渝利鐵路隧道工程安全風(fēng)險控制研究與應(yīng)用

伍帆

(渝利鐵路有限責(zé)任公司，重慶 400023)

0 引言

中國巖溶地貌分布廣泛，西南地區(qū)尤為發(fā)育，隧道施工過程中極易發(fā)生突水突泥，造成嚴(yán)重的損失和工期延誤［1］。鑒于巖溶隧道施工的高風(fēng)險性，在勘察階段需重點查明巖溶發(fā)育和構(gòu)造特性，在設(shè)計階段需專題研究規(guī)避或減小風(fēng)險的線路優(yōu)化方案［2－3］，在施工過程中要針對巖溶區(qū)段開展綜合超前地質(zhì)預(yù)報等工作［4］。但由于安全風(fēng)險管理機制尚不健全、管理者安全風(fēng)險意識淡薄等原因，巖溶隧道施工中仍頻頻發(fā)生地質(zhì)災(zāi)害。國內(nèi)鐵路主管部門已發(fā)布相關(guān)管理文件［5］，相關(guān)學(xué)者已經(jīng)在隧道工程建設(shè)風(fēng)險管理和控制領(lǐng)域開展了諸多工作，且取得了較多成果［6－12］，但從目前國內(nèi)隧道工程建設(shè)風(fēng)險管理實施情況來看，仍有較大的提升空間。渝利鐵路隧道建設(shè)過程中通過設(shè)計階段優(yōu)化線路，施工階段風(fēng)險計劃、辨識、評估、控制等手段，成功地將不可控的風(fēng)險轉(zhuǎn)化為可控的風(fēng)險，最大限度地規(guī)避或減少風(fēng)險隱患，保證了項目建設(shè)的順利推進，并積累了巖溶地區(qū)設(shè)計選線和施工方面的一些有益經(jīng)驗。

1 工程概況

重慶至利川鐵路(簡稱渝利鐵路)西起重慶市重慶北站，向東途經(jīng)重慶市江北區(qū)、渝北區(qū)、長壽區(qū)、涪陵區(qū)、豐都縣和石柱縣，止于湖北省利川市，與宜萬鐵路在涼霧站接軌，是國家規(guī)劃建設(shè)的高速鐵路四縱四橫中“滬—漢—渝—蓉”大通道的重要組成部分。該鐵路為國鐵I級干線，旅客列車設(shè)計時速為200 km/h，正線長度264.602 km，運營長度295.958 km。本項目工程的主要特點為:1)橋隧比例高達81%;2)特殊結(jié)構(gòu)橋梁(高墩大跨)多，施工難度大，技術(shù)含量較高;3)長大隧道多，橋隧相連，地質(zhì)條件復(fù)雜，施工難度較大。

渝利鐵路為典型的西南山區(qū)鐵路，線路穿越明月峽背斜、茍家場背斜、方斗山背斜、齊耀山背斜，沿線地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，巖體破碎，滑坡、巖堆、危巖落石、巖溶、順層、煤層瓦斯等不良地質(zhì)發(fā)育，尤其是隧道穿越大量可溶巖地區(qū)，隧道施工風(fēng)險極大。渝利鐵路全線共有隧道64座，總長182.93 km，占全線比重的61.8%，10 km以上的特長隧道有3座，4 km以上且地質(zhì)復(fù)雜的隧道有18座，長度為123.9 km，占隧道總長度的67.7%，5座巖溶隧道(排花洞隧道、尖峰頂一號隧道、尖峰頂二號隧道、方斗山隧道、余家隧道)初始風(fēng)險為高風(fēng)險，施工難度及風(fēng)險較大。渝利鐵路路線平面圖如圖1所示。

