隧道施工安全事故影響因素分析及安全措施

傅利軍

(浙江交工路橋建設(shè)有限公司)

一、隧道塌方案例分析

定海小沙至白泉Ⅱ標(biāo)公路工程羊山隧道

羊山隧道是定海小沙至白泉公路工程第二合同段內(nèi)的一個(gè)單向隧道,位于舟山市定海區(qū)馬岙鎮(zhèn)五一社區(qū)和干覽鎮(zhèn)雙廟社區(qū)之間,起訖樁號(hào)為K4+556～K5+307,全長(zhǎng)751米(其中明洞40米,暗洞長(zhǎng)度711米),暗洞采用新奧法施工。

1.塌方的發(fā)生情況

隧道穿越巖體主要為凝灰?guī)r,設(shè)計(jì)圖中K4+705～K4+755為V級(jí)圍巖,隧道埋置淺,地下水較發(fā)育,主要為第四系孔隙水和基巖裂隙水。隧道主體穿越F3斷裂構(gòu)造破碎帶,視電阻率ρs＜1000Ω·m。主要分布構(gòu)造角礫巖、斷層泥,兩側(cè)巖石節(jié)理、裂隙十分發(fā)育,發(fā)育硅化和綠簾石化,巖體呈散狀體結(jié)構(gòu)。2013年9月30日14點(diǎn)20分開(kāi)挖至K4+710,圍巖出現(xiàn)聲響,在噴層上出現(xiàn)裂紋,開(kāi)挖掌子面掉塊,出現(xiàn)裂隙水,14點(diǎn)45分,突然發(fā)生坍塌。

2013年10月1日,為確保施工安全,項(xiàng)目部組織技術(shù)人員對(duì)地表標(biāo)高和線(xiàn)路走向進(jìn)行實(shí)地測(cè)量。測(cè)量結(jié)果表明該段設(shè)計(jì)與實(shí)際地形有明顯出入,原設(shè)計(jì)中最低點(diǎn)K4+740覆蓋層為3米；實(shí)際測(cè)量K4+700～K4+725段隧道覆蓋層從11米順坡減少到3米,在K4+725～K4+727段經(jīng)過(guò)一個(gè)陡坡后,覆蓋層減少到1.14米,在K4+739～K4+746段有一個(gè)沖溝,該處地表經(jīng)雨水、地表徑流沖刷,形成一個(gè)寬7米、深3.2米的深溝,該處隧道拱頂超出地表約2米。詳見(jiàn)下圖。

圖1 羊山隧道地質(zhì)設(shè)計(jì)縱斷面圖

圖2 K4+700～K4-800淺埋段縱斷面圖(實(shí)測(cè))

2.塌方原因分析

(1)隧道范圍內(nèi)的土體,由于沿海地段雨水較多,隧道上方經(jīng)過(guò)沖溝,地表水(雨水)滲入,使土體天然含水量增大,從而降低了圍巖強(qiáng)度。

(2)由于設(shè)計(jì)圖紙埋深深度與現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際深度嚴(yán)重不符,施工單位未對(duì)現(xiàn)場(chǎng)地形進(jìn)行復(fù)核,導(dǎo)致施工方案偏差。

(3)施工措施不當(dāng),無(wú)論在拱部開(kāi)挖還是邊墻開(kāi)挖,均未采取有力的施工措施。尤其是當(dāng)邊墻開(kāi)挖后,拱部懸空時(shí)間較長(zhǎng)又未及時(shí)錨噴支護(hù),加之放炮震動(dòng)的影響,使整個(gè)土體驟然失穩(wěn)而造成坍方。

二、隧道施工安全事故影響因素分析

發(fā)生隧道塌方的原因是多方面的,隧道埋深、隧道斷面形式及大小是隧道塌方的主要影響因素,而人為因素(如經(jīng)驗(yàn)不足、爆破擾動(dòng)、施工措施不當(dāng)?shù)?、非人為因素(如地質(zhì)條件、地表水、地下水等)都有可能造成隧道發(fā)生塌方。塌方發(fā)生的原因可以概況為以下四個(gè)方面。

1.地質(zhì)因素

在建設(shè)過(guò)程中對(duì)地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)不夠,造成施工時(shí)出現(xiàn)塌方：

