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铁路软岩隧道施工安全与质量控制

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0
铁路软岩隧道施工安全与质量控制北京铁路局张唐铁路工程指挥部祝明洪二○一○年十一月
备注：0
     1
前   言
   目前在建铁路山岭隧道约6600公里，已规划建设隧道7600公里，隧道呈现“三多”特点（隧道数量多、长大隧道多、风险隧道多）。其中软弱围岩隧道占有相当大的比例。
    软弱围岩隧道施工，除地质条件差，还会遇到断面大、埋深浅、下穿公路或建筑物等情况，从而使施工更加复杂，难度更大。目前，由于技术措施不合理、施工方法不当、施工工艺不到位、现场管理薄弱等环节的诸多问题，造成了大量的隧道变形和坍方事故，损失巨大，教训深刻。
备注：1
     2
    如何提高软弱围岩隧道施工水平，预防变形和坍方，确保施工安全，其核心是抓住软弱围岩隧道工程特点，落实好“三超前、四到位、一强化”施工技术关键环节。
   
   ●三超前：超前预报、超前加固、
             超前支护
   ●四到位：工法选择到位、支护措施到位、
             快速封闭到位、衬砌跟进到位
   ●一强化：强化量测
       
备注：2
     3
目  录

1 软弱围岩隧道变形、坍方事故案例
2 软弱围岩隧道地质特征和工程特点
3 软弱围岩隧道施工技术
备注：3
     4
1 软弱围岩隧道变形、坍方事故案例
备注：4
     5
1.1事故案例
郑西客专南山口隧道大坍方（2007年7月15日发生）。坍方段埋深86米，地质为强风化粉砂岩及卵石土，采取台阶法施工。掌子面初期支护首先出现掉块、开裂，3天后发生大坍方，坍方长度146米，洞内初期支护全部破坏，造成地表房屋开裂，经济损失较大。坍方原因：快速封闭不到位、衬砌跟进不到位、量测未到位。（上台阶开挖83米，仰拱距掌子面126米，二衬距掌子面146米）。
备注：5
     6
南山口隧道大坍方照片
备注：6
     7
备注：7
     8
贵广铁路东科岭隧道涌砂坍方（2010年1月19日发生）。坍方段埋深21m（属浅埋），地质为向斜构造全风化花岗岩，呈砂状，开挖扰动后呈流塑状，地表为水田和常年流水水沟。进口开挖到398米处，掌子面施作超前小导管时，突然发生涌砂坍方，涌砂量约800立方，随后地面出现坍陷，坍坑直径约35米。涌砂坍方原因：未进行超前预报、未进行超前加固、未进行超前支护
备注：8
     9
东科岭隧道涌砂坍方照片
备注：9
     10
东科岭隧道地面坍坑照片
备注：10
     11
张集铁路旧堡隧道初期支护开裂变形（2010年2月26日发生）。变形段隧道埋深约300米，地质为麻粒岩夹辉绿岩脉，处于F3断层影响带，构造节理发育，岩体破碎。进口开挖到4136米处，初期支护工25b钢架发生变形，变形速率151mm/d，随后掌子面后方30米范围内初期支护扭曲变形，喷射混凝土开裂、掉块，渗水量增大。该段变形原因：由于对工程地质特性认识不足，工法选择不到位、支护措施不到位。
备注：11
     12
旧堡隧道初期支护变形开裂照片
备注：12
     13
集包铁路新旗下营隧道坍方（2010年3月19日发生）。坍方段埋深约70米，地质为变质大理岩，前期施工时经常发生局部掉块。进口开挖到370米处。后方56米位置初期支护（格栅钢架）失稳破坏坍方，造成多名作业人员遇难。坍方原因：支护措施不到位、快速封闭不到位、量测不到位
备注：13
     14
新旗下营隧道坍方照片
备注：14
     15
                   2006年
3月21日:武康二线王家沟隧道坍方，8人受困。
5月16日:大丽线南场岭隧道洞口坍方，6人受困。
5月21日:洛湛线双牌二号隧道洞口坍方，1死3伤。
8月12日:郑西客专秦东隧道坍方，2人死亡。
9月13日:武康二线系家山一号隧道坍方，2人死亡。

