铁路高风险隧道施工技术.ppt
铁道部工程管理中心ENGINEERING MANAGEMENT CENTER,铁路高风险隧道施工技术,2013.6,肖广智,目录一、前言二、铁路隧道工程技术进步三、铁路隧道风险管理规定与要求四、高风险类型以及处理原则、工程措施,一、前言,全国运营线路、隧道统计截至2010年年底，全国铁路运营长度85096.2km。全路共有隧道9224座，约6550km。全长3000m以上的隧道共有400座，约2181.2km；全长5003000米的中隧道3765座，3862.9km；全长500米以下的短隧道6139座，1267.3km。最长隧道是石太客专太行山隧道，全长27848米。,全路在建和规划隧道统计统计至2011年底，在建铁路隧道3900座，长度7400公里，其中长度310公里的隧道554座，2998公里，长度大于10公里的隧道114座，1632公里；规划隧道4700座，总长9500公里，其中长度310公里的隧道864座，4577公里，长度大于10公里的隧道135座，1972公里。,全路在建隧道特点一是隧道所占比重大，隧线比全路平均21.7%。如贵广铁路隧线比高达54%，成兰铁路隧线比高达70%；二是长大隧道多，长度超过10公里的特长隧道有114座，1632公里，占全路在建隧道总长的21.3%。如关角隧道长32.645公里，高黎贡山隧道长34公里；三是隧道地质复杂，高风险隧道多，在建隧道广泛分布在全国各地，包括了穿越岩溶、断层、瓦斯、高地应力、软弱围岩等不良地质。据统计高风险隧道89座、总长565公里，占全路在建隧道总长的8%；极高风险隧道69座，总长709公里，占全路在建隧道总长的10%。,目前隧道施工中存在的突出问题：1.控制全线工期(南宁枢纽花油山隧道、沪昆客专壁板坡隧道、兰渝铁路桃树坪、胡麻岭隧道、敦格铁路当金山隧道、厦深铁路梁山、桑浦山隧道、土库二线中天山隧道、大瑞铁路大柱山、秀宁隧道等等)2.安全事故多3.变更设计多，增加费用多（典型如兰渝、大瑞、广深港等）,二、铁路隧道工程的技术进步,近年来，随着铁路建设的快速发展，铁路隧道修建技术有了长足的进步，具体表现在以下几个方面。1高速铁路隧道关键技术已经形成 研究解决了列车在隧道内高速运行产生的空气动力学问题，确定了不同运行速度目标值隧道净空断面、支护衬砌参数及施工方法，制定了各项技术标准，确定了洞口结构型式。,2艰险山区复杂地质条件长大隧道修建技术不断取得进步,石太客专太行山隧道（27公里长）、宜万铁路隧道（岩溶高风险）的通车运营，云南大丽、玉蒙、大瑞铁路（围岩破碎、复杂、多变）的建设，以及西格二线关角隧道（32公里，目前全国最长）、兰渝铁路西秦岭隧道（29公里，两台TBM结合矿山法施工）、木寨岭隧道（19公里长、软岩高地应力）的建设，标志着我国在长大隧道防灾救援、高压富水岩溶、断层突水突泥、高地应力、地质复杂多变等方面取得了很大的技术进步。即将开工建设的大瑞铁路高黎贡山隧道长34公里，深埋、高地应力、高压富水、断层发育、高地温，工程艰巨。已经开工的成兰铁路隧道占70%，“四极三高”,宜万铁路,宜万铁路全长378km，隧道161座，其长度占全线总长的60%。其中岩溶隧道92座，长247 km，占隧道总长的74%。全线岩溶极其发育，有齐岳山等8座隧道为一级风险隧道，多次发生突水、突泥灾害，采用综合地质预报手段及时探明前方岩溶发育情况，采取注浆堵水、限量排放和“释能降压”以及防灾报警等综合技术措施保证了隧道的施工安全。,3形成了大断面黄土隧道配套修建技术,郑西客运专线正线全长458km，隧道38座，77公里，隧线比16.8。