圖1 渝利鐵路路線平面圖Fig.1 Route plan of Chongqing-Lichuan railway

2 設(shè)計階段安全風(fēng)險控制與管理

2.1 設(shè)計階段安全風(fēng)險控制

2.1.1 強化巖溶隧道安全風(fēng)險判識，提高隧道監(jiān)控管理水平

根據(jù)前期地質(zhì)勘察和現(xiàn)場調(diào)查，結(jié)合沿線工程地質(zhì)情況，分門別類，加強研判工作，制定安全風(fēng)險對策。加強隧道可研和初設(shè)階段的安全風(fēng)險管理，組織專家和相關(guān)人員反復(fù)踏勘、多次核對和比選，并根據(jù)設(shè)計資料對安全風(fēng)險進行專家評估。

2.1.2 強化技術(shù)措施，規(guī)避(降低)巖溶隧道安全風(fēng)險

巖溶隧道極易與地下暗河或溶洞等地下巖溶管道相交，因此，隧道一旦發(fā)生選線不當(dāng)、措施不到位，就可能出現(xiàn)大量涌突水，對施工和人員安全構(gòu)成嚴(yán)重威脅，從而造成人員傷亡、重大財產(chǎn)損失、重大環(huán)境影響及工期延誤。按照“規(guī)避極高風(fēng)險，采取可靠的應(yīng)對措施降低高度風(fēng)險，殘留風(fēng)險在中度及以下”的原則，通過風(fēng)險評估，對巖溶隧道的選線采用了改線、調(diào)坡等技術(shù)措施加以繞避，規(guī)避了安全風(fēng)險。

2.1.3 強化超前地質(zhì)預(yù)報，細化風(fēng)險對策措施

開展TSP203地震波法、地質(zhì)雷達、紅外探水、炮眼加深、超前水平鉆、地質(zhì)素描等綜合超前地質(zhì)預(yù)報，并結(jié)合掌子面所揭示的地質(zhì)條件、發(fā)展規(guī)律、趨勢及前兆進行分析和評判，相互印證，相應(yīng)優(yōu)化調(diào)整措施，確保施工安全和結(jié)構(gòu)安全。

2.1.4 強化設(shè)計動態(tài)管理，落實施工過程安全監(jiān)控

堅持地質(zhì)選線和設(shè)計方案的不斷優(yōu)化是規(guī)避風(fēng)險的重要工作。通過在設(shè)計中制定可靠的工程措施，將不可控的風(fēng)險轉(zhuǎn)化為可控的風(fēng)險，在施工期間結(jié)合工程實際開展變更設(shè)計和觀測記錄分析，進一步消除施工中可見的安全風(fēng)險，保證隧道工程及鐵路的長期運營安全。

2.2 設(shè)計階段安全風(fēng)險管理

2.2.1 余家隧道可研設(shè)計階段安全風(fēng)險管理

余家隧道(原齊耀山隧道)可研設(shè)計階段采用穿越齊耀山背斜、下穿白羊塘溶蝕槽谷的低線長隧方案(隧道全長8 560 m)，通過大量可溶巖地區(qū)及斷層破碎帶高壓富水區(qū)，該方案隧道最大埋深約447 m，位于白羊塘槽谷下約70 m。白羊塘槽谷處在T2b碎屑巖和T1j碳酸鹽巖的交界處，碎屑巖為阻水層，較大面積的碳酸鹽巖發(fā)育的巖溶水，向槽谷區(qū)運移受阻于阻水層而富集，易形成帶狀富水。齊耀山背斜褶皺的走向裂隙和橫張裂隙是巖溶發(fā)育的主控裂隙構(gòu)造，也是巖溶水向槽谷運移的主要通道，槽谷區(qū)發(fā)育走向斷層，縱貫槽谷，上下盤斷層隙不但導(dǎo)水、儲水，而且有利于水動力循環(huán)，有利于巖溶向縱深發(fā)育。余家隧道可研階段巖溶特征及風(fēng)險判定見表1。

根據(jù)白羊塘溶蝕槽谷及齊耀山背斜巖溶特征判定，可研設(shè)計階段余家隧道突水(泥)、地表失水初始風(fēng)險等級為極高。借鑒相鄰宜萬鐵路及滬蓉西高速公路齊耀山隧道建設(shè)、設(shè)計和施工經(jīng)驗，將規(guī)避和降低巖溶突水(泥)安全風(fēng)險做為設(shè)計階段主要安全風(fēng)險管理任務(wù)。

