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1 隧道及地下工程的災(zāi)害 事故及其防治技術(shù) 張子新教授 博導(dǎo)同濟(jì)大學(xué)地下建筑與工程系 上海 200092Tel Fax 021 65982986E mail zxzhang 2 介紹提綱 一 隧道的災(zāi)害防護(hù) 保養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)二 隧道及地下工程事故分析 3 一 隧道的災(zāi)害防護(hù) 保養(yǎng)與養(yǎng)護(hù) 4 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)狀態(tài)檢查統(tǒng)計(jì) 我國運(yùn)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(dāng)嚴(yán)重 其中發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象隧道3270座 占運(yùn)營總數(shù)的65 現(xiàn)狀 5 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(zāi) 6 隧道水害與隧道防水 7 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(zāi)害 危害 隧道滲水對隧道穩(wěn)定 洞內(nèi)設(shè)施 行車安全 地面建筑和隧道周圍水環(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響甚至威脅 襯砌周圍積水危害 水壓過大時(shí)導(dǎo)致襯砌破裂軟化圍巖 從而加大襯砌壓力 導(dǎo)致襯砌破裂膨脹性圍巖體積膨脹 導(dǎo)致襯砌破裂寒冷地區(qū)引發(fā)凍脹病害 8 潛流沖刷概念 由于地下水滲流和流動(dòng)而產(chǎn)生的沖刷和溶蝕作用 危害 襯砌基礎(chǔ)下沉 邊墻開裂或仰拱 整體道床下沉開裂圍巖滑移錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致襯砌變形開裂超挖回填不實(shí)或未全部回填著 引起圍巖坍塌 導(dǎo)致襯砌破壞 9 10 邊墻溶洞出水 11 涌水 12 水害的成因 可以歸結(jié)為客觀和主觀兩方面原因 隧道穿越含水的不良地層隧道襯砌防水及排水設(shè)施不完善 13 防水設(shè)計(jì)應(yīng)考慮地表水 地下水 毛細(xì)管水等的作用 以及由于人為因素引起的附近水文地質(zhì)改變的影響防水原則 防 排 截 堵相結(jié)合 剛?cè)岵?jì) 因地制宜 綜合治理 隧道防水結(jié)構(gòu)多采用塑料板防水層和防水混凝土 同時(shí)要重視混凝土的 裂縫 處理 對于承受高壓水的隧道防水或防水要求高的地下工程要考慮多層防線 層層設(shè)防 隧道的防水設(shè)計(jì) 14 細(xì)部構(gòu)造防水 隧道與地下結(jié)構(gòu)的施工縫 變形縫 后澆帶 穿墻管 埋設(shè)件 孔口等處是整個(gè)工程防水的薄弱環(huán)節(jié) 對于細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)與施工要認(rèn)真對待 15 施工縫防水 16 變形縫的防水 17 18 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(hù) 19 20 盾構(gòu)隧道防水主要是解決管片本身的防水和管片接縫的防水襯砌管片的防水方法 管片結(jié)構(gòu)的自防水 管片的制作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 21 22 管片接頭常出現(xiàn)的幾個(gè)問題和解決辦法 接頭區(qū)混凝土剝落 小型管道密封件 23 拐彎區(qū)混凝土裂開 能增大柔性的幾何尺寸 24 十字接頭泄漏 接口自動(dòng)閉合 能在壓力下自動(dòng)擠出粘性物質(zhì) 25 密封松動(dòng) 倒鉤設(shè)計(jì) 26 嵌入封頂塊 滑動(dòng)材料表面 