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第七章 灾害与防护
主要大纲
§1 灾害分类
§2 地下工程地震灾害防护
§3 火灾防护
§4 地下工程的防水
§5 施工诱发的环境灾害的预测和防护
一、 灾害分类
• 地下工程在施工和运营期间可能发生的灾害大致分为两大类: 自然灾害和人为灾害。
• 自然灾害主要有洪涝、 水淹、 地震、 雪灾、 台风、 泥石流、 滑坡等;
• 人为灾害主要有战争( 炮弹、 炸弹、 核弹、 生化武器) 、 交通事故、 火灾、 泄毒、 化学爆炸、 环境污染、 工程事故( 靠近地铁车站或隧道打( 压) 桩、 开挖深大基坑、 抽取地下水……) 和运营事故等。
灾害分类
破 坏 特 点
灾 害 成 因
防 护 对 策
自
然
灾
害
气象灾害
暴雨, 涝灾, 海啸潮水倒灌淹没车站、 隧道设施, 冲垮高架桥墩, 台风卷走高架桥、 接触网、 供电设备, 雷电击穿通讯、 信号、 供电系统, 雪掩埋地面高架轨道设施……
大气内部的动力和热力过程演变, 湿带和热带气旋, 海洋低气压热带风暴, 对流强烈积雨云系
1.有效排洪涝泵站设备; 2.出入口、 风口汛期封堵措施; 3.增加高架桥系统抗风安全度。
地震灾害
强烈的垂直、 水平震动, 地面突沉开裂, 使高架桥墩台剪坏, 梁板塌垮, 隧道车站开裂, 渗漏水, 甚至倒塌, 引起次生火灾……
地球板块挤压、 运动
1.按抗震规范设计、 施工; 2.特殊重点部位做好基础隔震减震; 3.增加结构抗震安全度。
地质灾害
泥石流、 滑坡毁坏掩埋地铁车站、 隧道、 桥梁……
干旱、 风化、 不合理采伐
合理采伐, 绿化护坡, 对危险地段长期监控。
人
为
灾
害
战争灾害
炮、 炸弹、 核弹冲击, 侵彻、 爆炸、 震坍地铁车站, 隧道桥梁, 地下设施中放毒气或其它生化武器, 电子干扰通讯, 指挥、 管理硬软件系统……
政治、 经济、 民族矛盾冲突激化
按人防工程要求等级设计, 做好平战功能转换, 预留技术储备。
运营事故
调度指挥失误, 碰撞, 追尾交通事故, 设备老化引起火灾, 停电, 地面地下水渗漏, 设备故障泄漏电……
管理、 维修不合理, 监控系统不完善。
严格规章制度, 加强管理, 建立自动监测、 报警系统, 设置处理预案
工程事故
打( 压) 桩, 深大基坑开挖, 大面积抽取地下水, 采石、 采矿, 隧道平行交叉施工, 已有地铁隧道车站, 高架桥开裂, 坍塌, 轨道倾斜弯曲……
野蛮施工, 缺少监督机制
制定地铁工程施工保护技术规程, 加强施工监控。
防灾设计原则
• 防灾设计应贯彻国家”以预防为主, 防消结合的工作方针”。地下工程应建立良好的灾害预测、 预报、 评估及预警系统, 定期对投入运营的工程进行健康的诊断和抗灾可靠性评定, 建立智能性修复系统。
二、 地下工程地震灾害防护
• 地下工程和隧道包围在围岩介质中, 地震发生时地下构筑物随围岩一起运动, 与地面结构不同, 围岩介质嵌固改变了地下构筑物动力特征( 如自振频率, 附加质量) 。人们一般认为地震对于地下结构( 明, 暗挖隧道, 车站等) 影响很小。
• 直到1995年阪神地震后, 人们才改变以往看法, 地下结构存在地震破坏的可能性, 设计和施工时应有必要的对策。
抗震设计
• 结构的抗震设计分为两大部分: 即抗震计算设计和抗震概念设计。
• 抗震计算设计是对地震作用效应进行定量的设计, 包含拟静力设计法、 反应谱法、 时程分析法。
• 抗震概念设计则包括正确的场地选择, 合理的结构造型和布置, 正确的构造措施等。
• 原则: ”大震不倒、 中震可修、 小震可用”
拟静力设计法
• 假定地下或地面结构为绝对刚体, 地震时它与围岩介质一起运动, 而无相对位移。把时刻变化着的振动应力状态假定为静止的, 将地震对结构作用假设为作用于构件重心处的等效静载。
• 当前上海盾构隧道抗震设计按等效静荷载方法, 其垂直等效静载系数

