胡云世
(衢州學院建筑工程系,浙江衢州324000)
某高速公路全線共設置隧道10座,共長7 032m。其中長隧道2870 m 1座、中隧道1 690 m和1 260 m各一座、短隧道202 m 6座,均為石質隧道,為滿足按六車道劃線的要求,最大洞內斷面220 m2,最大寬度21 m,最大開挖寬度23.166 m,寬度居國內同類型隧道前列。
根據(jù)巖土工程勘察,勘察區(qū)內的斷裂構造為非全新活動斷裂,沿線地形起伏較大,局部地段全風化層較厚,隧道通過斷裂或構造影響帶,因此隧道襯砌按新奧法原理設計,初期支護采用C25噴射混凝土,厚度為280 mm,鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑6 mm,間距15 cm×15 cm;臨時支護為120b型鋼格柵,每榀格柵腳部設2根鎖腳錨桿。錨桿采用φ50無縫鋼管(壁厚4 mm),長3 m,注C30水泥漿;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌,厚度550 mm。設計要求在施工過程中必須做好重大風險源分析,采取有效的控制措施,以確保隧道安全施工。
在國際及國內已統(tǒng)計的隧道安全事故中,發(fā)生在掘進過程中的占50%,運輸過程中的占25%,其他占25%[1],因此,本文重點就掘進過程中的風險因素進行識別。隧道施工安全控制的基本思想是識別與施工現(xiàn)場相關的所有風險源,評價出重大風險源,并以此為基礎,制定針對性的控制措施和管理方案,明確建立風險源識別、分析、評價和控制管理與安全施工之間的聯(lián)系,體現(xiàn)了系統(tǒng)的、主動的事故預防思想。
隧道施工風險主要來自于巖層性狀和地下水的影響,而根據(jù)地質資料分析本地區(qū)地下水缺乏,而且施工期間為枯水期施工,因此可以不考慮突水突泥的影響。施工方法也是潛在的風險,但是只要方法得當,科學施工,就會使風險降低到最低,另外防排風,地表建筑物等對本工程都影響很小,鑒于對風險的認識及對本隧道工程施工的全盤考慮,從而將過斷層破碎圍巖(過節(jié)理、斷層破碎帶)作為本工程的重大風險源。
根據(jù)以往的隧道事故分析資料表明:地下工程的塌方90%以上是由斷層破碎帶引起的。破碎帶是地下工程施工中易于引發(fā)塌方的斷層面附近的巖石破碎帶,是隧道開挖過程中常見的不良地質現(xiàn)象。在多數(shù)情況下,斷層破碎帶是作為一個低強度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在,與其兩側巖體在物理力學特性上具有顯著的差異,其結構松散、膠結性弱、穩(wěn)定性差,施工中遭遇斷層破碎帶極易發(fā)生事故,若遇水則更甚,是隧道建設的控制性地段。隧道穿越斷層及軟弱圍巖時,由于巖層的地質成因復雜,地質條件具有突變性,施工事故也具有突發(fā)性,可見,在施工過程中如遇斷層破碎帶,隨時都可能給工程帶來塌方、涌水甚至淹沒等事故,造成巨大的甚至是災難性損失。因此,對隧道斷層破碎帶施工風險控制措施研究具有重要意義。本工程各隧道斷層破碎帶的分布情況匯總見表1。
風險一般是指對人身安全、財產、環(huán)境有潛在損害和對工程有潛在經濟損失或延期的不利事件發(fā)生的頻率和影響結果的綜合。依據(jù)風險事故發(fā)生概率的大小,分為五級[2](見表2)。同時根據(jù)風險等級標準(見表3),確定風險評價矩陣和接受準則(見表4),本工程根據(jù)隧址處勘察到的斷層破碎帶情況及上述斷層破碎帶與圍巖穩(wěn)定性關系,采用“信心指數(shù)法”并依據(jù)風險評價矩陣對其等級進行評定,確定本隧道斷層節(jié)理破碎帶施工風險評估結果(見表5)。依據(jù)風險等級的高低,指導隧道工程中施工方法的選擇、施工進度的快慢和設計方案的調整變更,從而保證工程的順利完工。
通過以上對該工程隧道施工中存在的斷層破碎圍巖(過節(jié)理、斷層破碎帶)風險源的辨識分析與評價,從而對其已經有了基本的認識。為防范該重大危險源的發(fā)生,針對它的工程特性,制定了相應的安全風險控制對策和緊急救援預案。
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(1)采用地質雷達超前預測、預報。
(2)當隧道設平行導坑時,平行導坑的掘進需超前隧洞一定距離,以了解掌握斷層破碎帶地質情況。
(3)洞內超前鉆探預報,即在開挖工作面采用水平鉆機向隧道前方打超前鉆孔探測,以掌握前方地質資料,預防突發(fā)地質災害,指導施工。