27 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(fù)合材料制作 在侵蝕性介質(zhì)中采用耐侵蝕材料或做內(nèi)襯保護(hù)層管筒的接口是關(guān)鍵 形式有剛性接口 剛?cè)峤Y(jié)合接口和柔性接口 頂管隧道防水 28 不同形式的頂管接頭形式 剛性接口 剛?cè)峤Y(jié)合接口 29 柔性接頭 30 沉管隧道防水分為管段自身防水 管段外防水和管段接頭防水特點(diǎn) 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型橡膠止水帶所形成的柔性接頭形式 3 三種防水形式的綜合應(yīng)用形成嚴(yán)密的防水體系 沉管隧道防水 31 GINA斷面止水設(shè)計(jì) 32 基本方法 適當(dāng)疏通注漿堵水增設(shè)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材料嚴(yán)格施工工藝 運(yùn)營隧道的水害治理 33 隧道襯砌裂損及其防治 34 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(cuò)臺 開裂 35 襯砌開裂 36 對不良地質(zhì)地段襯砌 應(yīng)貫徹 寧強(qiáng)勿弱 寧曲勿直 加強(qiáng)襯砌過渡段 寧長勿短 的原則盡量減少對圍巖的的擾動(dòng) 提高襯砌質(zhì)量 大力推廣光面爆破 錨噴支護(hù) 提高混凝土永久性襯砌的抗裂 抗?jié)B性能 預(yù)防措施 37 襯砌變形 開裂的治理措施若襯砌背面存在空隙 可在襯背壓注水泥砂漿由于襯砌厚度不足 年久變質(zhì) 或裂縫區(qū)域過大 影響到襯砌強(qiáng)度 可在襯砌面噴射混凝土襯砌裂縫穩(wěn)定時(shí)處理可采用壓注環(huán)氧水泥砂漿或水泥砂漿的方法加固對于襯砌表面腐蝕 剝落及灰縫脫落可先清除表面然后加噴一層混凝土 整治措施 38 路面拱起 沉陷 錯(cuò)臺 開裂處理 誘因 采取措施 圍巖側(cè)壓力過大 導(dǎo)致兩邊側(cè)墻內(nèi)移而引起的路面拱起 在路面下加設(shè)水平支撐 路面局部沉陷 錯(cuò)臺 嚴(yán)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 39 無損檢測 40 41 對洞口的檢查與養(yǎng)護(hù) 須引起注意的方面 擋墻 邊坡的穩(wěn)定性洞口的排水 防水系統(tǒng)危石 42 泥石流堵塞洞口 43 44 隧道凍害 45 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(huì)導(dǎo)致襯砌凍脹開裂 甚至疏松剝落 造成隧道襯砌結(jié)構(gòu)的失穩(wěn)破壞 降低襯砌結(jié)構(gòu)的安全可靠性 嚴(yán)重影響運(yùn)輸?shù)陌踩驼＿\(yùn)行 概念 凍結(jié)圈 融化圈 46 嚴(yán)寒及寒冷地區(qū)隧道凍害的防治 其基本措施是 綜合治水更換或改造土壤保溫防凍加強(qiáng)結(jié)構(gòu) 如加設(shè)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 通過加深邊墻 加強(qiáng)底部排水等方法防止融坍 凍害的防治 47 襯砌腐蝕 48 隧道襯砌腐蝕分為物理腐蝕和化學(xué)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(xué)腐蝕 硫酸鹽侵蝕 鎂鹽侵蝕 軟水溶出性侵蝕和一般酸類腐蝕 隧道腐蝕的分類和影響因素 49 提高襯砌的密實(shí)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(qiáng)襯砌外排水措施在襯砌表面做隔離防水層采用與侵蝕性環(huán)境水不起化學(xué)反應(yīng)的天然石料筑襯砌向襯砌背后壓注防蝕漿液等 防治措施 50 隧道的震害與抗震 51 特點(diǎn) 地下結(jié)構(gòu)在地震作用下 由于周圍巖土介質(zhì)的存在 會(huì)發(fā)生不同于地面結(jié)構(gòu)的響應(yīng)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(rèn)識 