公路隧道施工安全控制及風險監測分析

趙國偉

（山西長興路橋工程有限公司，長治 046000）

0 引言

隨著國內經濟的快速發展, 越來越多的公路隧道得以建設, 建設數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險控制。 近年來,國內相關學者進行了研究,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量控制為例,通過分析合理開挖方法、合理支護技術措施并通過數值分析, 從理論上研究和論證隧道施工安全質量控制；馬建國、賈德勝[3,4]等人針對目前公路隧道施工中質量控制存在的問題,對現行《公路隧道施工技術規范》(TJT042-94) 中對隧道施工質量檢測的嚴重缺項進行了補充分析；傅鳴春[5]等人認為科學合理的監控量測,可以比較直觀的判斷隧道圍巖的穩定性,更好地服務隧道施工, 并為進一步研究隧道圍巖性質提供了有力的依據。 本文主要以某公路隧道為例,根據其主要工程地質特點,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措施、 超前地質預報方法以及隧道施工風險監測項目及方法進行了詳細的分析。

1 工程概況

某公路隧道設計為分離式隧道,設計南線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,進出口洞門形式均為端墻式。 隧道設計行車速度60km/h。 擬建場地所處地貌類型為丘陵。 隧道區域內的巖石風化深度不大,主要是在中風化-未風化云母片巖巖體內通過,在工作西部及東部沿溝谷分布,主要以粉質粘土、素填土為主。 含水層有第四系松散巖類孔隙潛水含水層、基巖風化裂隙水含水層、構造裂隙水含水層。 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、隧道施工安全技術和風險監測進行分析總結。

2 主要施工方法

2.1 一般地段施工方法

隧道施工方法應該根據地質條件、結構設計形式、隧道斷面大小、 機械設備以及周圍環境和經濟效益等因素來確定。隧道開挖之前還要進行圍巖級別判定、隧道中線和輪廓復測,保證襯砌不侵入設計輪廓線。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,提高圍巖自穩能力。

該建設地區基本為V 級圍巖地段,采用雙側壁導坑法和CRD 法進行施工,人工配合機械開挖,對于機械難開挖,需要爆破的地方,應該依照“短進尺,弱爆破,強支護,早成環”的原則,采用微震或預裂爆破的方法進行施工作業。

2.2 斷層地段施工

(1)斷層對隧道施工的影響

斷層處的工程地質條件和圍巖性質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也有較大關系。

(2)施工措施及方案

施工開始之前,首先要掌握斷層的情況,并應該根據破裂帶實際情況、破壞程度等采用超前支護、強支護等方法穿越斷層帶。此外,斷層處施工不同于其他地段,需要具體結合工程地質條件以及現有的施工技術采取合理的施工手段。同時,關于地下水的處理也尤為重要,施工過程中應該合理鋪設排水裝置, 嚴格按照規定的施工工序進行開挖施工作業以及支護施工作業等。

2.3 突泥和涌水地段施工

2.3.1 突泥和涌水段地質預報

(1)地質條件對比分析：通過分析設計圖紙以及根據之前掌握的地質勘查報告, 對隧道開挖線進行對比分析,分析預測前方地質情況。

(2)超前地質預報：采用物探技術或超前鉆孔對掌子面前方地質狀況進行探測,預測前方地質不良體。

(3)施工時,當出現以下現象或情況時,應該加強超前地質預報。

①巖石完整且基本不含有節理裂隙時應該進行高度重視,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較大量涌水。

③若隧道勘探孔前方沒有溶洞, 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

隧道開挖時若出現突泥等情況, 應該進行超前支護,可以通過向突泥壁壓注水泥和水玻璃漿進行處治。

2.3.3 涌水地段處治

若隧道產生涌水,應該采用綜合治理原則,對隧道內水進行限量的排放, 并使用泥沙進行封堵或采用注漿方式,從而達到限制排水量、封堵泥沙的目的。

3 隧道施工安全技術措施

隧道施工過程中很容易出現險情, 合理的施工技術對于保證安全至關重要, 本節介紹一些與該隧道施工相關的主要施工作業和處理措施。

3.1 開挖作業

主要危險源包括有開挖面坍塌、 爆破導致的巖石飛落、高壓注漿管爆管以及相關施工機械傷害等。施工時主要是通過對鉆眼工作和裝藥工作重點重視,此外,還要控制起爆時間, 在確保所有施工人員和技術人員撤離到安全區域的基礎上,統一指揮進行爆破。

