聶海斌
摘要:根據(jù)新奧法支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理對(duì)隧洞塌方原因進(jìn)行了分析,介紹了塌方前的征兆,并針對(duì)水工隧洞塌方的原因、預(yù)防措施進(jìn)行了簡(jiǎn)要論述,對(duì)隧洞施工具有一定的借鑒意義。
關(guān)鍵詞:隧洞;塌方;原因;征兆;預(yù)防
新奧法是我國(guó)當(dāng)前隧洞結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和施工的重要方法,錨噴支
護(hù)的應(yīng)用為大面積開挖施工創(chuàng)造了有利條件,隧洞施工進(jìn)度大大加快,但已錨噴支護(hù)的隧洞發(fā)生塌方的事故仍經(jīng)常發(fā)生,輕者造成經(jīng)濟(jì)損失,重者人員喪失生命。下面對(duì)隧洞塌方原因、征兆、預(yù)防措施進(jìn)行了論述。
1 新奧法支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)原理
應(yīng)用巖體力學(xué)的理論,通過對(duì)圍巖變形的量測(cè)、監(jiān)控,采用新型的支護(hù)結(jié)構(gòu),利用圍巖自承能力指導(dǎo)隧洞設(shè)計(jì)和施工的方法。其特點(diǎn)是在開挖面附近及時(shí)施作密貼于圍巖的薄層柔性噴射混凝土和錨桿支護(hù),以便控制圍巖的變形和應(yīng)力釋放,從而在支護(hù)和圍巖的共同變形過程中,調(diào)整圍巖應(yīng)力重分布而達(dá)到新的平衡,以求最大限度地保持圍巖的固有強(qiáng)度和利用其自承能力。因此,它是一個(gè)具體應(yīng)用巖體動(dòng)態(tài)性質(zhì)的完整力學(xué)方法,其目的在于促使圍巖能夠形成圓環(huán)狀承載結(jié)構(gòu),故一般應(yīng)及時(shí)修筑仰拱,使斷面閉合成圓環(huán)。適用于各種不同的地質(zhì)條件,在軟弱圍巖中更為有效。新奧法的原理雖然可用于各種類型的支護(hù),但是,最為適用的是噴錨支護(hù)。噴混凝土、錨桿、量測(cè)被認(rèn)為是新奧法的三大要素。
2 隧洞塌方的原因
2.1 地質(zhì)原因
隧洞通過斷層破碎帶、各種松散堆積體、巖層軟硬相間或有軟弱夾層的巖體、受地下水長(zhǎng)期浸泡沖蝕溶解作用的巖體、膨潤(rùn)土地層、淺埋段、流砂層、嚴(yán)重偏壓段時(shí),在開挖后極易發(fā)生坍塌。
2.2 施工方案和措施不當(dāng)
忽略了圍巖的變形規(guī)律,設(shè)計(jì)方案、施工方法和措施不當(dāng)引
發(fā)圍巖突然變形,導(dǎo)致塌方。如:(1)沒有對(duì)穩(wěn)定性差的巖層采取及時(shí)支護(hù),巖石暴露時(shí)間較長(zhǎng),整個(gè)巖石的承受壓力加大。(2)爆破參數(shù)不合理,采取過多炸藥引起強(qiáng)烈震動(dòng)。(3)支撐結(jié)構(gòu)不合理,支撐構(gòu)件強(qiáng)度不夠,支撐部件的位置不恰當(dāng)。(4)采取不恰當(dāng)?shù)耐9ご胧?,未做好排水及圍巖保護(hù)工作,使圍巖強(qiáng)度大大降低。
2.3 工序失衡
當(dāng)開挖距離小于D(D為開挖寬度)時(shí),圍巖兩端由于受到二次襯砌混凝土和開挖掌子面支撐的約束作用,連續(xù)變形很小,主要是爆破后受振動(dòng)影響的突然變形,施工中,施工人員盲目加快掘進(jìn)進(jìn)度,仰拱、二次襯砌滯后,造成工序嚴(yán)重失衡,當(dāng)二次襯砌和開挖掌子面距離大于2D~3D時(shí),“空間效應(yīng)”的影響完全消失,初期支護(hù)抗力小于滑移力,圍巖急劇變形,來不及施工二襯,極易導(dǎo)致塌方。
