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透析隧道坍方及预防
2011-10-13 14:59:30   点击:

  在复杂地质条件下的隧道施工中经常发生较大的坍方,危害极大,着重阐述隧道坍方产生的原因、处理方法及预防措施。并运用平衡拱理论,指导和制定塌方处理方案,对同类隧道施工具有一定的借鉴意义。

  随着我国经济的高速发展,国力的增强、人民生活水平的提高,对交通的要求也越来越高。近年来,我国的高速公路、城际铁路、铁路客运专线、高速铁路、城市地铁、城市轨道交通等得到迅速发展,隧道及地下工程越来越多。对于隧道建设而言,通过近两个世纪的探索,形成了多种设计理论和工法,如矿山法、浅埋暗挖法、新奥法、挪威法等,这些设计理论和工法在隧道建设实践中发挥了十分重要的作用;但在具体实践中也出现了一些问题,尤其是一些坍方事故的发生,规模较大、造成了生命和财产损失、影响恶劣。这些事故的发生,血的教训,警示人们高度关注和重视隧道及地下工程的施工安全。

  1.隧道坍方的主要类型

  隧道或地下洞室在施工过程中发生的坍方形式是多种多样的,可以简单的列出以下一些形式:

  1.1根据施工隧道坍方的地点不同划分。

  1.1.1洞口段坍方:在进洞施工或在进洞一段距离(一般为50~200m)后发生的坍方。这类坍方因埋深浅、偏压、边坡失稳等原因会形成洞口滑坡、洞口坍塌,一般会坍至地表。

  1.1.2洞内工作面坍方:在开挖工作面发生的坍方。

  1.1.3洞内工作面后方坍方:距开挖工作面一定距离发生的坍方,这种坍方又被称为“关门坍方”,危害极大。

  1.2因施工目的不同划分。

  1.2.1导洞施工发生的坍方。

  1.2.2横洞施工发生的坍方。

  1.2.3斜井和竖井施工发生的坍方。

  1.2.4开挖避车洞引起的坍方。

  1.2.5处理欠挖时引起的坍方。

  1.3根据坍方规模和形式划分。

  1.3.1整体坍方:往往发生在软弱围岩中,从边墙或拱脚变形增大开始,进而波及到拱部,从而形成整个隧道坍塌。

  1.3.2顺层坍方:亦称为“顺层滑坍”,当岩层的层面较光滑,层间结合力差,或受节理相交的影响,岩体呈相对破碎状,在开挖后出现顺层的滑移现象。

  1.3.3局部掉块:严格地讲,局部掉块不能归入坍方范畴,因为它没有引起整体失稳。但掉块可大可小,当大到几立方米甚至几十立方米,也称之为坍方。这类坍方大都因为节理发育所致。

  2.隧道坍方的原因分析

  造成隧道坍方的因素是多方面的,有的是人为因素,有的是非人为因素,有的是由于经验不足,但都可以归结为管理原因。大致可以分为两大类,即自然因素和人为因素。

  2.1自然因素(地质因素)。

  大量工程事实证明,隧道及地下工程施工安全事故(坍方、塌陷)中起决定性的是地质因素。在勘探和施工过程中对地质情况认识不清,造成施工时出现了坍方:

  2.1.1在开挖的过程中,围岩的地质条件发生突变,如从Ⅲ级突然变化到Ⅴ级围岩,存在岩层分界面、岩土分界面等不利结构。

  2.1.2在隧道施工范围内、或隧道周边出现的断层、破碎带、软弱夹层、结构不利面、岩层的不整合接触带等。

  2.1.3出现了特殊的不良地质,如膨胀岩、高地应力、溶洞、涌水等。

  2.1.4地下水。地下水是使隧道围岩丧失稳定的重要原因,其影响主要有三个方面:一是软化围岩,软质岩石(土)体受水饱和后,其强度有不同程度的降低。如水浸入泥质岩层,能使岩质软化;水浸入无水石膏或以蒙脱石为主要成份的粘土,地层膨胀而对隧道产生极大的膨胀压力。二是软化结构面,泥质充填或具有软弱夹层的软弱结构面遇水后,即发生液化变软或填充物被冲走而降低结构面的抗剪强度,使岩体易于滑动。三是承压水作用,围岩受到水压作用后,更易失去稳定。

