如何防坍是隧道施工安全的关键环节

(呼和浩特铁路局 建设管理处，内蒙古  呼和浩特 010050)
摘 要： 文章介绍了隧道施工中的关键环节是防坍，施工中应提早做好防坍预防措施，采用安 全合理的施工方法和正确、经济的施工支护手段，确保隧道施工安全和工程质量。
关键词：隧道施工安全；防坍措施；施工方法
中图分类号：U455  文献标识码：B  文章编 号：1007—6921(2008) 

隧道施工安全是一个复杂的系统工程，任何一个方面、一个阶段、一个环节的工作没有做好 都可能酿成事故。开挖工作是隧道施工的第一流程，开挖工作直接影响隧道施工的安全、质 量和效益，可以减少对围岩的扰动，减少应力集中，有利于自然拱的形成，便于喷砼工艺。 开挖中最重要的一点就是防坍。山岭隧道施工绝大部分采用传统的施工方法—钻爆法施工。 钻爆法施工的山岭隧道由于受炸药爆破震动的影响，破坏了原有岩体内部受力平衡，当施工 方法不当或支护不力时，围岩就会因失稳而发生坍塌。因此，如何防止坍方是确保隧道施工 安全和工程质量的关键环节。
1 易发生坍方的地形和部位

在山区修建隧道，由于隧道穿越地区工程地质和水文地质的复杂多变，决定了山岭隧道的施 工难度。下面列举容易发生塌方的地段和部位，以便遇到类似情况时能引起高度重视。
1.1 容易发生塌方的地段
1.1.1 埋深较浅地段：山岭隧道埋深在200m以下时，围岩由于受到地表水侵蚀，岩层 风化严重，如施工不当易发生塌方。
1.1.2 断层破碎带及断层影响带：因其围岩破碎，自稳能力差，并含有大量的填充物 和地下水，如施工不当易发生塌方。
1.1.3 岩层接触带：因其岩层不同，且大多伴有小构造，如重视不够可能会发生塌方。 
1.1.4 高应力地段：在软质围岩中，由于受到高地应力的影响，围岩变形较大，若支 护不力极易发生坍方。
1.1.5 在高水位富水地段：岩溶呈不规律性分布，随时遇到意想不到的溶洞，若防备不 及，溶洞内的填充物涌出或坍塌，也会给工程造成不利的影响。
1.2 容易发生坍方的部位
1.2.1 隧道洞口：隧道洞口集埋深浅、石质较差、受力结构复杂等不利因素于一体， 处理不当极易发生坍方。
1.2.2 隧道拱脚：当采用台阶法施工开挖下半断面时，若拱脚支护不力，极易造成坍 方。
1.2.3 隧道墙脚：当进行检底施工时，措施不当墙脚悬空时，致使边墙失稳而发生偏帮 。
1.2.4 隧道拱部：地质条件较差，拱部变形较大，支护强度不足时，易发生拱部坍塌。 
1.2.5 隧道与隧道的交叉部位，即主洞与支洞交叉的部位，也就是通常所说的交叉三角 区，如果处理不当，支护不力，极易发生坍方。
1.2.6 在水平岩层或近似水平岩层中，拱部易发生掉顶；在垂直岩层或近似垂直岩层 中，边墙易发生偏帮。
2 防止出现坍方的预防措施    

在山岭隧道施工中，如果施工方法及支护手段使用不当，不仅不能加快施工进度，而且也不 能保证工程质量和施工安全，易造成坍方。为此，特别强调：
2.1 选择合适的施工方法