形成了一套大断面黄土隧道设计施工综合配套技术，已完成铁路黄土隧道技术规范初稿。,4城市铁路大跨浅埋隧道的修建技术取得进展,北京地下铁路直径线采用单洞双线结构型式，采用盾构法和浅埋暗挖法施工；天津地下直径线采用盾构法施工；广深港二期福田车站及两端区间，车站采用超深大基坑明挖、局部下穿地铁车站冷冻暗挖施工、区间采用盾构法施工。,5 水下隧道修建技术取得突破,广深港客运专线狮子洋隧道，穿越珠江口狮子洋河段，是国内第一条水下铁路隧道。隧道工程范围全长10800m，采用四台泥水平衡式盾构施工，在江中对接。武广客运专线浏阳河隧道，全长10100m，设三座竖井、一座斜井。根据隧道各段所处的地质、地面环境、隧道埋深等条件分别采用明挖法、钻爆法及非爆破法（下穿浏阳河段）施工。,狮子洋隧道照片,浏阳河隧道照片,三、铁路隧道安全施工及风险管理文件,（一）铁路隧道风险评估与管理暂行规定（铁建设2007200号)（二）关于加强铁路隧道工程安全工作的若干意见（铁建设2007102号）（三）关于进一步加强铁路隧道安全工作的通知（铁建设函20071007号）（四）“关于进一步明确软弱围岩及不良地质铁路隧道设计施工有关技术规定的通知”（铁建设2010120号)（五）关于印发铁路建设工程安全风险管理暂行办法的通知（铁建设2010162号文)（六）关于进一步加强铁路建设安全生产工作的通知（铁建设2010171号）（七）关于进一步加强铁路隧道设计施工安全管理工作的通知（建技2010352号文),（一）铁路隧道风险评估与管理暂行规定 隧道风险评估工作分阶段进行，可研阶段的风险评估侧重于控制工期、投资、环境的重大工程；初步设计阶段侧重于重大工程以及采用新的建造技术、地质条件特殊复杂、对环境有重大影响的工程；施工阶段侧重于重大风险源评估及控制。运营期间隧道风险评估则纳入养护维修。,风险等级标准,风险接受准则,XXX隧道洞内初始风险等级表,四、隧道高风险类型以及处理原则、工程措施四大高风险：1.岩溶 2.断层 3.瓦斯 4.围岩破碎（四大难题：1.软岩高地应力，2.含水砂层，3.浅埋 4.高地温，本次不包括）,宜万马鹿箐隧道“978溶腔”突水突泥 2006年1月21日凌晨6:00，马鹿箐隧道出口平导反坡施工到PDK255+978里程，爆破后正准备出碴时，掌子面突发涌水，峰值涌水量30万方/小时。突水突泥约7小时后稳定为300方/小时。突水突泥造成多名作业人员遇难，经济损失巨大。,1.岩溶(突水突泥突石）,经统计，马鹿箐隧道“978溶腔”共发生大规模突水突泥突石21次，突泥突石总量约25万方，突水峰值流量约30万方/小时。,宜万大支坪隧道“990溶腔”突水涌砂 2008年4月30日11:30，大支坪隧道DK132+913上半断面开挖时，专职安全员发现异常，立即下令撤人。随后，发生大规模突水涌砂，涌砂量约4000方，涌砂长度200m。由于措施得力，本次未造成人员伤亡。,4-30突水涌砂录像,龙厦铁路象山隧道 2009年12月24日，象山隧道进口开挖到4468米，注浆完成后开挖时，初期支护开裂、掉块，发生坍塌约600立方，涌水量约200立方/小时。之后，突水持续变大，最大涌水量约7000立方/小时，隧道被淹。【该注浆段30米（设计开挖25米），上中部已经开挖完成，下部开挖22米（距预设计位置3米）】。突水后地表大面积沉降、坍陷，房屋开裂、倒塌，搬迁800余人，经济损失较大。突水突泥点埋深150米。该灾害属岩溶突水突泥灾害。,前期突水突泥照片,突水突泥后地表坍陷照片,2.断层（突水涌泥）（1）厦深铁路梁山隧道 2009年3月14日，梁山隧道进口开挖到2505米，出碴时，发生小型突泥，突泥量约200立方。