風險評估在岐山特長隧道設計中的應用

■王華

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

風險評估在岐山特長隧道設計中的應用

■王華

（福建省交通規劃設計院，福州350004）

本文采用現代質量管理風險評估設計手段，分析并確定風險源等級，從而制定對策。通過國高網莆炎高速岐山特長隧道設計的具體案例，針對工程存在的通風、洞口失穩、地應力、塌方及突水涌泥等幾個要點進行評估，使風險降低到可控等級，從而較好地把握特長隧道設計的質量。

特長隧道風險評估對策實施通風設計塌方高地應力突水涌泥

1 引言

福建山區地形地質條件復雜，如何避免隧道施工和運營階段發生事故，造成重大的損失，在施工前對工程進行全方面的風險評估就顯得十分必要。岐山特長隧道工程規模大，地質條件復雜，對施工技術和設備要求高，工程施工環境風險多。在設計階段就必須對工程進行全方面的風險評估。本文針對岐山特長隧道重點采用“辨、測、評、控”四個環節安全風險評估進行詳細論述。

岐山隧道位于福建省莆田市境內，是國高網莆炎高速控制性工程，隧道凈寬（單洞）為14.5m、設計時速100km/h，具體平縱指標如表1。

表1 岐山隧道主要指標表

隧道平均長度8.0415km，為特長公路隧道，隧道最大埋深約623m，洞身圍巖以微風化熔結凝灰巖、微風化流紋巖為主，為堅硬巖,圍巖整體穩定性較好，圍巖級別主要以Ⅱ～Ⅲ級為主，局部受構造帶影響地段為Ⅳ-Ⅴ級圍巖。岐山特長隧道長度、埋深、水文、地質構造及隧道斷面等因素，使得其通風方案、洞口失穩、洞身塌方、高地應力、突水涌泥等均成為設計、施工的難點和重點。

2 工程地質

2.1 地形地貌

隧址區屬構造-剝蝕低山地貌。沿洞軸線地形呈波狀起伏，進洞口自然山坡坡度約23～27°；出洞口自然坡度約30～35°，洞身最高點海拔約935m。溝塹較發育,其中較大的有K77+710、K81+670、K82+420、K83+200處溝谷，谷地發育有小溪流，地表水較豐富，水量較大，溝谷兩側山坡多較陡峻，部分為陡崖、懸崖。

2.2 地質構造和地震

據區域地質資料，本隧道位于永定-閩江口斷裂帶上，北東向斷層較為發育。根據淺層地震物探、大地電磁物探及鉆探成果：隧址區發育有18條斷層見圖1，對洞身圍巖級別影響明顯。隧道出口段構造帶發育，帶內巖石受動力變質作用，巖石強度明顯降低。

圖1 岐山隧道地質構造圖

線路工程中硬場地地震動峰值加速度為0.05g，抗震設防烈度為6度，中硬場地地震動加速度反應譜特征周期位于0.45s。

2.3 工程地質層組特征

本隧址場區表層；第四系（Qel-dl）坡積土，下伏白堊系寨下組（K1z）晶屑熔結凝灰巖、流紋巖、凝灰質砂巖、凝灰質粉砂巖，白堊系黃坑組（K1h）晶屑熔結凝灰巖（變質）及其風化層；局部見輝綠巖（β）、花崗斑巖（γπ）侵入。

2.4 隧道水文地質情況

隧址區地表水主要分布于山間溝谷小溪中，多為常年性水流，主要接受大氣降水的補給，受季節性影響變化較大。進出口附近均有沖溝分布，地下水主要為風化帶網狀孔隙裂隙水、基巖構造裂隙水，風化帶孔隙裂隙水賦存于基巖風化帶，主要對洞口及進洞口段的隧洞施工和圍巖穩定有影響。洞身基巖構造裂隙水賦存于基巖的裂隙中，受構造發育情況控制，一般地區導水性弱，但構造破碎帶附近，其導水性較好，主要接受大氣降水及地下水側向補給，水量變化較大。

2.5 隧道地應力情況

本隧道最大埋深約623m，深部圍巖以微風化熔結凝灰巖、微風化流紋巖為主，為堅硬巖。據《福建湄洲灣至重慶高速公路莆田段岐山隧道PS2025鉆孔地應力測試報告》，根據實測的最大、最小水平主應力與深度的關系式，計算得到岐山隧道最大埋深處（623m）最大水平主應力為18.10 MPa，最小水平主應力為13.83MPa，自重應力為16.20MPa。

