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影響高鐵隧道施工安全因素分析及相應(yīng)措施探討

主要研究鐵路工程。

董長全

(沈陽鐵路建設(shè)監(jiān)理有限公司，沈陽 110001)

摘要：高鐵隧道施工，是影響高鐵建設(shè)工期的關(guān)鍵工序之一，施工時存在大量的不安全因素。從隧道開挖方式入手，分別從地質(zhì)巖性、圍巖產(chǎn)狀及巖層節(jié)理發(fā)育、地下水等方面，詳細(xì)分析了隧道開挖時可能出現(xiàn)的各種不安全因素并對其引發(fā)的嚴(yán)重后果進(jìn)行了系統(tǒng)分析，同時，探討針對這些不安全因素產(chǎn)生的原因應(yīng)采取的相應(yīng)措施。

關(guān)鍵詞：高鐵；隧道；安全；分析；措施；探討

隨著我國高速鐵路的發(fā)展，隧道施工技術(shù)也在日趨完善，如鉆爆法、掘進(jìn)機(jī)(TBM)法、盾構(gòu)法及明挖法等。尤其是鉆爆法，選用范圍廣，造價相對較低，可根據(jù)圍巖的性質(zhì)、級別及斷面要求采用全斷面法、臺階法、中隔壁法、雙側(cè)壁導(dǎo)坑法等進(jìn)行施工，但畢竟地下圍巖狀況分布復(fù)雜，節(jié)理發(fā)育及地下水情況都影響著各種巖石的物理和力學(xué)性質(zhì)，特別是厚度不大的沉積巖、部分變質(zhì)巖，強(qiáng)度低、變形大、流變性顯著，造成巖石的各向異性，開挖后，松軟的巖石因變形而喪失穩(wěn)定，使其形態(tài)發(fā)生強(qiáng)烈的不對稱性，將開挖洞的四周側(cè)壁擠壓變形，甚至出現(xiàn)掉塊、塌方、邊墻擠入、底鼓及洞徑收縮等事故。值得注意的是灰質(zhì)巖層，極有可能出現(xiàn)溶洞或地下水，如果處理不當(dāng)，必將會產(chǎn)生一系列的安全隱患問題。因此，正確分析和判斷地下巖層的巖性、產(chǎn)狀、節(jié)理發(fā)育程度以及地下水分布、流量情況，從而采取正確的支護(hù)手段，對保證隧道施工的安全，消除事故隱患起著決定性作用。

1巖性的分析

從地質(zhì)構(gòu)造方面分析，有火成巖、沉積巖和變質(zhì)巖，其中深層火層巖、厚層堅硬的沉積巖以及片麻巖、石英巖等強(qiáng)度較高，整體性好，具有各向同性的特點(diǎn)，穩(wěn)定性好，隧道開挖后自穩(wěn)能力較強(qiáng)，適合全斷面開挖，通縫的危石清除后，即可噴射混凝土防護(hù)。此時要注意的是，由于鉆爆開挖，造成洞內(nèi)圍巖產(chǎn)生不均勻裂紋，為防止圍巖表面風(fēng)化和裂紋發(fā)展，消除周圍表面的凹凸不平，防止通縫造成巖塊掉落，及時噴射混凝土并保證噴層厚度為4 cm左右，當(dāng)圍巖中出現(xiàn)有拉應(yīng)力區(qū)時，要先用錨桿穩(wěn)定圍巖后再噴射混凝土。如圖1拱部有拉應(yīng)力區(qū)的加固。