2006年发生事故5起，造成5死3伤14人受困      
1.2事故统计与分析
    统计2006年至今软弱围岩隧道发生事故   
备注：15
     16
    
                   2007年
4月30日:太中银吴堡隧道坍方，4死1伤。
7月15日:郑西客专南山口隧道大坍方146米。
8月6日:石太客专南庄隧道坍方，2人死亡。
8月6日:广深港客专水田隧道洞口坍方，2人死亡。
9月2日:合宁线亭子山二号隧道坍方，5人死亡。
9月30日:兰青二线八盘峡二号隧道坍方，8人受困。

2007年发生事故7起，造成13死2伤8人受困      
备注：16
     17
    
                   2008年
1月9日:兰青二线杨家店隧道坍方，2人死亡。 
1月20日:郑西客专盘东隧道坍方，3人死亡。
3月21日:田德线百安隧道坍方，2死3伤。
3月25日:包西线活沙兔隧道坍方，4人死亡。
7月15日:洛湛线古榄隧道坍方，1人死亡。
8月29日:西格二线克土隧道坍方，4死7伤。

2008年发生事故6起，造成16死10伤      
备注：17
     18
    
                   2009年
2月17日:包西线寨山村隧道坍方，2人死亡。
3月8日:石武客专木兰隧道坍方，2死2伤。
3月16日:向莆线宝台山隧道坍方，3死1伤。
7月19日:襄渝二线杨家沟隧道坍方，2人死亡。
8月1日:湘桂线梅子坳隧道洞口坍方，3人死亡。
10月29日:包西线新响沙湾隧道坍方，人员逃脱。
12月19日:包西线邓家楼一号隧道坍方，6人受困。

2009年发生事故7起，造成12死3伤6人受困      
备注：18
     19
    
                   2010年
1月14日:南广线白云隧道突水突泥，5人死亡。
3月19日:集包线新旗下营隧道坍方，10人死亡。
7月11日:南黎线那适2号隧道坍方，10人死亡。
截止目前，2010年发生事故3起，已造成25人死
亡      
备注：19
     20
    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%。    
备注：20
     21
    
    据以上不完全统计，从2006年到2010年目前为止，4年多时间内，软弱围岩隧道发生事故28起，死亡71人，事故发生之频繁，死亡人数之多，令人心痛。究其原因，主要有两个方面，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。
备注：21
     22
2 软弱围岩隧道地质特征和工程特点
备注：22
     23
2.1软弱围岩隧道地质特征
围岩强度低，承载能力低。如粘性土、粉土、砂类土、黄土、全风化岩体等。
节理发育、破碎、自稳能力差。如岩体破碎的泥岩、页岩、砂岩、千枚岩、板岩等。
断层带散体结构、自稳能力极差。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。
备注：23
     24
2.2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”。
备注：24
     25
3 软弱围岩隧道施工技术    
备注：25
     26
    软弱围岩隧道施工，应在以下七个方面予以重视，实现标准化施工管理，从而避免变形和坍方事故的发生。
◆超前预报
 ◆超前加固
  ◆超前支护
   ◆开挖工法
    ◆初期支护
     ◆二次衬砌
      ◆监控量测
      
