隧道及地下工程的災害、事故及其防治技術(shù)

隧道及地下工程的災禍、事故及其防治技術(shù)

張子新教授、博導同濟大學地下建筑與工程系，上海，200092

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1引見提綱一、隧道的災禍防護、保養(yǎng)與養(yǎng)護二、隧道及地下工程事故分析2一、隧道的災禍防護、保養(yǎng)與養(yǎng)護3我國各類隧道均存在不同程度的病害。以隧道鐵路為例：根據(jù)1997年技術(shù)形狀檢查統(tǒng)計，我國運營鐵路有隧道5000余座。大部分存在不同程度的病害，有的還相當嚴重，其中發(fā)生失穩(wěn)景象隧道3270座，占運營總數(shù)的65%現(xiàn)狀4隧道主要病害包括：隧道水害、襯砌裂損、隧道凍害、震害、洞內(nèi)空氣污染和火災5隧道水害與隧道防水6隧道水害的種類及其危害隧道滲漏水隧道滲漏，按發(fā)生的部位分為：拱部有滲水、滴水、漏水成線和成股射流四種，邊墻有滲水、淌水兩種，少數(shù)有涌水災禍。危害：隧道滲水對隧道穩(wěn)定、洞內(nèi)設備、行車平安、地面建筑和隧道周圍水環(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響甚至要挾。襯砌周圍積水危害:水壓過大時導致襯砌破裂軟化圍巖，從而加大襯砌壓力，導致襯砌破裂膨脹性圍巖體積膨脹，導致襯砌破裂冰冷地域引發(fā)凍脹病害7潛流沖刷概念：由于地下水滲流和流動而產(chǎn)生的沖刷和溶蝕作用。危害：襯砌根底下沉，邊墻開裂或仰拱、整體道床下沉開裂圍巖滑移錯動導致襯砌變形開裂超挖回填不實或未全部回填著，引起圍巖坍塌，導致襯砌破壞。89邊墻溶洞出水10涌水11水害的成因可以歸結(jié)為客觀和客觀兩方面緣由：隧道穿越含水的不良地層隧道襯砌防水及排水設備不完善12防水設計應思索地表水、地下水、毛細管水等的作用，以及由于人為要素引起的附近水文地質(zhì)改動的影響防水原那么：防、排、截、堵相結(jié)合，剛?cè)岵?，因地制宜，綜合治理。隧道防水構(gòu)造多采用塑料板防水層和防水混凝土。同時要注重混凝土的“裂痕〞處置。對于接受高壓水的隧道防水或防水要求高的地下工程要思索多層防線，層層設防。隧道的防水設計13細部構(gòu)造防水隧道與地下構(gòu)造的施工縫、變形縫、后澆帶、穿墻管、埋設件、孔口等處是整個工程防水的薄弱環(huán)節(jié)，對于細部構(gòu)造的設計與施工要仔細對待。14施工縫防水15變形縫的防水1617隧道排水隧道排水洞內(nèi)排水洞外排水豎向盲溝環(huán)向盲溝縱向盲管排水溝截水溝排水溝洞門仰坡防護1819盾構(gòu)隧道防水主要是處理管片本身的防水和管片接縫的防水襯砌管片的防水方法：管片構(gòu)造的自防水;管片的制造精良管片的防水措施：密封墊防水、嵌縫防水、螺栓孔防水、二次襯砌盾構(gòu)隧道防水2021管片接頭常出現(xiàn)的幾個問題和處理方法接頭區(qū)混凝土剝落小型管道密封件22拐彎區(qū)混凝土裂開能增大柔性的幾何尺寸23十字接頭走漏接口自動閉合〔能在壓力下自動擠出粘性物質(zhì)〕24密封松動倒鉤設計25嵌入封頂塊滑動資料外表26襯砌類型和防水：襯砌由防水混凝土，鋼板或鋼板與混凝土復合資料制造，在侵蝕性介質(zhì)中采用耐侵蝕資料或做內(nèi)襯維護層管筒的接口是關(guān)鍵，方式有剛性接口、剛?cè)峤Y(jié)合接口和柔性接口頂管隧道防水27不同方式的頂管接頭方式剛性接口剛?cè)峤Y(jié)合接口28柔性接頭29沉管隧道防水分為管段本身防水、管段外防水和管段接頭防水特點：1〕采用水密型的防水技術(shù)；2〕采用柔性接