2.4 施工過程中質(zhì)量不合格
在施工過程中,如發(fā)生超挖嚴(yán)重而進(jìn)行回填、噴混凝土強(qiáng)度厚度達(dá)不到設(shè)計(jì)要求、鋼支撐未完全由噴射混凝土包圍密實(shí)或鋼支撐與圍巖之間存在空隙及鋼支撐未置于穩(wěn)定堅(jiān)固的基礎(chǔ)上等質(zhì)量問題,造成支護(hù)抗力達(dá)不到設(shè)計(jì)要求或圍巖未粘結(jié)緊密使無(wú)彎矩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩,導(dǎo)致塌方。
2.5 監(jiān)控量測(cè)不到位
現(xiàn)階段隧洞的開挖都以新奧法理論為指導(dǎo),在實(shí)際施工中,未按規(guī)定進(jìn)行量測(cè)并對(duì)成果進(jìn)行分析或信息反饋不及時(shí),導(dǎo)致決策失誤、措施不力,造成塌方。
3 塌方征兆
3.1 掌子面巖層塌方征兆
開挖后頂部圍巖掉塊不停;掌子面出水點(diǎn)頻繁變換位置或突
然涌水,涌水由清變濁、流量增大;掌子面正面坍塌并向內(nèi)發(fā)展;
巖層裂隙明顯增大或?qū)娱g填充物被水沖掉,水量增大;松散地層
不停掉渣;巖石出現(xiàn)巖粉或掌子面附近無(wú)故塵土飛揚(yáng);流砂地段
間隔涌流變成連續(xù)涌流,噴射混凝土被流砂沖破。
3.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)塌方征兆 .
噴射混凝土大面積開裂、脫離甚至塌落,縫間有砂土不斷流出;錨桿墊板松脫;鋼支撐扭曲變形,邊墻支撐中間鼓出,連接點(diǎn)明顯變形;鋼支撐、鋼筋網(wǎng)格間噴射混凝土剝離、開裂,鋼筋扭曲變形;初支結(jié)構(gòu)發(fā)出較大響聲;連接板錯(cuò)位、連接螺栓被剪斷,支撐間砂土或巖塊被擠出。
3.3 洞口地段和淺埋地段地表塌方征兆
洞口地段地面持續(xù)開裂,且裂口數(shù)量逐漸增加,裂口增大、加
深;地面陡巖發(fā)生崩塌現(xiàn)象;地面明顯下沉,掌子面過后,其上地
面仍繼續(xù)下沉,累計(jì)值超過容許值。
3.4 監(jiān)控量測(cè)到的變形值顯示塌方征兆
變形值長(zhǎng)期不變小且變形速率仍較大;變形監(jiān)控量測(cè)曲線明顯已收斂,但又出現(xiàn)變形值突然增大,位移或變形速率的驟然增加往往是圍巖破壞、襯砌開裂的前兆;圍巖變形量、位移速率、初期支護(hù)應(yīng)力值超過容許值。
4 防塌措施
4.1 設(shè)計(jì)措施
隧洞工程地質(zhì)具有特殊性、復(fù)雜性、不確定性等特征,在設(shè)計(jì)階段,要根據(jù)地質(zhì)情況,制定符合實(shí)際、能指導(dǎo)施工的設(shè)計(jì)方案,設(shè)計(jì)參數(shù)要滿足強(qiáng)度要求。
4.2 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)
對(duì)不良地質(zhì),通過超前地質(zhì)預(yù)報(bào)進(jìn)一步掌握地質(zhì)情況,調(diào)整
支護(hù)參數(shù)和施工方法,采取防塌措施。
4.3 早噴錨、強(qiáng)支護(hù),快速封閉成環(huán)
在不良地質(zhì)地段施工時(shí),應(yīng)按照先治水、短進(jìn)尺、弱爆破、先
護(hù)頂、早噴錨、強(qiáng)支護(hù)、早襯砌的原則穩(wěn)步前進(jìn),合理控制開挖速
