冯庄隧道不良地质和高风险段施工组织设计》.doc

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新建铁路大准至朔黄铁路联络线ZCZQ—11标
冯庄隧道不良地质和高风险段
专项施工方案

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审核：　　　　　　
批准：　　　　　　

中铁二十一局集团有限公司神华准池铁路项目部

目录
一、适用范围 3
二、编制依据 3
三、隧道概况和风险分析 3
3.1、隧道概况 3
3.1.1、工程概况 3
3.1.3、地震动参数 5
3.1.4、水文地质特征 5
3.1.5、地质构造 5
3.1.6、本隧道各级围岩级别及所占比例 5
3.2、冯庄隧道风险分析 6
3.3冯庄隧道初始风险评价 8
3.4、组织机构 11
3.4.1、组织机构及联系方式 12
四、不良地质和高风险地段施工方案 12
4.1、塌方风险施工方案 12
4.2、突水突泥风险地段施工方案 15
4.3、变形风险地段施工方案 18
4.4洞口失稳地段施工方案 18

冯庄隧道
不良地质和高风险段专项施工方案
为加强隧道施工中不良地质的管理和监控，预防和控制危险源可能出现的紧急情况，尽可能减少事故造成的人员伤亡和财产损失，根据上级要求并结合本工程项目的实际，特制定此专项施工方案。
一、适用范围
冯庄隧道
二、编制依据
1、《中华人民共和国安全生产法》
2、《建设工程安全生产管理条例》
3、《生产安全事故报告与调查处理条例》
4、《安全生产事故隐患排查治理暂行规定》
5、《铁路工程施工安全技术规程》
6、《冯庄隧道风险评估报告》
7、《施工现场临时用电安全技术规程》
8、《铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南》
9、铁建设【2007】102号文《关于印发加强铁路隧道工程安全工作的若干意见的通知》
10、铁建设函【2007】1007号《关于进一步加强铁路隧道安全工作的通知》
11、铁建设【2010】120号《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》
12、设计图纸及现场的实际情况
三、隧道概况和风险分析
3.1、隧道概况
3.1.1、工程概况
冯庄隧道位于中山区,地势起伏较大,地形较陡峭,自然坡度20°～30°植被不发育。工点所经区域地面标高1502～1554m，相对高差约52m。隧道进口洞口山坡为台阶地，自然坡约35°，黄土层覆盖较厚。出口山坡较缓，局部可见基岩外露。隧道行政隶属山西省忻州市神池县，进口线路右侧约350m有小神线通过，交通尚比较便利。
隧道起讫里程为DK166+850～DK167+421，全长571m，洞身最大埋深约67m，为单洞双线隧道。整个隧道位于曲线段，左线和右线的曲线半径分别为R=800和R=804.39。洞内左线路肩设计纵坡为3.2‰单面上坡。
3.1.2、地层岩性
工程内地层为第四系上更新统洪，风积砂质黄土；下伏基岩为奥陶系中统灰岩。其岩性特征详述如下：
砂质黄土（Q3pl+eol3）：主要分布在隧道进出口,褐黄色,硬塑，土质均匀，颗粒成份以粉粒为主，厚0～14m，Ⅱ级普通土，σ0=150KPα。
黏质黄土（Q3pl+eol3）：主要分布在隧道进出口，褐黄色，硬塑，土质不均匀，局部夹粗角砾石，厚约14m，Ⅱ级普通土，σ0=150KPα。
奥陶系中统地层：
灰岩（O2Ls）：灰白色，岩质较硬，隐晶质结构，中厚层状构造；强风化层厚2～7m，Ⅳ级软石，σ0=500KPα；其下弱风化灰岩，Ⅴ级次坚石，σ0=1200 KPα。
灰岩岩层产状近水平。
发育三组节理：
J1：N85°E/80°S，为封闭节理。裂隙中铁，锰质侵染，节理间距约0.2m；
J2：N10°E/80°S，为封闭节理。裂隙中铁，锰质侵染，节理间距约0.3m；
J3：N60°E/89°S，为张开节理。裂隙中铁，锰质侵染，节理间距约0.3m，缝宽约40mm，延伸长度约2m。
3.1.3、地震动参数
根据GB18306－2001《中国地震动参数区划图》，结合实地调查，隧道区地震动峰值加速度0.10g(地震基本烈度为Ⅶ度)，地震动反应谱特征周期0.40s，地震动反应谱特征周期分区为二区。
3.1.4、水文地质特征
勘察期间未见地下水，属地下水较为贫乏地区。隧道区地下水埋深大，隧道洞身岩体节理裂隙发育，雨季地表水下渗，局部水量较大，雨季施工时应注意排水。
3.1.5、地质构造
场地内地形地貌单一，地层岩性主要为第四系上更新统洪、风积砂质黄土及奥陶系中统灰岩，无影响工程的大的断裂构造。
3.1.6、本隧道各级围岩级别及所占比例
隧道各级围岩分级表
里程
长度
围岩分级
DK166+850
DK166+887
37
Ⅴ
DK166+887
DK166+925
38
Ⅴ
DK166+925
DK166+960
35
Ⅴ
DK166+960
DK167+005
45
Ⅴ
DK167+005
DK167+100
95
Ⅳ
DK167+100
DK167+170
70
Ⅲ
DK167+170
DK167+220
50
Ⅱ
DK167+220
DK167+285
65
Ⅲ
DK167+285
DK167+360
75
Ⅳ
DK167+360
DK167+396
36
Ⅴ
DK167+396
DK167+421
25
Ⅴ

