铁路软岩隧道施工安全与质量控制

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

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。

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

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

41软弱围岩隧道变形、坍方事故案例

51.1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）。

6南山口隧道大坍方照片

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

9东科岭隧道涌砂坍方照片10东科岭岭隧道道地面面坍坑坑照片片11张集铁铁路旧旧堡隧隧道初初期支支护开开裂变变形（（2010年2月26日发生生）。。变形段段隧道道埋深深约300米，地地质为为麻粒粒岩夹夹辉绿绿岩脉脉，处处于F3断层影影响带带，构构造节节理发发育，，岩体体破碎碎。进进口开开挖到到4136米处，，初期期支护护工25b钢架发发生变变形，，变形形速率率151mm/d，随后后掌子子面后后方30米范围围内初初期支支护扭扭曲变变形，，喷射射混凝凝土开开裂、、掉块块，渗渗水量量增大大。该段变变形原原因：：由于于对工工程地地质特特性认认识不不足，，工法法选择择不到到位、、支护护措施施不到到位。。12旧堡隧隧道初初期支支护变变形开开裂照照片13集包铁铁路新新旗下下营隧隧道坍坍方（（2010年3月19日发生生）。。坍方段段埋深深约70米，地地质为为变质质大理理岩，，前期期施工工时经经常发发生局局部掉掉块。。进口口开挖挖到370米处。。后方方56米位置置初期期支护护（格格栅钢钢架））失稳稳破坏坏坍方方，造造成多多名作作业人人员遇遇难。。坍方原原因：：支护护措施施不到到位、、快速速封闭闭不到到位、、量测测不到到位14新旗下下营隧隧道坍坍方照照片152006年3月21日:武康二二线王王家沟沟隧道道坍方方，8人受困困。5月16日:大丽线线南场场岭隧隧道洞洞口坍坍方，，6人受困困。5月21日:洛湛线线双牌牌二号号隧道道洞口口坍方方，1死3伤。8月12日:郑西客客专秦秦东隧隧道坍坍方，，2人死亡亡。9月13日:武康二二线系系家山山一号号隧道道坍方方，2人死亡亡。2006年发生生事故故5起，造造成5死3伤14人受困困1.2事故统统计与与分析析统计2006年至今今软弱弱围岩岩隧道道发生生事故故162007年4月30日:太中银银吴堡堡隧道道坍方方，4死1伤。7月15日:郑西客客专南南山口口隧道道大坍坍方146米。8月6日:石太客客专南南庄隧隧道坍坍方，，2人死亡亡。8月6日:广深港港客专专水田田隧道道洞口口坍方方，2人死亡亡。9月2日:合宁线线亭子子山二二号隧隧道坍坍方，，5人死亡亡。9月30日:兰青二二线八八盘峡峡二号号隧道道坍方方，8人受困困。2007年发生生事故故7起，造造成13死2伤8人受困困172008年1月9日:兰青二二线杨杨家店店隧道道坍方方，2人死亡亡。1月20日:郑西客客专盘盘东隧隧道坍坍方，，3人死亡亡。3月21日:田德线线百安安隧道道坍方方，2死3伤。3月25日:包西线线活沙沙兔隧隧道坍坍方，，4人死亡亡。7月15日:洛湛线线古榄榄隧道道坍方方，1人死亡亡。