公路隧道施工安全控制及風(fēng)險監(jiān)測分析

趙國偉

（山西長興路橋工程有限公司，長治 046000）

0 引言

隨著國內(nèi)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展, 越來越多的公路隧道得以建設(shè), 建設(shè)數(shù)量的快速增加必然會帶來一系列問題,尤其是隧道的施工安全及風(fēng)險控制。 近年來,國內(nèi)相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了研究,主要有黃東輝、夏映賢[1,2]以某高速公路隧道施工工程安全質(zhì)量控制為例,通過分析合理開挖方法、合理支護(hù)技術(shù)措施并通過數(shù)值分析, 從理論上研究和論證隧道施工安全質(zhì)量控制；馬建國、賈德勝[3,4]等人針對目前公路隧道施工中質(zhì)量控制存在的問題,對現(xiàn)行《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(TJT042-94) 中對隧道施工質(zhì)量檢測的嚴(yán)重缺項進(jìn)行了補(bǔ)充分析；傅鳴春[5]等人認(rèn)為科學(xué)合理的監(jiān)控量測,可以比較直觀的判斷隧道圍巖的穩(wěn)定性,更好地服務(wù)隧道施工, 并為進(jìn)一步研究隧道圍巖性質(zhì)提供了有力的依據(jù)。 本文主要以某公路隧道為例,根據(jù)其主要工程地質(zhì)特點(diǎn),具體介紹了該隧道主要施工方法,并對隧道施工的安全技術(shù)措施、 超前地質(zhì)預(yù)報方法以及隧道施工風(fēng)險監(jiān)測項目及方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

1 工程概況

某公路隧道設(shè)計為分離式隧道,設(shè)計南線NK1+138～NK2+068, 長度930m； 北線BK0+135～BK1+085, 長度940m,平均長度為938.5m。 南線隧道平曲線半徑為610m,北線隧道平曲線半徑為603m,進(jìn)出口洞門形式均為端墻式。 隧道設(shè)計行車速度60km/h。 擬建場地所處地貌類型為丘陵。 隧道區(qū)域內(nèi)的巖石風(fēng)化深度不大,主要是在中風(fēng)化-未風(fēng)化云母片巖巖體內(nèi)通過,在工作西部及東部沿溝谷分布,主要以粉質(zhì)粘土、素填土為主。 含水層有第四系松散巖類孔隙潛水含水層、基巖風(fēng)化裂隙水含水層、構(gòu)造裂隙水含水層。 隧道圍巖主要包括有Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級,其中Ⅲ、Ⅳ級圍巖占36%,Ⅴ級圍巖占64%。 本文主要以該工程為背景,對施工方法、隧道施工安全技術(shù)和風(fēng)險監(jiān)測進(jìn)行分析總結(jié)。

2 主要施工方法

2.1 一般地段施工方法

隧道施工方法應(yīng)該根據(jù)地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計形式、隧道斷面大小、 機(jī)械設(shè)備以及周圍環(huán)境和經(jīng)濟(jì)效益等因素來確定。隧道開挖之前還要進(jìn)行圍巖級別判定、隧道中線和輪廓復(fù)測,保證襯砌不侵入設(shè)計輪廓線。此外,采用鉆爆法施工時還要考慮對圍巖的擾動, 盡可能保證圍巖的安全,提高圍巖自穩(wěn)能力。

該建設(shè)地區(qū)基本為V 級圍巖地段,采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法和CRD 法進(jìn)行施工,人工配合機(jī)械開挖,對于機(jī)械難開挖,需要爆破的地方,應(yīng)該依照“短進(jìn)尺,弱爆破,強(qiáng)支護(hù),早成環(huán)”的原則,采用微震或預(yù)裂爆破的方法進(jìn)行施工作業(yè)。

2.2 斷層地段施工

(1)斷層對隧道施工的影響

斷層處的工程地質(zhì)條件和圍巖性質(zhì)是確定施工難度的重要條件,此外,斷層破裂帶寬度、含水情況以及施工技術(shù)也有較大關(guān)系。

(2)施工措施及方案

施工開始之前,首先要掌握斷層的情況,并應(yīng)該根據(jù)破裂帶實(shí)際情況、破壞程度等采用超前支護(hù)、強(qiáng)支護(hù)等方法穿越斷層帶。此外,斷層處施工不同于其他地段,需要具體結(jié)合工程地質(zhì)條件以及現(xiàn)有的施工技術(shù)采取合理的施工手段。同時,關(guān)于地下水的處理也尤為重要,施工過程中應(yīng)該合理鋪設(shè)排水裝置, 嚴(yán)格按照規(guī)定的施工工序進(jìn)行開挖施工作業(yè)以及支護(hù)施工作業(yè)等。