清淤时，突然发生大规模突水突泥，突泥量约8000立方。4月6日再次突泥，突泥量约2万立方，淤积长度230米。突泥后地表坍陷，陷坑面积50平方米，深20米。突泥点埋深270米。该灾害属断层突水突泥灾害。,大规模突泥后照片,突泥后地表坍陷照片,（2）南广铁路白云隧道 2010年1月14日，白云隧道出口开挖到696米，爆破后发生小型突水突泥，突泥量约200立方。清淤时，再次发生大规模突水突泥，突泥量约2000立方，突水量约300立方/小时，淤积长度150米，造成多名作业人员遇难。突泥点对应地表坍陷，陷坑面积300平方米，深20米。突泥点埋深80米。该灾害属断层突水突泥灾害。,大规模突泥后照片,突水突泥后地表坍陷照片,突水突泥工程特征分析,1）地质特征“高压、富水、不良地质”三者不利组合是诱发突水突泥突石灾害的地质条件。2）工序环节 灾害主要发生在开挖或清淤两个工序环节。,发生灾害的原因主要有以下三个方面：未发现风险源 发现风险源，但技术方案不合理。发现风险源，但施工管理措施不到位。在复杂地质条件下，应在超前预报、涌出物处理、注浆质量和开挖支护等方面予以加强。,风险的控制与规避,（1）超前预报探测到溶腔或断层时，以及发生小型涌泥时，由建设单位组织研究确定重大技术方案。（2）对极其复杂的溶腔或断层，应进行迂回绕避、增设泄水洞、释能降压和注浆加固等方案的预设计，进行多方案比选（3）高风险隧道必须建立进洞条件、进洞记录、视频监控、声光报警、应急照明、安全逃生、洞内抽排水等安全保障措施,3.瓦斯,瓦斯的定义：广义-凡从围岩或煤层渗入隧道的有害气体，均称为瓦斯。狭义-单指甲烷（CH4）。瓦斯隧道分为低瓦斯隧道、高瓦斯隧道及瓦斯突出隧道三种低瓦斯工区和高瓦斯工区按绝对瓦斯涌出量进行判定。当瓦斯涌出量小于0.5m3/min时，为低瓦斯工区；大于或等于0.5m3/min时，为高瓦斯工区。瓦斯隧道只要有一处有突出危险，该处所在的工区即为瓦斯突出工区。判定瓦斯突出必须同时满足下列4个指标：1.瓦斯压力P0.74MPa;2.瓦斯放散初速度P10;3.煤的坚固性系数f0.5;4.煤的破坏类型为类及以上。,瓦斯隧道几种主要灾害煤与瓦斯突出在地应力和瓦斯压力的共同作用下，很短的时间中破碎的煤、岩和瓦斯从洞壁突然抛出，伴有猛烈的声响和巨大的动能，同时释放出大量的瓦斯。有时伴随瓦斯爆炸，造成二次破坏。“突出”事故的伤亡和损失一般都是很惨重的。,瓦斯爆炸达到爆炸浓度的瓦斯（一般在5%16%之间）与火源接触（一般需要512以上），并且坑道内有氧气存在（含量12%以上），就会发生猛烈爆炸。煤尘爆炸当煤质中挥发物占总可燃物（固定炭加挥发物）10%以上，且形成的小颗粒煤尘悬浮在空气中，当空气中煤尘含量较多（30g/m3以上），遇700以上的火源，即会发生煤尘爆炸。洞内易引起瓦斯爆炸的危险地点主要是：煤层附近的掌子面，拱顶坍穴，拱顶以下3040 cm范围，巷道转角，避人洞、避车洞、横通道，停留的大型设备背风处。,案例1：达成铁路炮台山隧道全长3 078 m，位于成都郊区的金堂县境内，铁15局施工，全隧道不通过煤层，但隧道下方2 0003 000 m处有煤，瓦斯沿地层裂隙上升到地表浅层，形成储气构造。1994年4月3日平导掘进到距洞口808 m处，灯炮爆裂引发瓦斯燃烧，死1人，伤3人。次日，汽车进洞运风管，由于汽车打火，又引起瓦斯爆炸，死12人。事故后实测，隧道瓦斯逸出强度为3.54 m3/h。,案例2：都汶高速公路董家山隧道双洞,长4 111 m+4 081 m,中铁一局施工进口，中铁二局施工出口。