隧道工程災(zāi)害與防治

摘要：隧道工程在我國發(fā)展迅速，災(zāi)害帶來的損失也越來越嚴(yán)重，十分有必要對隧道工程災(zāi)害與防護(hù)進(jìn)行研究。本文從災(zāi)害的種類、災(zāi)害的成因、災(zāi)害的預(yù)防和災(zāi)害的應(yīng)急措施等幾個方面介紹隧道工程災(zāi)害與隧道災(zāi)害防護(hù)。

關(guān)鍵詞：隧道工程 災(zāi)害成因 災(zāi)害防治 應(yīng)急措施

0 前言

在我國城市化發(fā)展日益加快的今天，城市人口急劇增長，人多地少的矛盾愈發(fā)凸顯，交通堵塞、城市生活空間緊張、環(huán)境污染等問題逐漸成為制約城市發(fā)展的障礙。城市地下空間的開發(fā)和利用成為了解決人口與土地的矛盾的重要途徑，公路隧道、鐵路隧道、城市地下鐵路等一列地下工程在我國逐漸興起。截止到21世紀(jì)初，我國鐵路隧道占世界鐵路隧道總長1/5，居世界第一位。我國大陸現(xiàn)有北京、上海、廣州、深圳、天津和南京等城市地下軌道系統(tǒng)已經(jīng)投入運營，正在建設(shè)的有北京、上海、廣州、天津、南京、深圳、大連、武漢、重慶、長春等。全國以鐵為主的快速軌道交通網(wǎng)規(guī)劃已達(dá)數(shù)千公里。

隧道與地下工程發(fā)展日益迅速，因災(zāi)害造成的損失也將日益增加。首先對于火災(zāi)、地震、地下水滲漏等自然災(zāi)害，自新中國成立以來，發(fā)生過多起災(zāi)難事故。以鐵路隧道為例，根據(jù)1997年技術(shù)狀態(tài)檢查統(tǒng)計，我國運營鐵路有隧道5000余座，其中發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象隧道3270座，占運營總數(shù)的65%。隧道災(zāi)害事故頻發(fā)，關(guān)系到工程的成敗和生命的安危，因此十分有必要對隧道災(zāi)害進(jìn)行研究，尋找預(yù)防和應(yīng)急措施。

1災(zāi)害類型

災(zāi)害的種類可以達(dá)到數(shù)百種之多，但總體可以分為自然災(zāi)害和人為災(zāi)害兩種。隧道工程的地質(zhì)災(zāi)害有塌方、隧道水害、泥石流、巖爆等。

隧道在我國有了長足的進(jìn)步與發(fā)展，在國內(nèi)外目前比較成熟的掘進(jìn)技術(shù)方法如鉆爆法、掘進(jìn)機法、盾構(gòu)法等，并輔之以與地質(zhì)條件、施工技術(shù)相適應(yīng)的隧道通風(fēng)、支護(hù)和襯砌技術(shù)，理論上隧道可以滿足設(shè)計需求。但是，施工中的地質(zhì)條件卻是無法人為控制的，災(zāi)害問題也就成了影響隧道施工與使用的關(guān)鍵問題。由于隧道圍巖體的結(jié)構(gòu)面地質(zhì)特征、地應(yīng)力狀況和地下水的發(fā)育情況等問題常會造成隧道施工中的塌方、突水和涌水、洞體縮徑和支護(hù)開裂。突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害事件的發(fā)生，給隧道的施工造成了很大的困難，同時也給隧道使用構(gòu)成了很大安全隱患，常會導(dǎo)致設(shè)備報廢，隧道坍塌失效、甚至導(dǎo)致巨大人員傷亡，將是巨大的生命財產(chǎn)損失。

2 災(zāi)害類型成因及防治

2.1 塌方

塌方是隧道工程中最常見的災(zāi)害之一，塌方危害巨大，在一定程度上是隧道乃至整個地下工程施工對現(xiàn)場施工人員威脅最大、最易產(chǎn)生傷亡的工程事故之一。塌方的產(chǎn)生原因大致可以分為地質(zhì)因素和人為因素。

首先是隧道可能修筑在地質(zhì)不良區(qū)段，這樣就可能會遇到洞頂圍巖塌陷，側(cè)壁滑動等現(xiàn)象，甚至?xí)l(fā)生冒頂?shù)葒?yán)重情況，這些現(xiàn)象在施工中稱為塌方。塌方威脅人身安全、延誤施工工期、造成隧道圍巖更加不穩(wěn)定，因此在隧道設(shè)計和修建的過程中必須足夠重視并采取預(yù)防措施；其次是在施工過程中施工方法采用不當(dāng)，或者使用構(gòu)成中養(yǎng)護(hù)維修不當(dāng)?shù)仍蛟斐傻摹?/p>

（1）地質(zhì)因素

地殼在構(gòu)造運動的作用下，薄層巖體形成小褶曲，同時錯動發(fā)育，隧道施工從此處通過，容易發(fā)生塌方；隧道穿過地層較為破碎，裂隙發(fā)育較為顯著，顆粒松散，相互粘結(jié)力較小開挖后容易引起大面積塌落；隧道埋置深度較淺，圍巖自穩(wěn)能力差或受偏壓影響，開挖中引起坍塌；巖層中含有較軟夾層，同時地下水較為豐富在地下水的作用下，軟弱面的強度大大降低，因而發(fā)生塌方；地下水的軟化、浸泡、沖蝕、溶解等作用，加劇巖體的失穩(wěn)和塌方；；圍巖比較差、斷層或節(jié)理面呈楔型狀態(tài)，構(gòu)成不利組合，在內(nèi)應(yīng)力或地下水的作用下，產(chǎn)生突然塌方；總體來說，不利的圍巖巖性、結(jié)構(gòu)面特征和地下水等地質(zhì)條件將會促進(jìn)塌方的產(chǎn)生。