表1 余家隧道可研階段巖溶特征及風(fēng)險判定Table 1 Karst features and risk assessment of Yujia tunnel obtained in feasibility study stage

2.2.2 余家隧道初步設(shè)計階段安全風(fēng)險管理

根據(jù)初步風(fēng)險分析結(jié)果，在可研階段低線長隧方案基礎(chǔ)上，比選抬高線路高程，以橋通過白羊塘溶蝕槽谷的高線短隧(隧道全長3 920 m)方案，使隧道主要位于垂直循環(huán)帶—季節(jié)循環(huán)帶，極大地降低了隧道開挖出現(xiàn)高壓突水及揭穿大規(guī)模溶洞的風(fēng)險。

初步設(shè)計階段余家隧道有80 m段落突水(泥)，初始風(fēng)險等級為極高，占隧道全長的2.29%，殘余風(fēng)險等級為高度。評估認(rèn)為雖然突水(泥)極高風(fēng)險段落不長，在采取可靠技術(shù)措施的情況下安全通過的概率較大，但仍然存在著一旦發(fā)生就無法接受的風(fēng)險損失，或者工期難以保證。為此，經(jīng)專家論證，認(rèn)為必須消除極高風(fēng)險段落，以降低全隧安全風(fēng)險。

2.2.3 余家隧道施工圖階段安全風(fēng)險管理

根據(jù)余家隧道初步設(shè)計的審查意見并結(jié)合風(fēng)險評估情況，將余家隧道進口由小人字坡(進口縱坡長850 m)調(diào)整為大人字坡(進口縱坡長1 770 m)，變坡點高程由1 424.66 m抬高到1 427.55 m，以抬高線路高程。通過取消出口淺埋段，余家隧道長度由3 920 m減至3 491 m，縮短了429 m，隧道最大埋深由370 m降至351 m。

施工圖設(shè)計階段規(guī)避了極高安全風(fēng)險，只存在540 m的突水(泥)高度風(fēng)險段落，占隧道全長的15.47%，可接受。余家隧道初步設(shè)計及施工圖階段風(fēng)險統(tǒng)計見表2，可研階段線路方案比選見圖2，初步設(shè)計階段巖溶選線見圖3。

表2 余家隧道初步設(shè)計及施工圖階段風(fēng)險統(tǒng)計Table 2 Statistics of risks of Yujia tunnel obtained in preliminary design stage and construction drawing design stage

3 實施階段安全風(fēng)險控制與應(yīng)用

3.1 實施階段安全風(fēng)險控制

3.1.1 建設(shè)單位招標(biāo)及實施階段安全風(fēng)險管理

為從源頭加強隧道安全風(fēng)險管理，建設(shè)單位在招標(biāo)文件中結(jié)合隧道工程特點，提出隧道風(fēng)險等級和管理要求，制定風(fēng)險管理計劃，明確組織機構(gòu)、人員要求、各方應(yīng)承擔(dān)的風(fēng)險管理責(zé)任，界定風(fēng)險分擔(dān)的原則、風(fēng)險的接受準(zhǔn)則和費用，并要求投標(biāo)文件響應(yīng)招標(biāo)文件，說明本企業(yè)風(fēng)險管理能力，提出新發(fā)現(xiàn)或預(yù)測到的各種風(fēng)險，明確風(fēng)險監(jiān)測辦法及重大風(fēng)險的應(yīng)急措施。

此外，在隧道建設(shè)實施階段強調(diào)狠抓落實，適時開展安全風(fēng)險研判、分析和評估，通過制定合理的風(fēng)險控制和處理措施，切實做好實施階段的安全風(fēng)險管理。總體思路是:強化意識，加強研判，控制過程，突出應(yīng)急。

