隧道工程安全控制与管理

隧道工程安全控制与管理铁工教研室隧道施工关键点1、以确定合理的初期支护参数、控制塌方，保证隧道施工经济合理、结构安全。2、以隧道防排水施工达到预期目的、不产生渗漏水现象保证营运安全。3、以隧道净空、宽度、平面和纵面指标满足设计、施工规范要求，保证工程外观及内在质量，创优质工程。隧道工程施工要点隧道工程的施工要点，归纳起来就是—保护围岩—内实外美—重视环境—动态施工“保护围岩”：一层含义是不损伤围岩或少损伤遗留围岩的固有支护能力，这可以通过采用机械开挖技术和控制爆破技术予以解决；另一层含义是通过各种手段和方法，如采用支护技术、加固或预加固技术以及各种辅助施工技术增强围岩的自支护能力。隧道工程施工要点“内实外美”，关键是内实。而内实的关键就是要做到“四密实”，即混凝土密实、喷混凝土密实、喷混凝土与围岩密实（贴）、二次衬砌与初期支护密实（贴）。这牵涉到混凝土、喷混凝土、回填、支护接触等技术。“重视环境”也有两层含义：一层含义是指内部环境，即施工作业环境（主要是指施工通风、集尘技术、减少回弹技术），另一层含义是对外部环境，即对周边环境的影响。“动态施工”是指隧道施工过程中的地质条件是不断变化，其力学状态也是不断变化的，因此，施工过程就不可能是一成不变的。隧道施工控制关键点---准备阶段1、施工准备阶段由于客运专线铁路隧道断面较普通铁路隧道横断面大的多，尤其是隧道开挖宽度比较大，开挖面积达到140～163m2/m。使得隧道成为具有扁平形状的拱形结构。这样一来使开挖后的应力重分布变差，底脚处的应力集中过大，因而要求较大的地基承载力，拱顶范围不稳定，会形成较大的松弛地压。跨度越大，扁平形状的拱形支护结构的承载力相对较小。因此在施工准备阶段，各参建单位必须熟悉设计文件，核对现场地形、地貌、水文、地质情况。隧道施工控制关键点---准备阶段（1）施工方法的选择隧道的施工方法要根据断面形状、隧道长度、工期、地质、涌水、周围环境等条件综合确定。选择施工方法时要注意以下几点：①地形、地质的特殊性，如洞口段、埋深小的地段、易变形的地质状况等；②是否有限制条件，如对地表下沉的限制、地基承载力小等；③必要时要与辅助工法配合；④要尽量采用能够避免围岩松弛的施工方法，如在泥岩中可采用机械开挖等；⑤因上部断面扁平不能长时间放置，开挖后要及时用临时仰拱封闭。隧道施工控制关键点---准备阶段（2）施工技术的选择①光面爆破、使装药作业省力化。特别是因下半断面和仰拱的开挖部分所占比重增大，有必要开发适合此部位开挖的技术，控制爆破药量。②长锚杆是需要的，特别是在孔壁不能自稳的围岩中更为必要。因此，开发在不能自稳的围岩中打设长锚杆的技术是必要的。③喷混凝土的设计厚度和喷射量都变大了，因此，采用高效率、大容量的机械和高强混凝土，以控制厚度的增加，是必要的。④因开挖量的增加，需要采用大型出碴机械和连续出碴系统。⑤因大型机械投入施工，废气增多，要加强通风，要研究采用TBM导坑通风的可能性。⑥研究采用TBM导坑施工的合理方法和可能的技术。隧道施工控制关键点---准备阶段（3）关于现场布置和大临设施1．建一个好现场。即现场布置和临时设施要根据现场具体情况，本着有利施工、有利环保、有利相关工程施做、方便生活的原则一次做好，杜绝临时设施改来改去，从头做到尾。2．要按照长大隧道的施工要求配置生产要素，大临设施（包括：生活营区、施工便道、变压器房、空压机房、混凝土拌合站、原材料堆放场地、火工品库、油库、钢筋、钢构件加工厂、蓄水池、弃碴场等）必须高起点建设，避免添油战术。3．每个洞口的空压机站供风能力不应少于80m3/min的容量。4．混凝土搅拌站要加快建设，尽快形成生产能力，砂石料仓必须有足够的储存容量。5．要充分考虑当地的气候特点，切实搞好季节性施工的各项措施。隧道施工控制关键点---准备阶段(4)通风技术选择施工通风是控制长大隧道施工进度的关键因素之一，目前隧道施工的通风方式主要有管道式和巷道式通风两种。