圖1　拱部拉應(yīng)力區(qū)的加固

薄層沉積巖有層理構(gòu)造、層面構(gòu)造與周圍沉積巖形成不同的、規(guī)模不大的團(tuán)塊體的結(jié)核構(gòu)造，以及生物成因構(gòu)造等。形成碎屑巖、黏土巖、化學(xué)巖及生物化學(xué)巖類，強(qiáng)度較低、變形量大，尤其是流變性能突出。而部分變質(zhì)巖是地殼中原有的巖漿巖或沉積巖，因地殼運(yùn)動和巖漿活動等使原有巖石中的成分、結(jié)構(gòu)和構(gòu)造發(fā)生了一系列變化而形成新的巖石。變質(zhì)巖的結(jié)構(gòu)主要是由于重結(jié)晶或變質(zhì)結(jié)晶作用不完全，使原來的巖石結(jié)構(gòu)特征得以保留，或者由于巖石發(fā)生重結(jié)晶或變質(zhì)結(jié)晶又重新形成的變晶結(jié)構(gòu)。由于巖石受定向壓力作用后發(fā)生了破裂，形成碎塊甚至粉末狀后又被膠結(jié)在一起，這樣，就使得變質(zhì)巖有板狀、千枚狀、片狀、片麻狀以及柱狀和塊狀的構(gòu)造，遇到這樣的圍巖，在洞體開挖后，因各向異性使周圍巖體發(fā)生嚴(yán)重變形和失穩(wěn)，因此，開挖前必須認(rèn)真確認(rèn)圍巖的性質(zhì)和結(jié)構(gòu)狀態(tài)，可采取必要的超前防護(hù)措施。

2巖層產(chǎn)狀對隧道施工的影響

對于軟弱圍巖的開挖，要特別注意圍巖產(chǎn)狀及裂紋發(fā)育程度的影響。高鐵隧道施工往往是垂直穿越山嶺，避免褶曲構(gòu)造的軸部，因?yàn)檩S部是巖層傾向發(fā)生顯著變化的地方，也是巖層受拉應(yīng)力作用最集中的地方，因此，從褶曲的翼部通過隧道施工進(jìn)行對施工安全是比較有利的。另外就是斷裂構(gòu)造，是巖體在因受地應(yīng)力的作用后發(fā)生變形，當(dāng)變形達(dá)到一定程度后，造成巖體連續(xù)性和完整性被破壞，產(chǎn)生各種放射性的、大小不一的斷裂狀態(tài)，當(dāng)這種斷裂發(fā)育后便形成大面積分布，形成了斷裂帶。由于斷裂后的巖塊在裂縫處發(fā)生兩側(cè)巖塊相對位移，形成巖石的斷層，當(dāng)隧道施工軸線與巖層走向互相垂直時，則圍巖的穩(wěn)定性較好，尤其對邊墻穩(wěn)定是有利的，即巖層越陡穩(wěn)定性越好，如圖2所示。

圖2　開挖軸線與巖層走向垂直

對于軟弱結(jié)構(gòu)面，則是巖體中具有一定厚度的軟弱層，與上下盤巖體比較，壓縮性高且強(qiáng)度較低，在產(chǎn)狀上多表現(xiàn)為緩傾角結(jié)構(gòu)面，主要包括原生的軟弱夾層、構(gòu)造及由于某種原因擠壓而形成破碎帶、泥化夾層等。當(dāng)隧道施工遇到這類圍巖時，要注意觀察巖層走向和碎裂狀態(tài)，因?yàn)樗榱呀Y(jié)構(gòu)巖體的強(qiáng)度取決于結(jié)構(gòu)面，在張力或振動力的作用下結(jié)構(gòu)面很容易松動和解脫，如果在洞頂，則會產(chǎn)生崩落掉塊，如果在邊墻，則會出現(xiàn)滑塌或坍塌。若結(jié)構(gòu)面之間有夾泥時，更會容易發(fā)生大規(guī)模的塌方，因此，隧道開挖后一定注意巖層走向，如果巖層傾角平緩并且節(jié)理發(fā)育時，在洞頂時則容易發(fā)生局部巖塊塌落，造成隧道頂部出現(xiàn)階梯形超挖；如果隧道開挖走向與巖層走向平行時，巖層越薄則彼此之間聯(lián)結(jié)性越差，特別是雙線大跨度洞室，最容易發(fā)生頂板的坍塌事故。如圖3所示。