3.1.2 施工階段風(fēng)險控制措施

制定風(fēng)險管理實施細則。施工單位是風(fēng)險控制的實施主體，根據(jù)風(fēng)險評估結(jié)果、地質(zhì)條件、施工條件等，逐條細化風(fēng)險控制措施，編制風(fēng)險管理實施細則，明確安全管理制度、管理機構(gòu)及職責(zé)，落實人員、設(shè)備、材料及現(xiàn)場安排，制定監(jiān)控、監(jiān)測及預(yù)警方案，完善應(yīng)急預(yù)案及演練安排。風(fēng)險管理實施細則經(jīng)監(jiān)理單位審查、建設(shè)單位審定后，納入實施性施工組織設(shè)計。

完善專項施工方案、作業(yè)指導(dǎo)書和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。施工單位按照風(fēng)險管理實施細則編制專項施工方案，專項施工方案經(jīng)施工單位技術(shù)負責(zé)人審定后報總監(jiān)理工程師審查，報建設(shè)單位批準(zhǔn)。施工單位按照批準(zhǔn)的專項施工方案編制作業(yè)指導(dǎo)書和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，組建專業(yè)作業(yè)隊和專業(yè)作業(yè)班組，配置相應(yīng)機械設(shè)備。施工單位將有關(guān)風(fēng)險控制措施、工作要求、工作標(biāo)準(zhǔn)向作業(yè)隊進行詳細的技術(shù)交底，向施工作業(yè)班組、作業(yè)人員進行詳細說明，并派專職安全風(fēng)險管理人員現(xiàn)場監(jiān)督，督促作業(yè)人員嚴(yán)格按照作業(yè)指導(dǎo)書和作業(yè)標(biāo)準(zhǔn)施工。

嚴(yán)格組織實施并進行動態(tài)管理，風(fēng)險管理突出“四個強化，五個狠抓”。即:強化制度建設(shè)，建立健全風(fēng)險管理機制;強化過程控制，抓好巡視檢查落實;強化設(shè)備配套，推行隧道機械化施工;強化監(jiān)控手段，實行信息檢測分析;狠抓架子隊建設(shè)，狠抓超前地質(zhì)預(yù)報及隱伏巖溶探測，狠抓隧道風(fēng)險監(jiān)測，狠抓各項安全措施落實，狠抓應(yīng)急處置。

圖2 余家隧道可研階段線路方案比選Fig.2 Comparison and contrast between different route schemes of Yujia tunnel in feasibility study stage

圖3 余家隧道初步設(shè)計階段巖溶選線Fig.3 Comparison and contrast between different route schemes of Yujia tunnel in preliminary design stage，considering karst conditions

3.1.3 隧道超前地質(zhì)預(yù)報體系

超前地質(zhì)預(yù)報體系以超前水平鉆探為主，地質(zhì)素描、TSP203、地質(zhì)雷達、炮眼加深、紅外探水等為輔進行綜合地質(zhì)預(yù)報。在一般風(fēng)險段落實施超前地質(zhì)預(yù)報及監(jiān)控量測等地質(zhì)預(yù)報工作，在巖溶或斷層破碎帶富水區(qū)采取超前探水，超前注漿，徑向注漿減緩?fù)凰⑼荒囡L(fēng)險，降低殘留風(fēng)險等級，將風(fēng)險由“高度”降為“中度”。超前地質(zhì)預(yù)報頻次見表3。

3.2 案例應(yīng)用:余家隧道馬槽洞暗河影響區(qū)風(fēng)險分析

3.2.1 溶腔的查找和判識

余家隧道馬槽洞暗河影響區(qū)采用TSP物探先行，TSP預(yù)報顯示DK248+977～+984，DK249+031～+ 038和DK248+049～+069存在溶洞或巖溶管道。結(jié)合TSP物探結(jié)果，采用超前鉆孔探測，對掌子面前方溶腔規(guī)模特征、充填介質(zhì)特征、水文特征、環(huán)境特征進行預(yù)測、分析，最終判定隧道在DK248+940處進入溶腔，且鉆探顯示溶腔為空腔。隧道接近溶腔時，采用風(fēng)鉆鉆探對溶腔臨近界面進行區(qū)域鎖定，通過鉆進速度、排碴情況、水量大小，按區(qū)域確定溶腔巖盤厚度，根據(jù)超前鉆孔及風(fēng)鉆探孔，確定溶洞在隧道拱部巖盤厚度，精確爆破隧道拱部揭示溶腔。

