隧道施工安全应注意的几个问题
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隧道施工安全应注意的几个问题
作者：吴应明 技术论文来源：本站原创 点击数：3475 更新时间：2007-4-27
隧道施工安全应注意的几个问题
吴应明
当前，二十局集团公司在建隧道多达100余座，总延长140余公里。一方面，表明我们已成为隧道及地下工程施工行业的一支重要力量，另一方面，隧道施工安全问题也随之被提上重要议事日程上来。隧道施工安全是一个复杂的系统工程，哪一个方面、哪一个阶段、哪一个环节的工作没有做好都可能酿成事故。如何有效地确保隧道施工安全，是摆在我们集团公司广大隧道施工管理者和技术人员面前的一个课题。
一、开挖是隧道施工的关键环节
开挖工作是隧道施工的第一流程，开挖工作的优越与否直接影响隧道施工的安全、质量和效益。提高光面爆破，可以减少对围岩的扰动，减少应力集中，有利于自然拱的形成，便于喷砼工艺，因此，隧道施工安全的关键是开挖。
良好的光面爆破可以减少超欠挖，这样减少了欠挖处理及超挖石碴的外运量，减少衬砌时砼的回填量，而且砼衬砌厚度均匀减少了应力集中。因此，开挖也是影响隧道衬砌工作的关键。
开挖是关键，还在于开挖决定了隧道的初始几何尺寸，表明了隧道的贯通及误差，一旦开挖出了问题，其它后续工序也就失去了意义，再次施工安全就很可能得不到保障。
爆破参数设计是光爆控制的重要环节，在综合考虑围岩状况、岩石整体性好坏、节理裂隙发育规律等多方面因素后，精确合理地设计爆破参数，降低工料消耗，提高光面爆破效果。
钻孔设备的选择对光面爆破的效果起重要作用，目前隧道开挖绝大多数采用人工开挖的方式，因此，操作手的经验及熟练程度至关重要。很多项
目在施工隧道前对操作人员进行了岗前培训，操作人员在施钻时抓住了“准、平、齐、直”的要点，同时对风枪进行了适当改进，改造了部分风枪油壶的位置，减少了钻爆形成的台阶，拱顶和边墙光面爆破均达到了很高的水准。
二、防坍是保证隧道施工安全的最重要环节
开挖中最重要的一点就是防塌。山岭隧道施工绝大部分采用传统的施工方法——钻爆法施工。钻爆法施工的山岭隧道由于受炸药爆破震动的影响，破坏了原有岩体内部受力平衡，当施工方法不当或支护不力时，围岩就会因失稳而发生坍塌。因此，采用钻爆法施工的山岭隧道如何防止坍方是确保隧道施工安全和工程质量的关键。
1.易发生坍方的地形和部位
在山区修建隧道，由于隧道穿越地区工程地质和水文地质的复杂多变，决定了山岭隧道的施工难度。下面列举容易发生塌方的地段和部位，以便遇到类似情况时能引起高度重视。
(1)容易发生塌方的地段
a.埋深较浅地段：山岭隧道埋深在200米以下时，围岩由于受到地表水侵蚀，岩层风化严重，如施工不当易发生塌方。
b.断层破碎带及断层影响带：因其围岩破碎，自稳能力差，并含有大量的填充物和地下水，如施工不当易发生塌方。
c.岩层接触带：因其岩层不同，且大多伴有小构造，如重视不够可能会发生塌方。
d.高应力地段：在软质围岩中，由于受到高地应力的影响，围岩变形较大，若支护不力极易发生坍方。
e.在高水位富水地段：岩溶呈不规律性分布，随时遇到意想不到的溶洞，若防备不及，溶洞内的填充物涌出或坍塌，也会给工程造成不利的影响。
(2)容易发生坍方的部位
a.隧道洞口：隧道洞口集埋深浅、石质较差、受力结构复杂等不利因素于一体，处理不当极易发生坍方。
b.隧道拱脚：当采用台阶法施工开挖下半断面时，若拱脚支护不力，极易造成坍方。
c.隧道墙脚：当进行检底施工时，措施不当墙脚悬空时，致使边墙失稳而发生偏帮。
d.隧道拱部：地质条件较差，拱部变形较大，支护强度不足时，易发生拱部坍塌。
e.隧道与隧道的交叉部位，即主洞与支洞交叉的部位，也就是通常所说的交叉三角区，如果处理不当，支护不力，极易发生坍方。
f.在水平岩层或近似水平岩层中，拱部易发生掉顶；在垂直岩层或近似垂直岩层中，边墙易发生偏帮。
2.防止出现坍方的预防措施
在山岭隧道施工中，如果施工方法及支护手
段使用不当，不仅不能加快施工进度，而且也不能保证工程质量和施工安全，易造成坍方。为此，特别强调：
（1）选择合适的施工方法
隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台阶法和分部开挖法三大类。