(1)開(kāi)挖過(guò)程中,圍巖的地質(zhì)條件突然變差或出現(xiàn)較大的斷層、破碎帶、軟弱夾層等,隧道塌方防不勝防。

(2)開(kāi)挖過(guò)程中,圍巖的地質(zhì)條件突然變差,如從Ⅲ級(jí)圍巖突然變到V級(jí)圍巖。

(3)塌方段洞頂覆蓋層較薄,施工時(shí)開(kāi)挖擾動(dòng)原巖,使圍巖壓力增大。

(4)由于受所選線(xiàn)路位置的限制,有的隧道會(huì)遭遇類(lèi)似膨脹巖、高地應(yīng)力、巖溶、涌水等不良地質(zhì)而面臨的塌方危險(xiǎn)。

2.設(shè)計(jì)不當(dāng)

地質(zhì)資料是否詳細(xì)、準(zhǔn)確、齊全,對(duì)地下結(jié)構(gòu)的建設(shè)安全影響非常大。設(shè)計(jì)人員通常對(duì)地質(zhì)狀況沒(méi)有非常詳盡準(zhǔn)確的了解。因此,按照對(duì)地質(zhì)情況不完全了解而做出的隧道設(shè)計(jì)進(jìn)行作業(yè),常會(huì)造成施工時(shí)的塌方：

(1)設(shè)計(jì)的支護(hù)參數(shù)偏小,無(wú)法保證圍巖從開(kāi)挖到二次襯砌施作之間。

(2)針對(duì)特殊不良地質(zhì)地段,設(shè)計(jì)上給出的處理措施不當(dāng)?shù)取?/p>

(3)洞口的位置選擇不當(dāng),如位于較大的滑動(dòng)體或斷層中,從而引發(fā)洞口塌方。

3.施工方法不當(dāng)

在施工過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)很多與設(shè)計(jì)工況不同的情況,不當(dāng)?shù)募夹g(shù)措施易造成施工時(shí)出現(xiàn)塌方：

(1)未考慮到圍巖變形的同時(shí)具有連續(xù)變形和突然變形的特征,開(kāi)挖方法不正確,應(yīng)采用半斷面開(kāi)挖而實(shí)際采用了全斷面開(kāi)挖,應(yīng)該采用分步開(kāi)挖而實(shí)際采用了全斷面或半斷面開(kāi)挖等。

(2)施工方法與地質(zhì)條件不相適應(yīng)的情況下,需要采取超前支護(hù)措施而未采取,或雖已采取了措施但其質(zhì)量和效果未能達(dá)到要求。

(3)地質(zhì)條件發(fā)生變化時(shí),沒(méi)有及時(shí)改變施工方法,如在軟弱圍巖的施工中,沒(méi)有及時(shí)施作仰拱,未形成封閉的環(huán)狀受力。

(4)隧道的爆破設(shè)計(jì)有問(wèn)題,造成對(duì)圍巖的擾動(dòng)過(guò)大。

(5)施工支護(hù)不及時(shí)引起圍巖松動(dòng)、風(fēng)化,施工二次襯砌的時(shí)間太遲,圍巖和初期支護(hù)無(wú)法承受應(yīng)力重分布的直接作用而發(fā)生塌方。

(6)初期支護(hù)未按設(shè)計(jì)的參數(shù)設(shè)計(jì),如錨桿的長(zhǎng)度、間距、噴射混凝土厚度等,使得圍巖的穩(wěn)定性達(dá)不到要求。

(7)采用長(zhǎng)臺(tái)階法施工時(shí),上下臺(tái)階的間距太大,直接導(dǎo)致塌方的發(fā)生。

(8)采用新奧法施工時(shí),沒(méi)有按時(shí)、按量地開(kāi)展測(cè)量工作,或雖開(kāi)展了測(cè)量工作,但未及時(shí)進(jìn)行信息反饋,從而造成決策失誤。

4.管理不當(dāng)

施工過(guò)程中也會(huì)出現(xiàn)管理方式不當(dāng)或管理疏漏的情況,造成施工時(shí)出現(xiàn)塌方：

(1)不嚴(yán)格遵守設(shè)計(jì)文件、施工組織設(shè)計(jì)、《隧道施工技術(shù)規(guī)范》《隧道驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的要求和規(guī)定組織施工,達(dá)不到“均衡生產(chǎn)、有序施工”的要求。

(2)安全、質(zhì)量意識(shí)淡薄,在施工中存在僥幸心理、偷工減料、弄虛作假等,造成支護(hù)質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。

(3)由于不合理工期、不合理造價(jià)等宏觀決策,引起施工過(guò)程中強(qiáng)行追求進(jìn)度,造成支護(hù)強(qiáng)度達(dá)不到應(yīng)有的要求,從而引發(fā)塌方等。

