1、0,鐵路軟巖隧道施工安全與質量控制北京鐵路局張?zhí)畦F路工程指揮部祝明洪二○一○年十一月,1,,前 言 目前在建鐵路山嶺隧道約6600公里，已規(guī)劃建設隧道7600公里，隧道呈現(xiàn)“三多”特點（隧道數(shù)量多、長大隧道多、風險隧道多）。其中軟弱圍巖隧道占有相當大的比例。 軟弱圍巖隧道施工，除地質條件差，還會遇到斷面大、埋深淺、下穿公路或建筑物等情況，從而使施工更加復雜，難度更大。目前，由于技術措施不合理、施工方法不當、施

2、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，教訓深刻。,2,如何提高軟弱圍巖隧道施工水平，預防變形和坍方，確保施工安全，其核心是抓住軟弱圍巖隧道工程特點，落實好“三超前、四到位、一強化”施工技術關鍵環(huán)節(jié)。 ●三超前：超前預報、超前加固、 超前支護 ●四到位：工法選擇到位、支護措施到位、 快速封閉到位、襯砌跟進到位 ●一

3、強化：強化量測,3,目 錄1 軟弱圍巖隧道變形、坍方事故案例2 軟弱圍巖隧道地質特征和工程特點3 軟弱圍巖隧道施工技術,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，地質為強風化粉砂巖及卵石土，采取臺階法施工。掌子面初期支護首先出現(xiàn)掉塊、開裂，3天后發(fā)生大坍方，坍方長度146米，洞內初期支護全部破壞，造成地表房屋開裂，經(jīng)濟損失較大。坍方原因

4、：快速封閉不到位、襯砌跟進不到位、量測未到位。（上臺階開挖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），地質為向斜構造全風化花崗巖，呈砂狀，開挖擾動后呈流塑狀，地表為水田和常年流水水溝。進口開挖到398米處，掌子面施作超前小導管時，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

5、坍方原因：未進行超前預報、未進行超前加固、未進行超前支護,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開裂變形（2010年2月26日發(fā)生）。變形段隧道埋深約300米，地質為麻粒巖夾輝綠巖脈，處于F3斷層影響帶，構造節(jié)理發(fā)育，巖體破碎。進口開挖到4136米處，初期支護工25b鋼架發(fā)生變形，變形速率151mm/d，隨后掌子面后方30米范圍內初期支護扭曲變形，噴射混凝土開裂、掉塊，滲水量增大。該段變

6、形原因：由于對工程地質特性認識不足，工法選擇不到位、支護措施不到位。,12,舊堡隧道初期支護變形開裂照片,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，地質為變質大理巖，前期施工時經(jīng)常發(fā)生局部掉塊。進口開挖到370米處。后方56米位置初期支護（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

7、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)計與分析 統(tǒng)計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

8、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:合寧線亭子山二號隧道坍方，5人死亡。9月30日:蘭青二線八盤峽二號隧道坍方，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2

9、5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:石武客專木蘭隧道坍方，2死2傷。3月16日:向莆線寶臺山隧道坍方，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

10、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,對統(tǒng)計數(shù)據(jù)進行分析，軟弱圍巖隧道事故主要表現(xiàn)在三個方面：一

11、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“關門”，占47%。,21,,據(jù)以上不完全統(tǒng)計，從2006年到2010年目前為止，4年多時間內，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，主要有兩個方面，一是客觀上地質和環(huán)境的復雜性，二是主觀上技術措施、施工方法及工藝、現(xiàn)場管理等原因。因此，提高對軟弱破碎圍巖的認識，提高設計和施工水平，做到“三超前、四到位、一強化”

12、，對杜絕工程事故的發(fā)生十分重要。,22,2 軟弱圍巖隧道地質特征和工程特點,23,2.1軟弱圍巖隧道地質特征圍巖強度低，承載能力低。如粘性土、粉土、砂類土、黃土、全風化巖體等。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。斷層帶散體結構、自穩(wěn)能力極差。受構造影響，斷層帶結構面雜亂無序，呈角礫、縻棱狀或碎裂結構，充填泥質或泥夾巖屑。,24,2.2軟弱圍巖隧道工程特點 軟弱圍巖強度低、自穩(wěn)能力差，隧

