重載鐵路黃土隧道施工階段風險管理探討

孫晉鋒

(中鐵十七局集團第四工程有限公司，重慶 400000)

0 引言

山西中南部鐵路通道設計速度120 km/h，設計軸重30 t，為路內首條按重載標準建設的重載鐵路運煤通道。標段內隧道共18座，共25.2 km，其中石樓隧道全長12 807 m，為單洞雙線隧道，線間距4.0 m，為高風險隧道，全線控制工程之一。通過石樓隧道施工階段的風險管理，對淺埋、偏壓、濕陷性、膨脹性、土石分界、地下水發育等不良地質段施工進行了分析和預控，確保了施工安全，可對今后類似工程施工提供參考。

1 隧道工程風險管理概述

1.1 隧道工程風險管理目標

隧道施工階段風險管理目標包括安全風險、質量風險、環境風險、工期風險、成本風險及第三方風險等。施工過程中，人、機械設備、物料、環境組成一個生產系統，而施工階段最主要的控制目標就是順利施工和保證安全質量，因此風險管理的重點應放在安全質量上，安全質量風險也是管理目標全面實現的基礎和關鍵，應進行全面、系統的風險管理。

1.2 隧道工程風險管理的主要特點

隧道工程施工風險管理主要有以下特點:

1)施工環境差;2)工程地質條件差;3)環境風險大;4)不確定因素多。

1.3 隧道施工風險管理基本流程

對整條隧道應根據施工部位、施工環境條件等劃分評價單元，對每一單元中的風險源應根據施工進度情況進行動態的風險管理，每個風險源應形成一個可以進行循環作業的封閉管理系統，見圖1。

圖1 隧道動態風險管理基本流程

2 工程概況

2.1 工程地質

石樓隧道地處山西省呂梁地區石樓縣，為黃土峁梁地帶，沖溝發育，隧道最大埋深252 m，最小埋深1.5 m;Ⅳ，Ⅴ級圍巖占73.5%。洞身通過的地層有黃土、第三系粉質膨脹性粘土、水平層的泥質砂巖、泥巖。隧道洞身范圍內的不良地質主要有土石分界、膨脹性飽和粉質粘土、淺埋、偏壓、水平層等特殊地質地段，且含水、軟硬不均，易產生圍巖變形失穩，工程地質條件差，施工難度大，工期風險突出。

2.2 水文地質

隧道洞身地下水賦存在粘土段以第三系孔隙水為主，在水平層砂泥巖段為基巖裂隙水為主，水量較大，特別是在淺埋段DK222+125～DK222+170段洞頂有淤地壩補給區，雨季時，全隧地下水量較大。

2.3 主要面臨的安全質量風險

在復雜環境條件和復雜地質條件下修建重載鐵路特長隧道，技術難度和安全風險大，在施工期間，主要面臨的安全質量風險如下:

1)大斷面隧道工程施工過程中自身的結構安全風險。由于隧道跨度斷面大、工法轉換多、地層條件、開挖方式及結構受力轉換多樣化，而且在特長重載隧道施工經驗不足，在某些地段特別是膨脹性粉質粘土地段，圍巖穩定性極差，由于超前支護、初期支護不當等原因極易造成坍塌、大變形，甚至誘發山體滑坡等安全事故，從而引發安全風險事故。不良地質段和隧道洞口段是安全事故多發地段，應引起高度重視。

現在，圖紙都采用CAD制圖，路線的平面圖一目了然，有的護欄直接在平面圖上標注，除互通匝道的接點不能準確標識外，直線和曲線段基本都和實際施工一樣，所以，電腦水平好的話可以直接在電腦上進行設計放線，這樣把平面圖交給現場人員施工，就不會有長短不一的異形板了，同時也為材料精確的訂購提供準確數量。另一種就是現場進行放樣，不要要求一次性放到位，根據放樣的結果，再重新調整個別立柱間距，《公路工程質量檢驗評定標準》（JTGF80/1-2004）要求立柱間距±50mm，通過立柱間距或多少使異形板消除或達到0.5m的整數倍。這樣經過多次調整，既可以省材料，又可以使后續材料省工、省時。

2)石樓隧道是山西中南部鐵路通道的控制工程，采用無砟軌道，技術標準高，施工期間對仰拱及填充的施工質量要求較高，施工環境所處呂梁地區屬于黃河中下游水土流失敏感區，環保要求高，施工中存在質量、環保等方面的風險。

3 石樓隧道重大風險源識別

3.1 隧道開工前風險識別情況

1)隧道開工前，根據設計圖紙和地質勘查報告，沿隧道洞軸線進行地表踏勘核查淺埋段、偏壓段、陷穴、地下水補給區、滑坡等不良地質體，同時確定具體里程。具體情況為DK221+408～DK221+470，DK232+990～DK232+920，DK222+050 ～ DK222+170，DK232+830～DK233+060，DK234+130～DK234+215等段落存在陷穴和淺埋，對陷穴采取回填粘土反壓夯實等措施進行處理;對淺埋、偏壓段結合設計情況專門制定施工方案并組織專家經過論證后進行施工;對有影響隧道施工的地下水補給區設置攔水壩，同時盡可能在枯水期進行施工。

