宜萬鐵路金子山高風險隧道施工安全保障技術

摘 要:隧道施工安全管理是搞好鐵路建設施工安全工作的關鍵，金子山隧道作為宜萬鐵路Ⅰ級高風險隧道，為規避施工中的高風險，保證安全施工，施工中設立了安全質量部作為安全專職管理部門，配備專職安全檢查工程師，對現場施工安全進行全面管理，同時制定一系列安全管理制度和辦法，形成完善的安全保證和監控體系。在具體操作中主要有不良地質地段施工控制以及值班通訊、抽排水、超前地質預測預報、圍巖監控量測、電視監控、警報、應急照明、逃生等八大系統。考慮到金子山隧道水文地質情況極其復雜，施工中不可預見的因素多，同時以上建立的各項安全技術措施和手段是互相聯系，相輔相成，因此，在建立以上保障體系基礎上加強了風險處理制度，通過定期的演練，不斷增強施工人員的安全意識和技術素質，提高綜合安全管理水平，全面強化了施工過程的安全控制，達到規避施工高風險，安全施工的目的。金子山隧道的成功表明，在建立合理的施工安全保障技術基礎上進行定期的演習是確保高風險隧道施工的必然選擇，宜萬鐵路風險隧道的成功實踐對我國隧道的信息化施工技術具有積極的推進作用。

關鍵詞:隧道工程高風險巖溶施工安全保障技術

中圖分類號:U2文獻標識碼:A文章編號:1674-098X(2011)06(b)-0097-03

1 引言

金子山隧道全長6835m，為單線隧道，是宜萬鐵路八大Ⅰ級高風險隧道之一。隧道最大海拔高度為1768.0m，相對高差約785m;隧道埋置深度最大約為420m，最淺約為119m。隧道地處中低山區，位于金子山復向斜及兩翼，自然坡度為25～40度，斜坡區大部分基巖裸露。向斜兩翼及中部節理裂隙很發育，巖層破碎;且為儲水構造，核部富水。線路通過F1、F2兩條斷層。其中F1斷層為壓性，破碎帶寬約1m，呈糜棱狀，裂面粗糙。F2斷層為張性，斷層產狀為50°∠75°，帶寬約為20～25m，破碎帶由膠結較松散的構造角礫巖組成，角礫成分主要為灰巖和泥灰巖，角礫膠結差，富水，且導水性好。金子山隧道位于構造剝蝕侵蝕中低山區，河谷深切，地勢險峻。又因其處在新華夏系構造帶及其復合部位，不良地質普遍，巖溶廣布而復雜，主要工程地質問題有:巖溶、巖溶水、斷層破碎帶、軟巖等。隧道穿越巖溶地層、斷層破碎帶及深埋軟巖塑性變形地段，加上埋置深度大，地下水豐富，在施工過程中安全風險非常高，極易出現安全事故。

為了規避施工中的高風險，保證安全施工，項目部設立了安全質量部作為安全專職管理部門，配備專職安全檢查工程師，對現場施工安全進行全面管理，同時制定一系列安全管理制度和辦法，形成完善的安全保證和監控體系。在具體操作中主要有不良地質地段施工控制以及值班通訊、抽排水、超前地質預測預報、圍巖監控量測、電視監控、警報、應急照明、逃生八大系統。

2 金子山隧道不良地質地段的施工

2．1 穿越斷層破碎帶的施工

施工通過斷層破碎帶及其影響范圍前，對斷層及物探低阻地層段采取超前鉆孔、地質雷達探測、TSP超前地質預報技術等預報手段，準確判斷出斷層的具體位置。技術措施主要是加強超前帷幕注漿(或結合超前管棚)，短開挖，強支護，快襯砌。通過注漿加固后，如果涌水量仍較大，應考慮補注漿。當實測水壓大于設計水壓時，考慮二襯采用加強型復合式襯砌。

2．2 軟巖軟塑性變形地段的施工

加強對隧道可能發生高地應力地段的地應力測試，繪制相關曲線，對巖體的巖性特征，巖石的物理力學性質、地應力特征等進行綜合分析，根據分析結果，預測軟巖產生軟塑性大變形的可能性及變形等級，制定相應的處理方案。施工時深孔爆破改為淺孔爆破，減少最大一段裝藥量，盡可能減輕爆破對圍巖的擾動。同時加強對圍巖的監控量測，留足預留變形量。對此地段的初期支護采取加強措施:一是可將格柵鋼架改成型鋼鋼架;二是將中空錨桿長度加長;三是將噴射砼改成噴射鋼纖維砼。本著“短開挖、強支護、早成環、快襯砌”的原則，一是初期支護要及早成環，二是必要時襯砌要緊跟。