頭，常采用的是性能優(yōu)越的GINA和OMEGA型橡膠止水帶所構(gòu)成的柔性接頭方式；3〕三種防水方式的綜合運用構(gòu)成嚴密的防水體系沉管隧道防水30GINA斷面止水設計31根本方法：適當疏通注漿堵水增設內(nèi)防水層水害整治技術(shù)關(guān)鍵：分析病害成因，對癥整治合理選擇防水資料嚴厲施工工藝運營隧道的水害治理32隧道襯砌裂損及其防治33襯砌裂損的常見病害襯砌變形、開裂、滲漏水端墻、側(cè)墻、翼墻位移、開裂路面拱起、沉陷、錯臺、開裂34襯砌開裂35對不良地質(zhì)地段襯砌，應貫徹“寧強勿弱，寧曲勿直，加強襯砌過渡段，寧長勿短〞的原那么盡量減少對圍巖的的擾動，提高襯砌質(zhì)量。大力推行光面爆破，錨噴支護，提高混凝土永久性襯砌的抗裂、抗?jié)B性能。預防措施36襯砌變形、開裂的治理措施假設襯砌反面存在空隙，可在襯背壓注水泥砂漿由于襯砌厚度缺乏,年久蛻變，或裂痕區(qū)域過大，影響到襯砌強度，可在襯砌面放射混凝土襯砌裂痕穩(wěn)定時處置可采用壓注環(huán)氧水泥砂漿或水泥砂漿的方法加固對于襯砌外表腐蝕、剝落及灰縫零落可先去除外表然后加噴一層混凝土整治措施37路面拱起、沉陷、錯臺、開裂處置誘因采取措施圍巖側(cè)壓力過大，導致兩邊側(cè)墻內(nèi)移而引起的路面拱起在路面下加設程度支撐路面部分沉陷、錯臺、嚴重碎裂挖出破損的路面以及其下部的基層，重鋪路面治理滲漏水，并將水引入兩側(cè)邊溝38無損檢測3940對洞口的檢查與養(yǎng)護須引起留意的方面：擋墻、邊坡的穩(wěn)定性洞口的排水、防水系統(tǒng)危石41泥石流堵塞洞口4243隧道凍害44常見的凍害種類：拱部掛冰、邊墻結(jié)冰；圍巖凍脹破壞，引起襯砌變形破壞；襯砌發(fā)生冰楔隧道內(nèi)網(wǎng)線掛冰危害性：隧道凍害會導致襯砌凍脹開裂，甚至疏松剝落，呵斥隧道襯砌構(gòu)造的失穩(wěn)破壞，降低襯砌構(gòu)造的平安可靠性，嚴重影響運輸?shù)钠桨埠驼＿\轉(zhuǎn)。概念：凍結(jié)圈、融化圈45嚴寒及冰冷地域隧道凍害的防治，其根本措施是：綜合治水改換或改造土壤保溫防凍加強構(gòu)造，如加設仰拱襯砌，采用防水鋼筋混凝土襯砌，錨噴混凝土加固，加抗凍脹錨桿等。經(jīng)過加深邊墻，加強底部排水等方法防止融坍凍害的防治46襯砌腐蝕47隧道襯砌腐蝕分為物理腐蝕和化學腐蝕。物理腐蝕凍融交替部位的凍脹性裂損干濕交替部位的鹽類結(jié)晶性脹裂損壞化學腐蝕：硫酸鹽侵蝕、鎂鹽侵蝕、軟水溶出性侵蝕和普通酸類腐蝕隧道腐蝕的分類和影響要素48提高襯砌的密實度和整體性外摻加料法：比如摻加粉煤灰可以去除游離的Ca(OH)2。選用耐侵蝕水泥加強襯砌外排水措施在襯砌外表做隔離防水層采用與侵蝕性環(huán)境水不起化學反響的天然石料筑襯砌向襯砌背后壓注防蝕漿液等防治措施49隧道的震害與抗震50特點：地下構(gòu)造在地震作用下，由于周圍巖土介質(zhì)的存在，會發(fā)生不同于地面構(gòu)造的呼應隧道容易發(fā)生震害的地段與部位隧道洞口特殊地層條件襯砌有缺陷的地段和部位對隧道震害的認識51隧道震害與支護的關(guān)系：當圍巖不穩(wěn)定時，襯砌只需能與圍巖堅持大致一致的變形，既不致產(chǎn)生嚴重的震害支護與圍巖密貼對隧道震害非常重要。推行新奧法施工、采用噴錨襯砌及復合襯砌，襯砌背后壓漿等措施。為保證機構(gòu)具有順應地層變形的才干，應適當減少構(gòu)造的剛度曲墻式襯砌優(yōu)于直墻式，封鎖襯砌優(yōu)于未封鎖式單線隧道的裂痕出如今仰拱、拱頂內(nèi)側(cè)以及仰拱拱趾的外側(cè)52