反应谱理论
• 反应谱法广泛用于地面建筑结构、 桥梁结构的抗震。
• 由于地下结构各振型的自振频率及相应的阻尼系数不容易求得, 求解特征值和特征向量问题很费时间, 且对计算误差敏感, 围岩介质的嵌固为地下结构振动提供了较大阻尼, 同时促使刚度增加。相反, 地下结构的存在使地层刚度改变, 各类场地特征周期变化。围岩介质是波传播的载体, 土层条件影响地下结构震动的大小和特征, 即一般所说的放大和滤波作用。因此地下结构抗震抗爆动力分析多采用结构抗震动态时程分析方法。
时程分析法
• 重要的地下结构, 如地下铁道车站、 控制中心、 高架车站等
• 采用地震动记录时间历程输入, 直接求解结构体系运动微分方程的时程分析法, 又称逐步积分法。采用时程分析方法时, 宜按设防烈度、 近震、 远震和场地类别选用适当数量实际强震记录或人工模拟的加速度曲线作为结构的输入地震, 并对计算结构进行统计分析。
三、 火灾防护
与洪涝、 泥石流、 滑坡、 台风、 沙暴、 冲击爆炸等灾害相比, 火灾对地下工程威胁比地面建筑更大。因此有人认为, 扑灭地下工程的火灾比起扑灭超高层建筑顶层火灾还要困难。
日本、 美国和欧洲经济发达国家, 地下工程火灾事故时有发生; 中国铁路隧道多次发生油槽列车颠覆起火爆炸恶性事故。
当前中国缺少专门的地下工程防火设计及施工验收规范, 缺少适合于地下工程和隧道消防的专用设备。
地下工程火灾特征和危害
• 排烟困难, 散热慢
• 烟的水平扩散速度一般为0.5～1.5m/s, 超过一般年轻力壮的小伙子的跑速
部分材料每克在不同温度下燃烧产生的烟量( m3,日本)
材料名称
8000C
4000C
3000C
杉木
3.6
2.1
0.4
普通胶合板
4.0
1.6
0.4
难燃胶合板
3.4
2.0
0.6
硬质纤维板
1.4
2.1
0.6
锯木屑板
2.8
2.0
0.4
E.B.P ( 树脂)
—
6.2
4.1
聚氯乙烯
—
4.0
10.4
聚苯乙烯
—
12.6
10.0
尿基烷( 人造橡胶一种)
—
14.6
4.0
地下工程火灾特征和危害
高温高热全面燃烧
在地下建筑封闭空间内, 一旦发生火灾, 大量可燃物燃烧, 室内温度升高很快, 较早地出现”全面燃烧”现象。根据地面建筑燃烧试验, 当火灾房间的温度上升到400℃以上时, 起火房间会在瞬间由局部燃烧变为全面燃烧, 房间一切可燃物会在瞬间统统烧着, 并伴随着较大的响声。当听到类似爆炸的”轰”的一声响时, 便会见到满屋大火, 室内温度会从400多度猛升到800～900℃。
火灾标准时间温度曲线值
时间( min)
5
10
15
30
60
90
120
180
240
360
温度( 0C)
556
659
718
821
925
986
1029
1090
1133
1193
安全疏散困难
• 产生大量烟气和有毒气体( 如一氧化碳、 二氧化碳及其它有毒气体) , 不但严重遮挡视线, 使能见度大大降低, 还会使人中毒窒息, 危害极大
• 室内由于正常的照明电源切断, 变得一片漆黑。如地下工程内不装设事故照明和紧急疏散标志指示灯, 人员根本无法逃离火场
• 温度升高快, 对人体危害大
• 疏散距离长, 路径复杂
隧道结构的火灾响应及防火设计
火灾对隧道结构的损坏
火灾对隧道结构的损坏主要是对隧道衬砌结构的破坏, 包括:
Ø 结构变形、 开裂、 衬砌混凝土爆裂剥落、 混凝土强度降低 , 严重的情况会造成拱顶掉落、 边墙倒塌, 进而造成整个隧道坍塌;
Ø 隧道防水材料的破坏, 造成隧道渗水、 漏水, 甚至产生涌水;
Ø 混凝土管片接头的损坏;
隧道火灾结构破坏的危害
Ø 直接威胁救援与逃生;
Ø 减少隧道使用寿命, 严重的甚至导致隧道坍塌;
Ø 影响隧道的正常运营, 降低隧道使用效率;
Ø 对于水下隧道而言, 结构破坏后还存在修复困难的问题;
水下隧道与地面隧道相比结构防火的重要性
容易产生隧道涌水, 造成二次破坏
火灾后结构修复困难
衬砌混凝土的破坏及其破坏机理
Ø 隧道火灾温度分布规律
v 横断面温度分布规律: 拱顶最高,拱腰、 边墙次之,底部最低;
v 纵断面温度分布规律: 火灾点的温度梯度最大, 随着逐渐远离火区, 温度梯度逐渐减小;
衬砌结构的破坏规律: 衬砌顶板破坏最为严重, 其次是隧道边墙位置;

