張唐鐵路燕山隧道風險評估淺析

高樹峰

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司，天津 300251)

1 工程概況

燕山隧道是張唐鐵路最長的越嶺隧道，隧道地處河北省宣化縣李家堡鄉李家堡村與赤城縣龍關鎮八里莊村之間。隧道左線進口里程為改DK52+940，出口里程為改DK74+118，隧道左線全長21 178 m;隧道右線進口里程為改YDK52+948，出口里程為改YDK74+126，隧道右線全長21 178 m，隧道最大埋深為轎頂山主峰南側557 m，最小埋深不足20 m。本隧道為雙洞單線隧道，線間距為40.0 m。隧道內凈空滿足“隧限-2A”要求，隧道軌面以上內凈空面積30.42 m2。因篇幅有限，本文僅介紹燕山隧道左線施工圖階段的風險評估。

2 工程地質及水文地質

燕山隧道洞身主要穿越晚太古界水地莊巖組(Ar3s)片麻巖、變粒巖及花崗片麻巖，上侏羅統張家口組(J3z)凝灰巖、安山巖，長城系常州溝組(Chc)石英砂巖，燕山期二長花崗巖(ηγ52-2)，燕山期正長斑巖(ξπ5

2-2)、石英正長斑巖(ξOπ52-2)。進出口部位穿越第四系上更新統坡洪積(Q3dl+pl)新黃土、粉質黏土、細圓礫土、卵石土。

隧道區地下水按賦存條件的不同，分為以下三種類型:孔隙水、裂隙水及構造裂隙水。以左線為例，隧道正常涌水量69 501.18 m3/d，最大涌水量148 522.08 m3/d。左線隧道各級圍巖級別及所占比例見圖1。

3 風險評估程序和評估方法

3.1 評估對象及目標

圖1 左線隧道各級圍巖級別及所占比例

風險評估對象主要為隧道施工過程中的安全、環境、投資及工期，并側重于安全風險。通過風險評估工作，識別所有潛在的風險因素，確定風險等級，提出風險處理措施，將各類風險降至可接受水平，以達到確保安全、環境保護、投資合理、保障工期、提高效益的目的。

不同的目標風險會造成相同或不同的后果過，對應關系見表1。

表1 隧道風險評估目標與后果或損失

3.2 評估方法及流程

燕山風險評估以定性、半定量為主，結合現有統計數據及現行規范、規定，通過工程類比進行。評估方法以專家調查法為主，根據已掌握的勘測、設計資料分析確定各風險因素可能導致的風險事件的概率大小和后果嚴重程度，評估流程見圖2。

3.3 風險等級的確定及對不同風險等級的接收準則和處理措施

根據《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》(鐵建設［2007］200號)將風險等級指數分為極高(Ⅰ級)、高度(Ⅱ級)、中度(Ⅲ級)、低度(Ⅳ級)4個等級，該等級是結合風險事件發生的概率和嚴重程度來確定的，見表2。

圖2 風險評估流程

表2 隧道風險等級標準

在綜合考慮了地形地質條件、勘測、設計有關資料后，根據《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》，將各種風險因素導致相應事故發生的概率及后果分別用1～5五個數值來表示，其中，概率等級1～5分別代表“很不可能”、“不可能”、“偶然”、“可能”、“很可能”，后果等級1～5分別代表“輕微的”、“較大的”、“嚴重的”、“很嚴重的”、“災難性的”;并定義概率及后果的估值的和為風險指數，風險分級標準將風險指數分為“極高(Ⅰ級)、高度(Ⅱ級)、中度(Ⅲ級)、低度(Ⅳ級)”4個等級。對于不同的風險等級的接受準則和處理措施見表3。

表3 隧道不同風險等級接受準則和處理措施

4 燕山隧道風險評估情況

4.1 燕山隧道主要風險分析

根據本階段地質勘測資料，隧道主要風險為塌方、突水突泥、巖爆、地下水流失和工期等風險，全隧各段落中存在的風險和可能發生的典型風險事件分析如下。

4.1.1 塌方風險

本隧道的巖層傾角一般多數為30°～60°，部分達70°～89°，屬陡傾巖層，其部分地段地表片麻巖傾角近于直立。巖層層理較發育，層理結合面強度較低，在斷層、節理的切割下，施工中拱部的巖層容易形成大小不同的巖塊或沿層理面發生滑落，而產生坍方掉塊現象;調查結果顯示，隧道出入口及洞身圍巖的節理，部分地段為節理發育～很發育，巖體較破碎，開挖如不及時支護、襯砌，有失穩滑塌的危險。