管道式通风由于管道的漏损和沿程损失都大，以及与施工特别是衬砌模板台车的干扰很大，如果独头掘进超过3km时，该通风方式则很难满足施工要求。巷道式通风方式风量损失小，没有管道与施工的干扰问题，是解决长大隧道施工通风的途径。隧道施工控制关键点---施工阶段2、施工阶段（1）洞口工程在洞口段、未固结围岩、断层破碎带等不稳定围岩中，特别是在扁平大断面隧道中，因开挖宽度和高度都大，不易于稳定，和拱脚处的应力集中、拱顶弯矩增大等，应尽量控制围岩松弛，为此，采取掌子面的稳定对策是极为重要的。掌子面稳定对策有分割掌子面、缩短一次进尺长度或采取辅助工法。隧道施工控制关键点---施工阶段对洞口工程的重点要求（验标）：1）环境保护的要求：符合国家及行业环境保护政策、法规的要求；2）施工安全的要求：边仰坡开挖不得采用洞室爆破、及时防护、清除危石。3）施工顺序和施工时间的要求：避开雨季；4）洞口排水工程：施作方法和施作时间。隧道施工控制关键点---施工阶段洞口工程地基承载力1)隧道洞门各结构物（端墙、翼墙、挡土墙）基底的地基承载力是结构安全的重要环节，基底开挖至设计标高后必须进行验收和地基承载力检测，判定其符合设计要求后方可进行下道工序施工，对于检验数量、方法在验标中均有相应规定。2)洞口工程的开挖、模板、钢筋、混凝土砌体、防护等分项工程要求详见验标有关规定。隧道施工控制关键点---准备阶段（2）关于隧道洞口段施工隧道洞口段施工主要有三个特点：一是隧道埋深浅，围岩风化严重，大多软弱破碎；二是容易受地表渗水的影响，弱化围岩；三是整个隧道结构在施工过程中，按承受全部覆土荷载考虑，施工荷载很大。因此，隧道洞口段施工必须遵循以下几个原则：1、对于比较集中的大股地表水，可以提前采取截流引排等措施，尽可能消除地表水下渗对隧道施工的影响。2、先护后挖。必须按设计要求做好超前小导管或超前管棚预注浆等加固围岩的工作，必要时，也可采取地表注浆等加固技术措施。3、软弱围岩大断面隧道施工要严格按设计采用三台阶临时仰拱法、CD法、CRD法或双侧壁导坑法，化大为小，分步开挖，步步为营。隧道施工控制关键点---施工阶段（2）关于隧道洞口段施工4、分步开挖台阶长度宜短，仰拱宜跟紧，衬砌宜早作。5、由于隧道按承受全部覆土荷载考虑，施工荷载很大，因此，必须保证初期支护的施作质量，严格按设计施作到位，初期支护应尽可能及早形成封闭的承载体系。6、要根据量测情况确定合理的预留变形量，避免变形侵限。7、必须加强监控量测工作，发现安全隐患，及时采取施工措施。隧道施工控制关键点---施工阶段（3）洞身开挖1）重点抓住以下四个方面：确保工程施工质量的关键要素：施工方案的可实施性和科学性；开挖过程中，对围岩进行观察和量测；严格控制隧道开挖质量；加强开挖面的地质素描和地质预报工作。其中隧底开挖：应确保边墙基础及隧底的开挖高程符合设计要求，边墙及隧底混凝土基础浇筑时，必须将基底清理干净，无积水浮渣，保证结构与围岩紧密结合。重视弃碴场防护工程。隧道施工控制关键点---施工阶段2）机械设备配套隧道施工机械基本上是由掘进、支护（初期和二次支护）、出碴运输及洞内作业环境的保障设备等四大部分构成。这四部分机械和设备的有机配合，就会形成强大的生产能力，但在配套中应将重点放在掘进和支护的机械选择上，因为这是形成生产能力的关键。在考虑施工机械配套时，应首先建立配套的目标函数。在铁路隧道中，配套的目标函数通常是用隧道的月均衡成洞速度（m/月）来表示。配套的生产能力＝1.2~1.5倍均衡生产能力隧道施工控制关键点---施工阶段（3）施工阶段围岩级别的判定施工阶段的围岩级别评定，目前主要有两类方法：一类是根据开挖暴露出来的掌子面观察的方法，一类是根据量测的方法。掌子面观察要绘制掌子面观察（素描）图、进行摄影等。观察中应该具体的记录以下各项：•地质状况及其分布、性质和掌子面的自稳性；•围岩的软硬、裂隙间距及方向等围岩状态；•断层的分布、走向、粘土化程度等；•涌水地点、涌水量及其状态；•软弱层分布•其它（监理的复核、设计的地质确认）隧道施工控制关键点---施工阶段（4）地质超前预报在长大隧道施工中，目前多采用地质超前预报。