隧道结构的防火设计
Ø 隧道结构防火设计的目的
v 保证隧道司乘人员撤离;
v 使营救和灭火行动成为可能,并确保消防人员的安全;
v 减少隧道结构、 隧道设施以及周围建筑破坏带来的损失;
v 保证火灾中隧道结构的稳定性, 不允许火灾后隧道产生影响使用的永久性变形;
v 保证隧道内大部分防水措施的安全;
v 降低维修费用, 缩短工程修复时间;
隧道结构防火保护技术标准的选用
隧道结构防火保护标准有两项内容: 火灾升温曲线和耐火时间;
Ø 火灾升温曲线:
v ISO834标准升温曲线
v RWS曲线
v HC曲线
v RABT 曲线
Ø 耐火时间
v 人员在隧道火灾发生时的逃生时间, 消防人员到场开展救助时间;
v 隧道内部风机及其管道在火灾中进行通风排烟的正常运行时间;
v 保护与隧道内部相贴邻的电缆间、 管道井、 风井等结构不受火灾危害的时间。
隧道结构防火设计的相关建议
Ø 隧道火灾规模
火灾等级
火灾释热量( MW)
产烟量( m3 /s)
1辆小客车( 1 small passenger car)
2.5
20～30
1辆中型客车( 1 large passenger car)
5.0
20～30
2～3辆小客车( 2-3 passenger car)
8.0

一辆中型货车( 1 van)
15.0

一辆大型客车( 1 bus)
20.0
60
1辆装载一般可燃物的货车
( 1 lorry with burning goods , general case)
20.0～30.0
60
1辆装载易燃物的大型货车
( Larger vehicles with burning goods especially hazardous goods)
100～120
100～200
Ø 隧道防火等级分类
防火保护判定标准

隧道结构防火保护的相关措施
使用普通重度的骨料
加入聚丙烯纤维、 钢纤维; 使用碳酸盐骨料
Ø 提供不计入结构剖面的额外混凝土厚度
Ø 提高混凝土的抗火性能
Ø 安装喷淋灭火系统
Ø 在隧道衬体上粘贴隧道专用防火板材
Ø 在隧道衬体上喷射无机纤维
Ø 在隧道衬体上喷涂防火涂料
隧道防火保护材料的选择应该综合考虑以下因素:
火灾发生的可能性; 火灾的规模; 火灾对防灾设施的破坏程度; 应急响应时间; 火灾对衬砌结构的破坏; 火灾后的修复工作等。
四、 地下工程防水
• 地面洪涝灾害和积水回灌危害
• 岩石介质中地下水渗漏浸泡危害
• 地下水或地表水进入地铁车站和隧道内, 能够使装修材料霉变, 电气线路、 通讯、 信号元件受潮浸水损坏失灵, 造成工程事故。地下水积存, 使地铁内部潮湿度增加, 使进入车站的乘客胸闷, 不舒适。
防水等级
标准
工程项目
一级
不允许漏水, 结构表面无湿渍
人员经常活动场所
二级
不允许漏水, 结构表面可有少量湿渍
人员经常活动场所
三级
有少量漏水点, 不得有线流和漏泥砂
人员临时活动场所
四级
有漏水点, 不得有线流和漏泥砂
对渗漏水无严格要求的工程
地下工程防水的原则:
ü 1) 以防为主;
ü 2) 多道防线, ”刚柔结合, 防排截堵”
ü 3) 因地制宜, 紧密结合地下工程的工程地质, 水文地质条件与地下结构的埋深等条件采取对应措施;
ü 4) 综合治理, 指结构设计、 土建施工、 通风与给排水等工种一起综合治理的排水。
地下工程防水材料
• 防水卷材
• 防水涂料
• 结构自防水材料
• 嵌缝密封材料
地下工程防水设计施工技术
• 钻爆法隧道
离壁式衬套拱顶与侧墙防水技术
复合式衬砌防水技术
• 浅埋矩形框架车站: 外包防水卷材、 接缝防水
• 沉管法隧道: 管节砼自防水
• 盾构隧道: 管片接缝防水
• 顶管隧道: 管节接头防水
浅埋车站防水
• 浅埋车站一般不设置沉降缝, 只设置施工缝、 伸缩缝或诱导缝和后浇带。
• 施工缝: 遇水膨胀腻子止水条、 镀锌止水钢板或橡胶止水带防水
• 变形伸缩缝( 诱导缝) : 埋入式止水带和外贴式止水带
• 后浇带( 后浇缝) : 在后浇混凝土中渗入UEA 膨胀剂, 并使浇捣混凝土级别高于两侧混凝土, 起到补偿收缩作用
盾构法圆形隧道衬砌结构防水
管片接缝防水
弹性密封垫+嵌缝