圖3　開挖軸線與巖層傾角

當(dāng)α=90°時，最穩(wěn)定，當(dāng)α大于或小于90°時，穩(wěn)定性開始變差，α角越小，危險性則越大。因此，對于這樣軟弱圍巖適合用臺階法開挖，并嚴(yán)格控制循環(huán)進(jìn)尺深度，最大不超過3.5 m,仰拱開挖長度，一次不大于1倍的洞徑。開挖后及時噴射混凝土、錨桿封閉加固圍巖，且按照設(shè)計要求，及時安裝鋼拱架，特別注意的是，下臺階開挖后立即接長鋼拱架，杜絕拱腳懸空。

3針對節(jié)理發(fā)育及地下水的分析與處理方法

隨著開挖深度及覆蓋層厚度的不同，巖石風(fēng)化程度有所不同，當(dāng)節(jié)理不發(fā)育或較發(fā)育時，圍巖整體性較好，開挖后，洞室部分巖體呈現(xiàn)出懸空狀態(tài)，破壞了巖體原有的力的平衡狀態(tài)，使得巖塊有向室內(nèi)松弛移動的趨向，產(chǎn)生位移后重新形成新的應(yīng)力體系，即重分布應(yīng)力或二次應(yīng)力。而重分布應(yīng)力的狀態(tài)、位移的大小與巖體的初始應(yīng)力、開挖斷面、巖體結(jié)構(gòu)、節(jié)理發(fā)育等因素有很大關(guān)系。如果用σr表示P點(diǎn)的徑向應(yīng)力；σθ表示P點(diǎn)的切向應(yīng)力；τrθ表示P點(diǎn)的剪應(yīng)力；θ表示P點(diǎn)的極角，逆時針為正，順時針為負(fù)；r表示極距；R0表示開挖隧道半徑，則隧道開挖后圍巖應(yīng)力彈性分布符合下列規(guī)律：如圖4洞室圍巖應(yīng)力分布示意圖。

圖4　洞室圍巖應(yīng)力分布示意圖

σθ的變化規(guī)律隨角θ變化而變化，為研究開挖后洞室側(cè)壁的應(yīng)力分布并考慮σh=λσv，r=R0則：

σr=0，

σθ=σh+σv-2(σh-σv)cos2θ=σv[1+λ+2(1-λ)cos2θ]，Τrθ=0。

由此分析，當(dāng)σr=0，Τrθ=0時，為單向應(yīng)力狀態(tài)，而σθ只與徑向應(yīng)力有關(guān)，與開挖的洞徑R0無關(guān)，現(xiàn)在要計算側(cè)壁應(yīng)力，即θ=0°或180°，此時σθ=(3-λ)σv，計算洞頂或洞底圍巖應(yīng)力，即θ=90°或270°，此時σθ=(3λ-1)σv，因此，當(dāng)λ<1/3時，σθ是負(fù)值，洞頂或洞底圍巖應(yīng)力屬拉應(yīng)力，當(dāng)λ>1/3而小于3時，σθ是正值，洞頂洞底或側(cè)壁圍巖應(yīng)力屬壓應(yīng)力，當(dāng)λ>3時，σθ是負(fù)值，洞頂洞底或側(cè)壁圍巖應(yīng)力屬壓應(yīng)力，可見，從洞室側(cè)壁開始沿巖體分布逐漸趨向初始應(yīng)力值σ0,而洞壁的應(yīng)力值σθ最大，并且在洞頂或洞底產(chǎn)生最大拉應(yīng)力，兩端側(cè)產(chǎn)生最大壓應(yīng)力，如圖5所示。

圖5　洞室圍巖應(yīng)力重分布示意圖

因此，整體性好的圍巖，承受的應(yīng)力大于σθ，說明自穩(wěn)能力強(qiáng)，穩(wěn)定性好，安全有保證。如果巖體存在斷層破碎帶或?qū)訝顟B(tài)夾泥等軟弱巖層時，圍巖狀態(tài)不僅松散，而且往往還會有裂隙水、地下水等不利因素，其承載能力小于σθ，說明自穩(wěn)能力差，這樣的松散巖層開挖前必須采取超前支護(hù)措施，如預(yù)注漿、超前小導(dǎo)管、超前錨桿和超前管棚等方式，人為造成拱式整體結(jié)構(gòu)，使其承載能力大于σθ，既提高周圍巖石的自穩(wěn)性能，同時還具有阻止地下水的能力。下面介紹的是超前支護(hù)措施的幾種形式。

