隧道及地下工程的灾害、事故及其防治技术

1隧道及地下工程的灾害、事故及其防治技术张子新教授、博导同济大学地下建筑与工程系，上海，200092Tel（Fax):021-65982986E-mail:[e-mail]2介绍提纲一、隧道的灾害防护、保养与养护二、隧道及地下工程事故分析3一、隧道的灾害防护、保养与养护4•我国各类隧道均存在不同程度的病害。以隧道铁路为例：根据1997年技术状态检查统计，我国运营铁路有隧道5000余座。大部分存在不同程度的病害，有的还相当严重，其中发生失稳现象隧道3270座，占运营总数的65%现状5隧道主要病害包括：隧道水害、衬砌裂损、隧道冻害、震害、洞内空气污染和火灾6隧道水害与隧道防水7隧道水害的种类及其危害隧道渗漏水隧道渗漏，按发生的部位分为：拱部有渗水、滴水、漏水成线和成股射流四种，边墙有渗水、淌水两种，少数有涌水灾害。危害：隧道渗水对隧道稳定、洞内设施、行车安全、地面建筑和隧道周围水环境产生诸多不利影响甚至威胁。衬砌周围积水危害:•水压过大时导致衬砌破裂•软化围岩，从而加大衬砌压力，导致衬砌破裂•膨胀性围岩体积膨胀，导致衬砌破裂•寒冷地区引发冻胀病害8•潜流冲刷概念：由于地下水渗流和流动而产生的冲刷和溶蚀作用。危害：•衬砌基础下沉，边墙开裂或仰拱、整体道床下沉开裂•围岩滑移错动导致衬砌变形开裂•超挖回填不实或未全部回填着，引起围岩坍塌，导致衬砌破坏。910边墙溶洞出水11涌水12水害的成因•可以归结为客观和主观两方面原因：隧道穿越含水的不良地层隧道衬砌防水及排水设施不完善13•防水设计应考虑地表水、地下水、毛细管水等的作用，以及由于人为因素引起的附近水文地质改变的影响•防水原则：防、排、截、堵相结合，刚柔并济，因地制宜，综合治理。•隧道防水结构多采用塑料板防水层和防水混凝土。同时要重视混凝土的“裂缝”处理。•对于承受高压水的隧道防水或防水要求高的地下工程要考虑多层防线，层层设防。隧道的防水设计14细部构造防水隧道与地下结构的施工缝、变形缝、后浇带、穿墙管、埋设件、孔口等处是整个工程防水的薄弱环节，对于细部构造的设计与施工要认真对待。15施工缝防水16变形缝的防水1718隧道排水隧道排水洞内排水洞外排水竖向盲沟环向盲沟纵向盲管排水沟截水沟排水沟洞门仰坡防护1920•盾构隧道防水主要是解决管片本身的防水和管片接缝的防水•衬砌管片的防水方法：管片结构的自防水;管片的制作精良•管片的防水措施：密封垫防水、嵌缝防水、螺栓孔防水、二次衬砌盾构隧道防水2122管片接头常出现的几个问题和解决办法接头区混凝土剥落小型管道密封件23拐弯区混凝土裂开能增大柔性的几何尺寸24十字接头泄漏接口自动闭合（能在压力下自动挤出粘性物质）25密封松动倒钩设计26嵌入封顶块滑动材料表面27•衬砌类型和防水：衬砌由防水混凝土，钢板或钢板与混凝土复合材料制作，在侵蚀性介质中采用耐侵蚀材料或做内衬保护层•管筒的接口是关键，形式有刚性接口、刚柔结合接口和柔性接口顶管隧道防水28不同形式的顶管接头形式刚性接口刚柔结合接口29柔性接头30•沉管隧道防水分为管段自身防水、管段外防水和管段接头防水•特点：1）采用水密型的防水技术；2）采用柔性接头，常采用的是性能优越的GINA和OMEGA型橡胶止水带所形成的柔性接头形式；3）三种防水形式的综合应用形成严密的防水体系沉管隧道防水31GINA断面止水设计32基本方法：•适当疏通•注浆堵水•增设内防水层水害整治技术关键：•分析病害成因，对症整治•合理选择防水材料•严格施工工艺运营隧道的水害治理33隧道衬砌裂损及其防治34•衬砌裂损的常见病害衬砌变形、开裂、渗漏水端墙、侧墙、翼墙位移、开裂路面拱起、沉陷、错台、开裂35衬砌开裂36•对不良地质地段衬砌，应贯彻“宁强勿弱，宁曲勿直，加强衬砌过渡段，宁长勿短”的原则•尽量减少对围岩的的扰动，提高衬砌质量。大力推广光面爆破，锚喷支护，提高混凝土永久性衬砌的抗裂、抗渗性能。