13、道開挖后地應力重新分布，使隧道周邊產(chǎn)生較大的松動圈。一旦工程措施（包括設計措施）和施工方法不當，將極易發(fā)生初期支護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,26,軟弱圍巖隧道施工，應在以下七個方面予以重視，實現(xiàn)標準化施工管理，從而避免變形和坍方事故的發(fā)生。◆超前預報 ◆超前加固 ◆超前支護 ◆開挖工法 ◆初期支護 ◆二次襯砌

14、 ◆監(jiān)控量測,27,3.1超前預報 現(xiàn)場時常會遇到實際開挖揭示的地質與設計提供的地質存在較大差異，引起技術措施和施工方法的變化。因此，除設計階段加強地質勘察外，施工階段也必須進行超前地質預報工作，這一點尤為重要。,地質素描、物探、超前鉆探方法是軟弱圍巖超前預報的主要手段。在破碎帶和斷層地段，加強超前長、短鉆孔，及時探明隧道前方地質情況，特別是地下水較發(fā)育的隧道，嚴禁在未探明情況下盲目開挖。,28,參建各方都應該重視施工階

15、段超前地質預報工作，建立責任制，明確責任和分工。高和極高風險隧道，必須進行超前地質預報的專項設計。,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，必須對圍巖進行超前加固，改良地層，確保隧道安全施工。 必須配備專業(yè)隊伍、專業(yè)設備，進行專項設計，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。在富水斷層地帶，通常采取全斷面注漿。,30,全斷面注漿法鉆孔數(shù)量

16、多，施作周期長；局部注漿是針對隧道前方地層特點，對薄弱部位進行注漿，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的鉆孔注漿設備，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 縱向加固長度應根據(jù)鉆機能力和地層特點確定，一般為20～30m。特殊地層條件下，應及時調整縱向注漿加固長度，否則既影響進度，又影響質量。環(huán)

17、向加固厚度一般為3～5m，局部可增加到5～8m。,34,中國產(chǎn)MGJ-50鉆機,中國產(chǎn)XY-2PCG鉆機,該類鉆機最大扭矩2000～3000N·m 鉆進速度3～5m/h,35,中國產(chǎn)MZ200鉆機最大扭矩3400N·m 鉆進速度5～15m/h,36,日本產(chǎn)RDP-150鉆機最大扭矩8000N·m 鉆進速度15～20m/h,37,日本礦巖RPD-180C多功能鉆機最大扭矩8000N·m，

18、鉆進速度15～20m/h,38,意大利C6鉆機最大扭矩13550N·m 鉆進速度20～30m/h,39,意大利產(chǎn)SM400鉆機最大扭矩13630N·m 鉆進速度20～30m/h,40,德國KR805鉆機最大扭矩27000N·m 鉆進速度25～30m/h,41,3.3超前支護 常用的超前支護方式有超前大管棚和超前小導管兩種。 ●超前大管棚：超前大管棚一般是在對沉降有嚴格要求時使用，

19、適宜于淺埋洞口、堆積體、砂土質地層、斷層破碎帶地層，以及下穿公路、鐵路、地面建筑物時采用。大管棚一般采用φ70mm～φ159mm的鋼管，縱向長度10～100m根據(jù)工程需要設置。,42,洞內大管棚照片,43,設管棚工作間：一般施作管棚時都要設置管棚工作間，管棚工作間按鉆機特點設計，比隧道斷面加寬50～70cm，工作間長度7～10m，如果只進行一個循環(huán)管棚施作，管棚工作間比較簡單。但如果循環(huán)多時，施作多個管棚工作間就存在著三個問題。,44,

