1、0,鐵路軟巖隧道施工安全與質(zhì)量控制北京鐵路局張?zhí)畦F路工程指揮部祝明洪,1,前 言 目前在建鐵路山嶺隧道約6600公里，已規(guī)劃建設(shè)隧道7600公里，隧道呈現(xiàn)“三多”特點(diǎn)（隧道數(shù)量多、長大隧道多、風(fēng)險(xiǎn)隧道多）。其中軟弱圍巖隧道占有相當(dāng)大的比例。 軟弱圍巖隧道施工，除地質(zhì)條件差，還會(huì)遇到斷面大、埋深淺、下穿公路或建筑物等情況，從而使施工更加復(fù)雜，難度更大。目前，由于技術(shù)措施不合理、施工方法不當(dāng)、施工工藝不到位、現(xiàn)場管理薄弱等環(huán)節(jié)的諸多問題，造成了大量的隧道變形和坍方事故，損失巨大，教訓(xùn)深刻。,2,如何提高軟弱圍巖隧道施工水平，預(yù)防變形和坍方，確保施工安全，其核心是抓住軟弱圍巖隧道工程特點(diǎn)，落實(shí)好“三

2、超前、四到位、一強(qiáng)化”施工技術(shù)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。 三超前：超前預(yù)報(bào)、超前加固、 超前支護(hù) 四到位：工法選擇到位、支護(hù)措施到位、 快速封閉到位、襯砌跟進(jìn)到位 一強(qiáng)化：強(qiáng)化量測,3,目 錄 1 軟弱圍巖隧道變形、坍方事故案例 2 軟弱圍巖隧道地質(zhì)特征和工程特點(diǎn) 3 軟弱圍巖隧道施工技術(shù),4,1 軟弱圍巖隧道變形、坍方事故案例,5,1.1事故案例 鄭西客專南山口隧道大坍方（2007年7月15日發(fā)生）。坍方段埋深86米，地質(zhì)為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖及卵石土，采取臺(tái)階法施工。掌子面初期支護(hù)首先出現(xiàn)掉塊、開裂，3天后發(fā)生大坍方，坍方長度146米，洞內(nèi)初期支護(hù)全部破壞，造成地表房屋開裂，經(jīng)濟(jì)損失較大。坍方原因：快速封閉不到位

3、、襯砌跟進(jìn)不到位、量測未到位。（上臺(tái)階開挖83米，仰拱距掌子面126米，二襯距掌子面146米）。,6,南山口隧道大坍方照片,7,8,貴廣鐵路東科嶺隧道涌砂坍方（2010年1月19日發(fā)生）。坍方段埋深21m（屬淺埋），地質(zhì)為向斜構(gòu)造全風(fēng)化花崗巖，呈砂狀，開挖擾動(dòng)后呈流塑狀，地表為水田和常年流水水溝。進(jìn)口開挖到398米處，掌子面施作超前小導(dǎo)管時(shí)，突然發(fā)生涌砂坍方，涌砂量約800立方，隨后地面出現(xiàn)坍陷，坍坑直徑約35米。涌砂坍方原因：未進(jìn)行超前預(yù)報(bào)、未進(jìn)行超前加固、未進(jìn)行超前支護(hù),9,東科嶺隧道涌砂坍方照片,10,東科嶺隧道地面坍坑照片,11,張集鐵路舊堡隧道初期支護(hù)開裂變形（2010年2月26日發(fā)