备注：26
     27
3.1超前预报
    现场时常会遇到实际开挖揭示的地质与设计提供的地质存在较大差异，引起技术措施和施工方法的变化。因此，除设计阶段加强地质勘察外，施工阶段也必须进行超前地质预报工作，这一点尤为重要。    
地质素描、物探、超前钻探方法是软弱围岩超前预报的主要手段。
在破碎带和断层地段，加强超前长、短钻孔，及时探明隧道前方地质情况，特别是地下水较发育的隧道，严禁在未探明情况下盲目开挖。
备注：27
     28
    参建各方都应该重视施工阶段超前地质预报工作，建立责任制，明确责任和分工。高和极高风险隧道，必须进行超前地质预报的专项设计。
备注：28
     29
3.2超前加固
    在断层破碎带和软弱地层，特别是富含水时，必须对围岩进行超前加固，改良地层，确保隧道安全施工。
    必须配备专业队伍、专业设备，进行专项设计，保证加固效果。
    目前，常用的围岩加固方法是注浆法。   注浆法主要分全断面注浆和局部注浆两种。在富水断层地带，通常采取全断面注浆。
备注：29
     30
    全断面注浆法钻孔数量多，施作周期长；局部注浆是针对隧道前方地层特点，对薄弱部位进行注浆，钻孔数量少，施作周期短。
    无论是全断面注浆，还是局部注浆，都要求必须配备先进的钻孔注浆设备，必须采取信息化注浆。    
备注：30
     31
别岩槽隧道F1断层全断面注浆照片
备注：31
     32
齐岳山隧道F11断层信息化注浆照片
备注：32
     33
注浆加固范围
    
纵向加固长度应根据钻机能力和地层特点确定，一般为20～30m。特殊地层条件下，应及时调整纵向注浆加固长度，否则既影响进度，又影响质量。
环向加固厚度一般为3～5m，局部可增加到5～8m。
备注：33
     34
中国产MGJ-50钻机 
中国产XY-2PCG钻机 
该类钻机最大扭矩2000～3000N·m  钻进速度3～5m/h 
备注：34
     35
中国产MZ200钻机
最大扭矩3400N·m  钻进速度5～15m/h
备注：35
     36
日本产RDP-150钻机
最大扭矩8000N·m  钻进速度15～20m/h 
备注：36
     37
   日本矿岩RPD-180C多功能钻机
最大扭矩8000N·m，钻进速度15～20m/h
备注：37
     38
意大利C6钻机
最大扭矩13550N·m  钻进速度20～30m/h
备注：38
     39
意大利产SM400钻机
最大扭矩13630N·m  钻进速度20～30m/h  
备注：39
     40
德国KR805钻机
最大扭矩27000N·m  钻进速度25～30m/h
备注：40
     41
3.3超前支护
    常用的超前支护方式有超前大管棚和超前小导管两种。
    ●超前大管棚：超前大管棚一般是在对沉降有严格要求时使用，适宜于浅埋洞口、堆积体、砂土质地层、断层破碎带地层，以及下穿公路、铁路、地面建筑物时采用。大管棚一般采用φ70mm～φ159mm的钢管，纵向长度10～100m根据工程需要设置。
备注：41
     42
洞内大管棚照片
备注：42
     43
设管棚工作间：一般施作管棚时都要设置管棚工作间，管棚工作间按钻机特点设计，比隧道断面加宽50～70cm，工作间长度7～10m，如果只进行一个循环管棚施作，管棚工作间比较简单。但如果循环多时，施作多个管棚工作间就存在着三个问题。
备注：43
     44
齐岳山隧道F11断层前期管棚工作间照片
备注：44
     45
一是为施作工作间，隧道断面加大后，开挖难度加大，开挖安全风险增加。
二是若循环注浆后未能按设计开挖到位，工作间尺寸将满足不了要求，将无法进行正常管棚作业。
三是由于管棚工作间采取扩挖断面方法，既增加了开挖费用，又增加了回填混凝土的费用，浪费大。
备注：45
     46
无工作间管棚施作技术：在标准断面采用顶进器将管棚顶到开挖断面外。该技术不需要扩大断面，不切割大量的管棚，降低了施工风险，提高了工效，节约了投资，应大力推广。
备注：46
     47
齐岳山隧道F11断层后期无管棚工作间照片
备注：47
     48
  ●超前小导管：超前小导管是在对施工安全要求较高的条件下使用。在破碎围岩、堆积体、砂土质地层、断层破碎带中普遍采用。当地层卡钻严重时，可采用自进式锚杆。小导管一般采用φ32mm～φ60mm的钢管，纵向长度2.5～6m根据工程需要设置。小导管布设后根据地层稳定情况，如需要可进行注浆，加固周边地层。
备注：48
     49
洞内超前小导管施工照片
备注：49
     50
●水平旋喷支护：软塑土体、含水砂层等可采用水平旋喷进行超前加固与支护。
备注：50
     51
预切槽支护：用特制的链式机械切刀沿断面周边连续切割出一条厚约数十厘米，深数米的窄槽，同时应用与切刀一体化的混凝土灌注设备注入混凝土，形成一个连续的，起预先支护作用的混凝土拱壳。然后在“拱壳”支护下进行工作面的全断面机械挖掘 
备注：51
     52
预切槽法三维示意
备注：52
     53
3.4开挖工法
    常用的开挖工法有台阶法、环形导坑（预留核心土）法、CD法、CRD法、双侧壁导坑法等。