52 隧道震害與支護(hù)的關(guān)系 當(dāng)圍巖不穩(wěn)定時(shí) 襯砌只要能與圍巖保持大致一致的變形 既不致產(chǎn)生嚴(yán)重的震害支護(hù)與圍巖密貼對隧道震害十分重要 推廣新奧法施工 采用噴錨襯砌及復(fù)合襯砌 襯砌背后壓漿等措施 為保證機(jī)構(gòu)具有適應(yīng)地層變形的能力 應(yīng)適當(dāng)減少結(jié)構(gòu)的剛度曲墻式襯砌優(yōu)于直墻式 封閉襯砌優(yōu)于未封閉式單線隧道的裂縫出現(xiàn)在仰拱 拱頂內(nèi)側(cè)以及仰拱拱趾的外側(cè) 53 隧道抗震加固與震害整治 問題 加固方法 有滑坡危險(xiǎn)的不安全斜坡 新設(shè)抵抗偏壓的加厚邊墻混凝土 拱架保護(hù)工程 內(nèi)襯砌 錨桿加固工程 表面有巖石滑下危害的洞口 延長隧道 重新襯砌 進(jìn)行防護(hù) 有泥石流危險(xiǎn)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 54 地鐵震害與抗震 1995年日本阪神地震表明 強(qiáng)烈地震時(shí) 地下結(jié)構(gòu)震害嚴(yán)重 同時(shí)地下鐵道延伸范圍廣 其間場地土的特性復(fù)雜多變 土層的液化 震陷等現(xiàn)象亦會(huì)對地鐵造成間接影響 因此 對地鐵抗震性能的研究應(yīng)該引起重視 55 對95年阪神地震資料總結(jié)發(fā)現(xiàn) 地震破壞主要特點(diǎn) 不對稱結(jié)構(gòu)發(fā)生的破壞比對稱結(jié)構(gòu)嚴(yán)重上層結(jié)構(gòu)比下層破壞嚴(yán)重 破壞主要發(fā)生在中柱上地下結(jié)構(gòu)上部土層越厚 破壞越輕 縱墻和橫墻均出現(xiàn)大量的斜向裂紋 特別是角點(diǎn)部位 頂板與側(cè)墻的破壞程度與中柱密切相關(guān)區(qū)間隧道的破壞形式主要是裂縫 其中多為側(cè)墻中部的軸向彎曲裂縫 56 隧道及地下工程安全與防災(zāi) 57 隧道和地鐵建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜 環(huán)境密閉 加上人員密集 一旦發(fā)生火災(zāi) 撲救相當(dāng)困難 往往會(huì)造成重大的人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失 隧道火災(zāi)的危害性 58 2003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頃刻間被烈焰和濃煙吞沒 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(dāng)時(shí)有126人死亡 146人受傷 另有318人下落不明 59 60 火災(zāi)現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果 61 隧道火災(zāi)的主要原因 1 車輛電氣線路短路 汽化器失靈 載重汽車氣動(dòng)系統(tǒng)故障等引發(fā)火災(zāi) 2 隧道內(nèi)道路狹小 能見度較差 情況又較復(fù)雜 容易發(fā)生車輛相撞事故 也可引發(fā)隧道火災(zāi) 3 隧道內(nèi)通行的車輛所載貨物可能有易燃易爆物品 遇明火 或熱源 發(fā)生燃燒或自燃 62 主要防火措施 1 采用耐火材料2 較長的隧道劃分防火分區(qū)3 隧道內(nèi)設(shè)置自動(dòng)的水噴淋滅火系統(tǒng)和火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng) 以及配備各類便攜式滅火器 4 設(shè)置疏散避難設(shè)施 如避難通道 隧道兩側(cè)的誘導(dǎo)路 定點(diǎn)急救避難場所等5 加強(qiáng)隧道消防管理和交通管理以及經(jīng)常檢查隧道的防火安全工作 63 地鐵火災(zāi)的主要原因 1 地鐵車站在裝修 設(shè)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(zāi)2 施工中進(jìn)行焊接 切割作業(yè)以及工作人員吸煙 