预防措施37衬砌变形、开裂的治理措施若衬砌背面存在空隙，可在衬背压注水泥砂浆由于衬砌厚度不足,年久变质，或裂缝区域过大，影响到衬砌强度，可在衬砌面喷射混凝土衬砌裂缝稳定时处理可采用压注环氧水泥砂浆或水泥砂浆的方法加固对于衬砌表面腐蚀、剥落及灰缝脱落可先清除表面然后加喷一层混凝土整治措施38路面拱起、沉陷、错台、开裂处理诱因采取措施围岩侧压力过大，导致两边侧墙内移而引起的路面拱起在路面下加设水平支撑路面局部沉陷、错台、严重碎裂挖出破损的路面以及其下部的基层，重铺路面治理渗漏水，并将水引入两侧边沟39无损检测4041对洞口的检查与养护•须引起注意的方面：挡墙、边坡的稳定性洞口的排水、防水系统危石42泥石流堵塞洞口4344隧道冻害45•常见的冻害种类：拱部挂冰、边墙结冰；围岩冻胀破坏，引起衬砌变形破坏；衬砌发生冰楔隧道内网线挂冰•危害性：隧道冻害会导致衬砌冻胀开裂，甚至疏松剥落，造成隧道衬砌结构的失稳破坏，降低衬砌结构的安全可靠性，严重影响运输的安全和正常运行。•概念：冻结圈、融化圈46•严寒及寒冷地区隧道冻害的防治，其基本措施是：综合治水更换或改造土壤保温防冻加强结构，如加设仰拱衬砌，采用防水钢筋混凝土衬砌，锚喷混凝土加固，加抗冻胀锚杆等。通过加深边墙，加强底部排水等方法防止融坍冻害的防治47衬砌腐蚀48•隧道衬砌腐蚀分为物理腐蚀和化学腐蚀。物理腐蚀冻融交替部位的冻胀性裂损干湿交替部位的盐类结晶性胀裂损坏化学腐蚀：硫酸盐侵蚀、镁盐侵蚀、软水溶出性侵蚀和一般酸类腐蚀隧道腐蚀的分类和影响因素49•提高衬砌的密实度和整体性•外掺加料法：比如掺加粉煤灰可以去除游离的Ca(OH)2。•选用耐侵蚀水泥•加强衬砌外排水措施•在衬砌表面做隔离防水层•采用与侵蚀性环境水不起化学反应的天然石料筑衬砌•向衬砌背后压注防蚀浆液等防治措施50隧道的震害与抗震51•特点：地下结构在地震作用下，由于周围岩土介质的存在，会发生不同于地面结构的响应•隧道容易发生震害的地段与部位隧道洞口特殊地层条件衬砌有缺陷的地段和部位对隧道震害的认识52•隧道震害与支护的关系：当围岩不稳定时，衬砌只要能与围岩保持大致一致的变形，既不致产生严重的震害支护与围岩密贴对隧道震害十分重要。推广新奥法施工、采用喷锚衬砌及复合衬砌，衬砌背后压浆等措施。为保证机构具有适应地层变形的能力，应适当减少结构的刚度曲墙式衬砌优于直墙式，封闭衬砌优于未封闭式单线隧道的裂缝出现在仰拱、拱顶内侧以及仰拱拱趾的外侧53隧道抗震加固与震害整治问题加固方法有滑坡危险的不安全斜坡新设抵抗偏压的加厚边墙混凝土、拱架保护工程，内衬砌，锚杆加固工程表面有岩石滑下危害的洞口延长隧道，重新衬砌，进行防护有泥石流危险的洞口治理山坡，筑防沙堤有山体崩毁、流沙历史，以及随喷水有泥砂流出的的区间山体注浆及排水衬砌背后有空洞回填注浆54地铁震害与抗震•1995年日本阪神地震表明，强烈地震时，地下结构震害严重；同时地下铁道延伸范围广，其间场地土的特性复杂多变，土层的液化、震陷等现象亦会对地铁造成间接影响。因此，对地铁抗震性能的研究应该引起重视。55•对95年阪神地震资料总结发现，地震破坏主要特点：不对称结构发生的破坏比对称结构严重上层结构比下层破坏严重。破坏主要发生在中柱上地下结构上部土层越厚，破坏越轻。纵墙和横墙均出现大量的斜向裂纹，特别是角点部位。顶板与侧墙的破坏程度与中柱密切相关区间隧道的破坏形式主要是裂缝，其中多为侧墙中部的轴向弯曲裂缝56隧道及地下工程安全与防灾57隧道和地铁建筑结构复杂、环境密闭，加上人员密集，一旦发生火灾，扑救相当困难，往往会造成重大的人员伤亡和财产损失隧道火灾的危害性582003年2月18日上午，由于一名中年男子纵火，韩国大邱市地铁一号线的中央路车站顷刻间被烈焰和浓烟吞没，两列满载乘客的地铁列车被烧毁。根据韩国官方提供的数字，当时有126人死亡，146人受伤，另有318人下落不明5960火灾现场试验结果61隧道火灾的主要原因1.