[交通运输]铁路隧道设计施工要点及安全措施

主要内容,一、铁路隧道设计理念 1.关于设计安全技术问题 2.正确理解新奥法 3.二次衬砌施作时机 二、铁路隧道钻爆法施工作业监控要点 1.超前支护 2.初期支护 3.防排水 4.仰拱及二次衬砌 5.监控量测三、隧道施工事故预防,1. 设计安全技术问题（1）线路方案确定及外业勘察在线路方案研究、选线阶段，应避免隧道长段落的浅埋、偏压，或长段落位于各种不良地质中。铁建设200788号文：“地质复杂，长度大于1000m的隧道，洞身应按不同地貌及地质单元布置勘探孔查明地质条件，主要的地质界限，重要的不良地质、特殊岩土地段等处应有钻孔控制；埋深小于100m的较浅隧道或洞身段沟谷较发育的隧道，勘探点间距不宜大于500m；断层和物探异常点应设有勘探控制点，并请当地专家参与分析和评估”。,（2）隧道洞口位置的选择对隧道的洞口应合理选择，应遵守早进晚出、不刷洞口仰坡，甚至可设置明洞段进洞。避免设在滑坡、岩堆等不良地质处；避免设在地形十分困难位置，如极端偏压、悬臂、沟谷等位置。,（3）合理的设计方案和技术措施隧道设计一般由以下部分组成：隧道洞口设计、衬砌结构设计和结构分析、不良地质段特殊设计、施工方法和辅助施工措施设计、超前地质预报和监控量测设计、防排水设计、辅助坑道设计、运营维护设施、环保、水保设计，长大重难点隧道还应进行风险评估、防灾救援和安全预案设计，特长隧道还应进行运营通风和施工通风的设计。对施工安全有影响的主要有：方案设计错误，技术措施的不到位，支护参数偏弱。地质判断有误，重大不良地质遗漏，如对岩溶、地下水判断失误，造成隧道突水、涌水；高地应力判识不准，造成大变形、塌方等。前期线路方案不合理，造成工程实施困难，如有些隧道线位设置不合理，造成隧道长段落的偏压或浅埋，发生初期支护变形，隧道开裂。铁建设2007 88号文：对于地质条件变化特别快或勘探有疑问的重点地段应选用较强的支护、衬砌措施。地下水发育的岩溶地区，长、特长隧道宜优先采用人字坡。一般情况下，新建长度小于10km的隧道可采用单洞双线隧道方案；长度大于等于10km隧道，宜优先采用两个单线隧道方案。,2.正确理解新奥法新奥地利隧道修建方法（简称新奥法）遵循这样一个原理,即主动地使隧道围岩（岩土体）成为环状承载“结构”的一部分。 奥地利国家地下空间委员会 1980铁路隧道新奥法指南（铁道部基建总局，1988年）：新奥法是应用岩体力学理论,以维护和利用围岩的自承能力为基点，采用锚杆和喷射混凝土为主要支护手段，及时地进行支护，控制围岩的变形和松弛，使围岩成为支护体系的组成部分，并通过对围岩和支护的量测、监控来指导隧道和地下工程设计施工的方法和原则。应用岩体力学的理论，通过对隧道围岩变形的量测、监控，采用新型的支护结构，尽量利用围岩自承能力指导隧道设计和施工的方法。其特点是在开挖面附近及时施作密贴于围岩的薄层柔性喷射混凝土和锚杆支护，以便控制围岩的变形和应力释放，从而在支护和围岩的共同变形过程中，调整围岩应力重分布而达到新的平衡，以求最大限度地保持围岩的固有强度和利用其自承能力（见围岩压力）。因此，它也是一个具体应用岩体动态性质的完整力学方法，其目的在于促使围岩能够形成圆环状承载结构,故一般应及时修筑仰拱,使断面闭合成圆环。它适用于各种不同的地质条件，在软弱围岩中更为有效。