应根据现埸实际调查的地形情况确定，横洞的设置必须经设计部门同意，纳入整个工程设计，否则，将由施工单位承担相关费用及责任。2.2

针对第二种情况，应对从正面进洞和设置横洞两种方案作详细的经济比较，选择较为经济合理的进洞方案。2.3

对于第三种情况，根据实际情况确定合理的洞口

位置，制定详细的进洞施工方案，安全稳妥的从正面进洞。下面是几座设置了横洞的隧道，现将这几座横洞情况列于附表1，供参考。铁路隧道设置横洞一览表5.2

进洞防坍施工措施1）从横洞进入正洞反向施工出洞：1.1进入洞口段石质较破碎时，应采用正台阶法施工，并架设钢支撑，喷锚支护。1.2接近洞口时，应缩短开挖进尺，从上部以小断面开挖出洞，打穿后，应从外部清除仰坡危石，并对洞口周边及仰坡进行必要的加固，加固措施一般采用喷锚支护。然后自上而下扩挖到设计断面，并按设计作好施工支护。1.3隧道洞口段施工爆破时，应在洞外加强防护，避免飞石伤人。2）从正面进洞施工2.1洞门位置应根据实际地形情况进行必要的调整，并报设计单位同意后，按变更后的洞门位置施工。2.2为减少植被的破坏，应尽量减少刷仰坡或不刷仰坡，一般埋深达到1.０m以上时，即可采用暗挖施工。进洞施工前，应对仰坡进行喷锚网加固。2.3洞口外土石方开挖时，不应一次开挖到隧底设计标高，应开挖至隧道起拱线标高（或上半断面标高）即可，两侧边坡应随开挖随进行喷锚网支护。2.4当明挖到地表距隧道拱顶1.０m以上时，即可采用暗挖法进洞施工。2.5暗挖施工前，在开挖轮廓线外打超前管棚。在洞口外架设2～3榀钢支撑，间距0.5～0.7m，钢支撑与仰坡防护层联为一体。石质非常破碎时，管棚内应采用超前注浆，对围岩进行加固。2.6正台阶法开挖进洞，按设计作好支护施工。台阶长度5m左右，逐步开挖进洞，并封闭成环。2.7洞口段开挖支护完毕，为确保安全，应及时施作二次衬砌或明洞和洞门。2.8洞口段爆破施工时，应作好安全防护，防止飞石伤人。5.3采用正确的施工方法防坍在山岭隧道施工中，如果施工方法使用不当，不仅不能加快施工进度，而且也不能保证工程质量和施工安全，极易造成坍方。1）常用的施工方法：如何选择安全合理实用的施工方法，与围岩级别和隧道断面的大小密切相关，下面是山岭隧道施工中常用的几种施工方法。1.1全断面法：适用于围岩整体性好，较坚硬的各种类型隧道，将隧道一次开挖爆破成型，其特点是施工速度快，爆破震动次数少，便于利用大型施工设备施工。1.2台阶法：适用于围岩整体性较差，石质破碎软弱的中小型断面的隧道。其特点为：适用于不同围岩和断面，利于变换施工方法，台阶的级数和长度可根据围岩的软弱程度设置，一般情况下，台阶数为2～3级，台阶长度为3～5M是在软弱围岩隧道施工中，最为常用的一种施工方法。1.3侧壁导坑法：分为单侧壁导坑和双侧壁导坑两种，适用于围岩整体性差，破碎软弱的大中型断面的隧道。其特点为：工序较多，施工干扰较大，质量管理较困难，施工速度较慢，较不利于施工方法的变通，但对大断面隧道中处理软弱围岩，是一种安全有效的施工方法。1.4

CRD法：适用于断面大，围岩特别破碎软弱的隧道，特点为：工序多，施工干扰大，质量管理困难，施工速度慢，不利于施工方法的变通，但在大断面隧道中处理软弱围岩，是一种最安全有效的施工方法。1.5中导坑法：适用于有辅助坑道（平行导坑、横洞、斜井）的隧道，在围岩较好的地层中，中导坑超前隧道正面施工，由隧道正面扩挖的一种方法。其特点是在辅助导坑内开辟正洞的第二工作面，加快了施工速度，利于施工通风，可利用导坑提前贯通。此方法不宜在围岩软弱破碎的地层中使用。各种施工方法在不同围岩和隧道中的适用情况详见附表2。5.4

