公路隧道施工重大風險源的分析與控制措施

胡云世

(衢州學院建筑工程系，浙江衢州324000)

1 工程概況

某高速公路全線共設置隧道10座，共長7 032m。其中長隧道2870 m 1座、中隧道1 690 m和1 260 m各一座、短隧道202 m 6座，均為石質隧道，為滿足按六車道劃線的要求，最大洞內斷面220 m2，最大寬度21 m，最大開挖寬度23.166 m，寬度居國內同類型隧道前列。

根據巖土工程勘察，勘察區內的斷裂構造為非全新活動斷裂，沿線地形起伏較大，局部地段全風化層較厚，隧道通過斷裂或構造影響帶，因此隧道襯砌按新奧法原理設計，初期支護采用C25噴射混凝土，厚度為280 mm，鋼筋網鋼筋直徑6 mm，間距15 cm×15 cm;臨時支護為120b型鋼格柵，每榀格柵腳部設2根鎖腳錨桿。錨桿采用φ50無縫鋼管(壁厚4 mm)，長3 m，注C30水泥漿;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚度550 mm。設計要求在施工過程中必須做好重大風險源分析，采取有效的控制措施，以確保隧道安全施工。

2 重大風險源識別及風險分析

在國際及國內已統計的隧道安全事故中，發生在掘進過程中的占50%，運輸過程中的占25%，其他占25%［1］，因此，本文重點就掘進過程中的風險因素進行識別。隧道施工安全控制的基本思想是識別與施工現場相關的所有風險源，評價出重大風險源，并以此為基礎，制定針對性的控制措施和管理方案，明確建立風險源識別、分析、評價和控制管理與安全施工之間的聯系，體現了系統的、主動的事故預防思想。

隧道施工風險主要來自于巖層性狀和地下水的影響，而根據地質資料分析本地區地下水缺乏，而且施工期間為枯水期施工，因此可以不考慮突水突泥的影響。施工方法也是潛在的風險，但是只要方法得當，科學施工，就會使風險降低到最低，另外防排風，地表建筑物等對本工程都影響很小，鑒于對風險的認識及對本隧道工程施工的全盤考慮，從而將過斷層破碎圍巖(過節理、斷層破碎帶)作為本工程的重大風險源。

2.1 斷層破碎圍巖分析

根據以往的隧道事故分析資料表明:地下工程的塌方90%以上是由斷層破碎帶引起的。破碎帶是地下工程施工中易于引發塌方的斷層面附近的巖石破碎帶，是隧道開挖過程中常見的不良地質現象。在多數情況下，斷層破碎帶是作為一個低強度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在，與其兩側巖體在物理力學特性上具有顯著的差異，其結構松散、膠結性弱、穩定性差，施工中遭遇斷層破碎帶極易發生事故，若遇水則更甚，是隧道建設的控制性地段。隧道穿越斷層及軟弱圍巖時，由于巖層的地質成因復雜，地質條件具有突變性，施工事故也具有突發性，可見，在施工過程中如遇斷層破碎帶，隨時都可能給工程帶來塌方、涌水甚至淹沒等事故，造成巨大的甚至是災難性損失。因此，對隧道斷層破碎帶施工風險控制措施研究具有重要意義。本工程各隧道斷層破碎帶的分布情況匯總見表1。

2.2 風險分析

風險一般是指對人身安全、財產、環境有潛在損害和對工程有潛在經濟損失或延期的不利事件發生的頻率和影響結果的綜合。依據風險事故發生概率的大小，分為五級［2］(見表2)。同時根據風險等級標準(見表3)，確定風險評價矩陣和接受準則(見表4)，本工程根據隧址處勘察到的斷層破碎帶情況及上述斷層破碎帶與圍巖穩定性關系，采用“信心指數法”并依據風險評價矩陣對其等級進行評定，確定本隧道斷層節理破碎帶施工風險評估結果(見表5)。依據風險等級的高低，指導隧道工程中施工方法的選擇、施工進度的快慢和設計方案的調整變更，從而保證工程的順利完工。

3 重大危險源的安全風險控制對策

通過以上對該工程隧道施工中存在的斷層破碎圍巖(過節理、斷層破碎帶)風險源的辨識分析與評價，從而對其已經有了基本的認識。為防范該重大危險源的發生，針對它的工程特性，制定了相應的安全風險控制對策和緊急救援預案。