基本特点：光面和预裂爆破，及时施作密贴于围岩的喷锚支护，充分利用时间和空间效应，断面及早闭合，超前地质预报，监控量测及时反馈及时变更设计、动态管理。,3.二次衬砌施作时机老规范条文: TBJ108-92铁路隧道喷锚构筑法技术规则、BJ204-96铁路隧道施工规范、JTJ042-94公路隧道施工规范、TB10108-2002铁路隧道喷锚构筑法技术规范、TB10204-2002铁路隧道施工规范、 TZ214-2005客运专线铁路隧道工程施工技术指南二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定后施作。水平收敛速度小于0.2mm/d,拱顶相对下沉速度小于0.15mm/d。,建议：二次衬砌一般情况下应及时施作。二次衬砌距拱部掌子面的距离建议：、级围岩不大于200米，级围岩不大于90120米，、级围岩不大于70米。(铁路信誉评价规定、级围岩不大于200米，级围岩不大于120米，、级围岩不大于90米）变形量大的挤压性地层中的隧道应通过强化初期支护手段控制围岩变形，二次衬砌则应在围岩和初期支护变形基本稳定后施作。,1.超前支护（1）注浆加固施工要点超前帷幕注浆每一循环长度不超过30m。浆液有效注入范围为开挖轮廓线外58m，钻孔和注浆顺序由外向内，同一圈孔间隔施工，孔口设注浆管，埋设牢固，并有良好的止浆设施。局部注浆堵水，单孔扩散半径2m，注浆孔与出水裂隙面尽量大角度相交，注浆压力大于0.5Mpa。注浆压力较大时，应先钻引水孔泄压，再对裂隙注浆，最后用膨胀快硬水泥对引水孔进行封堵。现场注浆试验：注浆施工前，应选取一定数量注浆孔，以定压注浆原则进行注浆试验，以验证注浆参数并及时调整。应根据地层条件制定注浆结束条件。应特别注意：在没有进行全面的注浆效果检查和评定前严禁进行掘进作业。,二、铁路隧道钻爆法施工作业监控要点,1.超前支护（1）注浆加固监控要点内业：注浆方案，调整方案，试验孔总结，钻孔注浆原始记录，注浆效果检查和评定资料。外业：设备配备和使用，钻孔布设，钻机定位，注浆效果检查。,1.超前支护（2）超前小导管超前小导管是在隧道开挖前，沿隧道开挖轮廓线外按一定角度打入直径为3270mm，长度35m的带孔钢管，利用钢管注浆，并与钢架连成一体进行围岩加固的超前支护方式。施工要点 根据地质条件、隧道断面及支护结构型式确定超前小导管参数。 超前小导管沿隧道周边布设，环向间距不宜大于40cm，外插角控制在1015。钻至孔深后，用吹管吹出碎碴清孔，防止孔位坍塌。两环小导管间搭接不宜小于1m。 顶入加工好的注浆管，小导管周圈缝隙用塑胶泥封堵，并用棉纱将孔口堵塞，喷射混凝土封闭工作面，孔口露出喷射混凝土面15cm。钢管顶入钻孔长度应不小于90管长。 连接注浆管路，进行压水试验，然后注浆，注浆压力要达到设计要求，观察工作面及管路漏浆情况，并及时封堵。当进浆量大，压力长时间不升高时，应调整浆液材料、浓度及配合比，缩短凝胶时间。 根据地质情况可选择单液浆、双液浆或化学浆液（慎用） 检查确认注浆浆液固结体达到设计规定强度后，再进行隧道开挖。,1.超前支护（2）超前小导管监控要点:内业：实施方案（小导管参数、注浆配比、注浆参数等），注浆原始记录（钻孔记录、注浆记录、检查记录，调整参数记录）。现场：施工设备到场及使用，小导管材料、间距、长度、倾角、与钢架连接情况及搭接长度，注浆效果。,1.