隧道施工过程和方法是多种多样的，目前在我们经常采用的矿山法中大致有全断面法、台 阶法和分部开挖法三大类。

在当前的施工实践中，采用最多的方法是台阶法（含环形开挖预留核心土法），其次是全断 面法。选择施工方法，并不完全决定于地质条件。地质条件仅仅是选择施工方法的一个因素 ，而更应强调的是：施工方法必须符合快速、安全、质量及环境的要求。其中环境因素有时 成为选择施工方法的决定性因素。选择施工方法时需考虑的基本因素大体上可归纳为：
2.1.1 施工条件：实践证实，施工条件是决定施工方法的最基本因素，它包括一个施 工队伍 所具备的施工能力、素质以及管理水平。目前我集团隧道施工队伍的素质和施工装备水平， 有高有低，参差不齐，因此，在选择施工方法时，不能不考虑这个因素的影响。
2.1.2 围岩条件：也就是地质条件，其中包括围岩级别、地下水及不良地质现象等。 围岩级别是对围岩工程性质的综合判定，对施工方法的选择起着重要的甚至决定性的作用。 
2.1.3 隧道断面积：隧道尺寸和形状，对施工方法选择也有一定的影响。目前隧道断面 有向 大断面方向发展的趋势，如公路隧道已开始修建3车道甚至4车道的大断面，水电工程中的大 断面洞室，更是屡见不鲜。在这种情况下，施工方法必须适应其发展。在单线和双线的铁路 隧道中，越来越多地采用了全断面法及台阶法；而在更大断面的隧道工程中，先采用各种方 法修小断面的导坑，再扩大形成全断面的施工方法极为盛行。
2.1.4 埋深：隧道埋深与围岩的初始应力场及多种因素有关，通常将埋深分为浅埋和 深埋两 类，有时将浅埋又分为超浅埋和浅埋两类。在同样地质条件下，由于埋深的不同，施工方法 也将有很大差异。
2.1.5 工期：作为设计条件之一的施工工期，在一定程度上会影响基本施工方法的选 择。因为工期决定了在均衡生产的条件下，对开挖、运输等综合生产能力的基本要求，即对 施工均衡速度、机械化水平和管理模式的要求。
2.1.6 环境条件：当隧道施工对周围环境产生如爆破振动、地表下沉、噪声、地下水 条件的变化等不良影响时，环境条件也应成为选择隧道施工方法的重要因素之一，在城市条 件下，甚至会成为选择施工方法的决定性因素。
2.2 各种施工方法在不同围岩和隧道中适用情况
2.2.1 全断面法。适用于单线铁路隧道Ⅰ～Ⅲ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅰ～Ⅱ级围岩地段。通常采用 全断面钻孔一次起爆方法。为控制好开挖轮廓，减少超欠挖，提高光面爆破效果，可推广预 留光爆层的开挖方法。
2.2.2 台阶法。

适用于单线铁路隧道Ⅲ、Ⅳ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅲ级围岩地段。台阶数量和长 度，要根据围岩条件而定。Ⅲ级围岩一般采用两台阶法；Ⅳ级围岩及Ⅲ级偏弱围岩，可改用 三台阶法。

台阶法施工的循环进尺，要根据开挖跨度和围岩类别、自稳时间严格控制，并与初期支护钢 架设计间距相对应。上部断面开挖视围岩自稳条件，可采用一次开挖成形和环形导坑预留核 心土开挖法，该法适用于单线铁路隧道Ⅳ、Ⅴ级围岩、铁路双线隧道及公路隧道Ⅲ、Ⅳ级围 岩地段。当围岩自稳性很差时，必须采用小导管或锚杆(注浆)等超前支护措施；土质隧道还 可采用人工预切槽，槽内嵌设钢架，喷混凝土预支护后再开挖的方法。

下部断面(中、下层台阶)是开挖作业的重要环节。近年来，在下部开挖中，因方法欠妥，作 业不慎引起初期支护失稳造成的重大坍方事故已有多起，必须引起高度重视。在开挖顺序上 ，宜采用先挖侧槽、左右错开向前推进的做法，不宜采用拉中槽挖马口的方法。侧槽开挖长 度，靠近边墙范围应采用风钻、风镐手工开挖，人工清壁扒碴，严禁使用重型机械开挖和装 碴，以免对围岩过大扰动、破坏围岩和初期支护系统的整体稳定性。
2.2.3 分部开挖法。

分部开挖法主要有双侧壁导坑法（适用于单线铁路隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩、铁路双线隧道及公路 隧道Ⅳ～Ⅵ级围岩）、中隔法（适用于单、双线铁路隧道Ⅴ级围岩、浅埋隧道及三线隧道） 或交叉中壁法（适用于双线、三线隧道Ⅴ、Ⅵ级围岩及浅埋隧道）。这些施工方法也适用于 对地表沉降有严格限制的城市公路隧道。

双侧壁导坑法在控制地中和地表下沉方面，优于其他施工方法。此外，由于两侧导坑先行， 能提前排放隧道拱部和中部土体中的部分地下水，为后续施工创造条件。因此城市浅埋、软 弱、大跨公路隧道和山岭软弱破碎、地下水发育的大跨隧道可优先选用双侧壁导坑法。
2.2.4 进洞方法。