1)預(yù)注漿即隧道開挖前通過鋼管向開挖周圍巖層進(jìn)行注漿固結(jié)，使松散巖體固結(jié)整體，提高開挖斷面的穩(wěn)定性，根據(jù)節(jié)理發(fā)育情況可采取一次性注漿或分段注漿。

2)超前小導(dǎo)管則是開挖前，利用φ42 mm無縫鋼管制做的注漿管，沿隧道拱部均勻設(shè)置,如圖6所示,單位cm

圖6　小導(dǎo)管布置示意圖

值得注意的是，鉆孔時方向順直，其深度與直徑與導(dǎo)管相匹配，清孔后安設(shè)小導(dǎo)管，外露長度不小于30 cm，注漿液的配制符合設(shè)計要求，在規(guī)定時間內(nèi)，隨配隨用，并由下至上、先稀后濃，保證注漿壓力符合設(shè)計要求，使?jié){液充滿導(dǎo)管和周圍空間。

圖7　管棚鉆孔頂入施工工藝

3)超前錨桿和超前管棚可根據(jù)圍巖地質(zhì)條件進(jìn)行選擇，一般能鉆孔的巖層可采用先鉆孔再頂入管棚的工藝，當(dāng)破碎巖層或帶有孤石的、不易鉆孔的地質(zhì)條件下，則采用管棚跟管鉆進(jìn)的施工工藝。圖7是管棚鉆孔頂入的施工工藝。通過超前支護(hù)，使松散不穩(wěn)定的巖層在一定厚度內(nèi)形成整體，提高周圍巖體的承載能力，便于開挖保證安全。

4結(jié)語

雖然目前我國在隧道開挖方面已經(jīng)有了許多成功的經(jīng)驗(yàn)，但是，在不同地區(qū)的實(shí)際施工中，地質(zhì)的結(jié)構(gòu)構(gòu)造和巖體特性千變?nèi)f化，甚至還會遇到地下水流、溶洞、有害氣體等各種危及施工安全的地質(zhì)現(xiàn)象。因此，在隧道施工前不僅要研究施工區(qū)域的地質(zhì)、巖性和巖體特征，還要做好開挖前的超前地質(zhì)預(yù)報，根據(jù)超前地質(zhì)預(yù)報對即將開挖的巖體進(jìn)行詳細(xì)分析和正確判斷，采取更準(zhǔn)確的支護(hù)措施，設(shè)計出更合理的支護(hù)參數(shù)，最大限度地滿足巖體開挖要求，確保高鐵隧道施工安全。

參考文獻(xiàn)

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[3] 劉佑榮.巖體力學(xué)[M].北京：中國地質(zhì)大學(xué)出版社，2010.

The safety influencing factors analysis and corresponding

measures on high-speed railway tunnel construction

DONG Chang-quan

(ShenyangRailwayConstructionSupervisionCo.Ltd,Shenyang110001,China)

Abstract：The high-speed rail tunnel construction is one of the key processes of affecting the construction period in high-speed rail construction, and at the same time it still has a large number of unsafe factors. This article begins with a tunnel excavation way, and analyzes in detail all kinds of unsafe factors and the serious consequences caused by the system during the tunnel excavation respectively from the geological lithology, groundwater occurrence of surrounding rock, joint development and the strata, etc.. At the same time, the different respondent measures being taken have been discussed according to the causes of these unsafe factors.

Key words：high-speed rail; tunnel; safety; analyze; measure; discuss

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-8984(2015)04-0015-04

中圖分類號：U456.3

作者簡介：董長全(1963-)，男(漢)，吉林敦化，工程師

收稿日期：2015-11-03

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.004