超前支护（3）大管棚大管棚是在隧道开挖前，沿隧道开挖轮廓线外利用钻机或夯管按一定角度打入直径大于70mm，长度大于15m的钢管，通过钢管注浆预加固隧道拱部岩体，并将钢管内采用砂浆充填密实，以减少岩体沉降的超前地层加固方式。大管棚适用于浅埋、极破碎岩体、地表沉降控制严格的地段，如堆积体、坍方体、砂土质地层、断层破碎带及穿越公路、铁路、地表建筑物等。根据使用地点，可分为洞口大管棚和洞内大管棚。,1.超前支护（3）大管棚施工要点： 小直径大管棚通常用钻机成孔，大直径大管棚可用夯管或顶管方式布设。 管棚环向间距3050，超浅埋地带或特殊地层也可采用密排方式，沿隧道周边轮廓线布设，外倾13，连续使用大管棚，要有一定的搭接，搭接长度一般不应小于3m。 控制钻机立轴方向，钻进中经常采用测斜仪量测钢管钻进的偏斜度，发现偏斜超过设计要求，及时纠正。 管棚采用热轧无缝钢管，壁厚不小于6，节长36m。接头宜采用丝扣连接，丝扣长15，隧道纵向同一截面内接头数不大于50%，相邻钢管的接头至少应错开1米。 注浆初压应控制在0.51.0MPa以内，终压应控制在2.0MPa以内。 洞内施作大管棚时一般设置扩大洞室，安设导向架、导向管。扩大洞室比设计开挖轮廓线大3050cm，长度要满足钻机作业要求。导向管长度22.5m，直径大于管棚直径2030mm。,1.超前支护（3）大管棚监控要点：内业：大管棚实施方案，施工原始记录。现场：施工设备到场及使用情况，管棚材料、加工、间距、搭接情况，注浆情况和效果，管棚是否侵限，工作平台是否牢固。,2.初期支护（4）钢筋网监控要点：钢筋直径、网格间距、焊接、除锈情况，钢筋网与拱架、锚杆连接情况，钢筋网保护层厚度。,2.初期支护,上：锚、喷、网、钢架初支,右上：喷射混凝土,右下：机械架设钢架,3.防排水,上：防水板铺设机示意,右：防水板焊接,4.仰拱及二次衬砌二次衬砌、仰拱和初期支护共同形成隧道的主体结构，承受荷载。仰拱要超前二次衬砌一定距离并全幅施作；二次衬砌施作时机要根据不同围岩情况和监控量测结果确定。,4.仰拱及二次衬砌（1）仰拱仰拱应超前拱墙衬砌，紧跟开挖工作面，仰拱、填充应分开浇筑，且应全幅灌注，仰拱和底板混凝土强度达到5MPa后行人方可通行，达到设计强度的100%后车辆方可通行。为解决仰拱施工和运输作业的干扰，应采用仰拱栈桥。施工要点：仰拱应紧跟开挖面施作，尽快形成封闭环。、级软弱不稳定围岩施工时，仰拱距开挖面宜不超过40m（铁路信誉评价规定级围岩不超过90m， 、级不超过50m 级不超过40m ） ；仰拱应超前拱墙二次衬砌施作，其超前距离宜保持2倍以上衬砌循环作业长度。仰拱施作应一次成型，保证仰拱整体稳定。仰拱施工缝和变形缝处应做防水处理。仰拱施工前应清除虚碴、杂物和积水，坡面应平顺，确保排水畅通，应采用一次灌注混凝土成型工艺。仰拱填充严禁与仰拱同时施工，宜在仰拱混凝土终凝后施作。为减少与出碴运输的干扰，采用仰拱栈桥跨过仰拱施工地段，以保证隧道底部的施工质量，消除隧底结构施工质量隐患。仰拱栈桥的长度和结构形式可根据施工需要来确定。,4.仰拱及二次衬砌（1）仰拱监控要点仰拱施工前底部积水、虚碴处理情况，仰拱封闭时间、距掌子面距离，仰拱与填充施工间隔，钢筋制作、焊接情况，混凝土配合比、质量检查报告。,4.