8月29日:西格二二线克克土隧隧道坍坍方，，4死7伤。2008年发生生事故故6起，造造成16死10伤182009年2月17日:包西线线寨山山村隧隧道坍坍方，，2人死亡亡。3月8日:石武客客专木木兰隧隧道坍坍方，，2死2伤。3月16日:向莆线线宝台台山隧隧道坍坍方，，3死1伤。7月19日:襄渝二二线杨杨家沟沟隧道道坍方方，2人死亡亡。8月1日:湘桂线线梅子子坳隧隧道洞洞口坍坍方，，3人死亡亡。10月29日:包西线线新响响沙湾湾隧道道坍方方，人人员逃逃脱。。12月19日:包西线线邓家家楼一一号隧隧道坍坍方，，6人受困困。2009年发生生事故故7起，造造成12死3伤6人受困困192010年1月14日:南广线线白云云隧道道突水水突泥泥，5人死亡亡。3月19日:集包线线新旗旗下营营隧道道坍方方，10人死亡亡。7月11日:南黎线线那适适2号隧道道坍方方，10人死亡亡。截止目目前，，2010年发生生事故故3起，已已造成成25人死亡20对统计计数据据进行行分析析，软软弱围围岩隧隧道事事故主主要表表现在在三个个方面面：一是洞洞口坍坍方，，占20%。二是掌掌子面面变形形坍方方，占占33%。三是掌掌子面面后方方坍方方“关门”，占47%。21据以上上不完完全统统计，，从2006年到2010年目前前为止止，4年多时时间内内，软软弱围围岩隧隧道发发生事事故28起，死亡亡71人，事故故发生之之频繁，，死亡人人数之多多，令人人心痛。。究其原原因，主主要有两两个方面面，一是客观观上地质质和环境境的复杂杂性，二二是主观观上技术术措施、、施工方方法及工工艺、现现场管理理等原因因。因此，提提高对软软弱破碎碎围岩的的认识，，提高设设计和施施工水平平，做到到“三超前、、四到位位、一强强化”，对杜绝绝工程事事故的发发生十分分重要。。222软弱围岩岩隧道地地质特征征和工程程特点232.1软弱围岩岩隧道地地质特征征围岩强度度低，承承载能力力低。如粘性土土、粉土土、砂类类土、黄黄土、全全风化岩岩体等。。节理发育育、破碎碎、自稳稳能力差差。如岩体破破碎的泥泥岩、页页岩、砂砂岩、千千枚岩、、板岩等等。断层带散散体结构构、自稳稳能力极极差。受构造影影响，断断层带结结构面杂杂乱无序序，呈角角砾、縻縻棱状或或碎裂结结构，充充填泥质质或泥夹夹岩屑。。242.2软弱围岩岩隧道工工程特点点软弱围岩岩强度低低、自稳能能力差，，隧道开挖挖后地应应力重新分布，使隧道道周边产产生较大大的松动动圈。一一旦工程措施施（包括设设计措施施）和施施工方法法不当，将极易发生初期期支护变形侵限和隧道坍坍方等工程程事故。因因此，软弱围岩岩隧道施施工的核心是“控制变形、防止坍方”。253软弱围岩岩隧道施施工技术术26软弱围岩岩隧道施施工，应应在以下下七个方方面予以以重视，，实现标标准化施施工管理理，从而而避免变变形和坍坍方事故故的发生生。◆超前预预报◆超前加加固◆超前支支护◆开挖工工法◆初期支支护◆二次衬衬砌◆监控量量测273.1超前预报报现场时常常会遇到到实际开开挖揭示示的地质质与设计计提供的的地质存存在较大大差异，，引起技技术措施施和施工工方法的的变化。。因此，，除设计计阶段加加强地质质勘察外外，施工工阶段也也必须进进行超前前地质预预报工作作，这一一点尤为为重要。。地质素描描、物探探、超前前钻探方方法是软软弱围岩岩超前预预报的主主要手段段。在破碎带带和断层层地段，，加强超超前长、、短钻孔孔，及时时探明隧隧道前方方地质情情况，特特别是地地下水较较发育的的隧道，，严禁在在未探明明情况下下盲目开开挖。