2.3 突泥和涌水地段施工

2.3.1 突泥和涌水段地質(zhì)預(yù)報

(1)地質(zhì)條件對比分析：通過分析設(shè)計圖紙以及根據(jù)之前掌握的地質(zhì)勘查報告, 對隧道開挖線進(jìn)行對比分析,分析預(yù)測前方地質(zhì)情況。

(2)超前地質(zhì)預(yù)報：采用物探技術(shù)或超前鉆孔對掌子面前方地質(zhì)狀況進(jìn)行探測,預(yù)測前方地質(zhì)不良體。

(3)施工時,當(dāng)出現(xiàn)以下現(xiàn)象或情況時,應(yīng)該加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報。

①巖石完整且基本不含有節(jié)理裂隙時應(yīng)該進(jìn)行高度重視,由于該條件下的巖石具有防水性,因此在施工前方或四周較大可能存在地下水。

②在隧道埋深較大的情況下, 若巖體中富含有水泥夾層,則該類圍巖前方可能出現(xiàn)較大量涌水。

③若隧道勘探孔前方?jīng)]有溶洞, 但地下水量明顯增多時,溶洞可能會存在隧道四周(隧道輪廓以外),此時需要特別注意。

2.3.2 突泥地段處治

隧道開挖時若出現(xiàn)突泥等情況, 應(yīng)該進(jìn)行超前支護(hù),可以通過向突泥壁壓注水泥和水玻璃漿進(jìn)行處治。

2.3.3 涌水地段處治

若隧道產(chǎn)生涌水,應(yīng)該采用綜合治理原則,對隧道內(nèi)水進(jìn)行限量的排放, 并使用泥沙進(jìn)行封堵或采用注漿方式,從而達(dá)到限制排水量、封堵泥沙的目的。

3 隧道施工安全技術(shù)措施

隧道施工過程中很容易出現(xiàn)險情, 合理的施工技術(shù)對于保證安全至關(guān)重要, 本節(jié)介紹一些與該隧道施工相關(guān)的主要施工作業(yè)和處理措施。

3.1 開挖作業(yè)

主要危險源包括有開挖面坍塌、 爆破導(dǎo)致的巖石飛落、高壓注漿管爆管以及相關(guān)施工機(jī)械傷害等。施工時主要是通過對鉆眼工作和裝藥工作重點(diǎn)重視,此外,還要控制起爆時間, 在確保所有施工人員和技術(shù)人員撤離到安全區(qū)域的基礎(chǔ)上,統(tǒng)一指揮進(jìn)行爆破。

3.2 出渣作業(yè)

主要危險源包括有開挖面坍塌、 爆破導(dǎo)致的巖石崩落、運(yùn)輸作業(yè)以及相關(guān)施工機(jī)械。施工時主要通過觀察裝渣前后的圍巖安全狀況,及時處理掉危巖。此外,還要有專人負(fù)責(zé)卸渣的指揮工作,并確保不隨意傾倒。

3.3 支護(hù)作業(yè)

主要危險源包括有開挖面坍塌、巖石崩落、高壓注漿管爆管、施工機(jī)械高空墜落、支護(hù)臺架失穩(wěn)、支護(hù)時電焊作業(yè)引發(fā)的火災(zāi)等。 施工時主要通過檢查掌子面以及隧道拱頂?shù)膰鷰r安全狀況,及時處理危巖。另外,定時檢查支護(hù)臺架是否穩(wěn)定,并設(shè)置安全防護(hù)圍欄。

3.4 襯砌作業(yè)

襯砌工作中危險源有很多,主要有墜落物、混凝土輸送管爆裂、支護(hù)抬架倒塌以及漏電事故等。施工時的襯砌臺車和作業(yè)架要經(jīng)過專業(yè)操作人員設(shè)計, 禁止在上面堆載無關(guān)物品。 此外襯砌混凝土灌注時,必須按設(shè)計要求支撐好,雙側(cè)對稱作業(yè),灌注時隨時檢查支撐的穩(wěn)定性,防止襯砌臺車偏壓造成的跑模、爆模。

3.5 不良地質(zhì)地段隧道施工安全技術(shù)措施

目前來說,主要的不良地質(zhì)條件包括易產(chǎn)生巖爆區(qū)、巖溶區(qū)、軟弱破碎且富含地下水區(qū)以及膨脹巖區(qū)域。在這些區(qū)域經(jīng)常會出現(xiàn)險情,比如突泥、巖爆、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞、突水以及坍塌等, 會對施工人員和施工設(shè)備造成巨大威脅。該隧道工程N(yùn)K1+159 和BK0+258 斷面附近即出現(xiàn)上述不良地質(zhì)情況,以下給出具體的處置方法。

(1)軟弱破碎且富含地下水和巖溶地區(qū)。 對于該地區(qū),施工前應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)的地質(zhì)勘查,并開展超前地質(zhì)預(yù)報,依據(jù)所得預(yù)報信息因地制宜的制定合理的施工方案,并根據(jù)預(yù)報信息實(shí)時更改施工參數(shù),保證施工安全、有序進(jìn)行。