列車運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的電弧等原因 3 乘客違反規(guī)定 以及車上電器設(shè)備故障等原因4 變配車站設(shè)備故障導(dǎo)致火災(zāi)5 人為縱火和恐怖襲擊 64 主要防火措施 1 車站的布局應(yīng)合理 采取防火墻 水幕等措施 嚴(yán)格限制車站內(nèi)各類易燃物品2 加強(qiáng)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(yīng)在地面建筑敷設(shè) 5 設(shè)計(jì)時(shí)考慮火災(zāi)排煙要求6 自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng) 滅火淋噴系統(tǒng) 65 火災(zāi)時(shí)的煙霧排放系統(tǒng) 66 附屬設(shè)施的養(yǎng)護(hù) 67 隧道附屬設(shè)施養(yǎng)護(hù)工作范圍包括 照明 通風(fēng) 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 68 通風(fēng) 對于利用豎井 邊窗通風(fēng)者 應(yīng)隨時(shí)檢查 清除井內(nèi)雜物對各式通風(fēng)機(jī) 管道 機(jī)電 動(dòng)力設(shè)備等 每月進(jìn)行一次運(yùn)轉(zhuǎn)情況檢修 69 照明 通過遮陽棚 減光格柵 綠化等盡量保持洞外附近低亮度采用路面標(biāo)線 路緣石 刷白色反光材料等方式 提高隧道亮度并誘導(dǎo)視線加強(qiáng)隧道內(nèi)路面 側(cè)墻 頂棚和照明燈具的清掃工作設(shè)置的照明器應(yīng)當(dāng)防震 防水 防塵 并作定期檢查 70 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 事故原因分析 工程對策 公路隧道 71 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遞的推力作用下發(fā)生固結(jié) 結(jié)成硬塊的現(xiàn)象 閉塞閉塞是由于土體成拱使得不能正常出土進(jìn)入土體壓實(shí)充滿壓力艙 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(jìn)而引起施工困難 噴涌盾構(gòu)掘進(jìn)打開螺旋輸送器閥門出土?xí)r 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(yùn)輸無法帶走土體 開挖面失穩(wěn)由于千斤頂 隔板傳遞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)定的現(xiàn)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(huì)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 這種現(xiàn)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(dāng)?shù)孛娉两党鲈试S范圍時(shí) 會(huì)引起地面建筑物墻體開裂 個(gè)別地點(diǎn)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(yīng)的措施及時(shí)加以控制和治理 否則會(huì)隧道施工帶來嚴(yán)重威脅 因此滲漏水量應(yīng)符合結(jié)構(gòu)防水標(biāo)準(zhǔn) 塌陷其他事故 72 上海地鐵四號線事故照片 1 73 上海地鐵四號線事故照片 2 74 上海地鐵四號線事故照片 3 75 上海地鐵四號線事故照片 4 76 北京地鐵五號線崇文門車站事故現(xiàn)場的坍塌鋼筋 77 廣州地鐵三號線事故照片 1 78 廣州地鐵三號線事故照片 2 79 臺灣高雄坑內(nèi)滲水情形及阻漏 80 陷下去的車子 81 82 83 事故原因分析 結(jié)餅原因分析閉塞原因分析噴涌原因分析開挖面失穩(wěn)原因分析地表發(fā)生沉降原因分析滲漏水原因分析坍塌原因分析其他事故原因分析 