(4)未經(jīng)上級(jí)部門(mén)同意,擅自改變施工方法如開(kāi)挖方式、支護(hù)方式等。

三、隧道施工安全措施

為防止塌方事故的發(fā)生,通常采取一些措施：

1.設(shè)計(jì)措施

隧道工程的地質(zhì)情況具有不確定性、特殊性、復(fù)雜性等特征。設(shè)計(jì)單位應(yīng)制定符合實(shí)際地質(zhì)情況、能指導(dǎo)施工的方案,設(shè)計(jì)參數(shù)要滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。在施工階段,根據(jù)實(shí)際開(kāi)挖地質(zhì)及測(cè)量結(jié)果修正設(shè)計(jì)方案、施工工藝及開(kāi)挖方法。應(yīng)選擇恰當(dāng)?shù)亩纯谖恢?盡可能避免洞口位于斷層或較大的滑動(dòng)體之中。通過(guò)超前地質(zhì)預(yù)報(bào),進(jìn)一步掌握不良地質(zhì)情況。在施工過(guò)程中,采用TSP 203地質(zhì)雷達(dá)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù),及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)和施工方法,采取防塌措施。

2.施工措施

在不良地質(zhì)地段施工時(shí),應(yīng)采用合理開(kāi)挖速度,按照先治水、短開(kāi)挖、弱爆破、先護(hù)頂、早噴錨、強(qiáng)支護(hù)、早襯砌的原則穩(wěn)步前行,及時(shí)提高初支的剛度和承載力。關(guān)鍵工序間距要控制,控制仰拱和開(kāi)挖面距離,循環(huán)開(kāi)挖進(jìn)尺要短,已開(kāi)挖段應(yīng)快速封閉成環(huán),嚴(yán)防工序失衡。根據(jù)測(cè)量結(jié)果,判斷圍巖及支護(hù)體系的受力與變形情況,調(diào)整施工方法、支護(hù)參數(shù)；采用監(jiān)控量測(cè)成果檢測(cè)防塌措施的效果,指導(dǎo)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、設(shè)計(jì)、施工,實(shí)現(xiàn)信息化施工。當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有突變或不正常變化、洞內(nèi)或地表位移值大于允許值、洞內(nèi)或地面出現(xiàn)裂縫以及噴層出現(xiàn)異常裂縫時(shí),必須停止作業(yè),制定處理措施后再繼續(xù)施工。

3.施工過(guò)程注意事項(xiàng)

(1)進(jìn)洞前先做好洞口工程,穩(wěn)定好洞口的邊坡和仰坡,確保地表水不危及隧道的施工安全。

(2)提高圍巖自穩(wěn)能力,提高噴射混凝土質(zhì)量；及時(shí)排水避免巖層長(zhǎng)期浸泡。

(3)采用降、堵、泄等方法處理地下水。

(4)對(duì)開(kāi)挖后有可能發(fā)生流沙、突水決泥的巖層,以及松散、低強(qiáng)度巖層,比較適合采用水平凍結(jié)、超前大管棚、地表注漿等方法預(yù)加固地層,以提高圍巖的自穩(wěn)能力。

(5)在爆破時(shí),注意采用密眼、淺眼,并嚴(yán)格控制裝藥量,采用導(dǎo)洞超前、預(yù)留光爆層等措施減少爆破對(duì)圍巖自穩(wěn)能力的破壞。

4.加強(qiáng)管理,保證施工質(zhì)量

項(xiàng)目部堅(jiān)持把提高工程品位和施工安全及質(zhì)量放在突出位置。嚴(yán)格要求施工企業(yè)提高施工人員素質(zhì),嚴(yán)格按設(shè)計(jì)、規(guī)范和防塌措施施工,加強(qiáng)管理,保證施工質(zhì)量。儲(chǔ)備應(yīng)急設(shè)備、物資,尤其對(duì)不良地質(zhì)隧道應(yīng)提前準(zhǔn)備,以防不測(cè)。

四、結(jié)語(yǔ)

通過(guò)隧道工程塌方事故分析,總結(jié)隧道工程安全事故的主要因素為地質(zhì)因素、設(shè)計(jì)不當(dāng)、施工方法不當(dāng)及管理不當(dāng)；通過(guò)采取相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施、施工措施、施工過(guò)程中的注意事項(xiàng)及加強(qiáng)管理等,使隧道災(zāi)害減到最小,使施工在安全的條件下進(jìn)行,減少人員的傷亡和災(zāi)害發(fā)生后帶來(lái)的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)。