度,提高初支的剛度和承載力。
4.4 控制“空間效應(yīng)”,嚴(yán)防工序失衡
循環(huán)開挖進(jìn)尺要短,關(guān)鍵工序間距要控制,控制仰拱和開挖面距離、二次襯砌和開挖面距離,已開挖段應(yīng)快速封閉成環(huán),嚴(yán)防工序失衡。
4.5 通過監(jiān)控量測(cè)指導(dǎo)施工
根據(jù)量測(cè)結(jié)果,判斷支護(hù)體系及圍巖的受力與變形情況,調(diào)整支護(hù)參數(shù)、施工方法;當(dāng)發(fā)現(xiàn)測(cè)量數(shù)據(jù)有不正常變化或突變時(shí)必須停止作業(yè),制定處理措施后再繼續(xù)施工。
4.6 處理地表、地下水
進(jìn)洞前應(yīng)先做好洞口工程,穩(wěn)定好洞口的邊坡,做好天溝等排水設(shè)施,確保地表水不致危及隧洞的施工安全;采用降、堵、泄等方法處理地下水,提高圍巖自穩(wěn)能力,提高噴射混凝土質(zhì)量,防止流砂、突水、突泥;及時(shí)排水避免巖層長(zhǎng)期浸泡。
4.7 減小爆破震動(dòng)影響
在爆破時(shí),要用淺眼、密眼,并嚴(yán)格控制裝藥量,用微差毫秒爆破或采用導(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。
4.8 地層加固和改良
對(duì)松散、無(wú)膠結(jié)、低強(qiáng)度巖層及開挖后有可能發(fā)生流砂、突水、突泥的巖層,根據(jù)不同情況采用超前管棚、超前注漿小導(dǎo)管等方法預(yù)加固地層和改良地層,提高圍巖自穩(wěn)能力。
4.9 加強(qiáng)管理、保證施工質(zhì)量
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。
4.10 加固措施
對(duì)應(yīng)力和應(yīng)變超限的初期支護(hù)和其他坍塌預(yù)兆應(yīng)及時(shí)采取措施,根據(jù)不同情況,采用嵌鋼架、加網(wǎng)噴、加錨、壁后注漿、提前模筑混凝土等方法加固,必要時(shí)先進(jìn)行臨時(shí)支撐、頂柱、扇形支撐、方木垛支撐,然后再采取加固措施。
4.11 制定防塌應(yīng)急預(yù)案
儲(chǔ)備應(yīng)急設(shè)備、物資,尤其對(duì)不良地質(zhì)隧洞應(yīng)提前準(zhǔn)備,以防不測(cè)。對(duì)有可能塌方地段,地質(zhì)情況不清楚、有塌方預(yù)兆,加固措施未制定并實(shí)施,不能冒進(jìn)。
5 結(jié)語(yǔ)
隧洞坍塌會(huì)對(duì)施工人員生命、財(cái)產(chǎn)造成不可估量的損失,一定要在未進(jìn)入易塌方地段前預(yù)防。在設(shè)計(jì)階段,要根據(jù)工程地質(zhì)及水文地質(zhì)情況制定合理的支護(hù)參數(shù)和施工方法;施工階段,特別在軟弱圍巖、含水地段開挖施工中,應(yīng)嚴(yán)格遵循“短進(jìn)尺,弱爆破,緊支護(hù),勤量測(cè)”的指導(dǎo)方針,并嚴(yán)格施工管理確保工程質(zhì)量。施工過程中還要根據(jù)坍塌征兆、監(jiān)測(cè)成果采取必要的措施防止發(fā)生坍塌或及時(shí)停止施工、撤離人員、物資設(shè)備以減少損失;并通過不斷總結(jié)、創(chuàng)新,開發(fā)出更有效、更經(jīng)濟(jì)、更先進(jìn)的防塌技術(shù)、設(shè)備、器材,徹底杜絕隧洞施工坍塌現(xiàn)象。
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