4、生）。變形段隧道埋深約300米，地質(zhì)為麻粒巖夾輝綠巖脈，處于F3斷層影響帶，構(gòu)造節(jié)理發(fā)育，巖體破碎。進(jìn)口開挖到4136米處，初期支護(hù)工25b鋼架發(fā)生變形，變形速率151mm/d，隨后掌子面后方30米范圍內(nèi)初期支護(hù)扭曲變形，噴射混凝土開裂、掉塊，滲水量增大。該段變形原因：由于對(duì)工程地質(zhì)特性認(rèn)識(shí)不足，工法選擇不到位、支護(hù)措施不到位。,12,舊堡隧道初期支護(hù)變形開裂照片,13,集包鐵路新旗下營隧道坍方（2010年3月19日發(fā)生）。坍方段埋深約70米，地質(zhì)為變質(zhì)大理巖，前期施工時(shí)經(jīng)常發(fā)生局部掉塊。進(jìn)口開挖到370米處。后方56米位置初期支護(hù)（格柵鋼架）失穩(wěn)破壞坍方，造成多名作業(yè)人員遇難。坍方原因：支護(hù)

5、措施不到位、快速封閉不到位、量測不到位,14,新旗下營隧道坍方照片,15,2006年 3月21日:武康二線王家溝隧道坍方，8人受困。 5月16日:大麗線南場嶺隧道洞口坍方，6人受困。 5月21日:洛湛線雙牌二號(hào)隧道洞口坍方，1死3傷。 8月12日:鄭西客專秦東隧道坍方，2人死亡。 9月13日:武康二線系家山一號(hào)隧道坍方，2人死亡。 2006年發(fā)生事故5起，造成5死3傷14人受困,1.2事故統(tǒng)計(jì)與分析 統(tǒng)計(jì)2006年至今軟弱圍巖隧道發(fā)生事故,16,2007年 4月30日:太中銀吳堡隧道坍方，4死1傷。 7月15日:鄭西客專南山口隧道大坍方146米。 8月6日:石太客專南莊隧道坍方，2人死亡。 8

6、月6日:廣深港客專水田隧道洞口坍方，2人死亡。 9月2日:合寧線亭子山二號(hào)隧道坍方，5人死亡。 9月30日:蘭青二線八盤峽二號(hào)隧道坍方，8人受困。 2007年發(fā)生事故7起，造成13死2傷8人受困,17,2008年 1月9日:蘭青二線楊家店隧道坍方，2人死亡。 1月20日:鄭西客專盤東隧道坍方，3人死亡。 3月21日:田德線百安隧道坍方，2死3傷。 3月25日:包西線活沙兔隧道坍方，4人死亡。 7月15日:洛湛線古欖隧道坍方，1人死亡。 8月29日:西格二線克土隧道坍方，4死7傷。 2008年發(fā)生事故6起，造成16死10傷,18,2009年 2月17日:包西線寨山村隧道坍方，2人死亡。 3月8日

7、:石武客專木蘭隧道坍方，2死2傷。 3月16日:向莆線寶臺(tái)山隧道坍方，3死1傷。 7月19日:襄渝二線楊家溝隧道坍方，2人死亡。 8月1日:湘桂線梅子坳隧道洞口坍方，3人死亡。 10月29日:包西線新響沙灣隧道坍方，人員逃脫。 12月19日:包西線鄧家樓一號(hào)隧道坍方，6人受困。 2009年發(fā)生事故7起，造成12死3傷6人受困,19,2010年 1月14日:南廣線白云隧道突水突泥，5人死亡。 3月19日:集包線新旗下營隧道坍方，10人死亡。 7月11日:南黎線那適2號(hào)隧道坍方，10人死亡。 截止目前，2010年發(fā)生事故3起，已造成25人死 亡,20,對(duì)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，軟弱圍巖隧道事故主要表現(xiàn)在

8、三個(gè)方面： 一是洞口坍方，占20%。 二是掌子面變形坍方，占33%。 三是掌子面后方坍方“關(guān)門”，占47%。,21,據(jù)以上不完全統(tǒng)計(jì)，從2006年到2010年目前為止，4年多時(shí)間內(nèi)，軟弱圍巖隧道發(fā)生事故28起，死亡71人，事故發(fā)生之頻繁，死亡人數(shù)之多，令人心痛。究其原因，主要有兩個(gè)方面，一是客觀上地質(zhì)和環(huán)境的復(fù)雜性，二是主觀上技術(shù)措施、施工方法及工藝、現(xiàn)場管理等原因。因此，提高對(duì)軟弱破碎圍巖的認(rèn)識(shí)，提高設(shè)計(jì)和施工水平，做到“三超前、四到位、一強(qiáng)化”，對(duì)杜絕工程事故的發(fā)生十分重要。,22,2 軟弱圍巖隧道地質(zhì)特征和工程特點(diǎn),23,2.1軟弱圍巖隧道地質(zhì)特征 圍巖強(qiáng)度低，承載能力低。如粘性土、粉土