(1)開挖前先施工超前錨桿或超前管棚等對圍巖進行預加固。圍巖破碎時應先進行預注漿,改良圍巖,或者采用旋噴拱或預切槽,減少圍巖變形。
(2)開挖后的施工支護應加強,視斷層的圍巖破碎情況,采用系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)然后噴混凝土,或采用鋼架(或格柵鋼架)支護。
(3)按設計進行永久性混凝土襯砌支護,或采用鋼筋混凝土襯砌,以及增加襯砌混凝土厚度,提高襯砌混凝土強度等級。
(4)襯砌后及早壓漿。
(5)做好排水,在施工前或施工中,均應采取可行的防排水措施,盡可能將地表水引排,不滲入隧道中。
(6)選擇正確的開挖方法,隧道洞口加強段和V級圍巖段開挖方式采用雙側壁導洞法和新奧法開挖(見圖1、圖2所示)。
(7)加強圍巖量測,發(fā)現(xiàn)圍巖變形或異常情況,及時采取緊急措施處理:按設計進行永久性混凝土襯砌支護;采用鋼筋混凝土襯砌;增加襯砌混凝土厚度;改變襯砌斷面形式(如直墻變曲墻等);提高襯砌混凝土強度等級。
結合本隧道的具體重大危險源特點,主要采取的監(jiān)控措施有:掌子面超前地質預報、隧道拱頂下沉、周邊收斂及支護結構受力、掌子面地質素描及隧道支護情況觀察。通過超前地質預報.以及加強掌握不良地質的準確信息,選擇合理的施工方案和爆破參數(shù),同時作好相應的緊急救援預案措施.可有效控制不良地質施工的安全風險。通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和地質素描,掌握隧道開挖揭露的圍巖實際情況和隧道變形及其發(fā)展趨勢情況,及時發(fā)現(xiàn)不良地質圍巖和危險變形征兆,及時對施工方案爆破參數(shù)進行修正和調整,消除安全隱患,有效防范施工過程和出口段大跨徑的安全風險。通過爆破振動波監(jiān)測,掌握爆破施工對附近環(huán)境結構物的影響。根據(jù)影響程度,及時調整爆破參數(shù),達到有效控制隧道爆破施工對周邊臨近構筑物的影響和破壞。通過對隧道安全風險監(jiān)測和控制,確保了隧道施工安全及對環(huán)境的影響降到最小。
由于地勘工作受布點范圍的限制,無法完全準確掌握隧道地質情況。隧道超前地質預報是探明本隧道前方地質情況的有效手段,采用超前地質預報可提前了解隧道前方突變的地質狀況,提前作好施工準備,以便及時調整開挖及支護參數(shù),有效避免施工中諸如塌方、涌水等災害,從而達到控制隧道施工風險和快速施工的目的。
4.1.1 該隧道工程的超前地質預報流程
采用超前地質預報的施工工藝流程:布置鉆孔→接受器套管埋置→爆破孔裝藥→現(xiàn)場測試→預報結果分析→與實際開挖情況對比→支護參數(shù)調整。施工過程中需嚴格按照上述方法執(zhí)行,做到心中有數(shù),目標明確,計劃科學。
4.1.2 該隧道工程的數(shù)據(jù)分析整理及應用
(1)ZK47+652~ZK47+681(29m)范圍內巖性為花崗閃長巖夾薄片灰?guī)r,巖體強風化,易塌方,圍巖強度較掌子面巖體強度有所降低,裂隙十分發(fā)育,巖體破碎,建議加強初期支護工作。
圖1 雙側壁導洞法
圖2 新奧法
(2)ZK47+681~ZK47+699(18m)范圍內巖性為花崗閃長巖夾薄片灰?guī)r,巖體強風化,易塌方,圍巖強度較掌子面巖體強度有很大幅度降低,裂隙十分發(fā)育,巖體十分破碎,建議加強初期支護工作。
(3)ZK47+699~ZK47+747(48m)范圍內巖性分析為灰?guī)r夾花崗閃長巖,巖體弱風化~強風化,圍巖強度較掌子面巖體強度高一些,裂隙發(fā)育,巖體破碎。
(4)ZK47+747~ZK47+756(9m)范圍內巖性分析為灰?guī)r,圍巖強度較掌子面低一些,巖體強風化,易塌方,裂隙十分發(fā)育,巖體破碎,建議加強初期支護和防排水工作。
(5)ZK146+495~ZK146+532段圍巖強度較低,節(jié)理裂隙較發(fā)育,巖體較破碎,含水,建議加強支護。
(6)ZK146+564~ZK146+607段圍巖強度較低,巖體較破碎,含水,推斷為F33斷層,建議加強支護。
(7)ZK146+495~ZK146+607段圍巖Ⅴ級,ZK146+607~ZK146+645段圍巖V級。
根據(jù)掌子面的揭示情況和探測結果顯示,在整個探測段ZK146+495~ZK146+607范圍內圍巖完整性差、穩(wěn)定性差,ZK146+564~ZK146+607推斷為F33斷層或其影響帶,含水,施工時應予以注意,做好防、排水工作。同時根據(jù)二維視圖以及巖石力學參數(shù)分析,隧道掌子面前方ZK47+652~ZK47+699地段裂隙十分發(fā)育,應予以高度重視,防止隧道坍塌。