开挖工法应根据地质情况和地层加固情况确定。实施中根据地质情况和量测成果及时调整工法。
开挖工法选择时，原则上在确保安全条件下，应从简单到复杂，尽量减少开挖步骤。
现场施工应严格执行设计工法，不得擅自更改。 
备注：53
     54
●台阶法：该工法一般适合于Ⅳ级围岩，要求台阶长度不大于1倍洞径，仰拱距掌子面距离不大于2倍洞径。
备注：54
     55
●环形导坑(预留核心土)法：该方法利用核心土稳定掌子面，然后开挖两侧边墙、中部核心土，最后开挖仰拱。该工法步骤多，工艺要求高。
备注：55
     56
    目前，软弱围岩大断面隧道多采用环形导坑法（三台阶七步流水法），出现的问题也最多，对该工法技术要求如下（双线隧道）：
上台阶每循环开挖进尺Ⅴ、Ⅵ级围岩不大于1榀钢架，Ⅳ级不大于2榀。
边墙开挖进尺不大于2榀。
仰拱开挖前必须完成钢架锁脚锚杆（管），每循环开挖进尺不大于3m。
初期支护封闭成环位置距掌子面距离原则上不宜不大于2倍洞径。
根据地质、量测情况，设置临时仰拱或横撑。

备注：56
     57
环形导坑(预留核心土法)照片
备注：57
     58
●CD法（中隔壁法）：该工法适合于浅埋地段或穿越建（构）筑物时采用，以减少沉降，防止坍方。该工法是将隧道分为左右两部分进行开挖，先在一侧采用台阶法分层开挖及支护，再开挖隧道另一侧。每台阶纵向长度3～5m。初期支护仰拱紧跟下台阶，封闭成环。
备注：58
     59
●CRD法（交叉中隔壁法）：该工法在特殊条件下采用。该工法是将大断面隧道上、下、左、右分块开挖，并施作初期支护和临时横撑（临时仰拱），每台阶纵向长度3～5m，步步封闭成环。
备注：59
     60
CRD工法开挖照片
备注：60
     61
●双侧壁导坑法：该工法在特大断面等特殊条件下采用。该工法先开挖隧道两侧导坑，再进行中部开挖支护。工法特点：控制沉降变形好，但连接点多，受力复杂，对工艺要求高。
备注：61
     62
双侧壁导坑工法开挖照片
备注：62
     63
对于岩石强度低，环境要求高的隧道应采用单臂掘进机、铣挖机、机械破碎等开挖。
备注：63
     64
3.5初期支护

初期支护方式：锚网喷；锚网喷+钢拱架，钢架形式有格栅钢架、工字钢、H型钢。特殊地质条件下使用喷钢纤维混凝土。
初期支护受力特征：隧道开挖后短时间或变形量小时，初期支护与地层共同承受形变压力。支护不及时或支护后变形量过大，岩体松动后荷载加大，由初期支护完全被动地承受松动压力。因此，必须保证初期支护的强度和刚度，及时支护，控制变形。
备注：64
     65
●初期支护仰拱（临时仰拱）及时闭合极其重要，闭合成环后，提高了结构的承载能力，从而有效地控制变形、避免坍方。
备注：65
     66
                  技术要求
  