9、、砂類土、黃土、全風(fēng)化巖體等。 節(jié)理發(fā)育、破碎、自穩(wěn)能力差。如巖體破碎的泥巖、頁巖、砂巖、千枚巖、板巖等。 斷層帶散體結(jié)構(gòu)、自穩(wěn)能力極差。受構(gòu)造影響，斷層帶結(jié)構(gòu)面雜亂無序，呈角礫、縻棱狀或碎裂結(jié)構(gòu)，充填泥質(zhì)或泥夾巖屑。,24,2.2軟弱圍巖隧道工程特點(diǎn) 軟弱圍巖強(qiáng)度低、自穩(wěn)能力差，隧道開挖后地應(yīng)力重新分布，使隧道周邊產(chǎn)生較大的松動(dòng)圈。一旦工程措施（包括設(shè)計(jì)措施）和施工方法不當(dāng)，將極易發(fā)生初期支護(hù)變形侵限和隧道坍方等工程事故。因此，軟弱圍巖隧道施工的核心是“控制變形、防止坍方”。,25,3 軟弱圍巖隧道施工技術(shù),26,軟弱圍巖隧道施工，應(yīng)在以下七個(gè)方面予以重視，實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化施工管理，從而避免變形和

10、坍方事故的發(fā)生。 超前預(yù)報(bào) 超前加固 超前支護(hù) 開挖工法 初期支護(hù) 二次襯砌 監(jiān)控量測,27,3.1超前預(yù)報(bào) 現(xiàn)場時(shí)常會(huì)遇到實(shí)際開挖揭示的地質(zhì)與設(shè)計(jì)提供的地質(zhì)存在較大差異，引起技術(shù)措施和施工方法的變化。因此，除設(shè)計(jì)階段加強(qiáng)地質(zhì)勘察外，施工階段也必須進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，這一點(diǎn)尤為重要。,地質(zhì)素描、物探、超前鉆探方法是軟弱圍巖超前預(yù)報(bào)的主要手段。 在破碎帶和斷層地段，加強(qiáng)超前長、短鉆孔，及時(shí)探明隧道前方地質(zhì)情況，特別是地下水較發(fā)育的隧道，嚴(yán)禁在未探明情況下盲目開挖。,28,參建各方都應(yīng)該重視施工階段超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，建立責(zé)任制，明確責(zé)任和分工。高和極高風(fēng)險(xiǎn)隧道，必須進(jìn)行超前地質(zhì)預(yù)報(bào)的專項(xiàng)設(shè)計(jì)。,

11、29,3.2超前加固 在斷層破碎帶和軟弱地層，特別是富含水時(shí)，必須對(duì)圍巖進(jìn)行超前加固，改良地層，確保隧道安全施工。 必須配備專業(yè)隊(duì)伍、專業(yè)設(shè)備，進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)，保證加固效果。 目前，常用的圍巖加固方法是注漿法。 注漿法主要分全斷面注漿和局部注漿兩種。在富水?dāng)鄬拥貛?，通常采取全斷面注漿。,30,全斷面注漿法鉆孔數(shù)量多，施作周期長；局部注漿是針對(duì)隧道前方地層特點(diǎn)，對(duì)薄弱部位進(jìn)行注漿，鉆孔數(shù)量少，施作周期短。 無論是全斷面注漿，還是局部注漿，都要求必須配備先進(jìn)的鉆孔注漿設(shè)備，必須采取信息化注漿。,31,別巖槽隧道F1斷層全斷面注漿照片,32,齊岳山隧道F11斷層信息化注漿照片,33,注漿加固范圍 縱向