  2.2人为因素。

  2.2.1设计因素。

  2.2.1.1选线不合理。无论是公路、铁路,还是城市地铁,有时过多的考虑到投资等经济因素,线路的选择和确定不能百分之百从技术、地质、实际功能需求和可行性来考虑,出现一些选线不合理的情况。如果线路不合理,隧道穿越地层就有可能由好地层变为不良地质地段,就容易出现隧道坍方。比如南方某线因线位过低,使一长隧道处在沟谷底部,施工时隧道内地下水长流不断,水量巨大,多次出现突水、涌水和坍方事故,造成工期、成本的巨大损失。另一长大隧道,因考虑投资,将线路标高提高,原来的长隧道变短,但隧道通过的地层由原来较为稳定的岩层,变为土质地层与含水砂层接触带,给施工造成极大困难,造成工期、投资得不偿失。

  2.2.1.2洞口的位置选择不恰当,如位于较大的滑动体、断层之中,或存在偏压,从而引发洞口坍方。

  2.2.1.3设计的支护参数偏小,无法保证围岩从开挖后到二次衬砌施作这段时间内的稳定。

  2.2.1.4针对特殊不良地质地段,设计上给出的处理措施不当。

  2.2.2施工因素。

  2.2.2.1选择不正确的开挖方法,易引起坍方。

  一般情况为:开挖面积小于100m2隧道:Ⅱ、Ⅲ级围岩一般采用全断面法开挖,Ⅳ、Ⅴ级围岩一般采用台阶法开挖。

  开挖面积100~200m2隧道:Ⅱ级围岩采用全断面法开挖,Ⅲ、Ⅳ级围岩采用台阶法开挖、Ⅴ、Ⅵ级围岩采用CD、CRD法或侧壁导坑法进行开挖。

  对破碎、软弱围岩或大断面施工,要采取一些辅助措施配合开挖:上半断面采用环形开挖、留核心土,喷射混凝土封闭开挖工作面,设临时仰拱封闭成环;设超前锚杆、超前管棚、插板、预注浆加固等措施。隧道渗水或涌水较大情况下,应采取较为保守的施工方法。

  但施工中经常存在:施工方法与地质条件不相适应,地质条件发生变化,没有及时改变施工方法,如应该采用半断面开挖而实际采用了全断面,应该采用分步开挖的而实际采用了全断面或半断面等等;

  一次开挖进尺过长也极易导致坍塌事故的发生,特别是软弱破碎围岩地段,上半断面应一次开挖一榀钢架,下半断面Ⅳ级围岩不超过两榀钢架,Ⅴ级围岩不超过一榀钢架。以上情况,致使一次开挖跨度过大或高度过高,超出了围岩自身稳定自然拱跨度,使隧道周边围岩形成塑性滑移楔体,直接造成坍方或支护结构的剪力破坏;

  2.2.2.2选择不正确的施工方案,易引起坍方。

  (1)小间距隧道施工。

  未严格按小间距隧道设计规范进行施工。后行隧道未在先行隧道的模筑衬砌达到设计强度后进行,且后行的隧道开挖面未滞后先行隧道模筑衬砌不小于50m的距离。这样左右线隧道在同一横断面上同时施工或相距较近,会造成群洞效应,引起坍方。

  先行隧道开挖支护中存在涌水、涌泥、大变形等地段时,后行隧道必须在先行隧道施作二次衬砌后,且达到设计强度后方能进行施工。严禁在先行隧道未施作二次衬砌前,后行隧道施作注浆、开挖支护作业,引起先行隧道关门坍方。