常用的辅助施工方法在隧道施工中必要的辅助施工方法，是确保隧道施工安全的重要手段。现介绍几种常用的辅助施工方法。1）大管棚：一般应用于洞口段或隧道内围岩极破碎地段超前支护，管径φ80～φ150mm，管长10～30m，环距30～40cm，沿开挖轮廓线外，水平打进，采用钻孔机钻孔后安管或直接用夯管机夯进，从管口向管内注水泥浆。2）小管棚：应用于围岩破碎软弱地段超前支护，管径φ40mm，管长2～3.5m，环距20～30cm，管壁周边钻φ10mm小注浆孔，沿开挖轮廓线打进，外插角2～5°，从管口注浆加固地层。3）帷幕注浆：在破碎软弱地下水丰富的岩层中，开挖前须对前方及周围岩体进行全断面注浆加固堵水，注浆长15～30m，浆材为水泥浆或双液浆，采用前进式或后退式分段注浆。4）径向注浆：水压较小地段，隧道开挖后沿周边径向利用注浆管注浆堵水。5）壁后注浆：隧道支护后，对支护背后空洞进行回填注浆。6）新意法（新意大利法）：开挖前预先加固地层、预先支护的施工方法。7）冷冻法：将地层冷冻后再开挖。5.5采用正确的支护手段防坍除了施工方法安全合理实用外，采用合理、经济的施工支护手段也是防止坍方的关键。1）施工支护方法：施工支护方法与围岩的破碎软弱程度密切相关，在现代隧道中，普遍采用的施工支护方法有：喷砼、锚杆、钢支撑、超前支护等。1.1喷砼：喷砼分网喷砼和素喷砼，网喷砼就是在喷砼前在岩面上挂设钢筋网，提高喷砼的整体性。喷砼的材料分为：素砼、钢纤维砼和微纤维砼。喷砼能在短时间内，迅速使喷到岩面上的砼形成一层薄壳状的受力结构，避免落石和坍方事故的发生。此方法使用简单，易于操作，能及时的封闭新开挖的围岩，是目前隧道施工中最常用的一种施工支护手段。在建筑物边坡的防护中，也大量采用喷砼防护。

1.2锚杆：锚杆是隧道施工中较为常用的一种支护手段，在其它的建筑物的边坡防护中也得到广泛应用。锚杆能及时有效的阻止岩体脱落，起到加固围岩的作用。锚杆的种类很多。主要有：砂浆锚杆、树脂锚杆、中空锚杆、自进式锚杆、膨胀式锚杆、楔形锚杆等，适用于各级围岩隧道的施工支护，锚杆直径一般为22ｍｍ及25ｍｍ，长度及间距根据围岩级别确定。1.3钢架支撑：钢架支撑是在软弱围岩隧道施工中较强的一种支护手段，与锚杆、网喷砼相配合，能及时有效的抵抗较大的围岩变形，从而起到防止坍方的作用。钢架支撑类型主要有：型钢和格栅。钢架支撑横断面积和架设距根据围岩软弱情况和变形情况确定。1.4超前支护：超前支护是软弱围岩隧道施工中的一种辅助支护手段，常用的有：超前锚杆、超前管棚、超前预注浆等。在开挖前对前方围岩进行超前防护及加固。防止开挖后，施工支护前的这段时间发生塌坍。1.5二次砼衬砌：二次砼衬砌是隧道施工中最后一道支护手段，砼衬砌应紧跟开挖面，一般相距150～200ｍ，特别是在非常软弱的地层中，更应及时施做二次砼衬砌。砼的标号和衬砌厚度按设计施工。2）支护手段适用的条件:为了达到经济、合理、安全的目的，不同围岩应采用不同的支护手段，往往几种支护手段相互配合应用于隧道施工中，几种支护手段在不同围岩中的适用情况详见附表3。5.6

利用信息技术防坍在现代隧道施工中，利用先进的信息技术，及时反馈地质变化情况和支护受力变形情况，适时调整施工方法和支护手段，准备预防应急措施，避免坍方事故的发生，确保施工安全。在目前隧道施工中，一般采用超前地质预探预报技术、监控量测技术等手段，预报工程开挖前方工程地质和水文地质情况，监测支护结构受力变形情况，为施工中采取相应的施工方法和支护手段提供依据。1）超前地质预探预报技术：目前隧道地质预报中，采用的主要有以下几种预报技术。1.1