（2）人為因素

隧道工程在我國發(fā)展迅速，各項技術(shù)逐漸發(fā)展成熟，但施工技術(shù)應(yīng)用不當(dāng)也會造成塌方，因此，人為因素是除地質(zhì)因素以外的第二大原因。

首先地質(zhì)勘察不準(zhǔn)確，這會導(dǎo)致施工企業(yè)沒有足夠的準(zhǔn)備應(yīng)對不良地質(zhì)條件，在不良地段沒有做好鉆探工作，引起塌方；其次是施工方法選擇不當(dāng)；施工沒有按照標(biāo)準(zhǔn)施工，工序應(yīng)該達(dá)到的時間提前或者延遲結(jié)束，工序開展不及時（例如噴錨不及時），使圍巖收到過重?fù)p傷，容易引發(fā)塌方；施工質(zhì)量不合格，噴射混凝土質(zhì)量、厚度不符合要求，錨桿沒有達(dá)到設(shè)計要求的數(shù)量及間距，鋼支撐質(zhì)量欠佳，支撐與圍巖不密貼，兩者間的空隙填塞不密實或聯(lián)接不牢固，不能滿足圍巖壓力所需要求；爆破作業(yè)不當(dāng)，用藥量過多。

2.1.2 塌方防治措施

塌方的防治措施應(yīng)當(dāng)針對塌方產(chǎn)生原因提出。首先，在地質(zhì)因素上，應(yīng)當(dāng)做到探明地質(zhì)情況，提前做好地質(zhì)預(yù)報工作，做好充足的準(zhǔn)備，利用一定的技術(shù)手段，廣泛的收集地質(zhì)信息，預(yù)測好、分析好、應(yīng)對好不良的地質(zhì)條件。其次應(yīng)當(dāng)采取正確的施工方法，針對不同的地質(zhì)條件和經(jīng)濟(jì)因素選擇適合的施工方法，安排好各工序的施工順序和時間，制定好一整套的完善的災(zāi)害預(yù)防措施，同時要做好監(jiān)控量測，做到早發(fā)現(xiàn)，早排除。

2.2 巖爆

巖爆是巖石工程中圍巖體的突然破壞，在發(fā)生前并沒有明顯征兆，伴隨著巖體中應(yīng)變能的突然釋放，是一種巖石破裂過程失穩(wěn)現(xiàn)象。巖爆大都發(fā)生在褶皺構(gòu)造的堅硬巖石中。巖爆與斷層、節(jié)理構(gòu)造密切相關(guān)。當(dāng)掌子面與斷裂或節(jié)理走向平行時，極容易觸發(fā)巖爆。巖體中節(jié)理密度和張開度對巖爆有明顯的影響。掌子面巖體中有大量巖脈穿插時，也可能發(fā)生巖爆。巖爆的發(fā)生伴隨著巨大的能量釋放，會產(chǎn)生明顯的震動，造成隧道圍巖的應(yīng)力重分布。

2.2.1 巖爆成因與機理

由于隧道的開挖，圍巖約束解除，環(huán)向應(yīng)力突然然增加，能量進(jìn)一步的集中，在集中應(yīng)力作用下，產(chǎn)生突發(fā)性脹剪脆性破壞，伴隨聲響和振動消耗部分彈性應(yīng)變能。同時，剩余能量轉(zhuǎn)化的動能使圍巖急劇向動態(tài)失穩(wěn)發(fā)展，造成巖片（塊）脫離母體，獲得有效彈射，猛然向臨空方向拋（彈）射的特征，經(jīng)歷了快速“劈裂-剪折-彈射”漸進(jìn)破壞過程的動力破壞現(xiàn)象。

2.2.2 巖爆防治措施

（1）施工前應(yīng)做好充足的準(zhǔn)備工作，對施工地段做好全面準(zhǔn)確的地質(zhì)勘測，并針對勘測資料，分析確定正確的施工工序，應(yīng)做好巖爆預(yù)測工作，對有可能發(fā)生巖爆的地段重點防護(hù)；

（2）在施工中做好預(yù)防和超前探測工作。一般可采用微重力法、聲發(fā)射（A一E）法、巖體電磁輻射監(jiān)測法等方法進(jìn)行實測預(yù)報工作；

（3）加強支護(hù)，強化圍巖。可采用噴射混凝土、錨噴支護(hù)等措施，可減小巖爆規(guī)模，減輕巖爆釋放的能量引起的震動，保護(hù)圍巖；

（4）控制好爆破質(zhì)量，選擇合適的爆破方法，盡量降低次生應(yīng)力對圍巖的破壞。

3 結(jié)語

綜上所述，自然災(zāi)害導(dǎo)致隧道坍塌失效、甚至導(dǎo)致巨大人員傷亡，將是巨大的生命財產(chǎn)損失，給國家和人民帶來巨大生命財產(chǎn)損失，我們要給予足夠的重視。眾多的災(zāi)害的發(fā)生均與不良的地質(zhì)條件和施工有關(guān)。因此，在隧道設(shè)計中，要注意地質(zhì)勘測和隧道選線，盡量避免處于不利于施工的地質(zhì)條件中；在施工中要加強組織管理，不給災(zāi)害的發(fā)生留下隱患。

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[3] 何霞. 淺談道路交叉口設(shè)計[J].科技信息

作者簡介：

閔博，男，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，交通工程專業(yè)本科生。

王帥，男，鄭州大學(xué)土木工程學(xué)院，交通工程專業(yè)本科生。