图1 隧道围岩级别比例图
3.2、冯庄隧道风险分析
根据本阶段地质勘测资料：本隧道穿越奥陶系中统灰岩，灰白色，弱风化，节理裂隙稍发育，地下水为基岩裂隙水，岩体完整性一般，隧道进出口分布第四系风坡积砂质黄土，褐黄色，具湿陷性，湿陷土层厚度约15m，湿陷系数0.022～0.037，为Ⅱ级（中等）自重湿陷性场地。施工中应考虑黄土的湿陷性对隧道的影响，需采取措施进行处理。黏质黄土局部夹粗角砾石，褐黄色，厚约14m，下伏基岩为奥陶系中统灰岩，灰白色，弱风化，节理裂隙稍发育，厚2～5m，其下弱风化，节理裂隙稍发育。地下水主要为基岩裂隙水，不发育。隧道Ⅲ级围岩占13%，Ⅳ级围岩占34%，Ⅴ级围岩占43%。进出口为新黄土地层，具有湿陷性，上覆土层较薄，洞身顶处地表存有冲沟。因此，本隧道主要风险为塌方、变形、突水突泥、洞口失稳等风险，全隧存在的风险和可能发生的典型风险事件分析如下：
1、出口为桥隧相连，施工工序干扰性较大，组织不利容易产生施工安全风险和废弃分项工程。隧道进口浅埋段，表层为第四系风坡积砂质黄土，稳定性差，基底发现溶洞，出口浅埋段，奥陶系中统灰岩节理裂隙稍发育，洞口边仰坡开挖。
2、DK166+850~DK166+887段，进口浅埋段，表层为第四系风坡积砂质黄土，稳定性差，基底发现溶洞，本断施工施工时，很可能发生塌方，洞口失稳，变形。
3、DK166+887~DK166+925段，本段为Ⅴ级围岩黄土浅埋段，施工时，很可能发生塌方，变形。
4、DK166+925~DK166+960段，本段为土石分界线，施工时很可能发生塌方，突水突泥。
5、DK166+960~DK167+005段，本段为Ⅴ级围岩黄土浅埋地段，岩体完整性一般，本段施工时，可能发生塌方，变形。
6、DK167+005~DK167+100段，Ⅳ级围岩，岩体整体性一般，施工时可能发生塌方，变形。
7、DK167+100~DK167+170段，Ⅲ级围岩水平岩层，岩体完整性一般，施工时可能发生塌方，变形。
8、DK167+170~DK167+220段，Ⅱ级围岩水平岩层，施工时可能发生塌方，变形。
9、DK167+220~DK167+285段，Ⅲ级围岩水平岩层，岩体完整性一般，施工时可能发生塌方，变形。
10、DK167+285~DK167+360段，Ⅳ级围岩，岩体完整性一般，施工时可能发生塌方，变形。
11、DK167+360~DK167+396段，Ⅴ级围岩地段，节理裂隙稍发育，施工时可能发生塌方，变形。
12、DK167+396~DK167+421段，出口浅埋段，奥陶系中统灰岩节理裂隙稍发育，洞口边仰坡开挖，施工时可能发生塌方，洞口失稳，变形。
综上所述，冯庄隧道存在的安全风险类型有：突水突泥、埸方、洞口失稳、大变形。突水突泥主要集中在DK166+925~DK166+960段；本隧道全隧均存在高度和中度等级的埸方风险；变形风险主要集中于隧道进口、出口、洞身浅埋地段，全隧变形风险等级均为高度及以下。洞口浅埋段容易发生洞口失稳。