隧道抗震加固與震害整治問題加固方法有滑坡危險的不平安斜坡新設抵抗偏壓的加厚邊墻混凝土、拱架維護工程，內(nèi)襯砌，錨桿加固工程外表有巖石滑下危害的洞口延伸隧道，重新襯砌，進展防護有泥石流危險的洞口治理山坡，筑防沙堤有山體崩毀、流沙歷史，以及隨噴水有泥砂流出的的區(qū)間山體注漿及排水襯砌背后有空洞回填注漿53地鐵震害與抗震1995年日本阪神地震闡明，劇烈地震時，地下構(gòu)造震害嚴重；同時地下鐵道延伸范圍廣，其間場地土的特性復雜多變，土層的液化、震陷等景象亦會對地鐵呵斥間接影響。因此，對地鐵抗震性能的研討應該引起注重。54對95年阪神地震資料總結(jié)發(fā)現(xiàn)，地震破壞主要特點：不對稱構(gòu)造發(fā)生的破壞比對稱構(gòu)造嚴重上層構(gòu)造比下層破壞嚴重。破壞主要發(fā)生在中柱上地下構(gòu)造上部土層越厚，破壞越輕?？v墻和橫墻均出現(xiàn)大量的斜向裂紋，特別是角點部位。頂板與側(cè)墻的破壞程度與中柱親密相關(guān)區(qū)間隧道的破壞方式主要是裂痕，其中多為側(cè)墻中部的軸向彎曲裂痕55隧道及地下工程平安與防災56隧道和地鐵建筑構(gòu)造復雜、環(huán)境密閉，加上人員密集，一旦發(fā)生火災，撲救相當困難，往往會呵斥艱苦的人員傷亡和財富損失隧道火災的危害性572003年2月18日上午，由于一名中年男子縱火，韓國大邱市地鐵一號線的中央路車站須臾間被烈焰和濃煙淹沒，兩列滿載乘客的地鐵列車被燒毀。根據(jù)韓國官方提供的數(shù)字，當時有126人死亡，146人受傷，另有318人下落不明5859火災現(xiàn)場實驗結(jié)果60隧道火災的主要緣由1.車輛電氣線路短路、汽化器失靈、載重汽車氣動系統(tǒng)缺點等引發(fā)火災。2.隧道內(nèi)道路狹小，能見度較差、情況又較復雜，容易發(fā)生車輛相撞事故，也可引發(fā)隧道火災。3.隧道內(nèi)通行的車輛所載貨物能夠有易燃易爆物品，遇明火〔或熱源〕發(fā)生熄滅或自燃。61主要防火措施1.采用耐火資料2.較長的隧道劃分防火分區(qū)3.隧道內(nèi)設置自動的水噴淋滅火系統(tǒng)和火災自動報警系統(tǒng)，以及配備各類便攜式滅火器。4.設置疏散避難設備，如避難通道、隧道兩側(cè)的誘導路、定點急救避難場所等5.加強隧道消防管理和交通管理以及經(jīng)常檢查隧道的防火平安任務62地鐵火災的主要緣由1.地鐵車站在裝修、設備、辦公等方面存在一定數(shù)量的可燃物，操作不慎引發(fā)火災2.施工中進展焊接、切割作業(yè)以及任務人員吸煙、列車運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生的電弧等緣由。3.乘客違反規(guī)定，以及車上電器設備缺點等緣由4.變配車站設備缺點導致火災5.人為縱火和恐懼襲擊63主要防火措施1.車站的規(guī)劃應合理，采取防火墻、水幕等措施。嚴厲限制車站內(nèi)各類易燃物品2.加強隧道維修施工管理3.地鐵客車采用不燃材質(zhì)制造4.地鐵變電站、高壓電纜應在地面建筑敷設。5.設計時思索火災排煙要求6.自動監(jiān)控系統(tǒng)；滅火淋噴系統(tǒng)64火災時的煙霧排放系統(tǒng)65附屬設備的養(yǎng)護66隧道附屬設備養(yǎng)護任務范圍包括：照明、通風、排水、消防等隧道的維修保養(yǎng)檢查包括經(jīng)常檢查、定期檢查以及特殊檢查67通風對于利用豎井、邊窗通風者，應隨時檢查，去除井內(nèi)雜物對各式通風機、管道、機電、動力設備等，每月進展一次運轉(zhuǎn)情況檢修68照明經(jīng)過遮陽棚、減光格柵、綠化等盡量堅持洞外附近低亮度采用路面標線、路緣石、刷白色反光資料等方式，提高隧道亮度并誘導視野加強隧道內(nèi)路面、側(cè)墻、頂棚和照明燈具的清掃任務設置的照明器該當防震、防水、防塵，并作定期檢查