3 特長隧道現代質量管理理念設計

3.1 隧道設計要點分析

在隧道設計前采用檢查表法對岐山特長隧道風險源進行辯識，并進行區段風險等級評估。在區段風險評估基礎上，結合專家調查法，對相關重大風險事件的風險概率等級、損失等級進行調查，然后采用層次分析法對可能引起該隧道各種的主要風險源的權重進行了分析,得出岐山特長隧道相關重大風險事件的風險等級，確定岐山特長隧道工程設計的重點和難點（如表2），提出風險控制措施降低各種風險，以達到安全、經濟、高效的管理目標。

表2 難點確認表

3.2 制定對策

通過表2難點確認表制定隧道設計難點的對策，如表3。

3.3 對策實施

通過風險評估分析，對風險等級較高的因素，應重點關注，制定應急預案，并在施工階段加強風險監控。

3.3.1 通風方案

采用全縱向射流通風方式，近期左右洞室總功率需要3996kW，遠期左右洞室總功率需要3182kW，耗費量大，運營成本非常高，同時不能滿足火災通風排煙要求，故不采用縱向射流通風方式。

由表4進行綜合比選可得，在不受施工工期的影響的情況下，豎井方案建安費比斜井方案省了4429萬，豎井送排風加射流風機調壓的組合通風方式最為安全、經濟、適用，所以本通風設計推薦采用豎井送排風加射流風機調壓的組合通風方式。

表3 對策表

表4 主要技術經濟指標表

3.3.2 洞口失穩及其風險控制

（1）進出口地質情況

進口山坡較緩，與水平面的夾角在20°左右。表層為第四系坡積粉質粘土，其次為砂土狀強風化凝灰質砂礫巖，整體圍巖級別Ⅴ級。

出口山坡較陡，與水平面的夾角在35°左右。斜坡上覆土層主要為殘坡積層、強風化巖層，垂向厚度變化較大，中-微風化巖層埋藏深，整體圍巖級別Ⅴ級。

（2）數值模擬分析

根據巖土專用軟件計算結果如圖3、圖5。由圖3、圖5可知左洞進口邊仰坡較為不利，左洞進口開挖后安全系數為1.054，基本處于臨界狀態，說明邊坡在隧道施工擾動的情況下有可能局部失穩。

左洞出口開挖后安全系數為1.153，仰坡基本安全，施工時應注意減小施工擾動，保證邊仰坡的穩定性。

（3）洞口失穩風險控制措施

①洞口段施工，應做好隧道的防排水工作，洞口邊仰坡的開挖及整個進洞過程一定要嚴格按照施工工序進行，成洞面的加固一定要充分、及時，嚴格按“先加固、后開挖”的原則進行。

②進出口均設置大管棚超前支護，以確保三車道大斷面隧道成洞面和洞口的穩定，同時加強洞口段襯砌結構剛度。

③避開雨季施工，短進尺及時強支護，應做好隧道的防排水工作。

④合理安排工序，早做明洞與回填，防止坡體失穩，并注意與自然景觀的協調，合理確定洞口標高。

⑤邊仰坡采用掛鋼筋網噴射砼+錨桿（小導管）加固，確保成洞面穩定。

⑥應加強洞口地表下沉及水平位移的監控量測，對洞口失穩及時預警。

圖2 岐山隧道左線進口地質縱斷面示意圖

圖3 岐山隧道左洞進口仰坡計算結果示意圖

圖4 岐山隧道左線出口地質縱斷面示意圖

3.3.3 洞身塌方及其風險控制

（1）洞身地質情況

洞身段圍巖為中-微風化晶屑熔結凝灰巖、中-微風化流紋巖、中-微風化凝灰質砂巖，屬較硬巖-堅硬巖，圍巖級別為Ⅱ-Ⅲ級；局部受18條地質構造帶影響，節理裂隙發育，裂隙密集帶及影響范圍內巖體較破碎，側壁穩定性較差，洞頂穩定性較差，個別段出現泥化、土塊夾層圍巖，泡水易軟化，甚至出現流泥等現象，圍巖為Ⅳ-Ⅴ級，洞身施工時易產生坍塌。