3.3冯庄隧道初始风险评价
通过风险分析，冯庄隧道各段落中存在的初始风险评价结果见表1：
经评估，本隧道中的主要典型风险事件类型为塌方、洞口失稳、大变形及突水突泥风险；初始风险为高度及以上的共有20处。具体情况如下：
1、塌方风险11处
风险等级为高度的段落共3处，风险等级为中度度的段落共有9处。
2、突水突泥风险1处
风险等级为高度的段落共1处。
3、变形风险10处
风险等级为高度的段落共2处。
4、洞口失稳2处
风险等级进口处为高度风险等级，出口为中度风险等级。

可修改编辑
表1 冯庄隧道风险等级分析评价
冯庄隧道风险评估表
里程
长度(m)

初始风险
风险处理措施
残余风险
残余风险处理
起始里程
终止里程
风险事件
概率等级
后果等级
风险等级
概率等级
后果等级
风险等级
加强监控量测
DK166+850
DK166+887
37
塌方、洞口失稳、变形
4
3
高度
φ108管棚预加固，岩溶普查，锚喷支护，CRD法施工
2
1
低度
加强监控量测
DK166+887
DK166+925
38
塌方、变形
4
3
高度
φ42超前小导管预加固地层，三台阶七步开挖法施工
2
1
低度
加强监控量测
DK166+925
DK166+960
35
塌方、突水突泥
4
3
高度
φ42超前小导管预加固地层，加强初期支护
2
1
低度
加强监控量测
DK166+960
DK167+005
45
塌方、变形
3
2
中度
Ⅴ级围岩复合式衬砌，格栅钢架，环形开挖预留核心土施工
2
1
低度
加强监控量测
DK167+005
DK167+100
95
塌方、变形
3
2
中度
Ⅳ级围岩复合式衬砌，格栅钢架，台阶法施工
2
1
低度
加强监控量测
DK167+100
DK167+170
70
塌方、变形
3
2
中度
及时施工支护，优化系统锚杆布置，台阶法施工
2
1
低度
加强监控量测
DK167+170
DK167+220
50
塌方、变形
2
2
中度
Ⅱ级围岩复合式衬砌
1
1
低度
加强监控量测
DK167+220
DK167+285
65
塌方、变形
3
2
中度
及时施工支护，优化系统锚杆布置，台阶法施工
2
1
低度
加强监控量测
DK167+285
DK167+360
75
塌方、变形
3
2
中度
Ⅳ级围岩复合式衬砌，格栅钢架，台阶法施工
2
1
低度
加强监控量测
DK167+360
DK167+396
36
塌方、变形
3
2
中度
φ42超前小导管预加固地层，环形开挖预留核心土法施工
2
1
低度
加强监控量测
DK167+396
DK167+421
25
塌方、洞口失稳、变形
3
2
中度
φ108管棚预加固地层锚喷支护，环形开挖预留核心土法施工
2
1
低度
加强监控量测

序号
风险事件
风险产生原因
险源类别
后果
备注
1
变形塌方
埋深、围岩稳定性、地质构造、地下水、初支失效和施工质量
地质、地形、施工因素
可能引发重大安全事故