12、加固長度應(yīng)根據(jù)鉆機(jī)能力和地層特點(diǎn)確定，一般為2030m。特殊地層條件下，應(yīng)及時(shí)調(diào)整縱向注漿加固長度，否則既影響進(jìn)度，又影響質(zhì)量。 環(huán)向加固厚度一般為35m，局部可增加到58m。,34,中國產(chǎn)MGJ-50鉆機(jī),中國產(chǎn)XY-2PCG鉆機(jī),該類鉆機(jī)最大扭矩20003000Nm 鉆進(jìn)速度35m/h,35,中國產(chǎn)MZ200鉆機(jī) 最大扭矩3400Nm 鉆進(jìn)速度515m/h,36,日本產(chǎn)RDP-150鉆機(jī) 最大扭矩8000Nm 鉆進(jìn)速度1520m/h,37,日本礦巖RPD-180C多功能鉆機(jī) 最大扭矩8000Nm，鉆進(jìn)速度1520m/h,38,意大利C6鉆機(jī) 最大扭矩13550Nm 鉆進(jìn)速度2030m/h,

13、39,意大利產(chǎn)SM400鉆機(jī) 最大扭矩13630Nm 鉆進(jìn)速度2030m/h,40,德國KR805鉆機(jī) 最大扭矩27000Nm 鉆進(jìn)速度2530m/h,41,3.3超前支護(hù) 常用的超前支護(hù)方式有超前大管棚和超前小導(dǎo)管兩種。 超前大管棚：超前大管棚一般是在對(duì)沉降有嚴(yán)格要求時(shí)使用，適宜于淺埋洞口、堆積體、砂土質(zhì)地層、斷層破碎帶地層，以及下穿公路、鐵路、地面建筑物時(shí)采用。大管棚一般采用70mm159mm的鋼管，縱向長度10100m根據(jù)工程需要設(shè)置。,42,洞內(nèi)大管棚照片,43,設(shè)管棚工作間：一般施作管棚時(shí)都要設(shè)置管棚工作間，管棚工作間按鉆機(jī)特點(diǎn)設(shè)計(jì)，比隧道斷面加寬5070cm，工作間長度710m，如

14、果只進(jìn)行一個(gè)循環(huán)管棚施作，管棚工作間比較簡單。但如果循環(huán)多時(shí)，施作多個(gè)管棚工作間就存在著三個(gè)問題。,44,齊岳山隧道F11斷層前期管棚工作間照片,45,一是為施作工作間，隧道斷面加大后，開挖難度加大，開挖安全風(fēng)險(xiǎn)增加。 二是若循環(huán)注漿后未能按設(shè)計(jì)開挖到位，工作間尺寸將滿足不了要求，將無法進(jìn)行正常管棚作業(yè)。 三是由于管棚工作間采取擴(kuò)挖斷面方法，既增加了開挖費(fèi)用，又增加了回填混凝土的費(fèi)用，浪費(fèi)大。,46,無工作間管棚施作技術(shù)：在標(biāo)準(zhǔn)斷面采用頂進(jìn)器將管棚頂?shù)介_挖斷面外。該技術(shù)不需要擴(kuò)大斷面，不切割大量的管棚，降低了施工風(fēng)險(xiǎn)，提高了工效，節(jié)約了投資，應(yīng)大力推廣。,47,齊岳山隧道F11斷層后期無管棚工