2)全隧設計開挖方式為水平層、一般段開挖方式臺階法，淺埋、偏壓段為雙側壁導坑開挖法，并增設臨時仰拱，盡可能早封閉成環，確保開挖時安全，同時拆除臨時仰拱給后續施工造成了新的風險壓力。風險應對措施為全隧采用“三臺階七步開挖法”施工，盡量少擾動圍巖，同時加強工序銜接，高度重視初噴工序和質量，盡早封閉圍巖，確保了全隧順利貫通(見圖2)。

3)DK222+050～DK222+170段位于一沖溝淺埋段，為淤積土和新黃土地層中，最小埋深約2 m，圍巖級別為黃土Ⅴ級，偏壓，存在地表塌陷，風險等級為高度。

針對本段特點，為確保施工安全，結合地形狹小、施工便道不暢等原因，基于明挖法施工理論，考慮采用“扣拱”施工工藝，結合黃土Ⅴ級加強施工，采用“扣拱”施工工藝，保證了該段安全順利施工，大大節約了施工時間和成本。

圖2 中臺階拱架施工示意圖

4)DK232+990～DK232+920段位于一個溝谷內，溝谷內常年流水，形成較厚淤積層，洞身土體含水均處于飽和狀態，線路左側約150 m處是杜家塔1號淤地壩，存在塌方變形等風險，風險等級為高度。

為確保施工安全，采取如下措施降低風險:1)地表水預處理，通過在河谷上游修筑攔水壩集中抽水;2)在地表洞身兩側9 m施作高壓水泥旋噴樁，設計樁徑60 cm，咬合20 cm;3)在洞內中線設置降水井，集中抽排地下水;4)結合設計采用Ⅴ級加強A型，初期支護采用HW175型鋼鋼架，間距0.5 m/榀做好初期支護;5)加強該段的圍巖和地表的監控量測工作，當位移—時間曲線出現反彎點時，表明此時的圍巖和支護已處于不穩定狀態，必須停止開挖，對危險地段加強支護，密切監視圍巖動態，確保已開挖段的安全(見圖3)。

3.2 隧道施工過程中的風險識別

1)超前地質預報與施工現場相結合。

在施工中根據黃土隧道的特點，采用TRT6000超前地質預報技術和掌子面地質素描相結合的方法，在探明地質情況的基礎上進行識別(見圖4)。

在石樓隧道2號斜井大里程水平層Ⅲ圍巖施工中，根據超前地質預報結果，結合掌子面圍巖情況，發現在距掌子面50 m位置存在裂隙密集帶和裂隙水發育區，探明此處存在左邊墻滑塌、拱部坍塌風險。在之后施工中掌子面揭示情況與預報基本一樣，采取嚴格控制進尺，加強超前支護、系統錨桿、鎖腳錨管的施工質量，安全順利通過了該區。

2)現場調查與專家相結合。

根據施工階段揭示的地質情況和實際條件，采取加強監控量測并且及時反饋施工，改進施工工藝，調整支護參數和預留變形量。在需要重大變更設計的時候，晉豫魯鐵路通道公司先后多次組織專家到現場考察，通過專家調查，根據石樓隧道實施的基本條件和現場預測和判斷可能存在的風險因素，對隧道風險識別至關重要。

圖3 DK232+990～DK232+920段兩個斷面的水平收斂

圖4 TRT6000層析掃描成像圖（立體圖）

在隧道出口段，因飽和粉質粘土開挖后卸荷，裂隙水很快流失，造成圍巖自穩能力急劇降低，及時根據設計施作初期支護也有較大變形，提出了變更鋼架的型號和連接筋型號及設置，增加降水井，解決了初期支護變形問題。

3)工程經驗類比法。

結合同類隧道工程經驗，石樓隧道還存在環境影響風險，如空氣污染、水污染、固體廢棄物污染、噪聲污染、職業健康、爆炸、火災、高空墜落、施工用電事故等。

4 實施效果

石樓隧道開工伊始即按照鐵道部風險管理的要求及時進行了施工階段的風險管理評估，在后續的施工過程中，根據評估結果實施動態管理，嚴格按照設計和變更設計施工，嚴格執行鐵道部《關于鐵路高風險隧道安全管理工作的實施意見》(工管質［2011］36號)中的安全施工條件，取得了預期的效果。

5 結語

1)石樓隧道在施工前編制了安全施工條件評估實施細則，包括項目管理機構、主要管理和專業技術人員、安全生產包保制度、干部跟班作業制度、安全隱患治理掛牌督辦制度、風險控制關鍵過程日志或影響記錄制度、安全培訓與考核、專業的作業班組、風險管理實施細則、安全施工專項技術方案和作業指導書、作業卡片、施工技術和安全作業交底、專職安全員、超前地質預報、監控量測等風險監測、安全預警設施和現場安全警示標識等。開工前對以上施工條件進行評估，評估通過后才能進行施工。

2)石樓隧道在施工過程中實行動態風險管理，在充分了解了黃土、膨脹性粘土、水平層砂泥巖的工程地質特性后，及時調整隧道的開挖方法、超前支護參數、初期支護參數，降低或規避隧道的施工風險。

3)在今后的重載鐵路黃土(粉質粘土)隧道施工中，要高度重視開挖后初噴的作用，及時封閉，特別是仰拱開挖后要及時封閉，盡量避免圍巖因應力重新分布造成工程特性極度降低，確保隧道施工和運營安全質量。

［1］工管質［2011］36號，關于鐵路高風險隧道安全管理工作的實施意見［S］.

［2］吳 波.隧道施工安全風險管理研究與實務［M］.北京：中國鐵道出版社，2010.