隧道施工安全事故影响因素分析及安全措施

傅利军

(浙江交工路桥建设有限公司)

一、隧道塌方案例分析

定海小沙至白泉Ⅱ标公路工程羊山隧道

羊山隧道是定海小沙至白泉公路工程第二合同段内的一个单向隧道,位于舟山市定海区马岙镇五一社区和干览镇双庙社区之间,起讫桩号为K4+556～K5+307,全长751米(其中明洞40米,暗洞长度711米),暗洞采用新奥法施工。

1.塌方的发生情况

隧道穿越岩体主要为凝灰岩,设计图中K4+705～K4+755为V级围岩,隧道埋置浅,地下水较发育,主要为第四系孔隙水和基岩裂隙水。隧道主体穿越F3断裂构造破碎带,视电阻率ρs＜1000Ω·m。主要分布构造角砾岩、断层泥,两侧岩石节理、裂隙十分发育,发育硅化和绿帘石化,岩体呈散状体结构。2013年9月30日14点20分开挖至K4+710,围岩出现声响,在喷层上出现裂纹,开挖掌子面掉块,出现裂隙水,14点45分,突然发生坍塌。

2013年10月1日,为确保施工安全,项目部组织技术人员对地表标高和线路走向进行实地测量。测量结果表明该段设计与实际地形有明显出入,原设计中最低点K4+740覆盖层为3米；实际测量K4+700～K4+725段隧道覆盖层从11米顺坡减少到3米,在K4+725～K4+727段经过一个陡坡后,覆盖层减少到1.14米,在K4+739～K4+746段有一个冲沟,该处地表经雨水、地表径流冲刷,形成一个宽7米、深3.2米的深沟,该处隧道拱顶超出地表约2米。详见下图。

图1 羊山隧道地质设计纵断面图

图2 K4+700～K4-800浅埋段纵断面图(实测)

2.塌方原因分析

(1)隧道范围内的土体,由于沿海地段雨水较多,隧道上方经过冲沟,地表水(雨水)渗入,使土体天然含水量增大,从而降低了围岩强度。

(2)由于设计图纸埋深深度与现场实际深度严重不符,施工单位未对现场地形进行复核,导致施工方案偏差。

(3)施工措施不当,无论在拱部开挖还是边墙开挖,均未采取有力的施工措施。尤其是当边墙开挖后,拱部悬空时间较长又未及时锚喷支护,加之放炮震动的影响,使整个土体骤然失稳而造成坍方。

二、隧道施工安全事故影响因素分析

发生隧道塌方的原因是多方面的,隧道埋深、隧道断面形式及大小是隧道塌方的主要影响因素,而人为因素(如经验不足、爆破扰动、施工措施不当等)、非人为因素(如地质条件、地表水、地下水等)都有可能造成隧道发生塌方。塌方发生的原因可以概况为以下四个方面。

1.地质因素

在建设过程中对地质情况认识不够,造成施工时出现塌方：

(1)开挖过程中,围岩的地质条件突然变差或出现较大的断层、破碎带、软弱夹层等,隧道塌方防不胜防。

(2)开挖过程中,围岩的地质条件突然变差,如从Ⅲ级围岩突然变到V级围岩。

(3)塌方段洞顶覆盖层较薄,施工时开挖扰动原岩,使围岩压力增大。

(4)由于受所选线路位置的限制,有的隧道会遭遇类似膨胀岩、高地应力、岩溶、涌水等不良地质而面临的塌方危险。

2.设计不当

地质资料是否详细、准确、齐全,对地下结构的建设安全影响非常大。设计人员通常对地质状况没有非常详尽准确的了解。因此,按照对地质情况不完全了解而做出的隧道设计进行作业,常会造成施工时的塌方：

(1)设计的支护参数偏小,无法保证围岩从开挖到二次衬砌施作之间。

(2)针对特殊不良地质地段,设计上给出的处理措施不当等。

(3)洞口的位置选择不当,如位于较大的滑动体或断层中,从而引发洞口塌方。

3.施工方法不当

在施工过程中会出现很多与设计工况不同的情况,不当的技术措施易造成施工时出现塌方：

(1)未考虑到围岩变形的同时具有连续变形和突然变形的特征,开挖方法不正确,应采用半断面开挖而实际采用了全断面开挖,应该采用分步开挖而实际采用了全断面或半断面开挖等。