3.2 出渣作業

主要危險源包括有開挖面坍塌、 爆破導致的巖石崩落、運輸作業以及相關施工機械。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,還要有專人負責卸渣的指揮工作,并確保不隨意傾倒。

3.3 支護作業

主要危險源包括有開挖面坍塌、巖石崩落、高壓注漿管爆管、施工機械高空墜落、支護臺架失穩、支護時電焊作業引發的火災等。 施工時主要通過檢查掌子面以及隧道拱頂的圍巖安全狀況,及時處理危巖。另外,定時檢查支護臺架是否穩定,并設置安全防護圍欄。

3.4 襯砌作業

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、支護抬架倒塌以及漏電事故等。施工時的襯砌臺車和作業架要經過專業操作人員設計, 禁止在上面堆載無關物品。 此外襯砌混凝土灌注時,必須按設計要求支撐好,雙側對稱作業,灌注時隨時檢查支撐的穩定性,防止襯砌臺車偏壓造成的跑模、爆模。

3.5 不良地質地段隧道施工安全技術措施

目前來說,主要的不良地質條件包括易產生巖爆區、巖溶區、軟弱破碎且富含地下水區以及膨脹巖區域。在這些區域經常會出現險情,比如突泥、巖爆、支護結構破壞、突水以及坍塌等, 會對施工人員和施工設備造成巨大威脅。該隧道工程NK1+159 和BK0+258 斷面附近即出現上述不良地質情況,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。 對于該地區,施工前應進行詳細的地質勘查,并開展超前地質預報,依據所得預報信息因地制宜的制定合理的施工方案,并根據預報信息實時更改施工參數,保證施工安全、有序進行。

(2)膨脹巖地區。對于該地區,需要嚴格控制圍巖變形,保證圍巖和支護結構相互緊貼,并采取嚴格防水、少做擾動、盡早封閉的施工措施。 此外,還要對圍巖變形進行實時監測,若出現圍巖變形突增等特殊情況,應該及時撤走人員和設備。

(3)巖爆地區。 在巖爆地區,主要工作就是降低圍巖應力, 可以采取超前鉆孔以及向圍巖噴水的方法減少應力。此外,需要進行實時監測,若出現危機情況,應該及時撤離。

(4)加強圍巖和支護結構監測。 對監測數據進行實時觀測分析,若出現圍巖變形突增情況,應該及時采取措施進行處置。

(5)編制緊急預案。 在諸如上述不良地質區,應該制定應急預案,并儲存充足的物資用于特殊情況下的搶救。

4 風險監測

所謂風險監測, 即為通過現場測量的數據以此來表征結構的力學特征, 基于此來判斷圍巖的狀況與支護的工作狀態,用于警情識別和施工管理。 本文根據該隧道自身狀況,對拱頂、地表以及周邊收斂位移進行監測,若有必要,可對部分支護結構內力進行監測,監測數據應及時分析,以便指導施工。

4.1 風險監測項目

(1)拱頂沉降。 拱頂沉降是最直接反映隧道安全狀態的數據,具有較強的代表性。 工程中應該采用高精度緊密水準儀實時獲取拱頂沉降。

(2)周邊位移。 周圍位移能直接反映圍巖的收縮或擴張情況,對于判斷圍巖和支護結構的穩定性意義重大。 通常采用位移收斂計進行監測(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,圍巖穩定性較差,開挖極易引起坍塌,因而有必要對地表進行下沉量測(圖2)。

圖2 地表沉降監測斷面位置示意圖

4.2 風險監測頻率

數據監測應該按照一定頻率進行, 表1 和表2 為一般監控量測斷面間距和檢測頻率表。

表1 監控量測斷面間距

4.3 數據采集與分析

數據采集完畢后, 應繪制出位移與時間的關系曲線,根據得到的關系曲線形態來對圍巖和支護的穩定狀態進行判別。

(1)穩定區段：關系曲線變形速率不斷下降,即曲線呈下凹狀,表征圍巖和支護結構正在趨于穩定。

(2)過度區段：位移時間的變形速率在很長時間段內不發生變化,或者變化微乎其微,此時應該及時調整支護相關參數。

(3)破壞區段：關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反彎點,即表明此時支護結構出現危險。 應該暫停加固工作。

5 結束語

本文以某公路隧道為工程背景, 根據其主要工程地質特點,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措施、 超前地質預報方法以及隧道施工風險監測項目及方法進行了詳細的分析。 對于公路隧道,由于施工現場復雜、目前的施工體制的不健全、安全施工措施不到位以及風險監測布置不合理等, 故存在較大的潛在風險,因此,本文的研究內容對于相似工程具有較好的指導意義。