甲、 丙型管片弹性密封垫
• 嵌缝: 进出洞20～30环; 联络通道两侧8～10环处等变形量大的衬砌环段进行整环嵌填, 其余区段则在拱底900范围内嵌填。
• 嵌缝材料:
遇水膨胀橡胶腻子
+外封氯丁胶乳水泥

乙型管片嵌缝防水构造图

• 楔形管片环面垫片与纵向传力衬垫片
石棉橡胶片和丁晴软木橡胶
• 螺栓密封与螺栓防腐蚀
螺栓密封垫圈( 遇水膨胀橡胶类)
• 竖井与圆隧道接头
刚性连接+柔性填缝材料、 施工缝止水条

建筑物和地下管线的保护
建筑物损坏程度判断 ( 裂缝宽度)
裂缝宽度
( mm)
损坏程度
对结构和建筑物使用影响
住宅
商业及公共设施
工业建筑
<0.1
不考虑
不考虑
不考虑
没影响
0.1～0.3
非常轻微
非常轻微
不考虑
0.3～1.0
轻微
轻微
非常轻微
影响美观, 加速墙面的风化
1.0～2.0
轻微-中等
轻微-中等
非常轻微
2.0～5.0
中等
中等
轻微
结构危险性增加
5.0～15.0
中等-严重
中等-严重
中等
15.0～25.0
严重-非常严重
中等-严重
中等-严重
≥25.0
非常严重-危险
严重-危险
严重-危险
建筑物最大许可沉降或差异沉降( 角变形)
房屋和结构分类
房屋结构类型
最大许可最终沉降
δmax( mm)
结构物中共线的邻近三点或基础的最大许可角变形αmax
1
大致积结构, 刚性大致积混凝土基础、 刚性混凝土片筏基础; 具有相当大的水平刚度
150-200
结构中不同点的最大差异沉降引起的基础倾斜不应大于( 1/100-1/200) , ( 结构高度, 基础平面尺寸)
2
铰接静定结构( 三铰拱、 单跨钢架和木结构)
100-150
1/100-1/200
3
1. 超静定钢结构;
2. 砌体承重结构每层均有圈梁; 横墙不小于250mm厚, 跨度不大于6m,
3. 桩距不大于6m的框架结构条形基础或片筏基础
80-100
1/200-1/300
4
1. 第三类结构, 但其中有一条不满足。
2. 独立基础的钢筋混凝土结构。
60-80
1/300-1/500
5
有大跨板或大型构件的装配式结构。
50-60
1/500-1/700
地下管道许可弯挠的曲率半径
管道类型
许可的曲率半径( R)
焊接良好的大长度管道
差异沉降值
均待定
有接头的管道
按管节接缝容许张开值( △) 计算
按管节纵向受弯容许应力( σw1) 计算
按管节横向受弯容许应力( σwt) 计算

注: 有接头的管道的管道容许曲率半径值取三者中的最大者。
施工监测
• 地下水文地质的监测
• 土体分层变形监测
• 建筑物监测
• 地下结构自身的强度和变形监测
振弦式传感器 光纤传感器

光纤光栅是经过改变纤芯折射率, 产生小的周期性调制而形成的。
监测对象
监 测 项
测试元件与仪器
监测必要性

地
铁
车
站
围护桩墙顶水平位移和沉降
经纬仪、 水准仪
必须
桩墙深层挠曲
测斜仪
必须
桩墙内力
钢筋应力传感器、 砼应变计、 频率仪
选择
桩墙的水土压力
压力盒、 孔隙水压力探头、 频率仪
选择
水平支撑、 拉锚轴力
钢筋应力传感器、 位移计、 锚索压力盒
必须
圈梁、 围檩内力
钢筋应力传感器、 频率仪
选择
圈梁、 围檩水平位移
经纬仪、 GPS定位仪、 多点位移计
选择
立柱垂直沉降和倾斜
水准仪、 倾角计
必须
坑内外地下水变化
渗透压力计、 观察井、 频率仪
必须
隧
道
施
工
隧道沉降
水准仪( DS1) 、 多点液体水准系统, 因互R
必须
隧道四周水土压力
渗透压力计、 钢弦式土压力盒
选择
隧道管片内力
钢筋应力计、 混凝土应变计、 频率仪
选择
隧道的裂缝
单向多向测缝计
选择
收敛变形
尺式收敛仪、 巴塞特收敛测试系统
必须
隧道轴线控制
GPS定位精度导线网, 铅垂仪, 陀螺仪, 激光定向仪( 前置尺、 后置尺) , 全站仪( TC ) , 经纬仪( T2, J2) , 水准仪( S3, NA2)
必须