隧道及地下工程的災(zāi)害、事故及其防治技術(shù)(隧道病害分類(lèi)處理)

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，200092

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1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2一、隧道的災(zāi)害防護(hù)、保養(yǎng)與養(yǎng)護(hù)3我國(guó)各類(lèi)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(guó)運(yùn)營(yíng)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(yíng)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(zāi)5隧道水害與隧道防水6隧道水害的種類(lèi)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(duì)隧道穩(wěn)定、洞內(nèi)設(shè)施、行車(chē)安全、地面建筑和隧道周?chē)h(huán)境產(chǎn)生諸多不利影響甚至威脅。襯砌周?chē)e水危害:水壓過(guò)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7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(kāi)裂或仰拱、整體道床下沉開(kāi)裂圍巖滑移錯(cuò)動(dòng)導(dǎo)致襯砌變形開(kāi)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。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12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(duì)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)13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(duì)于細(xì)部構(gòu)造的設(shè)計(jì)與施工要認(rèn)真對(duì)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(mén)仰坡防護(hù)1819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2021

管片接頭常出現(xiàn)的幾個(gè)問(wèn)題和解決辦法接頭區(qū)混凝土剝落小型管道密封件22拐彎區(qū)混凝土裂開(kāi)能增大柔性的幾何尺寸23十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)）24密封松動(dòng)倒鉤設(shè)計(jì)25嵌入封頂塊滑動(dòng)材料表面26襯砌類(lèi)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27

不同形式的頂管接頭形式剛性接口剛?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30GINA斷面止水設(shè)計(jì)31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(duì)癥整治合理選擇防水材料嚴(yán)格施工工藝運(yùn)營(yíng)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(jiàn)病害襯砌變形、開(kāi)裂、滲漏水端墻、側(cè)墻、翼墻位移、開(kāi)裂路面拱起、沉陷、錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂34襯砌開(kāi)裂35對(duì)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(guò)渡段，寧長(zhǎng)勿短”的原則盡量減少對(duì)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36襯砌變形、開(kāi)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(guò)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(duì)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37路面拱起、沉陷、錯(cuò)臺(tái)、開(kāi)裂處理誘因采取措施圍巖側(cè)壓力過(guò)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(tái)、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38無(wú)損檢測(cè)3940對(duì)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41泥石流堵塞洞口4243隧道凍害44常見(jiàn)的凍害種類(lèi)：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(kāi)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45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(guò)加深邊墻，加強(qiáng)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(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(lèi)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(lèi)腐蝕隧道腐蝕的分類(lèi)和影響因素48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49隧道的震害與抗震50特點(diǎn)：地下結(jié)構(gòu)在地震作用下，由于周?chē)鷰r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(duì)隧道震害的認(rèn)識(shí)51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(duì)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)52

隧道抗震加固與震害整治問(wèn)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(zhǎng)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53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(chǎng)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(duì)地鐵造成間接影響。因此，對(duì)地鐵抗震性能的研究應(yīng)該引起重視。54對(duì)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(duì)稱(chēng)結(jié)構(gòu)發(fā)生的破壞比對(duì)稱(chēng)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?？v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55隧道及地下工程安全與防災(zāi)56

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

572003年2月18日上午，由于一名中年男子縱火，韓國(guó)大邱市地鐵一號(hào)線的中央路車(chē)站頃刻間被烈焰和濃煙吞沒(méi)，兩列滿(mǎn)載乘客的地鐵列車(chē)被燒毀。根據(jù)韓國(guó)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

5859火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果60隧道火災(zāi)的主要原因

1.車(chē)輛電氣線路短路、汽化器失靈、載重汽車(chē)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(jiàn)度較差、情況又較復(fù)雜，容易發(fā)生車(chē)輛相撞事故，也可引發(fā)隧道火災(zāi)。3.隧道內(nèi)通行的車(chē)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。61主要防火措施

1.采用耐火材料2.較長(zhǎng)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(lèi)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(chǎng)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62地鐵火災(zāi)的主要原因

1.地鐵車(chē)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(chē)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(chē)上電器設(shè)備故障等原因4.變配車(chē)站設(shè)備故障導(dǎo)致火災(zāi)5.人為縱火和恐怖襲擊63主要防火措施

1.車(chē)站的布局應(yīng)合理，采取防火墻、水幕等措施。嚴(yán)格限制車(chē)站內(nèi)各類(lèi)易燃物品2.加強(qiáng)隧道維修施工管理3.地鐵客車(chē)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?chē)娤到y(tǒng)64

火災(zāi)時(shí)的煙霧排放系統(tǒng)65附屬設(shè)施的養(yǎng)護(hù)66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67通風(fēng)對(duì)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(duì)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68照明通過(guò)遮陽(yáng)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

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(lèi)－事故原因分析－工程對(duì)策

●公路隧道70盾構(gòu)隧道－事故調(diào)查及分類(lèi)

盾構(gòu)法中常見(jiàn)的施工事故類(lèi)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(mǎn)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(pán)扭矩進(jìn)而引起施工困難。噴涌盾構(gòu)掘進(jìn)打開(kāi)螺旋輸送器閥門(mén)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(wú)法帶走土體。開(kāi)挖面失穩(wěn)由于千斤頂、隔板傳遞到壓