(2)膨脹巖地區(qū)。對于該地區(qū),需要嚴(yán)格控制圍巖變形,保證圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)相互緊貼,并采取嚴(yán)格防水、少做擾動、盡早封閉的施工措施。 此外,還要對圍巖變形進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,若出現(xiàn)圍巖變形突增等特殊情況,應(yīng)該及時撤走人員和設(shè)備。

(3)巖爆地區(qū)。 在巖爆地區(qū),主要工作就是降低圍巖應(yīng)力, 可以采取超前鉆孔以及向圍巖噴水的方法減少應(yīng)力。此外,需要進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,若出現(xiàn)危機(jī)情況,應(yīng)該及時撤離。

(4)加強(qiáng)圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)監(jiān)測。 對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時觀測分析,若出現(xiàn)圍巖變形突增情況,應(yīng)該及時采取措施進(jìn)行處置。

(5)編制緊急預(yù)案。 在諸如上述不良地質(zhì)區(qū),應(yīng)該制定應(yīng)急預(yù)案,并儲存充足的物資用于特殊情況下的搶救。

4 風(fēng)險監(jiān)測

所謂風(fēng)險監(jiān)測, 即為通過現(xiàn)場測量的數(shù)據(jù)以此來表征結(jié)構(gòu)的力學(xué)特征, 基于此來判斷圍巖的狀況與支護(hù)的工作狀態(tài),用于警情識別和施工管理。 本文根據(jù)該隧道自身狀況,對拱頂、地表以及周邊收斂位移進(jìn)行監(jiān)測,若有必要,可對部分支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行監(jiān)測,監(jiān)測數(shù)據(jù)應(yīng)及時分析,以便指導(dǎo)施工。

4.1 風(fēng)險監(jiān)測項目

(1)拱頂沉降。 拱頂沉降是最直接反映隧道安全狀態(tài)的數(shù)據(jù),具有較強(qiáng)的代表性。 工程中應(yīng)該采用高精度緊密水準(zhǔn)儀實(shí)時獲取拱頂沉降。

(2)周邊位移。 周圍位移能直接反映圍巖的收縮或擴(kuò)張情況,對于判斷圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性意義重大。 通常采用位移收斂計進(jìn)行監(jiān)測(圖1)。

圖1 拱頂下沉量測和周邊收斂量測測線布置示意圖

(3)地表下沉。 該工程的洞口為淺埋偏壓型,且地表分布一土石滑坡,圍巖穩(wěn)定性較差,開挖極易引起坍塌,因而有必要對地表進(jìn)行下沉量測(圖2)。

圖2 地表沉降監(jiān)測斷面位置示意圖

4.2 風(fēng)險監(jiān)測頻率

數(shù)據(jù)監(jiān)測應(yīng)該按照一定頻率進(jìn)行, 表1 和表2 為一般監(jiān)控量測斷面間距和檢測頻率表。

表1 監(jiān)控量測斷面間距

4.3 數(shù)據(jù)采集與分析

數(shù)據(jù)采集完畢后, 應(yīng)繪制出位移與時間的關(guān)系曲線,根據(jù)得到的關(guān)系曲線形態(tài)來對圍巖和支護(hù)的穩(wěn)定狀態(tài)進(jìn)行判別。

(1)穩(wěn)定區(qū)段：關(guān)系曲線變形速率不斷下降,即曲線呈下凹狀,表征圍巖和支護(hù)結(jié)構(gòu)正在趨于穩(wěn)定。

(2)過度區(qū)段：位移時間的變形速率在很長時間段內(nèi)不發(fā)生變化,或者變化微乎其微,此時應(yīng)該及時調(diào)整支護(hù)相關(guān)參數(shù)。

(3)破壞區(qū)段：關(guān)系曲線變形速率逐漸增大,即曲線呈上凹狀,若此時位移時間曲線出現(xiàn)反彎點(diǎn),即表明此時支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)危險。 應(yīng)該暫停加固工作。

5 結(jié)束語

本文以某公路隧道為工程背景, 根據(jù)其主要工程地質(zhì)特點(diǎn),具體介紹了該隧道主要施工方法,并對隧道施工的安全技術(shù)措施、 超前地質(zhì)預(yù)報方法以及隧道施工風(fēng)險監(jiān)測項目及方法進(jìn)行了詳細(xì)的分析。 對于公路隧道,由于施工現(xiàn)場復(fù)雜、目前的施工體制的不健全、安全施工措施不到位以及風(fēng)險監(jiān)測布置不合理等, 故存在較大的潛在風(fēng)險,因此,本文的研究內(nèi)容對于相似工程具有較好的指導(dǎo)意義。