4.1.3 相應的施工措施
針對“構造裂隙發(fā)育段”的施工措施:對爆破循環(huán)進尺減小到1.5m,爆破開挖后立即進行初期支護施作,初期支護緊跟掌子面,支護施工完成后方可進行下一輪掘進施工。對K0+600~K0+615和K0+625~K0+758段,因巖體較完整,可繼續(xù)照常施工。
同時,將左線里程K0+200處測得的數(shù)據(jù)與設計文件相對比,結合實際需要,對支護參數(shù)進行調整。對構造與裂隙發(fā)育段采取措施:K0+254~K0+272、K0+308一K0+320段開挖后,其實際揭露巖層與預報資料相符,采取“開挖后立即對巖層初噴一層5cm厚的混凝土.避免因巖層構造裂隙發(fā)育,或巖層軟弱而產生的拱頂下沉和邊墻兩側塑性變形”。K0+338~K0+345、K0+360~K0+370開挖后為砂巖巖層,未見不良地質,可采取正常施工程序施工。
隧道監(jiān)控量測是隧道施工安全必不可少的重要工作。根據(jù)JTJ042—94《公路隧道施工技術規(guī)范》的規(guī)定和要求,結合本隧道圍巖實際情況,確定隧道監(jiān)控的必測項目和選測項目。其中必測項目包括:圍巖與支護狀態(tài)觀察;周邊位移監(jiān)測;拱頂下沉監(jiān)測。選測項目包括:圍巖與噴層接觸壓力監(jiān)測;鋼支撐內力監(jiān)測;錨桿軸力監(jiān)測。
一般地段隧道圍巖收斂監(jiān)測內容。
(1)監(jiān)測斷面的布置。根據(jù)《公路隧道施工技術規(guī)范》要求和隧道圍巖實際狀況,在隧道左右線共布設83個監(jiān)測斷面,其中左線41個,右線42個。
(2)測樁埋設與測線的布置。隧道開挖采用臺階法進行。測點布置:先在上臺階埋設l#、2#、3#測樁,對A、B、C,3條測線進行量測;當下臺階開挖到達相應的監(jiān)測斷面位置時,再埋設4#、5#測樁,對下部D線進行量測(圖3)。
(3)監(jiān)測頻度。監(jiān)測頻度根據(jù)《公路隧道施工技術規(guī)范》,第9.2.1條和第9.2.6條規(guī)定,即根據(jù)開挖時間、距開挖面距離和變形速率確定監(jiān)測頻度。取其三者之高值。
(4)監(jiān)測成果分析。綜合各監(jiān)測斷面測線的變形情況,從分析所得的有關數(shù)據(jù)可以看出:①拱頂下沉的變形速率隨時間和距開挖面距離增大而逐漸降低,拱頂下沉量隨時間呈遞減趨勢,變形逐漸趨于收斂。水平收斂變形的變形速率與時間的關系呈明顯的收斂趨勢;②隧道圍巖的凈空收斂呈現(xiàn)典型三個階段:第一階段為急劇變形期,10~15 d;第二階段為緩慢變形期,約35 d;第三階段為基本穩(wěn)定期,約40 d;③隧道洞身段為Ⅲ級和級Ⅳ圍巖:以圍巖變形速率小于0.1 mm/d作為圍巖穩(wěn)定的判定準則是合理的,與實際情況相符。在保阜隧道所有收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)中,未出現(xiàn)持續(xù)收斂或者不收斂值等異常情況。亦未出現(xiàn)拱頂?shù)魤K或初期支護開裂等情況,說明初期支護是安全的。同時根據(jù)收斂發(fā)展狀況,及時確定了二次襯砌施作時間。
圖3 測樁、測線布置
在該隧道施工全過程中,通過對隧道施工重大安全風險源的辨識與分析評價,制定了風險監(jiān)控措施和安全預案。通過監(jiān)測手段及時發(fā)現(xiàn)施工中的安全風險,并采取相應的安全風險控制措施,避免了隧道施工過程中的風險惡化,在工程初始階段取得了良好的經濟和安全效益:隧道初期支護無一開裂、掉塊、坍塌事件發(fā)生,隧道施工安全處于可控狀態(tài)。在本次風險控制應用中得到如下體會:
(1)隧道施工安全風險源識別是隧道施工安全的重要步驟,決定了安全工作能否抓住工程施工中的主要矛盾。
(2)隧道安全風險監(jiān)控必須貫穿施工全過程,根據(jù)工程進度和實際情況采取有效的手段進行風險監(jiān)測、分析,并及時反饋,才能夠指導安全施工。
(3)隧道安全風險管理必須要有良好的組織措施和制度措施,從而使得安全風險的評估、監(jiān)控和管理的職責能夠得到有效落實。
[1]楊峰.嘉華隧道施工安全風險控制應用[J].現(xiàn)代隧道技術,2009(6)
[2]陳龍,黃宏偉.巖石隧道工程風險淺析[J].巖石力學與工程學報,2005,24(1):110—115