84 工程對策 結(jié)餅1 掘進(jìn)時(shí)注泡沫劑 改善土體的和易性 預(yù)防粘土結(jié)塊2 盾構(gòu)刀盤在設(shè)計(jì)上應(yīng)考慮對泥巖的切削功能 使刀盤盡少出現(xiàn)粘結(jié)堵塞3 也可以在刀盤背面和土艙胸板上增設(shè)空心攪動(dòng)棒 增加攪拌強(qiáng)度和范圍 并且空心棒內(nèi)還可以預(yù)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脫落 85 閉塞從人孔進(jìn)入到密閉艙內(nèi)除去障礙物 加固好開挖面前的地基土 將盾構(gòu)機(jī)停留在加固體范圍中 從盾構(gòu)機(jī)側(cè)面除去障礙物 存在埋設(shè)物和作業(yè)帶的制約 在開挖面前筑工作井 牽行盾構(gòu)機(jī)入內(nèi) 從地面一側(cè)除去障礙物 要增加費(fèi)用和工期 工程對策 86 噴涌關(guān)閉螺旋輸送器情況下繼續(xù)掘進(jìn) 讓切削下的土體擠出土艙內(nèi)的水 采取這種措施時(shí) 要預(yù)防艙內(nèi)壓力過高 造成盾構(gòu)前方隆起 冒漿以及盾尾被擊穿等 提前采用氣壓平衡模式掘進(jìn) 但要預(yù)防漏氣事件的發(fā)生 加入高濃度泥漿或泡沫 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 螺旋輸送器選擇具有土塞效應(yīng)的中軸式螺桿和簡短式螺桿 在盾構(gòu)刀盤設(shè)計(jì)時(shí) 優(yōu)化設(shè)計(jì)好刀盤的開口率和刀具 使切削進(jìn)倉的顆粒較小且均勻 如果施工特別困難的情況下 在螺旋輸送器某一位置安裝連接管道 改成泥水盾構(gòu)出土模式 工程對策 87 開挖面失穩(wěn)施工單位控制好壓力艙的應(yīng)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(dòng)性 并使土砂確實(shí)充滿壓力艙內(nèi) 同時(shí)還應(yīng)是開挖下來的土砂具有止水性 同時(shí)為了一邊保持開挖面的穩(wěn)定一邊順利進(jìn)行推進(jìn) 則需要適量的進(jìn)行排土 維持排土量和開挖量的平衡 工程對策 88 地表發(fā)生沉降在發(fā)生沉降的地點(diǎn) 在沉陷范圍派專人值班 負(fù)責(zé)人員 交通 建筑物的安全 盾構(gòu)關(guān)閉進(jìn)土閥門 建立土壓 所設(shè)的土壓比所處位置的水土壓力高0 2kg cm2 盾構(gòu)停止掘進(jìn) 用盾構(gòu)上的超前注漿設(shè)備和注漿孔向地層注漿加固 不停地向管片背后注漿 并調(diào)整漿液配合比 使其具有足夠的強(qiáng)度和快速凝結(jié) 在沉陷范圍內(nèi)采用鉆機(jī)進(jìn)行地表注漿加固方法 增加地基的強(qiáng)度 增加沉降觀測 及時(shí)反饋信息 工程對策 89 滲漏水 工程對策 90 坍塌事故首先攔截塌陷四周的地表水 防止地下水進(jìn)一步滲入隧道內(nèi) 降低隧道內(nèi)的涌水量 及時(shí)對塌孔進(jìn)行回填 尤其是漏水口處 回填密實(shí) 形成相對隔水層 控制好推進(jìn)速度和出土速度 維持開挖面土壓平衡 減少地表沉降量 加大注漿量 每一環(huán)管片背后注漿量應(yīng) 8 0m3 確保地面沉降范圍不再向前擴(kuò)展 增加輔助添加劑量 改善土渣的和易性 在增加泡沫量達(dá)不到效果時(shí) 可以考慮改用膨潤土泥漿 加強(qiáng)監(jiān)控測量 特別是出土量和土倉壓力 注漿量等參數(shù) 并及時(shí)根據(jù)監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)調(diào)整掘進(jìn)參數(shù) 每天進(jìn)行一次土樣分析 進(jìn)行土質(zhì)鑒定 確定砂層有無繼續(xù)下漏趨向 在掘進(jìn)速度極其緩慢 刀盤推力 扭矩持續(xù)增加的情況下 可以考慮進(jìn)行換刀 至于開挖面地下水和上覆土層的處理 可以從地面上采取攪拌樁 水泥 水玻璃雙液漿 進(jìn)行加固 割斷砂層及水力聯(lián)系 工程對策 91 布拉格騎士廣場 謝謝大家