69二、隧道及地下工程事故分析●盾構(gòu)隧道－事故調(diào)查及分類－事故緣由分析－工程對策●公路隧道70盾構(gòu)隧道－事故調(diào)查及分類盾構(gòu)法中常見的施工事故類型有以下幾種：結(jié)餅壓力艙土體在隔板傳送的推力作用下發(fā)生固結(jié)，結(jié)成硬塊的景象。閉塞閉塞是由于土體成拱使得不能正常出土進入土體壓實充溢壓力艙，而缺乏流塑性的土體又使攪拌翼的阻力上升，加大刀盤扭矩進而引起施工困難。噴涌盾構(gòu)掘進翻開螺旋保送器閥門出土時，以水為主，水和砂混合從出土口噴涌而出，散落在隧道內(nèi)，皮帶運輸無法帶走土體。開挖面失穩(wěn)由于千斤頂、隔板傳送到壓力艙的壓力不能均勻作用于開挖面，而使開挖面失去穩(wěn)定的景象。地表發(fā)生沉降隧道施工中不論采用何種施工方法都會產(chǎn)生不同程度的地面沉降，盾構(gòu)法也不例外。特別是在松軟飽和和含水不穩(wěn)定的淤泥質(zhì)粘土層的淺覆土隧道中，這種景象尤為明顯。盾構(gòu)法施工中要求將地面沉降控制在允許的范圍內(nèi)。當?shù)孛娉两党鲈试S范圍時，會引起地面建筑物墻體開裂，個別地點由于墻體開裂而產(chǎn)生不良的影響。滲漏水不論何種隧道施工，都要對滲漏水采取相應的措施及時加以控制和治理，否那么會隧道施工帶來嚴重要挾，因此滲漏水量應符合構(gòu)造防水規(guī)范。塌陷其他事故71上海地鐵四號線事故照片〔1〕72上海地鐵四號線事故照片〔2〕73上海地鐵四號線事故照片〔3〕74上海地鐵四號線事故照片〔4〕75北京地鐵五號線崇文門車站事故現(xiàn)場的坍塌鋼筋76廣州地鐵三號線事故照片(1)77廣州地鐵三號線事故照片(2)78臺灣高雄坑內(nèi)滲水情形及阻漏79陷下去的車子808182事故緣由分析結(jié)餅緣由分析閉塞緣由分析噴涌緣由分析開挖面失穩(wěn)緣由分析地表發(fā)生沉降緣由分析滲漏水緣由分析坍塌緣由分析其他事故緣由分析83工程對策結(jié)餅1、掘進時注泡沫劑，改善土體的和易性，預防粘土結(jié)塊2、盾構(gòu)刀盤在設計上應思索對泥巖的切削功能，使刀盤盡少出現(xiàn)粘結(jié)堵塞3、也可以在刀盤反面和土艙胸板上增設空心攪動棒，添加攪拌強度和范圍，并且空心棒內(nèi)還可以預留注水孔，以便清洗刀盤和土艙。4、空轉(zhuǎn)刀盤，使泥餅在離心力的作用下零落84閉塞從人孔進入到密閉艙內(nèi)除去妨礙物；加固好開挖面前的地基土，將盾構(gòu)機停留在加固體范圍中，從盾構(gòu)機側(cè)面除去妨礙物〔存在埋設物和作業(yè)帶的制約〕；在開挖面前筑任務井，牽行盾構(gòu)機入內(nèi)，從地面一側(cè)除去妨礙物〔要添加費用和工期〕工程對策85噴涌封鎖螺旋保送器情況下繼續(xù)掘進，讓切削下的土體擠出土艙內(nèi)的水。采取這種措施時，要預防艙內(nèi)壓力過高，呵斥盾構(gòu)前方隆起、冒漿以及盾尾被擊穿等。提早采用氣壓平衡方式掘進，但要預防漏氣事件的發(fā)生。參與高濃度泥漿或泡沫，改善土體的和易性，使土體中的顆粒和泥漿成為一整體。盾構(gòu)選型方面，螺旋保送器選擇具有土塞效應的中軸式螺桿和簡短式螺桿。在盾構(gòu)刀盤設計時，優(yōu)化設計好刀盤的開口率和刀具，使切削進倉的顆粒較小且均勻。假設施工特別困難的情況下，在螺旋保送器某一位置安裝銜接納道，改成泥水盾構(gòu)出土方式工程對策86開挖面失穩(wěn)施工單位控制好壓力艙的應有壓力，防止開挖面失穩(wěn)；為了保證開挖面的穩(wěn)定，重要的是要使開挖下來的土砂具有塑性流動性，并使土砂確實充溢壓力艙內(nèi)，同時還