TSP超前地质预报系统：利用地震波在不均匀地岩体中产生的反射特性来预报隧道掘开面前方及周围区域内的地质状况，。可方便快捷的预报开挖面前方200ｍ范围内地质情况，为施工方法和支护手段的选择提供依据。1.2地质雷达：作为TSP202系统的补充，利用电磁波的反射原理，探测开挖面前方30ｍ范围内的地质状况。1.3红外线探水：红外线探测仪通过接收岩体的红外线辐射强度，根据围岩红外辐射强弱来推断掌子面前方30ｍ范围内或周围区域是否存在含水体。1.4水平钻孔探测：在开挖面打水平钻孔，根据岩芯和钻进情况，预报前方地质状况，调整修正仪器探测预报中的不足。1.5地质素描：地质素描是传统地质预报手段，通过开挖后的围岩节理发育情况，经过分析整理，预报前方地质的变化趋

势。目前，可通过数码技术对围岩节理进行拍照，输入电脑，由专门软件进行分析处理，从而提高了工作效率。1.6导洞超前探测：利用平行于主洞的附洞超前探测，提前探明地质情况。1.7综合地质预报技术：根据各种仪器和手段获得的信息，进行室内分析整理，最后做出较为准确的地质预报成果，及时有效地指导隧道施工。2）监控量测技术：监控量测主要是利用各种量测手段监控施工支护和围岩的受力变形情况，为施工支护参数的选择提供依据。2.1围岩变位量测：在开挖支护后的围岩表面设置固定量测点，定期量测围岩变位情况，以便及时采取补强措施，阻止围岩变位过大，防止坍方。2.2支护结构受力量测：在支护结构中埋设量测元件，通过仪器对支护结构的受力情况进行监控，为调整支护参数提供依据。在多数隧道施工中，一般不进行支护结构受力监测。5.7

隧道施工防坍要点1）易坍方地段选择合理正确的施工方法。2）各工序之间间距合理，仰拱铺地及二次衬砌紧跟，满足安全需要，一般情况下，土质及砂质隧道：有水地段环状开挖留核心土，台阶长3～5m，仰拱至掌子面15～30m，二衬至掌子面30～50m；无水地段环状开挖留核心土，台阶长3～5m，仰拱至掌子面30～50m，二衬至掌子面50～100m；石质隧道：Ⅱ、Ⅲ级围岩铺底至掌子面100～150m，二衬至掌子面150～200m；Ⅳ、Ⅴ级围岩环状开挖留核心土，台阶长3～5m，仰拱至掌子面40～70m，二衬至掌子面70～100m。3）在破碎软弱地段，必须及时封闭，必要时设临时仰拱，必须体现“快挖、快支、快封闭”的三快原则。4）开挖进尺必须满足安全要求，设钢支撑地段，拱部每次进尺50～120cm（或不超过设计要求的一榀拱架间距），下部开挖每次进尺不超过两榀拱架。5）钢支撑拱脚处必须设锁脚锚杆或锚管。6）支护背后不得有空洞或杂物，若背后因坍方引起的空洞较大时，背后空洞回填厚度不小于2m。7)根据需要和岩层方向设置锚杆，锚杆尽量垂直于岩面。8)必须采用光面爆破，严格控制超欠挖。既是安全质量的需要，也是降低成本的需要。9)防水结构必须按设计施做，满足防水要求，漏水地段应在二衬施工前处理完毕。10)二次衬砌必须墙拱一次灌注成型。11)建立健全严格的施工管理制度，并严格落实到位，任何施工防坍技术都必须建立在严格的施工管理基础上，才能发挥其有效作用。在隧道施工中，每道工序都要有严格的施工纪律，确定的施工方案、施工方法和支护措施必须严格执行，不得随意更改，只有加强施工管理，严格施工纪律，采用经济、合理、安全的施工技术，才能确保隧道施工顺利，才能避免坍方。第二章

隧道环保措施1.传统与新趋势对比传统公路隧道施工中，普遍采用晚进早出的策略，虽然能够节约造价，但这种方式通常需要对洞口坡面进行大规模的挖掘和刷坡。这种做法严重破坏了原生态，导致原地貌难以恢复，还对自然景观造成了难以弥补的损害。随着社会对隧道建设环保和安全问题的日益关注，以及隧道工程建设单位对环保的日益重视，

环保意识的增强推动了零开挖技术成为隧道施工的新常态。在隧道进洞的浅埋及软弱围岩区域，我们该如何实施“零开挖”进洞施工，以确保隧道的安全、减少开挖量，并实现环保进洞呢？2.零开挖进洞实施解析2.1洞口布置图分析在实施“零开挖”进洞技术时，

通过详细分析隧道洞口的平面布置图，获取洞口的详细尺寸、位置和周边环境的关键信息，为安