双线隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法开挖时，必须设置锁脚锚杆（管）等控制拱（墙）脚位移的措施。
双线隧道Ⅴ级围岩应设置横向临时支撑或临时仰拱，临时支撑采用型钢，纵向每2榀设1处。
钢拱架宜采用八字节格栅拱架。
钢拱架应工厂化制造，出厂前必须进行检验、试拼装。
喷混凝土原则上采用湿喷工艺，特殊地质条件下可另行设计。
备注：66
     67
3.6监控量测
    
    监控量测是软弱围岩隧道安全施工的“眼睛”，是判断结构稳定性、指导软弱围岩隧道安全施工“最重要”的信息化手段。不进行监控量测，将无法保证软弱围岩的安全施工。很多隧道的变形与坍方是因为没有进行量测、或没有使用量测成果才产生的，教训深刻。   
备注：67
     68
监控量测主要包括拱顶下沉和水平收敛，浅埋段应进行地表沉降量测。目前采用有尺量测的较多。由于隧道断面大，采取有尺量测时，施工干扰大、耗时长。应大力推广采用全站仪利用贴片反射进行量测。
备注：68
     69
                 技术要求  
建立等级管理、信息反馈和报告制度。 
隧道监控量测必须设置专职人员，培训后上岗，实行专业化管理，城市隧道要引入第三方监测。
量测断面布置间距Ⅳ级围岩10m（规程10～30m）、Ⅴ级围岩5m（规程5～10m）。
拱顶下沉或水平收敛速率达5mm/d或位移累计达100mm时，要暂停施工，分析产生原因，提出处理措施。
采用有尺量测时，测点挂钩要做成闭合三角形，保证不变形、点接触。
备注：69
     70
拱顶下沉量测照片
备注：70
     71
水平收敛量测照片
备注：71
     72
全站仪量测照片
备注：72
     73
3.7二次衬砌
    
  由于目前初支＋二衬共同承载的设计方法，适时进行二次衬砌对安全施工十分重要，根据部有关要求：Ⅳ级围岩二衬距掌子面距离不大于90m，Ⅴ级、Ⅵ级不大于70m，这些经验数据是十分重要的，现场必须严格执行。
备注：73
     74
下面介绍一下隧道洞口施工、高地应力地层施工应注意的几个问题，以及新意法施工技术。

关于隧道洞口施工应注意的几个问题

“早进晚出”，对洞口不良地质可采取加长明洞、管棚法进洞等措施。
一次刷坡到位，不允许上半断面刷坡后进洞，这样，进洞后再刷下半断面时易引起洞口滑坍。
尽早施作洞口工程。
备注：74
     75
洞口坍方照片
备注：75
     76
    高地应力软岩隧道施工的几个问题
超前预报。目前尚未系统开展掌子面地应力测试，这就给工程措施的制定造成困难。
锚杆加固。及时施作长锚杆加固围岩，必要时采用预应力锚杆。
初期支护刚度。合理选取支护刚度参数，防止变形侵限。必要时可施作双层初期支护。
超前释放应力。目前现场进行了超前钻孔、超前导洞释放应力试验，都没有很好的效果，应继续开展工程实践及研究。
备注：76
     77
岩土控制变形分析法: 对掌子面超前加固后可全断面机械化施工，不但可加快进度，而且施工安全度高，应在工程中应用和推广。
备注：77
     78
                结   语

近年来，软弱围岩隧道事故频繁发生，不但造成了财产损失和工期延误，而且造成了较大的人员伤亡和巨大的社会影响。
    软弱围岩地质条件复杂，施工工序繁多，工艺要求严格，技术含量高。如果能认清软弱围岩“变形与坍方的发展过程和变化规律”，严格执行“三超前、四到位、一强化”的施工方针，完全能够避免软弱围岩隧道事故的发生，确保工程安全和生命安全。
备注：78
     79
谢谢大家！
备注：79

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