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3.1 風險預測

(1)采用地質雷達超前預測、預報。

(2)當隧道設平行導坑時，平行導坑的掘進需超前隧洞一定距離，以了解掌握斷層破碎帶地質情況。

(3)洞內超前鉆探預報，即在開挖工作面采用水平鉆機向隧道前方打超前鉆孔探測，以掌握前方地質資料，預防突發地質災害，指導施工。

3.2 規避對策

(1)開挖前先施工超前錨桿或超前管棚等對圍巖進行預加固。圍巖破碎時應先進行預注漿，改良圍巖，或者采用旋噴拱或預切槽，減少圍巖變形。

(2)開挖后的施工支護應加強，視斷層的圍巖破碎情況，采用系統錨桿、掛鋼筋網然后噴混凝土，或采用鋼架(或格柵鋼架)支護。

(3)按設計進行永久性混凝土襯砌支護，或采用鋼筋混凝土襯砌，以及增加襯砌混凝土厚度，提高襯砌混凝土強度等級。

(4)襯砌后及早壓漿。

(5)做好排水，在施工前或施工中，均應采取可行的防排水措施，盡可能將地表水引排，不滲入隧道中。

(6)選擇正確的開挖方法，隧道洞口加強段和V級圍巖段開挖方式采用雙側壁導洞法和新奧法開挖(見圖1、圖2所示)。

(7)加強圍巖量測，發現圍巖變形或異常情況，及時采取緊急措施處理:按設計進行永久性混凝土襯砌支護;采用鋼筋混凝土襯砌;增加襯砌混凝土厚度;改變襯砌斷面形式(如直墻變曲墻等);提高襯砌混凝土強度等級。

4 主要風險因素的控制措施及其應用

結合本隧道的具體重大危險源特點，主要采取的監控措施有:掌子面超前地質預報、隧道拱頂下沉、周邊收斂及支護結構受力、掌子面地質素描及隧道支護情況觀察。通過超前地質預報．以及加強掌握不良地質的準確信息，選擇合理的施工方案和爆破參數，同時作好相應的緊急救援預案措施．可有效控制不良地質施工的安全風險。通過監控量測數據和地質素描，掌握隧道開挖揭露的圍巖實際情況和隧道變形及其發展趨勢情況，及時發現不良地質圍巖和危險變形征兆，及時對施工方案爆破參數進行修正和調整，消除安全隱患，有效防范施工過程和出口段大跨徑的安全風險。通過爆破振動波監測，掌握爆破施工對附近環境結構物的影響。根據影響程度，及時調整爆破參數，達到有效控制隧道爆破施工對周邊臨近構筑物的影響和破壞。通過對隧道安全風險監測和控制，確保了隧道施工安全及對環境的影響降到最小。

4.1 超前地質預報的應用

由于地勘工作受布點范圍的限制，無法完全準確掌握隧道地質情況。隧道超前地質預報是探明本隧道前方地質情況的有效手段，采用超前地質預報可提前了解隧道前方突變的地質狀況，提前作好施工準備，以便及時調整開挖及支護參數，有效避免施工中諸如塌方、涌水等災害，從而達到控制隧道施工風險和快速施工的目的。

4.1.1 該隧道工程的超前地質預報流程

采用超前地質預報的施工工藝流程:布置鉆孔→接受器套管埋置→爆破孔裝藥→現場測試→預報結果分析→與實際開挖情況對比→支護參數調整。施工過程中需嚴格按照上述方法執行，做到心中有數，目標明確，計劃科學。

4.1.2 該隧道工程的數據分析整理及應用

(1)ZK47+652～ZK47+681(29m)范圍內巖性為花崗閃長巖夾薄片灰巖，巖體強風化，易塌方，圍巖強度較掌子面巖體強度有所降低，裂隙十分發育，巖體破碎，建議加強初期支護工作。

圖1 雙側壁導洞法

圖2 新奧法

(2)ZK47+681～ZK47+699(18m)范圍內巖性為花崗閃長巖夾薄片灰巖，巖體強風化，易塌方，圍巖強度較掌子面巖體強度有很大幅度降低，裂隙十分發育，巖體十分破碎，建議加強初期支護工作。

(3)ZK47+699～ZK47+747(48m)范圍內巖性分析為灰巖夾花崗閃長巖，巖體弱風化～強風化，圍巖強度較掌子面巖體強度高一些，裂隙發育，巖體破碎。

(4)ZK47+747～ZK47+756(9m)范圍內巖性分析為灰巖，圍巖強度較掌子面低一些，巖體強風化，易塌方，裂隙十分發育，巖體破碎，建議加強初期支護和防排水工作。

(5)ZK146+495～ZK146+532段圍巖強度較低，節理裂隙較發育，巖體較破碎，含水，建議加強支護。

(6)ZK146+564～ZK146+607段圍巖強度較低，巖體較破碎，含水，推斷為F33斷層，建議加強支護。

(7)ZK146+495～ZK146+607段圍巖Ⅴ級，ZK146+607～ZK146+645段圍巖V級。

根據掌子面的揭示情況和探測結果顯示，在整個探測段ZK146+495～ZK146+607范圍內圍巖完整性差、穩定性差，ZK146+564～ZK146+607推斷為F33斷層或其影響帶，含水，施工時應予以注意，做好防、排水工作。同時根據二維視圖以及巖石力學參數分析，隧道掌子面前方ZK47+652～ZK47+699地段裂隙十分發育，應予以高度重視，防止隧道坍塌。