4.1.2 突泥突水風險

隧道區在節理裂隙發育帶、斷裂構造帶、巖層接觸帶等部位地下水富集時存在著突水地質災害的可能，應引起高度的重視，并采取可靠的防治措施。隧道通過斷裂帶時，斷層內巖體破碎，地下水較豐富，易發生突水突泥，施工時應加強排水和支撐防護，及時襯砌。在地下水位以下挖掘由貧水地段進入破碎帶時，應防止突水，做好止排水工作。

4.1.3 巖爆風險

巖爆發生的條件是巖體中有較高的地應力，并且超過了巖石本身的強度，同時巖石具有較高的脆性和彈性，在這種條件下，一旦由于地下工程活動破壞了巖體原有的平衡狀態，巖體中積聚的能量導致巖石破壞，并將破碎巖石拋出。燕山隧道在埋深較大、完整性的片麻巖、二長花崗巖、安山巖、正長斑巖、石英砂巖及凝灰巖地層中，均有發生巖爆的可能。

4.1.4 地下水流失風險

燕山隧道在梁家窯～二莊溝一帶，高程為935～975 m，明顯低于該段潛水面高程1 040～1 400 m，盡管隧道在第四系下面片麻巖中通過，隧道距第四系垂直距離最近有40 m左右，但該段泉眼比較發育(泉眼多無流水)，說明該地段構造裂隙比較發育，隧道工程可能導致梁家窯～二莊溝一帶地下水位下降，甚至全部流失;隧道在辛窯村北西(出口)高程為1 010 m，辛窯村西泉眼高程為1 120 m，隧道位置略低于地下水潛水面，隧道工程可能導致辛窯村一帶地下水位輕微下降。施工中斷層水極有可能順隧道下泄，對施工造成極大危險。

4.1.5 工期風險

隧道洞身地質條件較復雜，勘測資料無法準確反映隧道區的地層巖性情況，隧道的圍巖級別、水量情況有可能發生變化，進而影響施工進度。

4.2 隧道初始風險評估

經評估，左線隧道中的主要典型風險事件類型為塌方、突水突泥及巖爆風險;初始風險為高度及以上的共有52處。具體情況如下:(1)塌方風險:塌方風險為極高的段落共有17處，高度的段落共有5處。(2)突水突泥風險:突水突泥風險等級為極高的段落共15段，高度的段落共4段。(3)巖爆風險:巖爆風險等級為極高的段落共4段，高度的段落共7段。

其余地段各類初始風險均為中度及其以下。燕山左線隧道初始風險統計見圖3。

圖3 燕山隧道左線初始風險統計

4.3 隧道采取的風險控制措施

4.3.1 塌方風險控制措施

隧道采取的塌方風險控制措施主要有:(1)強化超前支護。進洞環節拱部設置1環超前大管棚。Ⅳ、Ⅴ級圍巖拱部設置超前小導管預注漿加固;根據不同的圍巖情況及構造特征，采取預注漿加固圍巖;(2)加強初期支護。節理裂隙發育或地下水豐富地段的Ⅴ級圍巖采用型鋼鋼架，并適當縮短鋼架間距;(3)嚴格控制開挖進尺，遵循“管超前、弱爆破、強支護、早封閉、勤量測、及時襯砌”的施工原則，確保不出現塌方;(4)加強監控量測。通過監控量測成果分析，及早掌握圍巖及支護的動態狀況，以便采取有效措施，并及時調整設計參數;(5)對于軟弱圍巖段，及時施做二次襯砌，確保安全;(6)隧道洞身斷層破碎帶地段，水量不大處采用密排長導管加強支護，水量較大處采用帷幕注漿加強支護，隧道洞身淺埋角礫土段采用密排長導管加強支護。

4.3.2 突水突泥風險控制措施

隧道采取的突水突泥風險控制措施主要有:(1)加強地質超前預報預測，以超前鉆孔為主加地質素描，其他物探手段為輔。主要預測斷層破碎帶的巖性、斷層破碎帶的性質以及地下水情況，包括水量以及水壓;(2)根據地下水情況采取措施，襯砌采用加強型襯砌。(3)Ⅳ、Ⅴ圍巖均采用超前小導管。在圍巖不整合接觸帶采用密排長導管加固支護;(4)加強施工管理，推行標準化管理。

4.3.3 巖爆風險控制措施

在埋深較大、完整性硬巖地層中，均有發生巖爆的可能，在可能存在巖爆地段采取加強超前預報和地應力監測，掌子面撒水，釋放應力。

4.3.4 地下水流失風險控制措施

為防止隧道的開挖導致水資源的流失，對隧道穿越的村莊范圍采用帷幕注漿、超前周邊注漿或徑向注漿堵水的措施，保護地下水資源。

4.3.5 工期風險控制措施

隧道洞身所處地層巖性較為復雜，隧道地質條件有可能發生較大變化。為保證施工工期，施工中應加強施工管理，注意各工序間的銜接。施工中如發現圍巖情況與設計有所出入或其他異常情況應及時反饋，采取相應措施，防止由于發生突水突泥、塌方等事故而延誤隧道工期的情況發生。