28参建各方方都应该该重视施施工阶段段超前地地质预报报工作，，建立责责任制，，明确责责任和分分工。高高和极高高风险隧隧道，必必须进行行超前地地质预报报的专项项设计。。293.2超前加固固在断层破破碎带和和软弱地地层，特特别是富富含水时时，必须须对围岩岩进行超超前加固固，改良良地层，，确保隧隧道安全全施工。。必须配备备专业队队伍、专专业设备备，进行行专项设设计，保保证加固固效果。。目前，常常用的围围岩加固固方法是是注浆法法。注注浆浆法主要要分全断断面注浆浆和局部部注浆两两种。在在富水断断层地带带，通常常采取全全断面注注浆。30全断面注注浆法钻钻孔数量量多，施施作周期期长；局局部注浆浆是针对对隧道前前方地层层特点，，对薄弱弱部位进进行注浆浆，钻孔孔数量少少，施作作周期短短。无论是全全断面注注浆，还还是局部部注浆，，都要求求必须配配备先进进的钻孔孔注浆设设备，必必须采取取信息化化注浆。。31别岩槽隧隧道F1断层全断断面注浆浆照片32齐岳山隧隧道F11断层信息息化注浆浆照片33注浆加固固范围纵向加固固长度应应根据钻钻机能力力和地层层特点确确定，一一般为20～30m。特殊地地层条件件下，应应及时调调整纵向向注浆加加固长度度，否则则既影响响进度，，又影响响质量。。环向加固固厚度一一般为3～5m，局部可可增加到到5～8m。34中国产MGJ-50钻机中国产XY-2PCG钻机该类钻机最大大扭矩2000～3000N·m钻进速度3～5m/h35中国产MZ200钻机最大扭矩3400N·m钻进速度5～15m/h36日本产RDP-150钻机最大扭矩8000N·m钻进速度15～20m/h37日本矿岩RPD-180C多功能钻机最大扭矩8000N·m，钻进速度15～20m/h38意大利C6钻机最大扭矩13550N·m钻进速度20～30m/h39意大利产SM400钻机最大扭矩13630N·m钻进速度20～30m/h40德国KR805钻机最大扭矩27000N·m钻进速度25～30m/h413.3超前支护常用的超前支支护方式有超超前大管棚和和超前小导管管两种。●超前大管棚：：超前大管棚棚一般是在对对沉降有严格格要求时使用用，适宜于浅浅埋洞口、堆堆积体、砂土土质地层、断断层破碎带地地层，以及下下穿公路、铁铁路、地面建建筑物时采用用。大管棚一一般采用φ70mm～φ159mm的钢管，纵向向长度10～100m根据工程需要要设置。42洞内大管棚照照片43设管棚工作间间：一般施作管棚棚时都要设置置管棚工作间间，管棚工作作间按钻机特特点设计，比比隧道断面加加宽50～70cm，工作间长度度7～10m，如果只进行行一个循环管管棚施作，管管棚工作间比比较简单。但但如果循环多多时，施作多多个管棚工作作间就存在着着三个问题。。44齐岳山隧道F11断层前期管棚棚工作间照片片45一是为施作工工作间，隧道道断面加大后后，开挖难度度加大，开挖挖安全风险增增加。二是若循环注注浆后未能按按设计开挖到到位，工作间间尺寸将满足足不了要求，，将无法进行行正常管棚作作业。三是由于管棚棚工作间采取取扩挖断面方方法，既增加加了开挖费用用，又增加了了回填混凝土土的费用，浪浪费大。46无工作间管棚棚施作技术：：在标准断面采采用顶进器将将管棚顶到开开挖断面外。。该技术不需要扩大断断面，不切割割大量的管棚棚，降低了施施工风险，提提高了工效，，节约了投资资，应大力推推广。47齐岳山隧道F11断层后期无管管棚工作间照照片48●超前小导管：：超前小导管管是在对施工工安全要求较较高的条件下下使用。在破破碎围岩、堆堆积体、砂土土质地层、断断层破碎带中中普遍采用。。