15、作間照片,48,超前小導(dǎo)管：超前小導(dǎo)管是在對(duì)施工安全要求較高的條件下使用。在破碎圍巖、堆積體、砂土質(zhì)地層、斷層破碎帶中普遍采用。當(dāng)?shù)貙涌ㄣ@嚴(yán)重時(shí)，可采用自進(jìn)式錨桿。小導(dǎo)管一般采用32mm60mm的鋼管，縱向長度2.56m根據(jù)工程需要設(shè)置。小導(dǎo)管布設(shè)后根據(jù)地層穩(wěn)定情況，如需要可進(jìn)行注漿，加固周邊地層。,49,洞內(nèi)超前小導(dǎo)管施工照片,50,水平旋噴支護(hù)：軟塑土體、含水砂層等可采用水平旋噴進(jìn)行超前加固與支護(hù)。,51,預(yù)切槽支護(hù)：用特制的鏈?zhǔn)綑C(jī)械切刀沿?cái)嗝嬷苓呥B續(xù)切割出一條厚約數(shù)十厘米，深數(shù)米的窄槽，同時(shí)應(yīng)用與切刀一體化的混凝土灌注設(shè)備注入混凝土，形成一個(gè)連續(xù)的，起預(yù)先支護(hù)作用的混凝土拱殼。然后在“拱

16、殼”支護(hù)下進(jìn)行工作面的全斷面機(jī)械挖掘,52,預(yù)切槽法三維示意,53,3.4開挖工法 常用的開挖工法有臺(tái)階法、環(huán)形導(dǎo)坑（預(yù)留核心土）法、CD法、CRD法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等。 開挖工法應(yīng)根據(jù)地質(zhì)情況和地層加固情況確定。實(shí)施中根據(jù)地質(zhì)情況和量測成果及時(shí)調(diào)整工法。 開挖工法選擇時(shí)，原則上在確保安全條件下，應(yīng)從簡單到復(fù)雜，盡量減少開挖步驟。 現(xiàn)場施工應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行設(shè)計(jì)工法，不得擅自更改。,54,臺(tái)階法：該工法一般適合于級(jí)圍巖，要求臺(tái)階長度不大于1倍洞徑，仰拱距掌子面距離不大于2倍洞徑。,55,環(huán)形導(dǎo)坑(預(yù)留核心土)法：該方法利用核心土穩(wěn)定掌子面，然后開挖兩側(cè)邊墻、中部核心土，最后開挖仰拱。該工法步驟多，工藝要

17、求高。,56,目前，軟弱圍巖大斷面隧道多采用環(huán)形導(dǎo)坑法（三臺(tái)階七步流水法），出現(xiàn)的問題也最多，對(duì)該工法技術(shù)要求如下（雙線隧道）： 上臺(tái)階每循環(huán)開挖進(jìn)尺、級(jí)圍巖不大于1榀鋼架，級(jí)不大于2榀。 邊墻開挖進(jìn)尺不大于2榀。 仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿（管），每循環(huán)開挖進(jìn)尺不大于3m。 初期支護(hù)封閉成環(huán)位置距掌子面距離原則上不宜不大于2倍洞徑。 根據(jù)地質(zhì)、量測情況，設(shè)置臨時(shí)仰拱或橫撐。,57,環(huán)形導(dǎo)坑(預(yù)留核心土法)照片,58,CD法（中隔壁法）：該工法適合于淺埋地段或穿越建（構(gòu)）筑物時(shí)采用，以減少沉降，防止坍方。該工法是將隧道分為左右兩部分進(jìn)行開挖，先在一側(cè)采用臺(tái)階法分層開挖及支護(hù)，再開挖隧道另一