进洞施工方法要根据洞口段地形、地貌和围岩条件而定。

洞口段为整体性好的Ⅰ、Ⅱ级硬岩时，路堑成型后，即可按全断面法直接进洞。

洞口段为浅埋、坡积、软弱的Ⅳ、Ⅴ级围岩时，宜采用台阶法进洞。一般应结合洞口路堑施 工分层开挖，到达暗洞进口里程前4m左右，沿设计开挖廓线外0.1m施作管棚(常用￠42mm小 钢管，有条件的也可用￠89mm钢管)超前支护，而后按台阶法施工。拱部要采用环形开挖留 核心土法，下部视情况分一层或两层开挖。为确保安全顺利进洞，暗洞前4m的初期支护通常 做成套拱。当暗洞掘进20m左右后，要及时施作仰拱和二次衬砌。
2.3 采用正确的支护手段和方法

除了施工方法安全合理实用外，采用合理、经济的施工支护手段也是防止隧道坍方的关键。 隧道支护应根据不同的围岩级别及地质状况进行施作，对洞口存在堆积体、滑坡体、浅埋及 软弱地层等不良地质隧道，可采用大管棚、小导管注浆超前支护，地表注浆加固及地面旋喷 桩加固等措施。部分隧道洞口设置抗滑桩保证坡体的整体稳定，进洞后尽快施做洞门，确保 进洞洞口安全；洞内软弱地层地段以锚、喷、网为主要支护手段，必要时加格栅钢架，强化 支护措施，同时减少对岩体的扰动，抑制围岩过度松弛变形，确保洞内施工安全。

一次支护是主要受力结构，应按永久结构没计，且必须在其基本稳定后开始进行防水层和二 次模筑衬砌，尚未稳定情况下，企图用模筑衬砌进行支护是不安全的，衬砌会产生开裂。若 采用铺底超前、仰拱超前的模筑衬砌的方法，是有利于地层稳定的。一次支护由钢筋网、钢 拱架、喷混凝土组成，钢拱架接头联结处设锁脚锚管(灌浆)。

二次衬砌为安全储备和承受部分流变荷载、地震力等。二次衬砌由模筑混凝土、钢筋混凝土 两种型式组成。
3 施工中应注意以下问题
3.1 浅埋或软弱围岩隧道正台阶施工不允许分长、中、微台阶，台阶长度为一倍洞径，第 一个上台阶高度定为2.5m，有利于快速将顶部一次支护、网构钢架安装定位，有利于安全。 小导管长度应为台阶高度加1m。所以，初期设置小导管长度3.5m是指台阶高度2.5m时的情况 。
3.2 大断面硬岩隧道宜采用小导洞超前爆破，可减震30％，取消预裂爆破。也可采用小TBM 超前，钻爆法扩大。其优点为：①可以超前预报；②爆破减振30％，炸药比全断面爆破减少 5％～10％；③扩大爆破，炮眼利用率为100％，所以提高开挖速度2～3倍：④炮眼半孔保 仃率80％，线形超挖<10cm；⑤爆破碴堆、碴块均匀、集中，便于快速出碴；⑥纵向爆破 冲击波小，对后部工序影响小。
3.3 在任何情况下，使隧道断面能在较短时间内闭合是极为重要的。
3.4 支护结构施工必须是一次支护从上向下施作，二次模筑衬砌必须从下向上施作。
3.5 在软弱地层段隧道衬砌施工采取紧跟的原则：即衬砌施工以距掌子面不超过150m为 限。仰拱超前、衬砌紧跟能在洞内迅速形成闭合环，防止围岩过度松弛变形，保证施工安全 的作用更为显著。
3.6 实施性施工组织设计必须把安全方案作为重要内容，从技术工艺、设备器材、作业流 程、风险应对等各个方面做好预控措施。
4 结束语

隧道施工通常地质条件复杂，施工作业条件艰难，极易造成安全、质量事故，不同的围岩和 隧道中采用合理、正确的施工方法及支护手段，做好隧道防坍工作，能够有效防止隧道施工 事故的发生，确保工程质量和施工安全。
［参考文献］
［1］ 杨新安，吴德康.铁路隧道［M］.西安：西南交通大学出版社出版.
［2］ 铁路隧道设计规范［S］（TB10003-2001 J117-2001）.
［3］ 关宝树.隧道施工要点集［M］.北京：人民交通出版社出版.
［4］ 周爱国.隧道工程施工现场施工技术［M］.北京：人民交通出版社出版.

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