黄土隧道施工注意事项和应对措施

1山西中南部铁路通道黄土隧道安全施工注意事项和应对措施晋豫鲁铁路通道股份有限公司二0一一年三月2山西中南部铁路通道黄土隧道概况山西中南部铁路通道全线隧道共计188座，总长度367.261km，穿越黄土隧道总长45.544km，占隧道总长的12.4%。Ⅳ、Ⅴ级围岩占了全线隧道总长的75%。山西中南部铁路通道瓦塘至汤阴东段自2010年4月9日开工以来，黄土隧道施工安全问题十分突出，主要表现在隧道掌子面与马口开挖段塌方，山体开裂等现象，先后出现了张家山1号、东川1号隧道关门事故；青龙隧道、临县隧道、杨家掌隧道山体开裂等现象，塌方后难于施救和处理。所以，黄土隧道施工安全成为我们施工管理中需要进一步研究和管控的重点。3主要内容一黄土的特性二黄土隧道施工1.施工前准备2.洞口施工3.洞口段安全4.隧道开挖5.隧道二衬6.附属洞室施工7.人员培训教育8.应急演练9.隧道施工现场管理4一黄土的特性黄土是第四纪干旱、半干旱气候条件下形成的一种特殊土，基本色调是黄色，分新黄土、老黄土、粉质粘土。颗粒成分以粉粒为主，颗粒直径小于0.005mm，约占整个颗粒的50～75%,大于0.25mm的颗粒几乎没有，同时黄土层理不明显，具柱状节理，垂直节理发育，直立性强，有堆积间断的剥蚀面，黄土表层多具有湿陷性，容易产生潜在的剥蚀而形成坍穴。老黄土基本特性：老黄土由于其颗粒间的大孔隙多数经过地质的严密积压过程而不具有湿陷性，土体承载力较高，一般老黄土埋深较大，含水率比新黄土高，一般为15～16%，与隧道位置原始地应力相比强度较低，容易发生屈服形成塑性区，即易发生塑性变形，可进行柔性支护和适度释放塑性变形，但是如果无支撑或者支护强度不足会导致土体蠕变过大而形成塌方。5因为老黄土的变形存在蠕变这个特性，且有一个较长的发展过程，所以即使隧道内初期支护即使短期内无收敛和变形，也应该及时施工二次衬砌。不过对于老黄土而言，土体含水量的大小对施工的影响很大，会直接影响围岩的稳定、施工开挖和初期支护的安全，尤其是影响初期变形量的一个重要指标。新黄土特性：新黄土一般覆盖在老黄土之上，厚度一般为30～50米，质地均匀，含水率较小，一般为5～10%，具有多孔性和垂直节理，有肉眼能看到的大孔隙，呈松散结构状态，密度较低，垂直节理面上因节理切割形成竖向的软弱层，软弱层之间粘聚力很小，多个软弱面互相切割，形成与周边围岩粘聚力很小的面状体，在下部隧道开挖过程中面状体容易塌落形成临空面，受开挖扰动和支护缺陷的影响，在自身重力的作用下形成塌方。同时由于新黄土地区的围岩应力释放快，即变形速度快，具有突然性，属于脆性破坏，所以现场施工中变形监测和控制尤为重要。根据以上简述的新、老黄土的特性，黄土隧道施工中最重要的就是严格把握“时空效应”。简单说就是，开挖空间不能大、二衬时间不能长、工序衔接要紧凑。6二、黄土隧道施工隧道施工前的准备工作中，施工图核对和地质条件、地形地貌复核是施工准备中的一个重要环节。原则上隧道进洞遵循“早进晚出”也是对地形、地质核对重要性的一个体现，故应该在施工前，组织相关人员对现场地形进行详细地勘察记录工作和对施工图进行细致核对工作，以达到提前发现问题，提前提出解决方案。1.施工前准备7隧道进洞前应首先核对隧道洞口是否处于偏压、浅埋或者滑坡体范围内。由于该地区大部分洞口位于黄土峁梁，线位高、坡面陡、桥隧相连，桥台与洞口相套，实施明洞和桥台比较困难，应增加相应的防护措施。2.1如果存在较大偏压，应考虑减载和反压或支挡的措施，避免开挖后洞内初期支护受偏压影响而发生开裂和变形；2.2如果洞口段存在浅埋，则应慎重考虑进洞的位置，可采取“先缩后伸”的措施。