2.3 穿越既有巖溶易坍方地段的施工

2.3.1 隧道圍巖坍方前兆

水文地質條件的變化，如干燥的圍巖突然出水、地下水突然增多、水質由清變濁(地下水將斷層泥帶走)等都是即將發生坍方的前兆。

圍巖節理面裂縫逐步擴大，支護變形(拱架接頭擠偏或壓劈、噴射混凝土出現大量明顯裂紋或剝落等)、敲擊發聲清脆有力、甚至發出聲響。拱頂不斷掉下小石塊，甚至較大的石塊也相繼掉落，預示著圍巖即將發生坍方。

圍巖量測所反映的圍巖變形速度急劇加快，圍巖面不斷掉塊剝落，初期支護噴射混凝土表面龜裂、裂縫或脫皮掉塊，鋼架嚴重變形。圍巖或初期支護拱腳附近的水平收斂率大于0.2mm/d，拱頂下沉量大于0.1mm/d并繼續增大時，說明圍巖仍在發生變形，處于不穩定的狀態，可能出現失穩坍方。

2.3.2 隧道坍方預防措施

做好超前地質預測預報工作，認真觀察和分析開挖工作面的巖性變化，遇有探孔突水、涌泥、滲水量增大和整體性變差等現象，及時改變施工方法。

嚴格控制爆破裝藥量，盡量減小對軟弱破碎圍巖的擾動;加強圍巖量測，通過對量測數據分析處理，按照時間—位移曲線規律，調整和加強初期支護，及時施作混凝土襯砌。

保證施工質量，超前地質預測預報，注漿固結止水，鋼架制作、初期支護和混凝土襯砌質量必須符合設計文件、施工技術規范和質量驗收標準要求。嚴格控制開挖工序，尤其是一次開挖進尺的大小，杜絕各種違章施工。

施工期間，洞口應常備一定數量的坍方搶險材料，如圓木、型鋼鋼架等，以備急用。

2.4巖溶發育地段

金子山隧道地質條件復雜，巖溶隨時都會遇到，施工中要加強超前地質預測預報工作，及時查明溶洞的分布范圍和類型、巖層的完整性和穩定程度、填充物及地下水情況，據此確定施工方法。對有可能突然發生大量涌水、流石流泥、崩坍落石的地段，事先制定防范措施，確保施工安全。如巖石比較完整、穩定，溶洞已經停止發育，有比較堅實的填充，且地下水量小，可采用探孔或物探等方法，探明地質情況，采用帷幕注漿的方法固結溶洞，以利開挖。如溶洞尚在發育或穿越暗河水囊等巖溶區時，必須探明地下水量、水流方向等，先解決施工中的排水問題，采用上半斷面超前開挖探明前方情況，當出現大量涌水、流石流泥、崩坍落石等情況時，上半斷面可作為泄水通道。

3 金子山隧道施工期的安全管理技術

3.1 值班通訊系統

在金子山隧道各洞口均設置值班室，由專職安全員二十四小時值班，對進洞人員進行詳細登記，包括姓名、工種(職務)、進出洞時間等。洞口值班室設電話座機，洞內每隔300m設置電話機一部，與洞口電話機形成局域通訊網絡，洞內各作業點均設一名值班員，兼職安全員，對各作業工序之間進行協調，使施工組織科學、合理、有序，遇有特殊或緊急情況，及時與洞口值班室人員進行溝通，上報隊管理人員及時處理。

3.2 抽、排水系統

金子山隧道設計有1800m長的富水區，設計最大涌水量近5萬方/天，存在極大的安全隱患。二號斜井為反坡排水，一旦發生涌水，正洞將形成一個大水塘，如果涌水時洞內作業人員較多，后果不堪設想。為此，必須完善抽排水系統。一是采用大直徑鋼管(D200)接至掌子面，配以大功率、大揚程水泵，作為發生大量涌水時的抽排水設備;同時輔以小直徑鋼管(D40)做臨時排水用，開挖鉆孔用的風管緊急時亦可作排水用。二是在施工方案上考慮，盡快在進入富水區前使二號斜井與進口之間的正洞全斷面貫通，提供泄水通道。

3.3 超前地質預報系統

3.3.1 超前地質預報分類

根據隧道施工地質情況，超前地質預報分為兩類，地質分級為C級地段進行一般性常規預報，必要時增加物探或鉆探;由于B級僅有一段821m，將該段與施工地質A級列為重點預報范圍。