2
炸药意外爆炸
装药时带火种、钻眼与装药平行作业
施工因素
可能引发重大安全事故

3
产生盲炮
导爆索、雷管安装不规范、火工品质量
施工因素
可能引发重大安全事故

4
尘、毒、噪声污染
通风不及时、干钻、不戴防护用具
施工因素
可能损害人员健康

5
触电
洞内电路安装、维护或使用不规范或违章
施工因素
可能引发重大安全事故

6
洞顶落石
清危排险不彻底或初支不及时或方法不当
施工因素
可能引发重大安全事故

7
车辆碰撞
洞内排风不畅、能见度低或车上过快
施工因素
可能损害人员健康

隧道风险清单

3.4、组织机构

组 长：项目经理

副组长：项目副经理、项目总工

各工序安全控制

各业务部门领导

工区队长、工班长
各工点安全控制

安全管理领导小组

3.4.1、组织机构及联系方式
隧道施工事故
总指挥
樊 永 连
18295856565
抢险行动组
组长：刘文忠
18295851946
对外协才调组
组长：相立群
15670763103
现场技术组
组长：张忠德
18735151899
通讯联络组
组长：郑东来
18295851940
物资设备组
组长：赵四方
18295851939
疏散救护组
组长：邓文付
18295851943

四、不良地质和高风险地段施工方案
4.1、塌方风险施工方案
1、做好超前地质预报，采用以钻探为主，地震波法、红外线等多种物探法远期与近期相结合的综合判定。以摸清断层的围岩结构和富水情况，为制定相应的对策提供第一手资料；根据地质变化及早制定预案和措施。
2、洞口浅埋段宜采用CRD施工方法和环形预留核心土施工方法，洞身Ⅲ级围岩宜采用台阶法、Ⅴ级围岩黏质黄土浅埋段宜采用三台阶七步开挖、其余Ⅴ级围岩宜采用环形预留核心土、Ⅱ级围岩宜采用全断面施工方法；加强初期支护和钢架锁脚锚杆等措施。
3、进口DK166+850～DK166+887洞口开挖边坡临时防护采用锚喷支护，喷混凝土（C25）厚10cm；锚杆φ22，长度3m,间距1.2×1.2m，梅花型布置；钢架网采用φ8，间距25×25cm。永久边坡采用骨架护坡，形成绿色防护。隧道洞门挡墙、端墙基础采用三七灰土换填2m，换填应严格按照现行《湿陷性黄土地区建筑规范》的施工要求施做。
4、进口DK166+850～DK166+887洞口暗挖段采用一排Φ108mm长40m超前大管棚支护进洞，出口DK167+396～DK167+421洞口暗挖段采用Φ108mm长28m超前大管棚支护进洞.
5、DK166+854～DK166+890段。隧底距轨面高程约11.5～14.0m存在黏土充填溶洞，考虑运营安全，对溶洞进行注浆处理，处理范围为隧道中线两侧各15m，注浆孔间距1.5×1.5，梅花型布置，施工中应加强隧道基地岩溶普查，更具揭示的溶洞形态与隧道的关系，进行综合治理，动态设计。
6、本隧道洞身岩层层理平缓且裂隙较发育，隧道开挖后容易造成层间黏结强度下降，支护不及时，易掉块，局部塌方。隧道Ⅲ级围岩平缓岩层地段，施工中应加强监控量测，注意观察拱部岩体变化，开挖后及时施作初期支护，可根据围岩情况，优化系统锚杆布置，加强拱部支护，锚杆总数不变，施工时可根据岩体破碎程度及层间黏结力综合判断，必要时采取加强支护措施。
7、隧道洞身超前支护表

可修改编辑
冯庄隧道超前支护表
里程
长度(m)
衬砌类型
超前支护及其他措施
施工方法
起始里程
终止里程
DK166+850
DK166+887
37
Ⅴb型复合式衬砌
φ108大管棚超前预支护，长度40m，环向间距40cm
CRD法
DK166+887
DK166+925
38
Ⅴb型复合式衬砌
φ42 超前小导管, 环向间距40cm，t=3.5mm,4榀一环
三台阶七步开挖法
DK166+925
DK166+960
35
Ⅴb型复合式衬砌
φ42 超前小导管, 环向间距40cm，t=3.5mm,4榀一环
三台阶七步开挖法
DK166+960
DK167+005
45
Ⅴ级围岩复合式衬砌
φ42 超前小导管, 环向间距40cm,t=3.5mm,3榀一环
环形开挖预留核心土
DK167+005
DK167+100
95
Ⅳ级围岩复合式衬砌