在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法（含环形开挖预留核心土法），其次是全断面法。在大断面隧道中，中隔壁法（CD法）、交叉中隔壁法（CRD法）和双侧壁导坑法采用较多。选择施工方法，并不完全决定于地质条件。地质条件仅仅是选择施工方法的一个因素，而更应强调的是：施工方法必须符合快速、安全、质量及环境的要求。其中环境因素有时成为选择施工方法的决定性因素。选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：
a.施工条件：实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本因素，它包括一个施工队伍所具备的施工能力、素质以及管理水平。目前我集团隧道施工队伍的素质和施工装备水平，有高有低，参差不齐，因此，在选择施工方法时，不能不考虑这个因素的影响。
b.围岩条件：也就是地质条件，其中包括围岩级别、地下水及不良地质现象等。围岩级别是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用。
c.隧道断面积：隧道尺寸和形状，对施工方法选择也有一定的影响。目前隧道断面有向大断面方向发展的趋势，如公路隧道已开始修建3车道甚至4车道的大断面，水电工程中的大断面洞室，更是屡见不鲜。在这种情况下，施工方法必须适应其发展。在单线和双线的铁路隧道中，越来越多地采用了全断面法及台阶法；而在更大断面的隧道工程中，先采用各种方法修小断面的导坑，再扩大形成全断面的施工方法极为盛行。
d.埋深：隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，通常将埋深分为浅埋和深埋两类，有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类。在同样地质条件下，由于埋深的不同，施工方法也将有很大差异。
f.工期：作为设计条件之一的施工工期，在一定程度上会影响基本施工方法的选择。因为工期决定了在均衡生产的条件下，对开挖、运输等综合生产能力的基本要求，即对施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。
g.环境条件：当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地下水条件的变化等不良影响时，环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一，在城市条件下，甚至会成为选
择施工方法的决定性因素。
(2)各种施工方法在不同围岩和隧道中适用情况
a.全断面法
适用于单线铁路隧道Ⅰ～Ⅲ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅰ～Ⅱ级围岩地段。通常采用全断面钻孔一次起爆方法。为控制好开挖轮廓，减少超欠挖，提高光面爆破效果，可推广预留光爆层的开挖方法。
b.台阶法
适用于单线铁路隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅲ级围岩地段。台阶数量和长度，要根据围岩条件而定。Ⅲ级围岩一般采用两台阶法；Ⅳ级围岩及Ⅲ级偏弱围岩，可改用三台阶法。
台阶法施工的循环进尺，要根据开挖跨度和围岩类别、自稳时间严格控制，并与初期支护钢架设计间距相对应。每次以架立1～2榀钢架为宜。
上部断面开挖视围岩自稳条件，可采用一次开挖成形和环形导坑预留核心土开挖法，该法适用于单线铁路隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩地段。当围岩自稳性很差时，必须采用小导管或锚杆(注浆)等超前支护措施；土质隧道还可采用人工预切槽，槽内嵌设钢架，喷混凝土预支护后再开挖的方法。
下部断面(中、下层台阶)是开挖作业的重要环节。近年来，在下部开挖中，因方法欠妥，作业不慎引起初期支护失稳造成的重大坍方事故已有多起，必须引起高度重视。在开挖顺序上，宜采用先挖侧槽、左右错开向前推进的做法，不宜采用拉中槽挖马口的方法。侧槽开挖长度，靠近边墙范围应采用风钻、风镐手工开挖，人工清壁扒碴，严禁使用重型机械开挖和装碴，以免对围岩过大扰动、破坏围岩和初期支护系统的整体稳定性。
c.分部开挖法