20、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，開挖安全風險增加。二是若循環(huán)注漿后未能按設計開挖到位，工作間尺寸將滿足不了要求，將無法進行正常管棚作業(yè)。三是由于管棚工作間采取擴挖斷面方法，既增加了開挖費用，又增加了回填混凝土的費用，浪費大。,46,無工作間管棚施作技術：在標準斷面采用頂進器將管棚頂?shù)介_挖斷面外。該技術不需要擴大斷面，不切割大量的管棚，降低了施工風險，提高了工效，節(jié)約了投資

21、，應大力推廣。,47,齊岳山隧道F11斷層后期無管棚工作間照片,48,●超前小導管：超前小導管是在對施工安全要求較高的條件下使用。在破碎圍巖、堆積體、砂土質地層、斷層破碎帶中普遍采用。當?shù)貙涌ㄣ@嚴重時，可采用自進式錨桿。小導管一般采用φ32mm～φ60mm的鋼管，縱向長度2.5～6m根據(jù)工程需要設置。小導管布設后根據(jù)地層穩(wěn)定情況，如需要可進行注漿，加固周邊地層。,49,洞內超前小導管施工照片,50,●水平旋噴支護：軟塑土體、含水砂層等可

22、采用水平旋噴進行超前加固與支護。,51,預切槽支護：用特制的鏈式機械切刀沿斷面周邊連續(xù)切割出一條厚約數(shù)十厘米，深數(shù)米的窄槽，同時應用與切刀一體化的混凝土灌注設備注入混凝土，形成一個連續(xù)的，起預先支護作用的混凝土拱殼。然后在“拱殼”支護下進行工作面的全斷面機械挖掘,52,預切槽法三維示意,53,3.4開挖工法 常用的開挖工法有臺階法、環(huán)形導坑（預留核心土）法、CD法、CRD法、雙側壁導坑法等。開挖工法應根據(jù)地質情況和地層加固情

23、況確定。實施中根據(jù)地質情況和量測成果及時調整工法。開挖工法選擇時，原則上在確保安全條件下，應從簡單到復雜，盡量減少開挖步驟?，F(xiàn)場施工應嚴格執(zhí)行設計工法，不得擅自更改。,54,●臺階法：該工法一般適合于Ⅳ級圍巖，要求臺階長度不大于1倍洞徑，仰拱距掌子面距離不大于2倍洞徑。,55,●環(huán)形導坑(預留核心土)法：該方法利用核心土穩(wěn)定掌子面，然后開挖兩側邊墻、中部核心土，最后開挖仰拱。該工法步驟多，工藝要求高。,56,目前，軟弱圍巖大斷面隧道

24、多采用環(huán)形導坑法（三臺階七步流水法），出現(xiàn)的問題也最多，對該工法技術要求如下（雙線隧道）：上臺階每循環(huán)開挖進尺Ⅴ、Ⅵ級圍巖不大于1榀鋼架，Ⅳ級不大于2榀。邊墻開挖進尺不大于2榀。仰拱開挖前必須完成鋼架鎖腳錨桿（管），每循環(huán)開挖進尺不大于3m。初期支護封閉成環(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、量測情況，設置臨時仰拱或橫撐。,57,環(huán)形導坑(預留核心土法)照片,58,●CD法（中隔壁法）：該工法適合于淺埋地段或穿

25、越建（構）筑物時采用，以減少沉降，防止坍方。該工法是將隧道分為左右兩部分進行開挖，先在一側采用臺階法分層開挖及支護，再開挖隧道另一側。每臺階縱向長度3～5m。初期支護仰拱緊跟下臺階，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，并施作初期支護和臨時橫撐（臨時仰拱），每臺階縱向長度3～5m，步步封閉成環(huán)。,60,CRD工法開挖照片,61,●雙側壁導坑法：該工法在特大斷面等

26、特殊條件下采用。該工法先開挖隧道兩側導坑，再進行中部開挖支護。工法特點：控制沉降變形好，但連接點多，受力復雜，對工藝要求高。,62,雙側壁導坑工法開挖照片,63,對于巖石強度低，環(huán)境要求高的隧道應采用單臂掘進機、銑挖機、機械破碎等開挖。,64,3.5初期支護初期支護方式：錨網(wǎng)噴；錨網(wǎng)噴+鋼拱架，鋼架形式有格柵鋼架、工字鋼、H型鋼。特殊地質條件下使用噴鋼纖維混凝土。初期支護受力特征：隧道開挖后短時間或變形量小時，初期支護與地層共同承