金子山隧道施工地質預報分級見表1所示。其中，DK265+700～DK267+780段、DK269+620～DK271+714(出口)段施工地質分級為C級，基本為碎屑巖，巖層產狀平緩，巖質軟弱，遇水易軟化、崩解，與T2b2灰巖接觸帶巖溶及巖溶水較發育，施工時可能坍方，施工時注意拱頂坍方掉塊和洞口段冒頂現象的發生。DK264+879(進口)～DK265+700段隧道施工地質分級為B級，本段隧道埋層較淺，雨季施工時局部可能產生小規模涌水、突泥，F1斷層帶附近施工易涌突水及坍方。DK267+780～DK269+720段隧道地質分級為A級，該段位于金子山向斜核部附近，為富水地段;核部附近巖層產狀較平緩，節理裂隙發育，F2斷層為張性斷層，導水性好，可能將地表水和地下水沿斷裂破碎帶及裂隙滲入，導致隧道出現大量的涌水、涌泥，并可能引起溪水斷流及井泉干枯等環境災害;F2斷層帶附近施工易涌突水及坍方;DK267+800～+880段T2b1與T2b2灰巖接觸帶可溶巖與非可溶巖交界地段巖溶發育，易產生突水涌泥;全段隧道埋藏于地下水位以下的承壓水位帶內。DK267+880～DK269+620段為碳酸巖地層，在仰拱形成前，基底及周邊需用地質雷達進行巖溶探測，有異常時用適量的機動鉆孔進行驗證，工后對基底進行巖溶復查，對周邊巖溶進行抽查。

在宜萬鐵路金子山隧道施工中，引進了TSP203PLUS隧道地質超前預報系統、地質雷達、紅外探水儀等儀器進行多途徑超前地質預報。表2列出了金子山隧道施工期超前地質預報所用儀器，在施工中，針對當前物理探測結果存在多解性的弱點，在施工中形成了以中、長超前物探和超前水平地質鉆探驗證為主，輔以短距離地質素描超前分析和超長炮孔加密確認及紅外探水的“多階段、多層次、多方法”的“綜合立體式超前預測預報技術”。

3.3.2 金子山隧道主要預測預報方法

1)地質素描。調查掌子面圍巖的巖性、巖層產狀、巖體結構、巖體節理等實際狀況及地質構造的變化特征，形成掌子面地質素描報告，據以及時調整鉆爆參數。素描原始記錄、圖、表當天整理;施工一定距離后，隧道地質素描圖分段完善、總結，并作出相應的隧道縱斷面圖、表;及時整理標本;填寫施工階段圍巖類別斷定卡，與設計地質情況對比確定圍巖級別的符合性，提出設計圍巖分級修正建議。

2)TSP203法。TSP和其它地震反射波方法一樣，采用了回聲測量原理，地震波在巖石中以球面波形式傳播，當遇到斷層、巖石破碎帶和巖性變化等情況時，反射回部分地震波信號，據此可分析掌子面前方一定范圍內圍巖的變化情況。

3)超前水平鉆孔法。超前水平鉆孔是以地質素描和TSP203物探手段提供的資料為基礎，根據設計文件的地質描述和掌子面的地質狀況，C級地段在物探異常處增加1孔超前水平鉆，距離30m;B級地段在異常處、富水斷層和巖溶發育層面，增加超前水平鉆1～3孔，距離30m;A級地段超前水平鉆1孔貫通，距離30m，遇異常不少于3孔，距離30m;每兩次循環的超前水平鉆探搭接長度不小于5m，對斷層、溶洞充填物干鉆取樣，不同巖層代表性取樣。鉆進過程中，隨鉆孔觀察施鉆參數變化和孔內出水情況，及時準確記錄，如有異常情況，及時分析研究，提出施工對策。

4)地質雷達法。地質雷達是基于地下介質的電性差異，向地下發射高頻電磁波，并接收地下介質反射的電磁波進行處理、分析、解釋的一項工程物探技術。其工作過程是由發射天線送入地下一高頻電磁脈沖波，當其在地下傳播過程中遇到不同目標體(巖土體、空洞等)的電性介面時，有部分電磁能量被反射回來，被接收天線所接收，并由主機記錄，得到從發射經地下界面反射回到接收天線的雙程走時t。地質雷達方法是由已知條件推斷未知情況的方法，當地下介質的波速已知時，可根據測到的精確t值求得目標體的位置和埋深。

5)HY-303型防爆紅外探測儀探水.防爆紅外探測儀在隧道施工中主要用于超前防水預測預報，了解掘進前方一定范圍內是否存在隱伏水體、是否存在含水斷層和溶洞、含水破碎帶;探測隧道上方是否存在含水層或含水破碎帶，避免隧道掘進一定距離后出現透水或透泥;向隧道下方探測，了解底板下方是否存在含水巖溶構造、承壓水是否以潛在形式向上運移，預防滯后突水突泥;向隧道兩壁外側探測，了解兩壁外側是否存在隱伏水體、是否存在與隧道走向成小角度斜交的含水斷層。根據掌子面的滲水、涌水情況和設計文件對地下水的地質描述，在臨近富水地段時，采用HY303型紅外線探測儀超前探水，確定掌子面前方地層富水程度，進而修正止水方案以指導施工，確保施工順利通過富水地段。