仰拱及二次衬砌（2）二次衬砌监控要点：混凝土配合比、质量检查报告，钢筋材质、制作、焊接情况，粗细骨料、外加剂质量检查，混凝土搅拌、运输、灌注、养护情况，二衬施作时机、距掌子面距离，二衬表面质量、渗漏水情况。铁建设200788号文：客货共线铁路隧道二次衬砌与仰拱的混凝土强度等级不得低于C25，采用钢筋混凝土时，其强度等级不得低于C30。客运专线铁路隧道二次衬砌与仰拱的混凝土强度等级不得低于C30，采用钢筋混凝土时，其强度等级不得低于C35。底板必须采用钢筋混凝土，其强度等级不得低于C30，厚度不得小于30cm。TZ231-2007铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南规定：二次衬砌每200m，仰拱底板每500m应按规定采用同条件养护试件检测结构实体强度1次。,5.监控量测监控量测是在隧道施工过程中，使用专用仪器和工具对围岩和支护结构的变形、受力以及它们之间的关系进行观测，并对其稳定性、安全性进行评价，据此对施工方法、结构支护参数进行验证、调整的工作。通过对监控量测数据的整理分析，判定初支及围岩是否稳定，确定二次衬砌施作时机。监控量测和超前地质预报同样是确保施工安全、优质建成隧道工程必不可少的手段。,5.监控量测操作要点： 根据隧道地质情况、施工方法、断面情况制定监控量测实施方案，制定监控量测控制基准值，成立监控量测工作小组，及时掌握使用先进仪器设备。 隧道开挖时要及时对工作面地质变化和围岩稳定情况观察，察看喷射混凝土、锚杆和钢架等的工作状态，发现异常时立即采取相应处理措施。同时对洞口段、浅埋段、地表有建（构）筑物以及冲沟、陷穴、人为坑洞等段落进行洞顶地面观察和沉降监测。 测点应在开挖面施工后及时安设，并尽快取得初读数，测点布置应牢固可靠、易于识别，并注意保护，拱顶下沉和地表下沉量测基点应与洞内或洞外水准基点联测，每1520d应校核一次。 净空变化和拱顶下沉点布置在同一断面上，测点断面间距根据地质条件、隧道结构形式、开挖支护方式等确定，一般III级围岩3050m，IV级围岩1030m，V级围岩510m。,5.监控量测操作要点： 必测项目监控量测频率：按位移速度5 mm/d，测2次/d，在15 mm/d，测1次/d，在0.51 mm/d，测1次/23d，在0.5 mm/d，测1次/7d。隧道结构应力、应变监测频率根据设计和施工要求及反馈结果确定。 监测结果分析采用散点图（时态曲线）和回归分析法，依据时态曲线的形态对围岩稳定性、支护结构的工作状态安全性评价，并提出实施意见指导施工。 要以规范和设计提出的监控量测管理标准为基础，实际工作中根据监控量测结果和隧道稳定状态加以完善和修正。出现超过极限值的情况，要立即研究分析判断，并采取处理措施。 为确保量测数据准确和操作方便，大断面隧道宜使用无尺量测。,5.监控量测监控要点：监控量测方案、监控量测原始记录、数据整理和分析资料，监控量测设备到场和使用情况，量测断面和测点的布设及量测频率，测点设置的及时性和初始读数的时间，量测数据和分析结果对设计和施工的指导。铁建设200788号文：监控量测工作应纳入正常施工工序，监控量测结果应及时反馈，指导设计与施工。隧道开挖后的围岩变形量测应按规定实施，量测数据应绘制成图。,三、隧道施工事故预防,坍（塌）方征兆一、掌子面及其附近征兆1开挖后围岩掉块不停。2掌子面可见出水点频繁变化位置。3掌子面突然涌水或涌水压力增大。4岩层张开裂隙明显增大。