分部开挖法主要有双侧壁导坑法（适用于单线铁路隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅳ～Ⅵ级围岩）、中隔法（适用于单、双线铁路隧道Ⅴ级围岩、浅埋隧道及三线隧道）或交叉中壁法（适用于双线、三线隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩及浅埋隧道）。这些施工方法也适用于对地表沉降有严格限制的城市公路隧道。
双侧壁导坑法在控制地中和地表下沉方面，优于其它施工方法。此外，由于两侧导坑先行，能提前排放隧道拱部和中部土体中的部分地下水.为后续施工创造条件。因此城市浅埋、软弱、大跨公路隧道和山岭软弱破碎、地下水发育的大跨隧道可优先选用双侧壁导坑法。
d.进洞方法
进洞施工方法要根据洞口段地形、地貌和围岩条件而定。
洞口段为整体性好的Ⅰ、Ⅱ级
硬岩时，路堑成型后，即可按全断面法直接进洞。
洞口段为浅埋、坡积、软弱的Ⅳ、Ⅴ级围岩时，宜采用台阶法进洞。一般应结合洞口路堑施工分层开挖，到达暗洞进口里程前4m左右，沿设计开挖廓线外0.1m施作管棚(常用￠42mm小钢管，有条件的也可用￠89mm钢管)超前支护，而后按台阶法施工。拱部要采用环形开挖留核心土法，下部视情况分一层或两层开挖。为确保安全顺利进洞，暗洞前4m的初期支护通常做成套拱。当暗洞掘进20米左右后，要及时施作仰拱和二次衬砌。
(3)采用正确的支护手段和方法
除了施工方法安全合理实用外，采用合理、经济的施工支护手段也是防止隧道坍方的关键。隧道支护应根据不同的围岩级别及地质状况进行施作，对洞口存在堆积体、滑坡体、浅埋及软弱地层等不良地质隧道，可采用大管棚、小导管注浆超前支护，地表注浆加固及地面旋喷桩加固等措施。部分隧道洞口设置抗滑桩保证坡体的整体稳定，进洞后尽快施做洞门，确保进洞洞口安全；洞内软弱地层地段以锚、喷、网为主要支护手段，必要时加格栅钢架，强化支护措施，同时减少对岩体的扰动，抑制围岩过度松弛变形，确保洞内施工安全。
一次支护是主要受力结构，应按永久结构没计，且必须在其基本稳定后开始进行防水层和二次模筑衬砌，尚未稳定情况下，企图用模筑衬砌进行支护是不安全的，衬砌会产生开裂。若采用铺底超前、仰拱超前的模筑衬砌的方法，是有利于地层稳定的。一次支护由钢筋网、钢拱架、喷混凝上组成，钢拱架接头联结处设锁脚锚管(灌浆)。
二次衬砌为安全储备和承受部分流变荷载、地震力等。二次衬砌由模筑混凝土、钢筋混凝土两种型式组成。
3.施工中应注意以下问题
(1)浅埋或软弱围岩隧道正台阶施工不允许分长、中、微台阶，台阶长度为一倍洞径，第一个上台阶高度定为2.5m，有利于快速将顶部一次支护、网构钢架安装定位，有利于安全。小导管长度应为台阶高度加1m。所以，初期设置小导管长度3.5m是指台阶高度2.5m时的情况。
(2)大断面硬岩隧道宜采用小导洞超前爆破，可减震30％，取消预裂爆破。也可采用小TBM超前，钻爆法扩大。其优点为：(1)可以超前预报；(2)爆破减振30％，炸药比全断而爆破减少5％～10％；(3)扩大爆破，炮眼利用率为100％，所以提高开挖速度2～3倍：(4)炮眼半孔保仃率80％，线形超挖<10cm；(5)爆破碴堆、碴块均匀、集中，便于快速出碴；(6)纵向爆破冲击波小，对后部工序影响小。
(3)在任
何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。
(4)支护结构施工必须是一次支护从上向下施作，二次模筑衬砌必须从下向上施作。
（5）在软弱地层段隧道衬砌施工采取紧跟的原则：即衬砌施工以距掌子面不超过150米为限。仰拱超前、衬砌紧跟能在洞内迅速形成闭合环，防止围岩过度松弛变形，保证施工安全的作用更为显著。
(6)实施性施工组织设计必须把安全方案作为重要内容，从技术工艺、设备器材、作业流程、风险应对等各个方面做好预控措施。
三、必须坚持动态设计、动态施工、动态管理
必须遵循信息化反馈设计、信息化施工、信息化动态原理。设计人员必须及时修改图纸，必须尊重施工信息。必须在现场建立建设方牵头，以施工单位为主体的设计、监理动态管理小组，实现及时支护、及时封闭、及时量测、及时反馈、及时修正的地下工程管理办法。
现代隧道施工中，利用先进的信息技术，及时反馈地质变化情况和支护受力变形情况，适时调整施工方法和支护手段，准备预防应急措施，避免坍方施工的发生，确保施工安全。在目前隧道施工中，一般采用超前地质预探探报技术、监控量测技术等手段预报隧道开挖前方工程地质和水文地质情况，监测支护结构受力变形情况，为设计变更及施工中采取相应的施工方法和支护手段提供依据。