18、側(cè)。每臺(tái)階縱向長度35m。初期支護(hù)仰拱緊跟下臺(tái)階，封閉成環(huán)。,59,CRD法（交叉中隔壁法）：該工法在特殊條件下采用。該工法是將大斷面隧道上、下、左、右分塊開挖，并施作初期支護(hù)和臨時(shí)橫撐（臨時(shí)仰拱），每臺(tái)階縱向長度35m，步步封閉成環(huán)。,60,CRD工法開挖照片,61,雙側(cè)壁導(dǎo)坑法：該工法在特大斷面等特殊條件下采用。該工法先開挖隧道兩側(cè)導(dǎo)坑，再進(jìn)行中部開挖支護(hù)。工法特點(diǎn)：控制沉降變形好，但連接點(diǎn)多，受力復(fù)雜，對(duì)工藝要求高。,62,雙側(cè)壁導(dǎo)坑工法開挖照片,63,對(duì)于巖石強(qiáng)度低，環(huán)境要求高的隧道應(yīng)采用單臂掘進(jìn)機(jī)、銑挖機(jī)、機(jī)械破碎等開挖。,64,3.5初期支護(hù) 初期支護(hù)方式：錨網(wǎng)噴；錨網(wǎng)噴+鋼拱架，

19、鋼架形式有格柵鋼架、工字鋼、H型鋼。特殊地質(zhì)條件下使用噴鋼纖維混凝土。 初期支護(hù)受力特征：隧道開挖后短時(shí)間或變形量小時(shí)，初期支護(hù)與地層共同承受形變壓力。支護(hù)不及時(shí)或支護(hù)后變形量過大，巖體松動(dòng)后荷載加大，由初期支護(hù)完全被動(dòng)地承受松動(dòng)壓力。因此，必須保證初期支護(hù)的強(qiáng)度和剛度，及時(shí)支護(hù)，控制變形。,65,初期支護(hù)仰拱（臨時(shí)仰拱）及時(shí)閉合極其重要，閉合成環(huán)后，提高了結(jié)構(gòu)的承載能力，從而有效地控制變形、避免坍方。,66,技術(shù)要求 雙線隧道、級(jí)圍巖采用臺(tái)階法開挖時(shí)，必須設(shè)置鎖腳錨桿（管）等控制拱（墻）腳位移的措施。 雙線隧道級(jí)圍巖應(yīng)設(shè)置橫向臨時(shí)支撐或臨時(shí)仰拱，臨時(shí)支撐采用型鋼，縱向每2榀設(shè)1處。 鋼拱架宜

20、采用八字節(jié)格柵拱架。 鋼拱架應(yīng)工廠化制造，出廠前必須進(jìn)行檢驗(yàn)、試拼裝。 噴混凝土原則上采用濕噴工藝，特殊地質(zhì)條件下可另行設(shè)計(jì)。,67,3.6監(jiān)控量測 監(jiān)控量測是軟弱圍巖隧道安全施工的“眼睛”，是判斷結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、指導(dǎo)軟弱圍巖隧道安全施工“最重要”的信息化手段。不進(jìn)行監(jiān)控量測，將無法保證軟弱圍巖的安全施工。很多隧道的變形與坍方是因?yàn)闆]有進(jìn)行量測、或沒有使用量測成果才產(chǎn)生的，教訓(xùn)深刻。,68,監(jiān)控量測主要包括拱頂下沉和水平收斂，淺埋段應(yīng)進(jìn)行地表沉降量測。目前采用有尺量測的較多。由于隧道斷面大，采取有尺量測時(shí)，施工干擾大、耗時(shí)長。應(yīng)大力推廣采用全站儀利用貼片反射進(jìn)行量測。,69,技術(shù)要求 建立等級(jí)管理、信息反饋和報(bào)告制度。 隧道監(jiān)控量測必須設(shè)置專職人員，培訓(xùn)后上崗，實(shí)行專業(yè)化管理，城市隧道要引入第三方監(jiān)測。 量測斷面布置間距級(jí)圍巖10m（規(guī)程1030m）、級(jí)圍巖5m（規(guī)程510m）。 拱頂下沉或水平收斂速率達(dá)5mm/d或位移累計(jì)達(dá)100mm時(shí)，要暫停施工，分析產(chǎn)生原因，提出處理措施。 采用有尺量測時(shí)，測點(diǎn)掛鉤要做成閉合三角形，保證不變形、點(diǎn)接觸。,70,拱頂下沉量測照片,71,水平收斂量測照片,72,全站