实施超前地质预报的目的为：•保证隧道施工安全，减少由于揭露发育不规律管道岩溶产生的大量突泥、涌水而带来的损失；•为动态设计、施工提供必要的地质参数，如：地下水压力、水量、管道岩溶的大小、方位及含煤地层的瓦斯参数、断层及泥化夹层的分布、岩体性状；•做好地质超前预报可以节省大量资金，通过超前预报，掌握前方地质、地下水状况，有针对性的采取施工防范措施，可以有效减少事故的发生，节约投资。隧道施工控制关键点---施工阶段岩石在开挖成洞后，由于受力结构平衡体系的破坏和应力的重分布，应及时采取支护，在隧道的设计过程中都要进行支护参数设计，如何选定既安全有效又节省的支护参数，对隧道塌方的预防起着不可忽视的作用。由于地质围岩的分类只是一个定性的概念，不是定量的，同一类围岩，其结构产状不尽相同，其自稳能力就不一致，此时支护参数的设计尤为重要，支护参数过大，增加工程的投入，支护参数过小，相同类别围岩自稳能力较差可能因支护强度不够，或要求更换支撑造成地应力再一次重分布，而引起塌方。特别是在临时支护方面，为减少工程投入，支护参数一般都较小，达不到国家标准要求。支护参数设计隧道施工控制关键点---施工阶段施工过程中的地质预报隧道是一个线状的隐蔽工程，一些长大隧道往往穿越崇山峻岭，穿过多种岩类，多个构造，跨越几个地质单元，因而隧道本身就十分复杂，施工前设计阶段的地质勘察只能从宏观上分析整个隧道区的基本地质情况，对可能出现的大断层、富水洞段和高应力段没有标识，或由于设备、方法的简陋，对垂直和水平埋深较大的洞段无法进行勘察，造成局部地质资料不足，因此施工过程中的地质预测预报必不可少，由于及时跟进掌子面的地质预测预报，对可能出现的局部地段围岩破碎引起失稳、塌方和可能遭遇的断层、涌沙、涌水都能及时预测清楚，有明确的位置、桩号、规模及发展趋势标识，能及时提醒施工人员采取合理的开挖和支护方法，预防塌方的发生。施工过程动态设计隧道施工控制关键点---施工阶段采用先进的综合探测技术预报水情和地质灾害----地质调查地质调查的重点：(1)调查地表水文地质状况，主要是地表水系(水库、泉井、溪流)的位置、标高、补给来源、流向等内容；(2)调查断层的位置所在、产状与富水性；(3)调查岩层褶皱的基本形态类型和轴面产状；(4)调查溶洞和暗河出人口位置，并分析其流径和隧道中心线的空间关系。根据设计资料和地表勘查报告，采用地面地质体投射法和断层参数预测法进行不良地质宏观预报。----用地震波探测仪进行超前探测预报（TSP203）预报的距离达掌子面前方一定距离。----掌子面地质描述隧道开挖后及时描述掌子面地质情况，绘制地质柱状图，预报断层、大的结构面等情况。----红外线探水用红外线探测仪，利用不同物体辐射场强差异，对隧道含水构造进行跟踪探测。隧道施工控制关键点---施工阶段TSP203地质超前预报系统TSP203的测试原理类似于小应变测桩，其假设声波是沿隧道向前一维传播的，碰到反射面后反射回来，其震源的布置也是力求促使形成沿隧道方向的平面波传播(相对于球面波)，从而获得隧道前方及周边的空间信息。与隧道轴线或呈大角度相交的面状软弱带，如断层、破碎带、软弱夹层、地下洞穴（含溶洞）以及地层的分界面等效果较好。而对不规则形态的地质缺陷或与隧道轴线平行的不良地质体，如几何形状为圆柱体或圆锥体的溶洞、暗河及含水情况探测有一定的局限性。隧道施工控制关键点---施工阶段TSP203/203+/202原理隧道施工控制关键点---施工阶段隧道施工控制关键点---施工阶段（6）隧道掌子面的稳定问题在大断面条件下，如何控制掌子面的稳定性，减少和预防掌子面出现坍塌的风险，是极为重要的。特别是在通过各种不良地质地段时。从风险的角度看，掌子面失稳有多种方式：·掌子面挤出；·掌子面拱部坍塌；·上半断面拱脚下沉；·底部鼓起等。隧道施工控制关键点---施工