必须重视隧道的综合地质超前预报，将超前地质预报作为一道工序来保证。预报方法宜长短结合以短为主，预报范围前方≧30
m，隧道周边外l倍洞径，做为工序列入。预报方法：以钻孔为主，配合地质描述。
采用监控量测技术控制地表下沉和防塌方是最可靠的力法。监控量测是施工的核心，必须认真、快速获取结果，掌握洞身的变化特点，尤其要重视一倍洞径处的稳定性，这往往是塌方、变形的最危险时间的区段。必须重视时空变化效应，纵向一次支护的监控长度一般为洞径的6倍左右，6倍洞径以后必须确保结构的变化速率不变或快速减少，6倍洞径以内只允许施作仰拱和边墙基础，不允许模板台车进行边墙和顶部混凝土的灌注。
四、重视初期支护的施工质量
支护是安全的保证。初期支护应及时施作，早封闭，快成环，控制变形。开挖后，岩石暴露时间要控制在2～4小时以内，应先初喷4～5cm厚混凝土封闭岩面，然后安装格栅、锚杆等初期支撑，再复喷至设计厚度。软弱地层必须采用潮喷混凝土，不提倡湿喷混凝土。因湿喷工艺不过关，不能将围岩的的承载
力提高，形成围岩、喷层两张皮。湿喷早期强度低，回弹量大。潮喷可以把围岩裂隙阻死，形成围岩组成的承载拱，这正是强调围岩爆破后不找顶及时初喷的原因。喷射混凝土标号不得低于200号，ld龄期的标号小宜低于50号。
格栅钢架安装须符合设计位置，紧贴围岩，中间有空隙时，必须用喷混凝土充填密实，绝不允许填塞木柴和片石，出现“两层皮”现象；有很多隧道坍塌都是与初支背后空洞有关，这方面有血的教训，因此，施工中必须加强对此道工序的控制。两榀格栅钢架之间必须用斜拉杆焊接，拱脚处要根据现场情况采用纵向托梁、锁脚猫管（猫杆）或扩大拱脚等措施进行加强，这是保证下步开挖安全最重要的措施，必须认真落实；钢架落底接长时应沿隧道两侧交错进行，根据围岩条件每次接长1～3榀，上下格栅钢架必须对接牢固；格栅钢架安装好后，复喷混凝土到设计厚度，保护层厚度不得小于3～4cm。
锚杆根据设计要求和现场地质条件选用。一定要保证锚杆方向和数量，采用砂浆锚杆时要确保注浆饱满，稠度适中，锚杆插入深度不得小于设计长度的95％；有水地段优先采用药包式、楔缝式或缝管式锚杆，端头锚固锚杆一定要保证端头锚固部分的紧固质量。尾部必须加托板，托板应紧固密贴围岩和格栅，以提高锚固效果。
五、浅埋暗挖隧道施工原则
1.首先系统采用小导管超前支护技术。
2.设计采用8字形格栅拱架，做到在x，y2个方向实现等强度、等刚度、等稳定度。
3.突出快速施工，考虑时空效应，做到5个及时：及时支护、及时封闭、及时量测、及时反馈、及时修正。
4.采用复合式衬砌结构，一次支护由喷射混凝土、钢筋网、网构钢拱架组成。钢拱架联结处将索脚锚管和钢拱架焊接，形成一次支护。
5.浅埋暗挖法18字方针是施工的原则和要点的精辟总结，即：“管超前、严注浆、短进尺、强支护、早封闭、勤量测”。
6.拓宽浅埋暗挖法在有水、不稳定地层中应用时，要采用以注浆堵水为主，以降水为辅的原则。采用劈裂注浆加固和堵住80％的水源，降掉20％的少量裂隙水，以达到减少地表下沉的目的。
7.选择适宜的辅助施工工法。
常用的有：环形开挖留核心土；喷射混凝土封闭开挖工作面；超前锚杆或超前小导管支护；超前小导管周边注浆支护；设置上台阶临时仰拱；跟踪注浆加固地层；洞内真空泵降水、洞内超前降排水；洞外深井泵降水等。
8.大跨施工
应选择变大跨为小跨的施工方法，如CD法、双立柱法、柱洞法、中洞法、侧洞法等。在确保安全经济的前提下，开挖方法的选择次序应为：当开挖断面宽度大于10m以上时，应优先选用CD法，或者是双立柱法，在迫不得已情况下可考虑侧壁导坑法，或者CRD法。当开挖宽度小于10m时，应优先采用正台阶法，当下沉量控制不住时再考虑用CD法或CRD法，工程实践证明，如在北京地层浅埋情况下，当开挖宽度在12m以内时采用正台阶法是成功的。
9.长管棚的直径要和地层刚度相匹配，当Φ超过150mm时，对控制地表下沉作用很小。长管棚法一般在洞口段采用，在隧道内一般不宜采用，用双层小导管法是完全可以通过的。
10.仰拱应紧跟下台阶，超前于衬砌施工。Ⅳ级以下围岩段铺底宜超前施工，以便改善运输条件，方便衬砌作业。仰拱(铺底)施工前必须先将底部杂物、虚碴、积水排除干净，超挖时采用同标号混凝土或浆砌片石回填。
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