当地层卡钻严严重时，可采采用自进式锚锚杆。小导管一般采采用φ32mm～φ60mm的钢管，纵向向长度2.5～6m根据工程需要要设置。小导管布设后后根据地层稳稳定情况，如如需要可进行行注浆，加固固周边地层。。49洞内超前小导导管施工照片片50●水平旋喷支护护：软塑土体体、含水砂层层等可采用水水平旋喷进行行超前加固与与支护。51预切槽支护：用特制的链链式机械切刀刀沿断面周边边连续切割出出一条厚约数数十厘米，深深数米的窄槽槽，同时应用用与切刀一体体化的混凝土土灌注设备注注入混凝土，，形成一个连连续的，起预预先支护作用用的混凝土拱拱壳。然后在在“拱壳”支护下进行工工作面的全断断面机械挖掘掘52预切槽法三维维示意533.4开挖工法常用的开挖工工法有台阶法法、环形导坑坑（预留核心心土）法、CD法、CRD法、双侧壁导导坑法等。开挖工法应根根据地质情况况和地层加固固情况确定。。实施中根据据地质情况和和量测成果及及时调整工法法。开挖工法选择择时，原则上上在确保安全全条件下，应应从简单到复复杂，尽量减减少开挖步骤骤。现场施工应严严格执行设计计工法，不得得擅自更改。。54●台阶法：该工法一般适适合于Ⅳ级围岩，要求求台阶长度不不大于1倍洞径，仰拱拱距掌子面距距离不大于2倍洞径。55●环形导坑(预留核核心土土)法：该方法法利用用核心心土稳稳定掌掌子面面，然然后开开挖两两侧边边墙、、中部部核心心土，，最后后开挖挖仰拱拱。该该工法法步骤骤多，，工艺艺要求求高。。56目前，，软弱弱围岩岩大断断面隧隧道多多采用用环形形导坑坑法（（三台台阶七七步流流水法法），，出现现的问问题也也最多多，对对该工工法技技术要要求如如下（（双线线隧道道）：：上台阶阶每循循环开开挖进进尺Ⅴ、Ⅵ级围岩岩不大大于1榀钢架架，Ⅳ级不大大于2榀。边墙开开挖进进尺不不大于于2榀。仰拱开开挖前前必须须完成成钢架架锁脚脚锚杆杆（管管），，每循循环开开挖进进尺不不大于于3m。初期支支护封封闭成成环位位置距距掌子子面距距离原原则上上不宜宜不大大于2倍洞径径。根据地地质、、量测测情况况，设设置临临时仰仰拱或或横撑撑。57环形导导坑(预留核核心土土法)照片58●CD法（中中隔壁壁法））：该工法法适合合于浅浅埋地地段或或穿越越建（（构））筑物物时采采用，，以减减少沉沉降，，防止止坍方方。该该工法法是将将隧道道分为为左右右两部部分进进行开开挖，，先在在一侧侧采用用台阶阶法分分层开开挖及及支护护，再再开挖挖隧道道另一一侧。。每台台阶纵纵向长长度3～5m。初期期支护护仰拱拱紧跟跟下台台阶，，封闭闭成环环。59●CRD法（交交叉中中隔壁壁法））：该工法法在特特殊条条件下下采用用。该该工法法是将将大断断面隧隧道上上、下下、左左、右右分块块开挖挖，并并施作作初期期支护护和临临时横横撑（（临时时仰拱拱），，每台台阶纵纵向长长度3～5m，步步步封闭闭成环环。60CRD工法开开挖照照片61●双侧壁壁导坑坑法：：该工法法在特特大断断面等等特殊殊条件件下采采用。。该工工法先先开挖挖隧道道两侧侧导坑坑，再再进行行中部部开挖挖支护护。工工法特特点：：控制制沉降降变形形好，，但连连接点点多，，受力力复杂杂，对对工艺艺要求求高。。62双侧壁壁导坑坑工法法开挖挖照片片63对于岩岩石强强度低低，环环境要要求高高的隧隧道应应采用用单臂臂掘进进机、、铣挖挖机、、机械械破碎碎等开开挖。。643.5初期支支护初期支支护方方式：：锚网网喷；；锚网网喷+钢拱架架，钢钢架形形式有有格栅栅钢架架、工工字钢钢、H型钢。。