(2)施工方法与地质条件不相适应的情况下,需要采取超前支护措施而未采取,或虽已采取了措施但其质量和效果未能达到要求。

(3)地质条件发生变化时,没有及时改变施工方法,如在软弱围岩的施工中,没有及时施作仰拱,未形成封闭的环状受力。

(4)隧道的爆破设计有问题,造成对围岩的扰动过大。

(5)施工支护不及时引起围岩松动、风化,施工二次衬砌的时间太迟,围岩和初期支护无法承受应力重分布的直接作用而发生塌方。

(6)初期支护未按设计的参数设计,如锚杆的长度、间距、喷射混凝土厚度等,使得围岩的稳定性达不到要求。

(7)采用长台阶法施工时,上下台阶的间距太大,直接导致塌方的发生。

(8)采用新奥法施工时,没有按时、按量地开展测量工作,或虽开展了测量工作,但未及时进行信息反馈,从而造成决策失误。

4.管理不当

施工过程中也会出现管理方式不当或管理疏漏的情况,造成施工时出现塌方：

(1)不严格遵守设计文件、施工组织设计、《隧道施工技术规范》《隧道验收评定标准》的要求和规定组织施工,达不到“均衡生产、有序施工”的要求。

(2)安全、质量意识淡薄,在施工中存在侥幸心理、偷工减料、弄虚作假等,造成支护质量远远达不到设计要求。

(3)由于不合理工期、不合理造价等宏观决策,引起施工过程中强行追求进度,造成支护强度达不到应有的要求,从而引发塌方等。

(4)未经上级部门同意,擅自改变施工方法如开挖方式、支护方式等。

三、隧道施工安全措施

为防止塌方事故的发生,通常采取一些措施：

1.设计措施

隧道工程的地质情况具有不确定性、特殊性、复杂性等特征。设计单位应制定符合实际地质情况、能指导施工的方案,设计参数要满足强度要求。在施工阶段,根据实际开挖地质及测量结果修正设计方案、施工工艺及开挖方法。应选择恰当的洞口位置,尽可能避免洞口位于断层或较大的滑动体之中。通过超前地质预报,进一步掌握不良地质情况。在施工过程中,采用TSP 203地质雷达超前地质预报技术,及时调整支护参数和施工方法,采取防塌措施。

2.施工措施

在不良地质地段施工时,应采用合理开挖速度,按照先治水、短开挖、弱爆破、先护顶、早喷锚、强支护、早衬砌的原则稳步前行,及时提高初支的刚度和承载力。关键工序间距要控制,控制仰拱和开挖面距离,循环开挖进尺要短,已开挖段应快速封闭成环,严防工序失衡。根据测量结果,判断围岩及支护体系的受力与变形情况,调整施工方法、支护参数；采用监控量测成果检测防塌措施的效果,指导超前地质预报、设计、施工,实现信息化施工。当发现测量数据有突变或不正常变化、洞内或地表位移值大于允许值、洞内或地面出现裂缝以及喷层出现异常裂缝时,必须停止作业,制定处理措施后再继续施工。

3.施工过程注意事项

(1)进洞前先做好洞口工程,稳定好洞口的边坡和仰坡,确保地表水不危及隧道的施工安全。

(2)提高围岩自稳能力,提高喷射混凝土质量；及时排水避免岩层长期浸泡。

(3)采用降、堵、泄等方法处理地下水。

(4)对开挖后有可能发生流沙、突水决泥的岩层,以及松散、低强度岩层,比较适合采用水平冻结、超前大管棚、地表注浆等方法预加固地层,以提高围岩的自稳能力。

(5)在爆破时,注意采用密眼、浅眼,并严格控制装药量,采用导洞超前、预留光爆层等措施减少爆破对围岩自稳能力的破坏。

4.加强管理,保证施工质量

项目部坚持把提高工程品位和施工安全及质量放在突出位置。严格要求施工企业提高施工人员素质,严格按设计、规范和防塌措施施工,加强管理,保证施工质量。储备应急设备、物资,尤其对不良地质隧道应提前准备,以防不测。

四、结语

通过隧道工程塌方事故分析,总结隧道工程安全事故的主要因素为地质因素、设计不当、施工方法不当及管理不当；通过采取相应的设计措施、施工措施、施工过程中的注意事项及加强管理等,使隧道灾害减到最小,使施工在安全的条件下进行,减少人员的伤亡和灾害发生后带来的经济负担。