表3 超前地質(zhì)預(yù)報頻次Table 3 Frequency of different advance geology prediction methods

3.2.2 溶腔揭示

在爆破后，揭示溶洞位于隧道拱部，在線路右側(cè)形成一溶腔大廳，縱向長50 m，橫向?qū)?0 m，高15 m，自線路右側(cè)發(fā)育至左側(cè)，揭示里程為DK248+940～+ 980，大廳內(nèi)有2處落水洞與地表相通，沿線路左側(cè)大里程方向變?yōu)槠叫杏诰€路的1個狹長溶洞，斷面逐漸縮小，向大里程方向延長100 m。溶腔內(nèi)常年有積水，水量大小隨地表降水變化，洞內(nèi)充填碎石、塊石土及軟塑狀黏土。

其后分別發(fā)現(xiàn)7個溶洞，均為馬槽河暗河溶洞分支管道，溶洞內(nèi)有流水，積水深2～5 m，暗河管道底板均低于隧道底板標(biāo)高。

3.2.3 溶腔處治

為了揭示前方地質(zhì)情況，并防止隧道棄碴堵塞暗河，施工中臨時采用圓木封堵暗河出露口，并將其作為施工通道。溶腔壁采用錨網(wǎng)噴射混凝土或澆筑混凝土護拱結(jié)構(gòu)保護層，并通過調(diào)整相應(yīng)段落的圍巖級別，以加強支護。通過對進口段溶洞1個完整水文年的連續(xù)水量觀測，發(fā)現(xiàn)雨季期溶洞水量增大，地下水位上漲，暗河水進入隧道。為保證巖溶水能得到有效排泄，不危及隧道結(jié)構(gòu)及運營期間安全，于線路右側(cè)25 m處變更設(shè)計，設(shè)置長676 m的泄水洞，增設(shè)3處橫向排水孔，以確保左側(cè)溶洞的巖溶水可通過排水孔引入右側(cè)溶腔，進而排入泄水洞。溶洞通過段仰拱及邊墻底溶洞開挖后清除充填物，再采用C15片石混凝土回填密實。

3.3 余家隧道安全風(fēng)險管理效果

余家隧道2009年1月開工建設(shè)，DK248+874～ DK249+540段開挖揭示出巖溶發(fā)育，揭穿多處互通溶洞群，溶洞大小不一，發(fā)育程度各異，大多數(shù)洞穴存在塊碎石、黏土充填，并常有石鐘乳、石筍等，溶洞內(nèi)地下水發(fā)育。經(jīng)觀察，大多數(shù)溶洞內(nèi)有靜態(tài)積水或動態(tài)流水，部分地段為地下暗河通道，形成了較復(fù)雜的進口暗河系統(tǒng)。上述溶洞均表現(xiàn)為枯水季節(jié)水量較少，雨季時水量較大，可認(rèn)為位于地下水垂直循環(huán)帶—季節(jié)循環(huán)帶，因此，有效地規(guī)避了水平循環(huán)帶將面臨的高水壓、大規(guī)模溶洞等不良水文地質(zhì)條件，而洞身及出口段落溶洞則只是零星出現(xiàn)。余家隧道溶洞形態(tài)見圖4。余家隧道于2010年12月安全貫通，施工過程中未出現(xiàn)大的涌水及高壓巖溶水突出，未發(fā)生任何安全事故。