特殊殊地质质条件件下使使用喷喷钢纤纤维混混凝土土。初期支支护受受力特特征：：隧道道开挖挖后短短时间间或变变形量量小时时，初初期支支护与与地层层共同同承受受形变变压力力。支支护不不及时时或支支护后后变形形量过过大，，岩体体松动动后荷荷载加加大，，由初初期支支护完完全被被动地地承受受松动动压力力。因因此，，必须须保证证初期期支护护的强强度和和刚度度，及及时支支护，，控制变变形。65●初期支支护仰仰拱（（临时时仰拱拱）及及时闭闭合极极其重重要，，闭合合成环环后，，提高高了结结构的的承载载能力力，从从而有有效地地控制制变形形、避避免坍坍方。。66技术要要求双线隧隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩岩采用用台阶阶法开开挖时时，必必须设设置锁锁脚锚锚杆（（管））等控控制拱拱（墙墙）脚脚位移移的措措施。。双线隧隧道Ⅴ级围岩岩应设设置横横向临临时支支撑或或临时时仰拱拱，临临时支支撑采采用型型钢，，纵向向每2榀设1处。钢拱架架宜采采用八八字节节格栅栅拱架架。钢拱架架应工工厂化化制造造，出出厂前前必须须进行行检验验、试试拼装装。喷混凝凝土原原则上上采用用湿喷喷工艺艺，特特殊地地质条条件下下可另另行设设计。。673.6监控量量测监控量量测是是软弱弱围岩岩隧道道安全全施工工的“眼睛”，是判判断结结构稳稳定性性、指指导软软弱围围岩隧隧道安安全施施工“最重要要”的信息息化手手段。。不进进行监监控量量测，，将无无法保保证软软弱围围岩的的安全全施工工。很很多隧隧道的的变形形与坍坍方是是因为为没有有进行行量测测、或或没有有使用用量测测成果果才产产生的的，教教训深深刻。。68监控量量测主主要包包括拱拱顶下下沉和和水平平收敛敛，浅浅埋段段应进进行地地表沉沉降量量测。。目前前采用用有尺尺量测测的较较多。。由于于隧道道断面面大，，采取取有尺尺量测测时，，施工工干扰扰大、、耗时时长。。应大大力推推广采采用全全站仪仪利用用贴片片反射射进行行量测测。69技术要要求建立等等级管管理、、信息息反馈馈和报报告制制度。。隧道监监控量量测必必须设设置专专职人人员，，培训训后上上岗，，实行行专业业化管管理，，城市市隧道道要引引入第第三方方监测测。量测断断面布布置间间距Ⅳ级围岩岩10m（规程程10～30m）、Ⅴ级围岩岩5m（规程程5～10m）。拱顶下下沉或或水平平收敛敛速率率达5mm/d或位移移累计计达100mm时，要要暂停停施工工，分分析产产生原原因，，提出出处理理措施施。采用有有尺量量测时时，测测点挂挂钩要要做成成闭合合三角角形，，保证证不变变形、、点接接触。。70拱顶下下沉量量测照照片71水平收收敛量量测照照片72全站仪仪量测测照片片733.7二次衬衬砌由于目目前初初支＋＋二衬衬共同同承载载的设设计方方法，，适时时进行行二次次衬砌砌对安安全施施工十十分重重要，，根据据部有有关要要求：：Ⅳ级围岩岩二衬衬距掌掌子面面距离离不大大于90m，Ⅴ级、Ⅵ级不大大于70m，这些经经验数数据是是十分分重要要的，，现场场必须须严格格执行行。74下面介介绍一一下隧隧道洞洞口施施工、、高地地应力力地层层施工工应注注意的的几个个问题题，以以及新新意法法施工工技术术。关于隧隧道洞洞口施施工应应注意意的几几个问问题“早进晚晚出”，对洞洞口不不良地地质可可采取取加长长明洞洞、管管棚法法进洞洞等措措施。。一次次刷刷坡坡到到位位，，不不允允许许上上半半断断面面刷刷坡坡后后进进洞洞，，这这样样，，进进洞洞后后再再刷刷下下半半断断面