4.4 隧道殘留風險評估

采取了風險控制措施以后，對本隧道中殘留的各種風險進行評估，燕山左線隧道殘留風險統計見圖4。

圖4 燕山隧道左線殘留風險統計

由上述表格可以看出，隧道殘留風險中已不存在極高或高度風險，隧道的各種風險等級均控制在中度以下。

4.5 評估結論

通過對燕山隧道工程條件的概述和初始風險等級的確定，部分風險因素可導致“極高”或“高度”風險等級事件。通過采取相應的風險控制措施后，能夠將風險等級降為“中度”及以下。因此，燕山隧道的建設在安全、工期、環境等多個目標風險方面都是可以接受的，設計方案可行。

鑒于燕山隧道發生塌方、突泥突水和巖爆的概率較大，初始風險等級有“高度”級別和部分“極高”級別，因此將該隧道的風險等級暫定為Ⅰ級(極高風險)隧道。

5 隧道風險評估的幾個問題的淺析

5.1 隧道風險等級確定問題

現階段隧道風險評估主要以定性為主，結合現有統計數據及現行規范、規定，通過工程類比進行。評估方法以專家調查法為主，根據已掌握的勘測、設計資料分析確定各風險因素可能導致的風險事件的概率大小和后果嚴重程度。這樣，判定隧道的風險等級沒有具體的量化標準，沒有統一的劃分隧道風險等級的標準體系，人為因素過多，比較隨意。

5.2 非高風險隧道，對于特殊段落應提高風險管理等級

隧道風險管理現階段是以整個隧道為基本單位的。實際上，有的隧道，整條隧道風險等級并不高，但其中的某段落殘余風險可能極高。按現階段的風險管理方式，風險很大。建議這種段落也按極高風險隧道管理，防止事故的發生。

5.3 地質選線應高度重視，這是規避隧道重大風險的重要手段

隧道的最大風險就是地質方面的風險，隧道洞身的地應力大小，膨脹巖特性，深層天然氣出露部位、巖溶隧道的水量和突水部位、大的地質構造等等，都是隧道風險的源頭。在勘察設計時，應查明鐵路隧道內的不良地質，并對風險進行評估，采用風險相對較小的方案實施。

5.4 風險管理應動態地開展

風險評估及管理應動態地開展，建立風險監控程序、信息報送程序、風險預警程序、風險處理程序。

5.5 落實風險控制措施

落實風險控制措施的關鍵在于根據已掌握的有關風險因素和風險事件，確定工程措施的適應性、可操作性。工程措施應針對風險事件的特性，具有一定的冗余涵蓋面和施作可調性，如注漿堵水范圍、瓦斯隧道通風方式和能力等。落實風險控制措施的另一要點是風險事件出現的征兆和判定指標的正確性(風險預警標準和預警分級)。判據確定的誤差過大時，可能導致控制措施的效能喪失或風險的轉換。如軟巖變形條件下的初期支護失格判據、煤與瓦斯突出指標、涌水突水的判定標準。

5.6 要特別重視施工階段的風險評估及管理

設計階段風險因素相對施工階段少，易于識別，故通過認真細致的工作，可以做到降低重大風險。施工階段情況復雜，風險因素多，風險等級還可能會升高，應重視風險因素的識別，跟蹤風險等級的變化切實開展風險管理尤為重要。

6 結論

本文僅對燕山隧道施工圖階段風險評估做了簡單介紹。鐵路隧道發生各類風險的概率較其他行業高，且一旦發生事故，所造成的損失較大。因此應將風險評估貫穿于整個設計及施工過程。風險評估的目的是辯識最重要的風險，并加以管理，在隧道設計的各個階段和施工期間，有不同的最重要的風險，因此每個階段都應該有針對性的進行風險評估，并制定相應的應急預案，將風險消滅在搖籃里，杜絕隧道事故的發生。

［1］鐵建設［2007］200號 鐵路隧道風險評估與管理暫行規定［S］.

［2］鐵道第三勘察設計院集團有限公司.張唐鐵路隧道風險評估報告［Z］.天津:鐵道第三勘察設計院集團有限公司，2011.

［3］TB10003—2005 鐵路隧道設計規范［S］.北京:中國鐵道出版社，2005.

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［6］朱鵬飛，等.宜萬鐵路復雜隧道風險管理與控制［J］.鐵道標準設計，2010(8):7-11.