  (2)偏压隧道施工。

  隧道建造中存在山体偏压的情况时,应先施工深埋一侧的隧道,可有效减少中间隔墙围岩的偏向及侧移,明显降低围岩塑性区面积,并有益于支护结构的稳定性。如先施工埋深较浅一侧,中墙的受力和倾斜均较大,会增加隧道坍塌的风险。偏压隧道应尽早施作洞口段的仰拱,封闭成环,使隧道整体受力,以减小隧道的偏压,支护结构剪切破坏,造成坍塌。

  (3)洞室、通道与正洞的交叉处的施工。

  Ⅳ、Ⅴ围岩洞室、横通道与正洞的交叉口处的施工应制定专项方案,采取横梁、套拱等加固方式进行开挖支护。严禁正洞钢架悬空,引起隧道坍塌。

  (4)大变形拆换拱架地段的施工。

  变形段处理应采取前后夹击的策略,应先施作变形段前后的仰拱、二次衬砌,待达到砼强度后,再进行变形段的处理。变形段拆换钢架必须逐榀拆除,每次拆换一榀,由上至下,每榀封闭成环,拆除一段(4-6米),衬砌一段。严禁多榀拱部钢架拆换,严禁多榀钢架不封闭成环的情况发生。

  2.2.2.3施工质量问题易造成坍塌事故。

  (1)施工过程中存在的工艺操作不符合施工技术规范要求,施工管理不到位,质量意识、安全意识不强也是造成塌方的另一个重要原因。常发生的施工质量问题有锚杆长度不足;锚杆砂浆不饱满或强度尤其早期强度不足;喷砼强度厚度达不到设计要求;钢支撑未完全由喷射砼包围密实、钢支撑与围岩之间存在空隙、钢支撑未置于稳定坚固的基础上等。以上质量问题直接造成支护抗力未达到设计要求或围岩未粘结紧密使无弯矩结构产生弯矩而导致塌方。

  (2)根据局部地质状况,需要采取超前支护(超前锚杆、管棚、注浆、小导管预注浆等)措施而未采取,或虽然已采取但其质量和效果未能达到要求。

  (3)初期支护未按设计的参数进行,如锚杆的长度、间距、喷射混凝土厚等,使围岩的稳定性达不到要求。

  (4)隧道的爆破设计有问题,造成对围岩的扰动过大。

  2.2.3管理因素:监管不到位。

  2.2.3.1未经上级技术部门同意,擅自改变施工方法,如开挖方式、支护方式等。

  2.2.3.2不严格遵守设计文件、施工组织设计、《隧道施工技术规范》、《隧道验收评定标准》的要求和规定组织施工,达不到“均衡生产、有序施工”的要求。

  2.2.3.3安全、质量意识淡薄,在施工中存在侥幸心理、偷工减料、弄虚作假等,造成支护质量远远达不到设计要求。

  2.2.3.4由于不合理工期、不合理造价等宏观决策,引起施工过程中强行追求进度,造成支护强度达不到应有的要求,从而引发坍方。

  2.2.3.5现阶段隧道的开挖都以新奥法理论为指导,但在实际施工中,常存在未能按规定进行量测,或信息反馈不及时,导致决策失误、措施不力而造成塌方的现象。未通过施工中对围岩和支护结构的动态观测,合理安排施工程序,修正不合理的设计和进行日常施工管理而出现坍方。

  3.塌方的处理依据

  塌方的处理必须建立在对塌方正确认识的基础上,塌方处理方案的制定如同战斗方案的制定,如果方案不当或失败,不但导致更大的经济损失,而且可能造成人员伤亡,故一般的处理原则是先巩固后方,防止塌方扩大,然后以安全的后方为依托或掩护再向前进行处理。经验认为塌方发生后在一定时间内就会趋于稳定,形成自然拱,而自然拱的高度、宽度与普氏平衡拱理论计算结果基本相符。

  3.1普氏平衡拱理论。

  前苏联学者M?M普洛托雅克诺夫(简称普氏)以松散理论为基础,认为在松散介质中开挖隧道后,隧道上方将形成抛物线的平衡拱,平衡拱高度h为:

  h=b/fm(m)

  式中:b平衡拱的半跨度(m),fm岩石坚固性系数。

  土层:fm=tgφ;岩石:fm=R/10.