台阶法
DK167+100
DK167+170
70
Ⅲ级围岩复合式衬砌

台阶法
DK167+170
DK167+220
50
Ⅱ级围岩复合式衬砌

全断面法
DK167+220
DK167+285
65
Ⅲ级围岩复合式衬砌

台阶法
DK167+285
DK167+360
75
Ⅳ级围岩复合式衬砌

台阶法
DK167+360
DK167+396
36
Ⅴ级围岩复合式加强衬砌
φ42超前小导管, 环向间距40cm，t=3.5mm,3榀一环
环形开挖预留核心土
DK167+396
DK167+421
25
Ⅴ级围岩复合式加强衬砌
φ108大管棚超前预支护，长度28m, 环向间距40cm
环形开挖预留核心土

7、严格控制开挖进尺。严格遵循“管超前、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、及时衬砌”的施工原则，确保不出现塌方。及时喷射砼，必要时掺加钢纤维，以增加支护的强度。
8、施工中加强系统支护监控量测，并根据监控量测结果及时调整初期支护及施作二次衬砌。
9、桥隧相连的进出口洞门施工，合理的安排施工工序，精心的施工组织。
10、现场备足封堵材料，如砂袋、袋装水泥、TGRM浆、发泡注浆抢堵剂等，同时在现场储备足够排水设备。
11、洞内设置逃生管道。逃生管道设置在沿隧道墙角地面处设置，管口一端距下台阶不大于5 m，另一端延伸至已做衬砌段6米的位置。管道采用直径800mm的承插钢管。管道内预留工作绳、应急水管（饮用）、电话线、照明线等。
12、当发生塌方事故时，人员应立即撤离工作面，在有条件并保证人员安全的情况下撤出设备。同时作业人员及时向项目部汇报。项目部根据发生塌方的位置、原因、范围以及围岩的暂时稳定程度制订控制方案。
4.2、突水突泥风险地段施工方案
本标段隧道岩层节理发育，导水性强，贯通性较好，在这种地质条件下易出现突水、突泥。施工时采取如下施工方法。
1、为了保证各个工作面的施工人员能够及时撤离，洞内建立统一的报警系统，并根据危险程度的不同，确定预警等级，根据预警等级的不同，确定不同的报警信号，报警信号要能够明确辨别，防止由于信号辨别不清，造成撤离的混乱。
2、开挖采用三台阶七步开挖法，减少一次进入断层或富水段的工作面积。开挖时尽可能采用机械开挖，不宜采用爆破开挖，若必须采用爆破开挖时，坚持多打眼、少装药的弱爆破施工技术，减小对围岩的扰动。上部断面开挖时，工作面水平钻机超前探水孔深30～50m，进行泄水，然后再进行开挖。
3、若隧道开挖后出现局部渗水，根据不同情况采取相应措施，地下水状态Ⅰ级（渗水量＜10L/min·10m），可采用喷射混凝土封堵渗水。
地下水状态Ⅱ、Ⅲ级（Ⅱ级，渗水量10～25L/min·10m，Ⅲ级，渗水量25～125L/min·10m），隧道采用径向注浆止水措施，以确保施工安全、防止地下水大量流失，并对附近居民的水井、泉水出露点进行长期观测，防止隧道施工造成地表水干涸。注浆堵水后，地下水状态应达到无水或小于地下水状态Ⅰ级（干燥或湿润：渗水量＜3L/min·10m）方可施工防水板和二次衬砌。
帷幕注浆施工方案：
注浆方式采用超前预注浆、后注浆、局部注浆、补注浆四种方式相结合，基本注浆方案分为下列几种：
超前预注浆：隧道开挖后全断面径向注浆，每循环长度15m，固结范围为开挖轮廓线外3.5m，施工时根据实际地质情况进行调整。
后注浆：待每个环节注完后，可钻2～3个检查孔检查注浆效果，如未达到预期效果，应以小导管压注补充注浆。
局部注浆：洞室开挖后，如果局部还有漏水，可进行局部直接暴露注浆。