4.1.3 相應的施工措施

針對“構造裂隙發育段”的施工措施:對爆破循環進尺減小到1.5m，爆破開挖后立即進行初期支護施作，初期支護緊跟掌子面，支護施工完成后方可進行下一輪掘進施工。對K0+600～K0+615和K0+625～K0+758段，因巖體較完整，可繼續照常施工。

同時，將左線里程K0+200處測得的數據與設計文件相對比，結合實際需要，對支護參數進行調整。對構造與裂隙發育段采取措施:K0+254～K0+272、K0+308一K0+320段開挖后，其實際揭露巖層與預報資料相符，采取“開挖后立即對巖層初噴一層5cm厚的混凝土．避免因巖層構造裂隙發育，或巖層軟弱而產生的拱頂下沉和邊墻兩側塑性變形”。K0+338～K0+345、K0+360～K0+370開挖后為砂巖巖層，未見不良地質，可采取正常施工程序施工。

4.2 隧道監控量測的應用

隧道監控量測是隧道施工安全必不可少的重要工作。根據JTJ042—94《公路隧道施工技術規范》的規定和要求，結合本隧道圍巖實際情況，確定隧道監控的必測項目和選測項目。其中必測項目包括:圍巖與支護狀態觀察;周邊位移監測;拱頂下沉監測。選測項目包括:圍巖與噴層接觸壓力監測;鋼支撐內力監測;錨桿軸力監測。

一般地段隧道圍巖收斂監測內容。

(1)監測斷面的布置。根據《公路隧道施工技術規范》要求和隧道圍巖實際狀況，在隧道左右線共布設83個監測斷面，其中左線41個，右線42個。

(2)測樁埋設與測線的布置。隧道開挖采用臺階法進行。測點布置:先在上臺階埋設l#、2#、3#測樁，對A、B、C，3條測線進行量測;當下臺階開挖到達相應的監測斷面位置時，再埋設4#、5#測樁，對下部D線進行量測(圖3)。

(3)監測頻度。監測頻度根據《公路隧道施工技術規范》，第9.2.1條和第9.2.6條規定，即根據開挖時間、距開挖面距離和變形速率確定監測頻度。取其三者之高值。

(4)監測成果分析。綜合各監測斷面測線的變形情況，從分析所得的有關數據可以看出:①拱頂下沉的變形速率隨時間和距開挖面距離增大而逐漸降低，拱頂下沉量隨時間呈遞減趨勢，變形逐漸趨于收斂。水平收斂變形的變形速率與時間的關系呈明顯的收斂趨勢;②隧道圍巖的凈空收斂呈現典型三個階段:第一階段為急劇變形期，10～15 d;第二階段為緩慢變形期，約35 d;第三階段為基本穩定期，約40 d;③隧道洞身段為Ⅲ級和級Ⅳ圍巖:以圍巖變形速率小于0.1 mm/d作為圍巖穩定的判定準則是合理的，與實際情況相符。在保阜隧道所有收斂監測數據中，未出現持續收斂或者不收斂值等異常情況。亦未出現拱頂掉塊或初期支護開裂等情況，說明初期支護是安全的。同時根據收斂發展狀況，及時確定了二次襯砌施作時間。

圖3 測樁、測線布置

5 結束語

在該隧道施工全過程中，通過對隧道施工重大安全風險源的辨識與分析評價，制定了風險監控措施和安全預案。通過監測手段及時發現施工中的安全風險，并采取相應的安全風險控制措施，避免了隧道施工過程中的風險惡化，在工程初始階段取得了良好的經濟和安全效益:隧道初期支護無一開裂、掉塊、坍塌事件發生，隧道施工安全處于可控狀態。在本次風險控制應用中得到如下體會:

(1)隧道施工安全風險源識別是隧道施工安全的重要步驟，決定了安全工作能否抓住工程施工中的主要矛盾。

(2)隧道安全風險監控必須貫穿施工全過程，根據工程進度和實際情況采取有效的手段進行風險監測、分析，并及時反饋，才能夠指導安全施工。

(3)隧道安全風險管理必須要有良好的組織措施和制度措施，從而使得安全風險的評估、監控和管理的職責能夠得到有效落實。

［1］楊峰．嘉華隧道施工安全風險控制應用［J］．現代隧道技術，2009(6)

［2］陳龍，黃宏偉．巖石隧道工程風險淺析［J］．巖石力學與工程學報，2005，24(1):110—115