  其中:φ土的摩擦角;

  R岩石的抗压极限强度(MPa),取值应考虑岩石天然层理、裂隙及节理的影响。

  在隧道侧壁稳定时,即拱部塌方时,平衡拱宽度就是开挖宽度,即b=bt(图1)

  当侧壁不稳定时,平衡拱宽度为:b=bt+Ht·tg(45°-φ/2)

  式中:Ht隧道净高(m);bt隧道净宽之半(m)(图2)。

  3.2塌方稳定分析及处理。

  对塌方后的稳定情况能否做出正确的判断是制定处理方案的关键,否则,不是冒险就是加大投入。一般情况下塌方发生后1~2天就基本稳定,除个别掉小块外,不再有大的坍塌,这时可根据工程地质资料及试验结果,确定岩石坚固性系数,再根据开挖情况,即可按平衡拱公式确定塌方高度,与现场对照,如果计算与实际基本相符,则说明塌方已经基本稳定,否则就要慎重对待。

  经过平衡拱稳定分析,确定塌方稳定后,即可着手进行处理,处理坍方的一般步骤如下:

  3.2.1第一步:坍方较小时,对塌穴进行喷射砼封闭处理。喷砼后,即使塌穴有危石或个别坍塌亦会及时发现,喷射砼在围岩面形成一保护层,亦是判断塌方稳定与否的最有效、最直接的参照或依据。塌穴初喷稳定后,可采用钢筋网、钢筋笼对塌穴进行喷砼回填。如坍塌较大,坍穴未外露,可直接实施第二步。

  3.2.2第二步:对坍塌体进行加固处理。

  在未坍塌隧道地段的坍塌体上施作套拱,施作超前大管棚并注浆对坍塌土体进行加固。有条件从地表对坍塌体加固的,可采用地表袖阀管注浆等注浆方式对坍塌体进行加固。

  3.2.3第三步:在超前支护保护下施作初期支护。对坍塌体的开挖可优先采用CRD法(四步或六步根据断面大小确定)进行开挖。施作初期支护时考虑适当的预留沉降量,即将断面适当放大。同时预埋注浆或回填砼的导管。待初支成环后,即可对坍塌空洞注浆或泵送砼进行回填。泵送砼回填时,应分次进行回填,以防止砼自重压跨初期支护。应根据坍塌体的大小计算回填量,第一次可在初支背后形成30~50cm的护拱,待砼有一定强度后方可进行再次回填作业,直至坍塌体被回填密实为止。

  3.2.4第四步:施作永久支护结构--二次衬砌。

  4.隧道工程坍方的预防及施工安全措施

  4.1设计阶段。

  4.1.1学规划、合理选线。

  4.1.2严格勘探、摸清地质。

  发生坍方概率较多的是地质较差的断层破碎带及浅埋偏压地段,因此摸清地质情况是确保隧道及地下工程施工安全最关键、最重要的环节,很多隧道坍方都是地质因素起决定性作用的。勘察单位要提高勘察精确度,充分探明工程水文地质条件,调查周边环境情况,确保勘察数据真实可靠;在勘察报告中要对复杂地质条件和周边环境及其可能给工程造成的危险,作出重点说明。设计单位要严格执行工程建设强制性标准,确保设计质量;在地形、地质条件复杂,可能发生滑坡、坍塌的工程中,要在设计方案中作出专门的安全防护考虑,才能有效预防坍方。

  4.1.3统筹考虑、精心设计。在每个设计阶段都有相应的具体工作内容和要求,按设计规范要求,精心设计。需要值得注意的是隧道及地下工程还要强调动态设计,即施工设计完后不是一成不变的,要根据施工监测获得的信息,及时进行数据处理和反馈,修改设计、调整 4.2施工阶段。

  隧道施工应从以下四个方面采取措施预防坍塌事故的发生:

  4.2.1合理的施工方案。

  对于隧道应认真核对实际的工程水文、地质、地貌、环境情况。根据现场实际制定隧道进洞专项施工技术方案。隧道施工专项方案应组织进行内部评审,必须由项目领导、技术部门、施作人员共同参加,在不同角度进行充分研讨,达成高度共识,形成符合现场实际、适合队伍作业特点、合理的施工方案。

  4.2.2铁的施工纪律。

  方案一旦确定,作业层必须不折不扣执行,不得随意更改。如确需变更,需征得总工同意后方可实施。现场施工时要严格控制爆破进尺,特别是软弱破碎围岩地段,Ⅳ级围岩不准超过两榀钢架,Ⅴ级不超过一榀钢架。尽可能减轻对围岩的扰动,最大限度维持围岩的原始状态。

  施工步距必须控制在合理的范围内:仰拱要及时施作,一次开挖长度不得超过1倍洞径,且及时封闭成环。仰拱距掌子面距离Ⅲ级围岩不超过90m,Ⅳ级围岩不超过50m,Ⅴ级及以上围岩不超过40m.

  现场施工管理人员、安检或质检工程师应加强对施工技术标准实施情况的监督检查。有权监督现场是否按设计、按标准施工,对违反规定进行施工的有权责令停工。凡发出的关于防止坍塌、确保安全、确保质量等方面的指令,必须认真执行。有不同意见的应先执行而后上报裁决。对拒绝执行指令的人员,要负全部责任并进行责任追究。施工中,只有杜绝施工纪律的“自由化”,做到令行禁止,才能严格按设计和技术规范进行施工,防止隧道的坍塌。

  4.2.3信息化的施工监测手段。

  隧道塌方的原因多种多样,但地质因素是决定性的,因此预防隧道塌方的根本措施是加强工程地质及水文地质工作。包括运用先进的科技手段对围岩稳定性进行探测、预报、分析等工作,为设计提供依据、指导现场施工。有效的方法是对洞内应进行地质超前预测预报,如物探和钻探等,探明前方的地质情况,进行分析判断围岩等级后指导施工和修改设计,以防突发性的坍方。

  监控量测是确保隧道安全施工的一种重要手段。在隧道施工中,成立专业的监测组,通过对围岩和支护的变形、受力等的量测,提供信息指导施工和修改支护参数。尤其对初期支护的监控量测更为重要,及时发现问题及时解决,以防初期支护的破坏导致坍方。

  4.2.4及时的二次衬砌。

  二次衬砌使围岩和支护结构形成一个整体,从而提高支护体系的安全度。原则上二衬施作,距掌子面Ⅰ、Ⅱ级围岩不超过200m,Ⅲ级围岩不超过120m,Ⅳ级及以上围岩不超过90m,但前方如有险情可及时跳段进行衬砌,灵活掌握。二次衬砌更多的作为隧道的安全储备,及时的施作可有效确保隧道安全,避免坍方的发生。

  5.结束语

  隧道坍方往往会造成人员伤亡和巨大的经济损失,施工过程中一定要把坍方防治作为一项重要工作来抓。只要对隧道的客观条件,特别是地质条件,有充分的认识,严格按设计和技术规范进行施工,做到“精心设计,精心施工”,隧道围岩坍塌,是可以防止的。发生围岩坍塌的技术原因与管理原因并存,但管理原因大于技术原因。从技术和管理两个方面而言,应在管理上下更大的功夫。在坍方的处理过程中,要认真分析坍方的原因,制定科学可行、便于施工的处理方案,及早处理,不留后患。

  参考文献:

  [1]中铁隧道集团二处,隧道防坍措施,2009(5)。

  [2]关宝树编著。隧道工程施工要点集。北京:人民交通出版社,2003.

  [3]陈豪雄,殷杰主编。隧道工程。北京:中国铁道出版社,2003.

  [4]朱汉华,尚岳全,符文熹,等著。公路隧道设计与施工新法。北京:人民交通出版社,2002.

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