即：浅埋段明做，调整明暗交界的位置，暗洞进洞后根据现场条件及时延长明洞。一般隧道进出口和明挖段交界处均设置超前大管棚支护，如位于新黄土内且浅埋时，因浅埋新黄土会在隧道开挖后自身形成沉降槽，当沉降过大后垂直节理面会发生错滑，则大管棚导向墙不但不能实现超前支护的作用，反而会因为自重和新黄土土体共同对洞口段初期支护造成负面压力。此时导向墙应特殊设计。2.洞口施工82.3如果洞口段处于滑坡体内，则应及时和设计院进行沟通联系，对滑坡体的形成和稳定性进行技术鉴定，通过技术鉴定结果出台相应措施，并应充分考虑作为轴重30吨的重载铁路行车后的影响因素作为设计依据。2.4洞口边仰坡施工洞口边仰坡开挖过程中应自上而下一次开挖到位，按照设计支护参数一次性支护到位，如果是高边坡，必须预留一定的台阶，并且适当增加台阶宽度到2～3米，除保证土体稳定外，还可预留在台阶部位预留截、排水沟的空间，对突发性的大降雨起到安全应急作用。在此要求黄土质隧道和软弱围岩隧道明洞与洞门必须提前考虑施工，并完善洞口排水系统。2.洞口施工9开始进洞，是第一次真正意义上的对山体整体性的一次扰动，所以开始进洞的施工必须本着“稳扎稳打”的原则，提高管棚的超前支护效果，分短台阶分部进行开挖支护，掌子面施工25米后必须及时跟进仰拱，设计有明洞的，首先完成明洞仰拱施工，然后迅速完成暗洞内靠近洞口5米范围内的仰拱施工，同时二次衬砌台车及时拼装和调试，隧道掌子面完成开挖支护50米就必须开始完成洞口处第一组衬砌的施工。3.洞口段安全104.1开挖方法一般采用台阶法、三台阶七步开挖法和三台阶临时仰拱。施工中必须采用短台阶法施工，同一台阶两侧开挖必须错开至少3～4米，杜绝同一台阶的同一断面上出现同时开挖。施工中围岩发生变化即施工开挖方法需要变化时，应做好工艺转变的严格控制，尤其做好掌子面的封闭施工工作。4.2循环进尺和开挖步距严格控制各个台阶的循环进尺，是黄土隧道作为软弱围岩的直接体现。上台阶的单次开挖循环进尺控制在1～2榀拱架，中台阶及下台阶宜控制在2榀拱架以内。三台阶法施工台阶长度应控制在5米以内，二台阶法施工台阶长度应控制在10米左右。仰拱及二衬的步距无论Ⅳ级还是Ⅴ级都应按照统一指标进行控制，而且应该比120号文提高5米的标准。4.3开挖方式黄土隧道开挖应严格人工配合机械开挖，杜绝使用大型机械设备一次开挖到位。由于黄土本身强度低抗扰动性较差，使用大型机械设备一次开挖至设计断面，大面积的扰动往往出现超挖、损坏钢架等。施工中应预留一定的开挖断面（一般为预留20～30cm），后期由人工进行修面开挖至标准断面。4.隧道开挖台阶法施工立体图示台阶法施工台阶法施工3~5m三台阶七步开挖法三台阶七步开挖施工图示黄土隧道施工134.4控制超挖，杜绝支护缺陷黄土隧道开挖施工中，制定可行的开挖过程控制手段，减少机械设备对土体的扰动，杜绝和减少超挖，根据新、老黄土的特性，一旦出现一定程度的超挖，必须用喷射砼填平，杜绝对超挖部分用弃碴或片石回填。4.5核心土及反压土隧道核心土的留置至关重要，隧道洞身多位于老黄土内，掌子面的核心土留置可从一定意义上等同于隧道的初期支护，受老黄土塑性形变和蠕变特性的影响，核心土可有效约束掌子面（凌空面）和台阶底部的变形。施工中留置的宽度和长度至关重要，不能仅仅根据施工作业台架的大小来考虑核心土的大小。4.6初期支护隧道施工一直本着“宁强勿弱”的原则，必须严格按照设计的初期支护参数进行施工，初期支护必须在隧道开挖后及时施作，及时封闭成环。施工中严格控制钢拱架成品和半成品的加工质量，控制好腰部钢架的连接、锁脚锚管（锚杆）的锚固和连接。加强边墙锚杆质量控制，施工中出现初期支护变形开裂甚至垮塌的部位多数发生在腰部的连接部位。