6)超前炮眼。隧道掘進作業鉆爆設計設3～5個超長炮眼，作為上述超前預報的補充，從而加密超前物探或超前水平鉆孔的頻度和探測范圍，超長炮眼距離5～10m，根據鉆進的難易及炮眼內出水情況分析掌子面前方的水文地質情況。

7)圍巖監控量測系統

圍巖監控量測是新奧法復合襯砌設計、施工的核心技術之一，通過在隧道施工過程中對圍巖和支護系統的穩定狀態進行監測，為初期支護和模筑混凝土襯砌的參數調整提供依據，把通過對量測的數據進行整理和分析得到的信息及時反饋到設計和施工中，進一步優化設計和施工方案，以達到安全、經濟、快速的目的。圍巖量測是施工管理中的一個重要環節，同時也是施工安全的基本保障。通過現場監控量測可以了解圍巖、支護變形情況，以便及時調整和修正支護參數，保證圍巖穩定和施工安全;提供判斷圍巖和支護系統基本穩定的依據，確定襯砌砼施作時間;依據量測資料采取相應措施，在保證施工安全的前提下加快施工進度;積累量測數據資料，提高施工技術水平。

3.4 電視監控系統

在隧道各洞口設電視監控室，分別配置一臺9屏有線電視監控器，先期使用4屏，根據工程進展增加屏數。在隧道內的主要作業工點(掌子面、襯砌臺車附近、主要橫通道入口、斜井與正洞交匯處等)合適位置安裝攝像頭，由監控值班員二十四小時觀察各監控區的施工情況，發現異常及時上報處理，避免發生安全事故。

3.5 警報系統

在隧道內的主要作業點(掌子面、襯砌臺車附近、主要橫通道入口、斜井與正洞交匯處等)適當位置安裝警報器，洞內值班員加強檢查和巡視，各工班負責人提高施工安全的警覺性，一旦發生緊急情況，立即拉響警報器，通知洞內所有施工作業人員迅速撤離。

3.6 應急照明系統

一旦發生涌水或其他緊急事故，洞內的普通照明系統很可能損壞，起不到照明作用。在黑暗中人的方向感極差，勢必給洞內施工人員的避險和逃生產生非常不利的影響。為解決此項問題，一是準備專門的發電機，作為備用電源;更有效的辦法是在隧道內的側墻上每隔一定距離(20m或30m)安裝應急燈，此應急燈采用電池供電，可持續供電1小時，能保證距洞口最遠處的掌子面施工人員有足夠的時間安全撤出。

3.7 逃生系統

金子山隧道最大的安全隱患就是涌水，由于富水區設計涌水量非常大，為保證發生涌水時隧道內的作業人員能夠及時安全撤出，必須準備逃生設備和工具。根據在洞內各工點的施工作業人數購置救生衣和救生圈，并考慮一定富余量，分別放置在掌子面、襯砌臺車、主要橫通道入口等主要作業工點附近，放置位置要便于人們拿取。涌水一般均具有不可預見性和突然性，在遇險時人的第一反應一般是逃生，可能想不到或來不及穿取救生工具，為此，采用大直徑鋼筋(Φ28)或普通鋼管(D40)焊制逃生爬梯，置于掌子面附近。同時開挖用的鉆爆臺車、鋪設防水板的簡易臺車以及襯砌臺車均可作為涌水時的臨時逃生避險梯架。

在日常施工中，未發生安全事故時，人們常會產生麻痹大意思想，為了增強大家的安全意識和警覺性，同時也為了提高施工作業人員應對突發緊急情況的避險和逃生能力，項目部組織隧道各工區的施工作業人員定期進行逃生模擬演習。即在正常施工時假定突然發生涌水，洞外拉閘斷電，洞內值班人員拉響警報器，啟動應急照明系統，各作業點施工人員穿救生衣、救生圈或登上逃生爬梯，開始逃生。施工隊管理人員第一時間報告項目部有關領導和業務部門，同時組織抽排水搶險。項目部“緊急情況領導小組”相關人員立即趕往事發工區，同時聯系醫療部門搶救施工人員。演習中要做好詳細的記錄，以便總結演習中出現的各類問題，確定相應的解決處理辦法，在下次演習時改進。

4 結語

隧道施工安全管理是搞好鐵路建設施工安全工作的關鍵，金子山隧道作為宜萬鐵路Ⅰ級高風險隧道，水文地質情況極其復雜，施工中不可預見的因素太多，以上各項安全技術措施和手段不是孤立的，而是互相聯系，相輔相成的，在施工過程中必須加強制度建設，不斷增強廣大施工人員的安全意識和技術素質，提高綜合安全管理水平，全面強化施工過程的安全控制，達到規避施工高風險，安全施工的目的。

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