影响高铁隧道施工安全因素分析及相应措施探讨



影响高铁隧道施工安全因素分析及相应措施探讨

主要研究铁路工程。

董长全

(沈阳铁路建设监理有限公司，沈阳 110001)

摘要：高铁隧道施工，是影响高铁建设工期的关键工序之一，施工时存在大量的不安全因素。从隧道开挖方式入手，分别从地质岩性、围岩产状及岩层节理发育、地下水等方面，详细分析了隧道开挖时可能出现的各种不安全因素并对其引发的严重后果进行了系统分析，同时，探讨针对这些不安全因素产生的原因应采取的相应措施。

关键词：高铁；隧道；安全；分析；措施；探讨

随着我国高速铁路的发展，隧道施工技术也在日趋完善，如钻爆法、掘进机(TBM)法、盾构法及明挖法等。尤其是钻爆法，选用范围广，造价相对较低，可根据围岩的性质、级别及断面要求采用全断面法、台阶法、中隔壁法、双侧壁导坑法等进行施工，但毕竟地下围岩状况分布复杂，节理发育及地下水情况都影响着各种岩石的物理和力学性质，特别是厚度不大的沉积岩、部分变质岩，强度低、变形大、流变性显著，造成岩石的各向异性，开挖后，松软的岩石因变形而丧失稳定，使其形态发生强烈的不对称性，将开挖洞的四周侧壁挤压变形，甚至出现掉块、塌方、边墙挤入、底鼓及洞径收缩等事故。值得注意的是灰质岩层，极有可能出现溶洞或地下水，如果处理不当，必将会产生一系列的安全隐患问题。因此，正确分析和判断地下岩层的岩性、产状、节理发育程度以及地下水分布、流量情况，从而采取正确的支护手段，对保证隧道施工的安全，消除事故隐患起着决定性作用。

1岩性的分析

从地质构造方面分析，有火成岩、沉积岩和变质岩，其中深层火层岩、厚层坚硬的沉积岩以及片麻岩、石英岩等强度较高，整体性好，具有各向同性的特点，稳定性好，隧道开挖后自稳能力较强，适合全断面开挖，通缝的危石清除后，即可喷射混凝土防护。此时要注意的是，由于钻爆开挖，造成洞内围岩产生不均匀裂纹，为防止围岩表面风化和裂纹发展，消除周围表面的凹凸不平，防止通缝造成岩块掉落，及时喷射混凝土并保证喷层厚度为4 cm左右，当围岩中出现有拉应力区时，要先用锚杆稳定围岩后再喷射混凝土。如图1拱部有拉应力区的加固。

图1　拱部拉应力区的加固

薄层沉积岩有层理构造、层面构造与周围沉积岩形成不同的、规模不大的团块体的结核构造，以及生物成因构造等。形成碎屑岩、黏土岩、化学岩及生物化学岩类，强度较低、变形量大，尤其是流变性能突出。而部分变质岩是地壳中原有的岩浆岩或沉积岩，因地壳运动和岩浆活动等使原有岩石中的成分、结构和构造发生了一系列变化而形成新的岩石。变质岩的结构主要是由于重结晶或变质结晶作用不完全，使原来的岩石结构特征得以保留，或者由于岩石发生重结晶或变质结晶又重新形成的变晶结构。由于岩石受定向压力作用后发生了破裂，形成碎块甚至粉末状后又被胶结在一起，这样，就使得变质岩有板状、千枚状、片状、片麻状以及柱状和块状的构造，遇到这样的围岩，在洞体开挖后，因各向异性使周围岩体发生严重变形和失稳，因此，开挖前必须认真确认围岩的性质和结构状态，可采取必要的超前防护措施。

2岩层产状对隧道施工的影响

对于软弱围岩的开挖，要特别注意围岩产状及裂纹发育程度的影响。高铁隧道施工往往是垂直穿越山岭，避免褶曲构造的轴部，因为轴部是岩层倾向发生显著变化的地方，也是岩层受拉应力作用最集中的地方，因此，从褶曲的翼部通过隧道施工进行对施工安全是比较有利的。另外就是断裂构造，是岩体在因受地应力的作用后发生变形，当变形达到一定程度后，造成岩体连续性和完整性被破坏，产生各种放射性的、大小不一的断裂状态，当这种断裂发育后便形成大面积分布，形成了断裂带。由于断裂后的岩块在裂缝处发生两侧岩块相对位移，形成岩石的断层，当隧道施工轴线与岩层走向互相垂直时，则围岩的稳定性较好，尤其对边墙稳定是有利的，即岩层越陡稳定性越好，如图2所示。

图2　开挖轴线与岩层走向垂直

对于软弱结构面，则是岩体中具有一定厚度的软弱层，与上下盘岩体比较，压缩性高且强度较低，在产状上多表现为缓倾角结构面，主要包括原生的软弱夹层、构造及由于某种原因挤压而形成破碎带、泥化夹层等。当隧道施工遇到这类围岩时，要注意观察岩层走向和碎裂状态，因为碎裂结构岩体的强度取决于结构面，在张力或振动力的作用下结构面很容易松动和解脱，如果在洞顶，则会产生崩落掉块，如果在边墙，则会出现滑塌或坍塌。若结构面之间有夹泥时，更会容易发生大规模的塌方，因此，隧道开挖后一定注意岩层走向，如果岩层倾角平缓并且节理发育时，在洞顶时则容易发生局部岩块塌落，造成隧道顶部出现阶梯形超挖；如果隧道开挖走向与岩层走向平行时，岩层越薄则彼此之间联结性越差，特别是双线大跨度洞室，最容易发生顶板的坍塌事故。如图3所示。