27、受形變壓力。支護不及時或支護后變形量過大，巖體松動后荷載加大，由初期支護完全被動地承受松動壓力。因此，必須保證初期支護的強度和剛度，及時支護，控制變形。,65,●初期支護仰拱（臨時仰拱）及時閉合極其重要，閉合成環(huán)后，提高了結構的承載能力，從而有效地控制變形、避免坍方。,66,技術要求 雙線隧道Ⅳ、Ⅴ級圍巖采用臺階法開挖時，必須設置鎖腳錨桿（管）等控制拱（墻）腳位移的措施。雙線隧道Ⅴ級圍巖應設置橫向臨時支撐或臨時仰拱，臨時支撐采用

28、型鋼，縱向每2榀設1處。鋼拱架宜采用八字節(jié)格柵拱架。鋼拱架應工廠化制造，出廠前必須進行檢驗、試拼裝。噴混凝土原則上采用濕噴工藝，特殊地質條件下可另行設計。,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”，是判斷結構穩(wěn)定性、指導軟弱圍巖隧道安全施工“最重要”的信息化手段。不進行監(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為沒有進行量測、或沒有使用量測成果才產(chǎn)生的，教訓深刻。,68

29、,監(jiān)控量測主要包括拱頂下沉和水平收斂，淺埋段應進行地表沉降量測。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，施工干擾大、耗時長。應大力推廣采用全站儀利用貼片反射進行量測。,69,技術要求 建立等級管理、信息反饋和報告制度。 隧道監(jiān)控量測必須設置專職人員，培訓后上崗，實行專業(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Ⅳ級圍巖10m（規(guī)程10～30m）、Ⅴ級圍巖5m（規(guī)程5～10m）。拱頂下沉或水平收斂速率達5

30、mm/d或位移累計達100mm時，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，測點掛鉤要做成閉合三角形，保證不變形、點接觸。,70,拱頂下沉量測照片,71,水平收斂量測照片,72,全站儀量測照片,73,3.7二次襯砌 由于目前初支＋二襯共同承載的設計方法，適時進行二次襯砌對安全施工十分重要，根據(jù)部有關要求：Ⅳ級圍巖二襯距掌子面距離不大于90m，Ⅴ級、Ⅵ級不大于70m，這些經(jīng)驗數(shù)據(jù)是十分重要的，現(xiàn)場必須嚴格執(zhí)行

31、。,74,下面介紹一下隧道洞口施工、高地應力地層施工應注意的幾個問題，以及新意法施工技術。 關于隧道洞口施工應注意的幾個問題“早進晚出”，對洞口不良地質可采取加長明洞、管棚法進洞等措施。一次刷坡到位，不允許上半斷面刷坡后進洞，這樣，進洞后再刷下半斷面時易引起洞口滑坍。盡早施作洞口工程。,75,洞口坍方照片,76,高地應力軟巖隧道施工的幾個問題超前預報。目前尚未系統(tǒng)開展掌子面地應力測試，這就給工程措施的制定造成困難。

32、錨桿加固。及時施作長錨桿加固圍巖，必要時采用預應力錨桿。初期支護剛度。合理選取支護剛度參數(shù)，防止變形侵限。必要時可施作雙層初期支護。超前釋放應力。目前現(xiàn)場進行了超前鉆孔、超前導洞釋放應力試驗，都沒有很好的效果，應繼續(xù)開展工程實踐及研究。,77,巖土控制變形分析法: 對掌子面超前加固后可全斷面機械化施工，不但可加快進度，而且施工安全度高，應在工程中應用和推廣。,78,結 語 近年來，軟弱圍巖隧道事故頻繁發(fā)生，不但造成了財