车辆电气线路短路、汽化器失灵、载重汽车气动系统故障等引发火灾。2.隧道内道路狭小，能见度较差、情况又较复杂，容易发生车辆相撞事故，也可引发隧道火灾。3.隧道内通行的车辆所载货物可能有易燃易爆物品，遇明火（或热源）发生燃烧或自燃。62主要防火措施1.采用耐火材料2.较长的隧道划分防火分区3.隧道内设置自动的水喷淋灭火系统和火灾自动报警系统，以及配备各类便携式灭火器。4.设置疏散避难设施，如避难通道、隧道两侧的诱导路、定点急救避难场所等5.加强隧道消防管理和交通管理以及经常检查隧道的防火安全工作63地铁火灾的主要原因1.地铁车站在装修、设备、办公等方面存在一定数量的可燃物，操作不慎引发火灾2.施工中进行焊接、切割作业以及工作人员吸烟、列车运行时产生的电弧等原因。3.乘客违反规定，以及车上电器设备故障等原因4.变配车站设备故障导致火灾5.人为纵火和恐怖袭击64主要防火措施1.车站的布局应合理，采取防火墙、水幕等措施。严格限制车站内各类易燃物品2.加强隧道维修施工管理3.地铁客车采用不燃材质制造4.地铁变电站、高压电缆应在地面建筑敷设。5.设计时考虑火灾排烟要求6.自动监控系统；灭火淋喷系统65火灾时的烟雾排放系统66附属设施的养护67•隧道附属设施养护工作范围包括：照明、通风、排水、消防等•隧道的维修保养检查包括经常检查、定期检查以及特殊检查68通风对于利用竖井、边窗通风者，应随时检查，清除井内杂物对各式通风机、管道、机电、动力设备等，每月进行一次运转情况检修69照明通过遮阳棚、减光格栅、绿化等尽量保持洞外附近低亮度采用路面标线、路缘石、刷白色反光材料等方式，提高隧道亮度并诱导视线加强隧道内路面、侧墙、顶棚和照明灯具的清扫工作设置的照明器应当防震、防水、防尘，并作定期检查70二、隧道及地下工程事故分析●盾构隧道－事故调查及分类－事故原因分析－工程对策●公路隧道71盾构隧道－事故调查及分类•盾构法中常见的施工事故类型有以下几种：•结饼•压力舱土体在隔板传递的推力作用下发生固结，结成硬块的现象。•闭塞•闭塞是由于土体成拱使得不能正常出土进入土体压实充满压力舱，而缺乏流塑性的土体又使搅拌翼的阻力上升，加大刀盘扭矩进而引起施工困难。•喷涌•盾构掘进打开螺旋输送器阀门出土时，以水为主，水和砂混合从出土口喷涌而出，散落在隧道内，皮带运输无法带走土体。•开挖面失稳•由于千斤顶、隔板传递到压力舱的压力不能均匀作用于开挖面，而使开挖面失去稳定的现象。•地表发生沉降•隧道施工中不论采用何种施工方法都会产生不同程度的地面沉降，盾构法也不例外。特别是在松软饱和和含水不稳定的淤泥质粘土层的浅覆土隧道中，这种现象尤为明显。盾构法施工中要求将地面沉降控制在允许的范围内。当地面沉降超出允许范围时，会引起地面建筑物墙体开裂，个别地点由于墙体开裂而产生不良的影响。•渗漏水•不论何种隧道施工，都要对渗漏水采取相应的措施及时加以控制和治理，否则会隧道施工带来严重威胁，因此渗漏水量应符合结构防水标准。•塌陷•其他事故72上海地铁四号线事故照片（1）73上海地铁四号线事故照片（2）74上海地铁四号线事故照片（3）75上海地铁四号线事故照片（4）76北京地铁五号线崇文门车站事故现场的坍塌钢筋77广州地铁三号线事故照片(1)78广州地铁三号线事故照片(2)79台湾高雄坑內滲水情形及阻漏80陷下去的车子81事故归类饼图2%5%7%2%5%7%60%12%结饼闭塞喷涌开挖面失稳地表发生沉降渗漏水塌陷其他事故8283事故原因分析•结饼原因分析•闭塞原因分析•喷涌原因分析•开挖面失稳原因分析•地表发生沉降原因分析•渗漏水原因分析•坍塌原因分析•其他事故原因分析84工程对策结饼1、掘进时注泡沫剂，改善土体的和易性，预防粘土结块2、盾构刀盘在设计上应考虑对泥岩的切削功能，使刀盘尽少出现粘结堵塞3、也可以在刀盘背面和土舱胸板上增设空心搅动棒，增加搅拌强度和范围，并且空心棒内还可以预留注水孔，以便清洗刀盘和土舱。4、空转刀