4.隧道开挖144.7浅埋地段的处理隧道通过浅埋地段时，如果地形条件允许，尽量采用地表处理的办法，可采用明挖、半明挖或盖挖等方法，以策安全。4.8围岩变更当隧道围岩分级几方存在争议时，按照降低一级围岩处理；围岩分级交替变化频繁，围岩较差地段必须向围岩较好段延伸5～10m。隧道内施工当断面发生突变时，存在应力集中，容易发生塌方，如斜井向正洞开挖、下锚关节，下锚段、安设通风机段，隧道内避车洞开挖等，必须引起设计、监理、施工方的调度注意，衬期支护参数要发生相应调整。4.9超前地质预报和监控量测必须按规定进行超前地质预报及监控量测，并将其纳入正常的施工工序，并指导现场施工。及时将超前地质预报及监控量测的结果向设计进行传递与反馈，实现优化设计和安全施工。4.隧道开挖15控制隧道塌方的最有效措施就是二衬及时跟进，在浅埋、偏压、沟谷地段，应尽量缩短开挖和二衬之间的距离，以减少暴露时间。特殊段落，可考虑单工序作业。围岩较差地段的衬砌应向围岩较好地段延伸，延伸长度宜为5～10m。偏压衬砌段应延伸至一般衬砌段内5m。5.隧道二衬16隧道施工时，附属洞室位置处初期支护应与其他部位相同。小避车洞可以在二衬施工到达时割除钢架做好防护和防水，与二衬同时施做。其他所有洞室均应在二衬完成后，单独另行开挖、支护和衬砌。附属洞室应在二衬之前设置锁口格栅钢架和超前小导管等，防止后期洞室顶部出现裂纹。其中洞室顶部与洞身初期支护交界面的阴阳面在铺设防水板时会存在焊接不牢的情况，以及深度较大的洞室混凝土振捣不到位的情况，需要加强过程中的质量控制，防止混凝土开裂和洞室渗漏水。6.附属洞室施工17采取多种形式加强人员培训教育是杜绝和减少施工安全问题和施工质量隐患的一个重要手段，培训工作要从安全意识入手，加强管理制度教育，从工艺、工序、工法控制上下功夫，提高管理人员和施工作业人员的思想认识。7.人员培训教育8.黄土质隧道施工注意事项8.1长时间停止施工的隧道，衬砌必须紧跟掌子面，停工时要对掌子面进行喷砼封闭，留下监控量测资料，开工时必须对隧道洞内外沉降变形情况进行监测对比，发现异常时，必须采取相应措施进行处理。8.2黄土的特性具有湿陷性，水对黄土影响很大，所以，在施工之前必须做好排水系统，避免水软化黄土。8.3黄土依据地质钻探发现，在地表有冲沟、新老黄土分界、土石分界处含水量比其他部位要高，黄土强度明显变低，施工中必须引起高度重视。8.4黄土隧道施工必须遵行“重核对，先排水、短进尺、少扰动、早成环、勤量测、快衬砌、工序紧”。19黄土隧道施工要时刻做好应对各种险情和突发事件的思想准备，除了加强组织管理和人员培训外，应建立符合各自实际的应急救援体系并加强演练，真正做到及时反应和有效救援，降低施工风险。9.紧急救援20全线所有隧道工程施工必须落实进洞人员实名制，实名制分两部份，一是管理人员，全面推行架子队管理，认真落实架子队九大员制度，即：队长、副队长、技术负责人、技术员、质量员、安全员、试验员、材料员、领工员；二是进洞施工人员，进场施工劳务工必须填写《劳务工花名册》，并对其身份进行认可。施工现场封闭制，主要是防止外来人员进入施工现场，防止破坏，造成安全事故。施工方法挂牌制，隧道施工方法要求经现场总监批准后，认真做好技术交底工作，挂牌在现场，并在施工中贯彻执行，隧道施工必须遵行“石变我变”的原则，动态调整施工方法。10.隧道施工现场管理要解决黄土质隧道施工安全问题，首先要解决一个思想问题，思想掌握一切，思想改变一切，思想通了，一通百通，今天讨论通过的黄土隧道施工方法或者说强制性要求首先在坐的各位要从思想上要通，回去后不折不扣的抓好贯彻落实。2011年3月24日于太原