该隧道多次通过煤层，但煤层都很薄，瓦斯压力0.1720.67 MPa,勘测资料认定为低瓦斯隧道，施工中又委托煤炭专业单位鉴定，仍定为低瓦斯隧道，因此施工中允许使用非防爆设备，采用汽车进洞出碴、进料。2005年12月上旬，隧道右洞进口掌子面发生坍方。由于该处位于背斜核部、裂隙发育、裂隙中含有煤层瓦斯，坍方又促使瓦斯大量涌出。12月22日，衬砌台车上的不防爆插座打火，引起瓦斯爆炸，当场死44人，伤11人。爆炸气流充满1500巷道并冲出洞口，并将洞外几十吨重台车推动几十米。,低瓦斯隧道灾害预防措施（一）瓦斯浓度管理标准低瓦斯隧道中的瓦斯量虽然不多，通风不良仍可引起爆炸。由于隧道采用非防爆施工机具，所以低瓦斯隧道对瓦斯浓度的管理非常严格：1工区内任何地点、任何时刻的瓦斯浓度不大于0.3%；2任何地点瓦斯浓度达到0.4%时，应即刻报警，找出原因，及时处理；3任何地点瓦斯浓度超过0.5%，应在前后20 m范围内立即停工，切断电气设备电源，查找原因并加强通风，观测浓度变化；4开挖面瓦斯涌出，且浓度超过0.5%时，掌子面至二次模筑衬砌起点之间立即断电、停工撤人，如加强通风后浓度仍降不下来，则全工区停电撤人立即研究处理办法。（二）隧道内过煤层前的超前探测20 m范围内瓦斯涌出强度大于0.5 m3/min的地段为高瓦斯区。为防止隧道掘进时误穿高瓦斯区，在距煤层设计位置20 m（垂距）时，打超前钻孔。,（三）过煤层钻爆作业1全工区采用煤矿许用炸药；2全工区采用煤矿许用瞬发或毫秒电雷管；最后一段延时不大于130 ms。（四）灯具及电缆1靠近掌子面的未成洞地段，是洞内瓦斯浓度最高段落，应采用EXDI型矿用防爆照明灯，防止掌子面掘进时突然涌出大量瓦斯，发生事故。2工地移动照明，应采用矿灯，或防爆应急灯。（五）施工通风低瓦斯工区可以用独头巷道风管压入式通风，也可以用巷道式通风。当采用巷道式通风时，开挖面附近还应布置局扇（压入式）。,（六）电源低瓦斯工区不要求设置两套互为独立的供电系统，但主通风机应有二路电源，直接由变电所馈出并来自不同变压器，当一路停电时，另一路在15 min内接通供电。（七）支护施工喷砼厚度不小于15 cm。当洞壁喷砼不能有效减小瓦斯溢出时，可采用：1对洞壁径向注浆，封堵瓦斯渗漏通道（用C-S浆，注浆厚度3 m）。2提前施做瓦斯隔离层和二次衬砌（气密性砼），厚度不小于40 cm，衬砌接缝应进行气密处理。,4.围岩破碎块状围岩（硬岩）的坍塌形式,镶嵌 咬合,层理的影响,案例1,案例2：南黎铁路那适2隧道关门坍方塌方前：进口单口掘进，台阶法开挖，塌方时，上台阶DK698436，下台阶400，仰拱382，二衬346。洞身处于粉砂岩加页岩弱风化（W2）岩层中，部分拱顶处于强风化层（W3）中，并于440处下穿地表沟，拱顶以上最小埋深22米，最大埋深40米。塌方情况：2010年 7月11日15时56分，382处前方顶部突然发生坍方，范围382428，长度46米，坍方量4800方，导致10名施工人员被困。其后，7月14日发生两次坍方，7月23日发生第4次坍方，范围366382，长度16米，7月27日，出现第5次坍方，范围366351，长度15米，7月28日，出现第6次坍方，范围351346，长度5米。经过6次坍方，范围已扩大到所有未二衬地段，坍方体已抵拢至二衬拱部，洞内总坍方量约9500方。,工程措施,坍塌防范重点：节理产状特别注意 拱部（埋深浅时更要特别注意）施工监控主要手段：节理裂隙系统的调查统计工程措施：锚杆施作到位加强钢架、增设钢架,预防变形和坍方，确保施工安全，其核心是落实好“三超前、四到位、一强化”施工技术关键环节。三超前：超前预报、超前加固、超前支护 四到位：工法选择到位、支护措施到位、快速封闭到位、衬砌跟进到位 一强化：强化量测,