图3　开挖轴线与岩层倾角

当α=90°时，最稳定，当α大于或小于90°时，稳定性开始变差，α角越小，危险性则越大。因此，对于这样软弱围岩适合用台阶法开挖，并严格控制循环进尺深度，最大不超过3.5 m,仰拱开挖长度，一次不大于1倍的洞径。开挖后及时喷射混凝土、锚杆封闭加固围岩，且按照设计要求，及时安装钢拱架，特别注意的是，下台阶开挖后立即接长钢拱架，杜绝拱脚悬空。

3针对节理发育及地下水的分析与处理方法

随着开挖深度及覆盖层厚度的不同，岩石风化程度有所不同，当节理不发育或较发育时，围岩整体性较好，开挖后，洞室部分岩体呈现出悬空状态，破坏了岩体原有的力的平衡状态，使得岩块有向室内松弛移动的趋向，产生位移后重新形成新的应力体系，即重分布应力或二次应力。而重分布应力的状态、位移的大小与岩体的初始应力、开挖断面、岩体结构、节理发育等因素有很大关系。如果用σr表示P点的径向应力；σθ表示P点的切向应力；τrθ表示P点的剪应力；θ表示P点的极角，逆时针为正，顺时针为负；r表示极距；R0表示开挖隧道半径，则隧道开挖后围岩应力弹性分布符合下列规律：如图4洞室围岩应力分布示意图。

图4　洞室围岩应力分布示意图

σθ的变化规律随角θ变化而变化，为研究开挖后洞室侧壁的应力分布并考虑σh=λσv，r=R0则：

σr=0，

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

由此分析，当σr=0，Τrθ=0时，为单向应力状态，而σθ只与径向应力有关，与开挖的洞径R0无关，现在要计算侧壁应力，即θ=0°或180°，此时σθ=(3-λ)σv，计算洞顶或洞底围岩应力，即θ=90°或270°，此时σθ=(3λ-1)σv，因此，当λ<1/3时，σθ是负值，洞顶或洞底围岩应力属拉应力，当λ>1/3而小于3时，σθ是正值，洞顶洞底或侧壁围岩应力属压应力，当λ>3时，σθ是负值，洞顶洞底或侧壁围岩应力属压应力，可见，从洞室侧壁开始沿岩体分布逐渐趋向初始应力值σ0,而洞壁的应力值σθ最大，并且在洞顶或洞底产生最大拉应力，两端侧产生最大压应力，如图5所示。

图5　洞室围岩应力重分布示意图

因此，整体性好的围岩，承受的应力大于σθ，说明自稳能力强，稳定性好，安全有保证。如果岩体存在断层破碎带或层状态夹泥等软弱岩层时，围岩状态不仅松散，而且往往还会有裂隙水、地下水等不利因素，其承载能力小于σθ，说明自稳能力差，这样的松散岩层开挖前必须采取超前支护措施，如预注浆、超前小导管、超前锚杆和超前管棚等方式，人为造成拱式整体结构，使其承载能力大于σθ，既提高周围岩石的自稳性能，同时还具有阻止地下水的能力。下面介绍的是超前支护措施的几种形式。

1)预注浆即隧道开挖前通过钢管向开挖周围岩层进行注浆固结，使松散岩体固结整体，提高开挖断面的稳定性，根据节理发育情况可采取一次性注浆或分段注浆。

2)超前小导管则是开挖前，利用φ42 mm无缝钢管制做的注浆管，沿隧道拱部均匀设置,如图6所示,单位cm

图6　小导管布置示意图

值得注意的是，钻孔时方向顺直，其深度与直径与导管相匹配，清孔后安设小导管，外露长度不小于30 cm，注浆液的配制符合设计要求，在规定时间内，随配随用，并由下至上、先稀后浓，保证注浆压力符合设计要求，使浆液充满导管和周围空间。

图7　管棚钻孔顶入施工工艺

3)超前锚杆和超前管棚可根据围岩地质条件进行选择，一般能钻孔的岩层可采用先钻孔再顶入管棚的工艺，当破碎岩层或带有孤石的、不易钻孔的地质条件下，则采用管棚跟管钻进的施工工艺。图7是管棚钻孔顶入的施工工艺。通过超前支护，使松散不稳定的岩层在一定厚度内形成整体，提高周围岩体的承载能力，便于开挖保证安全。

4结语

虽然目前我国在隧道开挖方面已经有了许多成功的经验，但是，在不同地区的实际施工中，地质的结构构造和岩体特性千变万化，甚至还会遇到地下水流、溶洞、有害气体等各种危及施工安全的地质现象。因此，在隧道施工前不仅要研究施工区域的地质、岩性和岩体特征，还要做好开挖前的超前地质预报，根据超前地质预报对即将开挖的岩体进行详细分析和正确判断，采取更准确的支护措施，设计出更合理的支护参数，最大限度地满足岩体开挖要求，确保高铁隧道施工安全。

参考文献

[1] 中铁二局集团有限公司.《高速铁路隧道工程施工技术指南》铁建设[2010]241号[M].北京：中国铁道出版社，2011.

[2] 中铁二局集团有限公司. TB 10304—2009 铁路隧道工程施工安全技术规程[S].北京：中国铁道出版社，2009.

[3] 刘佑荣.岩体力学[M].北京：中国地质大学出版社，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

文献标志码：A

文章编号：1009-8984(2015)04-0015-04

中图分类号：U456.3

作者简介：董长全(1963-)，男(汉)，吉林敦化，工程师

收稿日期：2015-11-03

doi:10.3969/j.issn.1009-8984.2015.04.004