圖4 余家隧道溶洞形態(tài)Fig.4 Picture of karst caves of Yujia tunnel

4 全線安全風(fēng)險控制應(yīng)用效果

渝利鐵路隧道工程安全風(fēng)險管理通過“強化意識，加強研判，控制過程，突出應(yīng)急”等措施，采用設(shè)計階段優(yōu)化線路，施工階段風(fēng)險計劃、辨識、估計、評價及控制相綜合的方法，最大限度地消除了風(fēng)險。全線所有的隧道工程在預(yù)期的工期內(nèi)貫通，并有所提前。其中，5座巖溶高風(fēng)險隧道平均提前7.2個月貫通，初始風(fēng)險最高、難度最大的余家隧道及方斗山隧道分別提前8個月和11個月貫通，取得了良好的社會效益及經(jīng)濟效益。渝利鐵路重點隧道施工情況見表4。

表4 渝利鐵路重點隧道施工情況Table 4 Statistics of construction of major tunnels on Chongqing-Lichuan railway

5 結(jié)論與建議

5.1 結(jié)論

注重提前介入，實施源頭管理。堅持嚴(yán)把設(shè)計源頭關(guān)，深度介入前期工作，參與勘察設(shè)計過程，及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題，加強與設(shè)計部門的協(xié)調(diào)，抓住在可研、初設(shè)和施工圖設(shè)計等各個階段的風(fēng)險辨識、風(fēng)險控制和防范措施的優(yōu)化工作，盡可能在設(shè)計階段有效規(guī)避風(fēng)險，從根本上抓住安全風(fēng)險防范的源頭，降低可能的風(fēng)險災(zāi)害損失。歸納出以下3條控制風(fēng)險的選線設(shè)計原則，可供今后類似工程參考。

1)在越嶺地帶通過抬高線路高程，使線路在溶蝕槽谷頂通過或露出地面，縮短隧道長度，降低工程風(fēng)險。

2)在有暗河或河流切割可溶巖構(gòu)造地區(qū)，通過靠近該區(qū)地下水排泄基準(zhǔn)面，在暗河地段使隧道靠近暗河，通過泄水洞等方式進行有效排泄，或?qū)⑺淼乐糜谙鄬Π踩膸r溶水垂直循環(huán)帶內(nèi)。

3)新線應(yīng)盡量靠近且高于既有或在建隧道工程。一方面，可以借鑒既有工程施工經(jīng)驗，減小施工風(fēng)險;另一方面，靠近既有工程形成的地下水降落漏斗，降低巖溶涌突水風(fēng)險。

嚴(yán)抓過程控制，堅持安全風(fēng)險的環(huán)節(jié)管理。項目前期及實施過程中充分發(fā)揮引領(lǐng)作用，從各個階段嚴(yán)格按要求組織開展工程風(fēng)險評估工作，在此基礎(chǔ)上加強安全風(fēng)險的評估分析，強化施工方案審查的風(fēng)險控制。

狠抓現(xiàn)場管控，堅持按設(shè)計和施工規(guī)范落實各項措施。一是要根據(jù)風(fēng)險隧道評估結(jié)果、地質(zhì)條件、施工條件等，編制風(fēng)險管理實施細則，細化隧道風(fēng)險控制措施。二是運用超前地質(zhì)預(yù)測預(yù)報技術(shù)對隧道施工風(fēng)險因素進行超前預(yù)報。三是依靠風(fēng)險管理制度和強有力的管理手段落實風(fēng)險控制措施，嚴(yán)格執(zhí)行“先探后挖”和“五不開挖”原則，嚴(yán)格落實責(zé)任追究制度。四是加強溝通，及時反饋信息。

5.2 建議

本項目的安全風(fēng)險管理在工程實施中取得了極大的成功，但也存在未及時開展安全風(fēng)險管理的后評估工作。建議類似項目在安全風(fēng)險管理取得成績的同時，委托有關(guān)單位進行安全風(fēng)險管理的后評估工作，總結(jié)安全風(fēng)險管理的經(jīng)驗與教訓(xùn)，改進管理方法和管理手段，并形成標(biāo)準(zhǔn)化管理，以期為今后類似項目提供參考與借鑒。

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