5涌水由清变浑浊。6砂层地段间隔流沙，逐渐形成连续涌流。二、支护征兆1喷混凝土大面积开裂，脱落甚至坍落。2刚支撑扭曲变形，边墙支撑中间鼓出。3刚支撑之间连接点明显变形、错位。4支撑受力大，发出响声时。三、洞口及浅埋段征兆1地表多处开裂，裂缝和数量持续增加。2地表沉陷较大（一般超过300mm），并持续增加。,四、钻孔征兆 正常钻孔中出现不正常的卡钻，钻进速度出现变快、堵孔，或钻孔内的水异常浑浊，预示地质情况可能转坏，开挖后易出现坍方。五、监测数据征兆1变形值长期不收敛且变形速率仍然较大。2收敛量测曲线已收敛，但又出现变形值突然增大现象。3.2.2 防坍（塌）措施预防坍（塌）方的基本原则：精心勘测，准确掌握工程地质与水文地质情况；合理设计，技术措施适宜，并根据施工的具体情况及时变更；超前预报，采用适宜的超前地质预报措施，提前掌握前方地质情况；应急预案，提前准备好坍方的应急预案；地层加固，必要时对不稳定地层进行预加固；重视地下水的处理，地下水的处理原则为在保证围岩稳定的前提下排堵结合；坚持监控量测，并及时信息反馈；做好施工组织与管理。一、洞口段防坍技术措施要点隧道洞口地段，一般地质条件差，围岩破碎，埋深浅，有时还有偏压现象，同时地表水易渗入洞口段地层中，软化地层，开挖洞口边仰坡时，破坏了山体原有的平衡状态，洞口段也往往是软硬岩层交界的地方，所有这些因素都易引起坍方。,1做好进洞施工方案及应急预案。2“早进洞，晚出洞”，尽量保持边仰坡的稳定。3提前做好天沟，及时做好洞顶和洞口排水系统。4根据地质条件选择合理的预加固和预支护方案。5采用钻爆法开挖时，采用“短进尺、弱爆破”的光面爆破或预裂爆破，进尺不宜超过1.5米。6采用台阶法进洞时，应采用短台阶，尽早封闭，并尽早施作衬砌。7地层较差时应采用“眼镜工法”或“CRD”工法进洞，并采用强支护、快封闭、早衬砌的原则。8洞口有明洞时，应尽早做好明洞。9尽早完成洞门工程，增强洞口段的稳定性。二、浅埋段防坍技术措施要点浅埋隧道地层垂直压力大，施工开挖的影响波及地表，常常发生地表开裂、沉陷、地层整体下沉的现象，开挖支护后拱顶下沉量较大。在变形量方面，不仅由于开挖直接引起围岩的沉降变形，还由于围岩的作用引起支护体系的柔性变形及施工各阶段中基础下沉变位而引起结构整体下沉。变形超过一定限度整体失稳发生坍方。与变形量相对应而存在的地层塑性区的发展，还削弱,了围岩的稳定能力，使施工更加困难。1浅埋隧道应遵循“预支护、短开挖、少扰动、强支护、早封闭、实回填、严治水、勤量测”的原则。2采用超前预支护措施。一般情况下采用超前小导管，特殊地层或特殊条件采用大管棚或水平旋喷超前支护。3稳定掌子面。目前国内一般采用留核心土的方法稳定掌子面，人工结合机械开挖，国外大部分采用超前加固掌子面围岩，全断面机械开挖的方法。4尽可能早地施作刚度较大的初期支护，以控制地表和地中的位移，防止围岩的松弛。5根据断面大小、地质条件选定适宜的施工方法。6仰拱尽早封闭，距掌子面的距离小于3040米。7处理好地表水和洞内水。采取措施防止地表水连续渗入洞内，对地下水应超前引排必要时进行降水，洞内积水及时排放。8做好洞内、地表的监控量测工作，数据异常时及时反馈。三、断层地段防坍技术措施要点1断层的工程地质特征：1）断层的形成是受力发生断裂，不仅是一种软弱结构面，往往是岩体破碎，,而且有很多是贯通至地表的断层