（2）塌方風險控制措施

①加強地質超前預報，實際工程中由于斷層破碎帶移位或勘察未探明，而導致在原設計Ⅱ、Ⅲ級圍巖段塌方的實例。因此在本隧道施工中應切實加強超前預報，不應盲目按原設計圍巖級別掘進；加強掌子面地質描述，防止因節理裂隙發育引起的局部失穩，尤其在斷層破碎帶處發生失穩。嚴格執行施工程序，地質預報先行，預加固可靠，支護及時，開挖方法合適，應急預案完備，二襯適當緊跟。

②根據不同地質分段制訂有針對性的監控量測方案，確保施工安全，由于三車道隧道開挖斷面較大，尤其是在Ⅳ、Ⅴ級圍巖中，圍巖較差，塌方危險增高；同時，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖施工中，在通道、預留洞室與隧道的交接口附近，應力分布較為復雜，易造成塌方，應對交叉口加強支護，在施工中應現場監控量測，根據監控量測情況及時調整支護、施工參數，確保安全。

③進出口段均采用雙側壁導坑法施工方法，同時采用大管棚和超前小導管注漿輔助措施加固圍巖，確保圍巖和隧道結構安全穩定。

④洞身位于斷層破碎帶影響路段，采用Φ22水泥砂漿錨桿或小導管注漿輔助進行超前支護，CRD法或雙側壁導坑法施工。

3.3.4 高地應力

（1）高地應力測試

本文根據《福建湄洲灣至重慶高速公路莆田段岐山隧道PS2025鉆孔地應力測試報告》，對福建湄洲灣至重慶高速公路莆田段岐山隧道PS2025鉆孔巖體較完整部位選取13段進行了水壓致裂地應力試驗，并成功獲得了11段試驗曲線。各試驗段的測量結果如表5所示。

圖5 岐山隧道左洞出口仰坡計算結果示意圖

表5 岐山隧道PS2025鉆孔水壓致裂地應力測試成果表

Pr-重張壓力，Ps-關閉壓力，P0-空隙壓力，PH-水頭壓力

（2）地應力量值回歸分析

由于各種原因，最大測試深度為558m，對岐山隧道PS2025鉆孔的實測最大、最小水平主應力值與巖層深度的關系進行了回歸分析。結果表明，最大、最小水平主應力值σH和σh隨深度均呈現良好的線性關系。如下述兩式所示：

計算得到岐山隧道最大623m埋深處的最大水平主應力為18.10MPa，最小水平主應力為13.83MPa，自重應力為16.20MPa。

（3）巖爆預測結論及討論

根據PS2025測試孔地應力條件和巖石強度參數采用強度理論進行巖爆預測分析，其分析結果表明：

巖體分級標準判別法認為隧道最大埋深（623m）區屬于高應力區；采用Hoek、Russenes、Turchaninov標準判別岐山隧道埋深超過392m時有可能發生巖爆；對于圍巖為微風化流紋巖部分，其大埋深（515m）區屬于一般應力區，埋深超過467m時有可能發生巖爆。本隧道K78+ 140～K80+230段有可能發生巖爆。

（4）巖爆防治

①根據巖爆發生的頻率和規模情況，應考慮縮短爆破循環進尺，減小藥量和減少爆破頻率，以盡可能減少爆破對圍巖的影響，控制巖爆效果，以減少圍巖表層應力集中現象。

②盡可能減少巖層的暴露面和暴露時間，在掌子面和洞壁經常噴撒水，必要時采用超前鉆孔應力解除方法，防止或減弱巖爆的發生。

③加強地質超前預報工作。

④噴、注高壓水降低巖體強度:在工作面和附近洞壁上打孔（也可利用炮眼和錨桿孔），向巖層表面噴水或向深部巖體注水，使水滲到巖層的內部空隙中，起到降低巖石強度和彈性模量，提高其塑性變形能力，減緩巖爆的作用。3.3.5突水、涌泥及其風險控制

（1）隧道涌水量成因

隧道突水涌泥嚴重危及隧道施工的安全，影響施工的進度，若在隧道施工過程中不能很好的處理突水涌泥災害，常常會使隧道建成后營運環境惡劣，地表環境惡化，給人們的生產、生活造成重大的損失。

導致隧道突水涌泥的因素有：①自然因素：地震、暴雨、隧道的埋深、長度、復雜的工程地質、水文地質條件等；②技術因素：工程地質勘察、設計、施工過程中，因技術考慮不周而導致突水涌泥。

（2）隧道涌水量分析

本隧道基巖構造裂隙水賦存于基巖的裂隙中，受構造發育情況控制，構造影響段落導水性較好，而且溝塹較發育（其中較大的有K77+710、K81+670、K82+420、K83+ 200處溝谷）與構造帶水力聯系密切，主要接受大氣降水及地下水側向補給，水量變幅較大，隧道涌水量的計算公式為:

正常涌水量：Qs=qs·L，qs=qo-0.584εKr

隧道構造帶中涌水量的計算公式為:

根據野外鉆孔抽（注）水試驗，結合工程經驗數據，估算出滲透系數為0.01～0.288m/d，Ⅱ～Ⅲ級完整圍巖不考慮涌水量。經估算該隧道左洞正常涌水量34182.38m3/d、右洞正常涌水量33151.88m3/d。

（3）突水涌泥風險控制措施

①突水突泥風險主要分布于18條斷層破碎帶。采用超前水平鉆孔、地震回波反射法并結合紅外線確定破碎帶位置、范圍和預報巖體情況，準確把握斷裂構造具體位置以及地下水情況。

②應加強地質調查，同時施工過程中應密切注意掌子面地質條件變化，加強超前預報和監控量測。

③在超前探水措施預測前方地下水分布狀況的情況下，采取預注漿的手段，可以有效地防止洞內突水涌泥的發生，堵水預案如圖6。

（4）現場涌水處治實例

①現場地質概況：現目前掌子面里程ZK76+853，出水點由ZK76+840的左側拱腳位置轉移至掌子面左拱腳上1m位置，由于涌水導致ZK76+845～ZK76+853段落拱部左側形成塌腔，根據地質超前預報及現場勘查綜合判斷本段落處于F211斷層，該斷層為張扭性斷層，斷層影響帶內巖體破碎，巖塊多呈碎裂狀、鑲嵌狀，節理裂隙極發育，具備良好的儲水、導水通道；斷層帶內構造破碎角礫發育，斷層泥發育，富水性好，透水性好，自穩能力差，如圖7所示。

②地質勘探手段：對掌子面前方及左側壁進行的超前地質預報和超前水平無芯鉆孔揭露的實際地質勘查驗證，并對涌水及由于涌水形成的塌腔情況進行監測。

③涌水處理方案

a、ZK76+840～ZK76+844段落按照Ⅳ級圍巖（Z4型）進行支護，其左側壁為之前的流水通道內部必然形成空洞，本段要求結合FD1裂隙水封堵措施局部進行雙液注漿，確保將空洞注實并起到堵水效果。

b、對ZK76+845～ZK76+853段落塌方立即進行反壓回填，并封閉掌子面，在拱頂與塌腔預留泵送管、排氣管及排水管，塌腔回填采用泵送C25細石砼、間斷式進行泵送施工。塌腔回填完后，待塌腔充填砼強度達到70%時，開始對ZK76+845～ZK76+850段左側塌腔部位進行分段加固，加固措施為采用徑向錨桿或無縫鋼管進行二次加固，長度根據塌腔深度確定，但是務必打穿填充砼且搭接在完整巖石中，確保該段初支的穩定性。塌方段應加強監控量測，關注該段圍巖變化動態，以便及時調整施工方法和支護參數，確保施工安全。

c、ZK76+850～ZK76+880段落富水區采用雙層Ф89中管棚雙液注漿超前支護，一方面起到堵水作用，同時兼做超前支護，以確保施工安全。管棚長度一循環平均長度為20m，施工中可根據實際地質情況調整各根管棚長度，但是務必打穿斷層搭接在完整巖石中不小于3m。

d、ZK76+844～ZK76+863段落（塌方及影響段）按照Ⅴ級圍巖（Z5-1型）進行支護。

e、ZK76+863～ZK76+880段落的支護采用Z5-1型式進行支護。

圖6 堵水預案示意圖

圖7 涌水照片

4 總結

（1）現代質量管理理念在特長隧道設計中的應用不僅提高了經濟效益，而且還提高了社會效益。

（2）施工中應對全隧道地質進行超前預報，對開挖斷面采取直接觀察、素描工作，并用超前地震反射波、地質雷達等物理手段，在可疑異常帶及富水構造破碎帶采用超前水平鉆孔等進行超前探測，并防止突、涌水問題影響施工安全，同時加強巖土監理工作；若地質預報結果與本報告差異較大時，建議在綜合分析或采用超前水平鉆孔探測的成果上，根據判定結果相應調整施工方法或圍巖支護措施。

（3）將來對工程設計全過程實行科學管理，并應用PDCA方法攻關大型項目，為類似工程提供參考價值。

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