补注浆：上述三种注浆方式实施后，仍未达到设计要求时，根据实际情况选择上述注浆方式一种或几种进行补充注浆。
注浆材料：注浆材料选用普通水泥浆、TGRM浆，如局部出现漏浆可采用发泡注浆抢堵剂进行封堵。
在隧道开挖过程中，及时进行超前地质预报，以摸清断层的围岩结构和富水情况，为制定相应的对策提供第一手资料；
根据实际情况拟采用全封闭或半封闭注浆止水固结施工技术；
4、严格遵守“管超前、短进尺、弱爆破、强支护、快封闭、勤量测”的原则进行施工。增加大管棚、小导管等超前支护措施，改用CRD法开挖，及时喷射砼，必要时掺加微纤维，以增加支护的强度。
现场备足封堵材料，如砂袋、袋装水泥、TGRM浆、发泡注浆抢堵剂等，同时在现场储备足够排水设备。
5、在掌子面涌水、突泥早期，为了控制涌水量和水压力，在掌子面附近配备足够的堵漏材料，如快凝、早强水泥，钢钎、木楔等，当岩石裂隙或岩溶管道涌水量不大时可直接采用麻丝胶泥封堵，涌水量大时，采用锤头打入缠有麻丝胶泥的木楔或钢钎封堵，为了降低涌水速度，在距离掌子面一定距离10～20m砌筑砂袋墙，加快泥砂淤积，减少出水口和涌水量，砂袋墙的宽度一般超过5m。
6、反坡施工段落配置足够的抽水设备，对长距离抽水设置梯级泵站。
7、黄土冲沟段，部分浅埋段采取明洞通过，对洞顶加强地表水监测及做好隔水、引排，其他段采取双侧壁导坑法或三台阶七步开挖法，加强支护措施通过。
4.3、变形风险地段施工方案
1、分不同的地层采用不同的支护参数和不同的施工方法来控制围岩变形。
2、现场测试围岩松动圈的范围，根据围岩应力特征，采用加大预留变形量、加长锚杆、加强支护参数等来控制变形。
3、严格贯彻“短开挖、弱爆破、强支护、快封闭、勤测量、及早衬砌”原则进行施工。
4、加强监控量测，适时调整初期支护措施，仰拱紧跟，及时衬砌。
5、对于膨胀土质段落，主要通过变形留够、底部加强等措施，人工或机械开挖，减少围岩扰动降低风险。
6、发生挤压大变形时，必要时采用多重支护、分次施工技术来控制变形。
4.4洞口失稳地段施工方案
隧道进口、出口位于浅埋段，洞口施工将会对土体扰动洞口山体失稳，为保证施工安全，应加强施工过程中的监控和管理。
洞口开挖安全注意事项：
⑴洞口边坡开挖前，先在明洞边坡开挖线外布置观测点，严密洞顶围岩变化。观测点应布置在仰坡顶5～10m的范围，间距每5m一个。还应根据岩层走向、厚度、顶部位置具体设置，应保证能观测到顺层岩体的位置变化。竖向观测数据，分析洞顶围岩变化，当洞顶沉降出现突变，产生较大的横向、竖向位移时，应实地观测洞顶地表有无出现裂缝，并加强观测。如果观测数据有继续加大，裂缝宽度变大或者数量增多，则洞口可能出现失稳需要停止进洞进行处理。
⑵洞口段正洞施工：
a、进洞开挖，开挖方式采用CRD法。遵循“短进尺、弱爆破、早封闭、勤量测”的施工原则，每循环进尺以一榀拱架间距为宜，尽量采用预裂爆破。
b、观测记录工作面的工程地质与水文地质情况，作地质素描。观测开挖面附近初期支护状况，判断围岩、隧道的稳定性和初期支护的可靠性。由地质组进行，其他技术人员协助。
c、地表量测：在Ⅴ级围岩且埋深小于40m的地段轴向每隔5～10m布设。同时在横向依据实际情况，选定主断面，沿主断面布设测点，以了解地表沉降的横向影响范围。
d、洞内量测：按照设计及规范要求，对隧道进行拱顶下沉及围岩收敛量测，发现围岩变化异常立即采取加固措施，确保施工安全。

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