改擴建隧道施工風險的評估和預防

（中國建筑第八工程局有限公司，山東 濟南 250001）

20世紀末建設的公路隧道，因年代久遠，存在平縱指標較低、結構安全隱患較為突出、通行能力不足等問題。但是，國家目前沒有出臺針對既有公路隧道改擴建風險研究的指南或規范，并且既有隧道改擴建風險的學術研究較為缺乏。因此，對改擴建隧道項目施工過程中重大專項風險難以建立定性和定量的系統性評估。

基于現代系統安全工程角度，施工作業引發的事故風險是可以預測和預防的。參照2011年頒布的《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》和《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》（簡稱“《指南》”），以黑峪隧道改擴建項目為例，評估和預防可能產生的風險。由于隧址區地質復雜、施工技術水平有限，加之該隧道是在原位基礎上改擴建。為防范風險，采用指標體系法，識別、歸類和整理排序重大風險的影響因子，確定主要的風險因子，并制定風險消減措施，為項目施工的安全生產決策提供科學的依據。

一、工程概況

黑峪隧道（既有隧道）位于淄博市淄川區趙家嶺村黑峪山下淄中路中心樁號K17+993處，單洞雙向兩車道隧道。為提升公路安全服務水平，擬對黑峪隧道在原位處進行改擴建（擬建隧道）。根據相關地勘報告可知，擬建隧道起點里程標號為K17+722，終點里程標號為K18+270，全長548m，屬于中長隧道。

擬建隧道圍巖級別比例為V級圍巖占全隧道16.5%，IV級圍巖占全隧道29.4%，III級圍巖占全隧道54.1%。擬建隧道與既有隧道接近段及相交段（K17+722～K17+808）的爆破屬于V級圍巖爆破段，既有隧道開挖后溶洞段的施工有可能存在啞炮等，這些是黑峪隧道改擴建重難點，爆破開挖風險高、難度大。

二、風險源研究

（一）總體風險量化評估

參照《指南》，在評估一般隧道項目的總體風險時，主要考慮隧道的地形地貌、水文地質、建設規模等評估指標。但黑峪隧道改擴建工程，增加了洞口施工難度、擬建隧道與既有隧道支護難度、既有隧道加固難度、事故救援的可開展性等多種因素，建立新的改擴建隧道工程施工安全總體風險評估表，如表1所示。

總體風險評估分數為24分，屬于IV級，風險極高。根據《指南》，需要評估隧道專項風險，將隧道施工工序分解，普查、辨識和分析分解工序的危險源，識別重大風險源。

（二）風險源普查分析

在隧道工程中，根據隧道改擴建施工進度，可以將工程分解為洞口段明洞、洞門開挖工程、洞身掘進、洞身襯砌，以及施工配套工程。采用核對表法和專家調查法相結合的方法，查找關于公路隧道的主要風險事故資料，訪問研究隧道施工領域的專家、實施該項目的項目經理等人。通過現場事故調查，結合工程地質、圍巖等級、水文地質等基本信息和施工方法，具體分析隧道可能發生的典型事故類型，如表2所示。

表1 隧道工程施工安全總體風險評估表

表2 隧道工程按單位作業風險源普查清單表

從人、機、料、法、環等方面分析可能導致的致險因子。在洞口工程施工時，施工人員的施工方法不符合設計要求、地質情況太差，易發生洞口失穩、路基邊坡失穩、塌方等事故；在洞身開挖時，機械的操作不當、鉆炮作業未嚴格按照相關要求、機械的帶病工作、圍巖情況差，易發生塌方、機械傷害等事故；在新舊隧道交叉施工時，未及時調整支護參數，容易發生既有隧道塌方、高處墜落等事故；在初期支護時，未按設計要求施工、作業人員無經驗，易發生塌方、物體打擊等事故；如果在二次襯砌時，未注意標準標識、不按照相關程序操作設備，易發生機械傷害、物體打擊等事故。

通過以上分析可知，改擴建隧道工程主要存在塌方、路基邊坡失穩、洞口失穩、爆破、機械傷害、物體打擊六大危險源。

三、重大風險專項評估

重大事故風險應包含工程事故和其引起的損失兩部分，一般用事故發生概率及其損失的函數表示：

式中，R表示隧道工程施工階段風險；P表示風險事故發生的概率；C表示風險事故造成的損失，包括經濟損失、人員傷亡、工期損失及環境影響等。

重大風險評估主要考慮物的狀態、人的狀態和施工管理缺陷。其中物的狀態主要考慮水文地質、項目地形地貌及施工難度等客觀條件；人的因素和施工管理缺陷，主要考慮總包及專業分包企業資質、歷史事故、作業人經驗、安全投入情況等。其中，人的因素及施工管理對公路隧道工程施工安全影響較大，可作為風險抵消的因素。重大風險發生可能性表示為：

式中，Q表示該風險事故可能性的計算分值；γ表示安全管理評估指標分值對應的折減系數；p表示該風險事故經過加入折減系數后發生可能性的計算分值。

（一）人為因素事故可能性評估

根據黑峪隧道總承包企業管理資質及施工組織應急方案等考慮，該項目總包企業為中國建筑第八工程局有限公司，具有房屋建筑工程施工特級總承包資質；項目專業及勞務分包企業有資歷；項目部主要管理人員曾在項目上發生過一般事故；作業人員經驗豐富；安全管理人員及安全投入、機械設備配置符合合同要求。經評估，安全管理評估指標分值對應的折減系數為0.9。

（二）塌方事故可能性評估

從六大危險源中選擇隧道塌方風險事故，詳細評估可能性。結合項目特點，采用現場考察、專家調查等方式，整理篩選出與項目直接相關的風險因素，建立了黑峪隧道塌方風險指標體系，從交叉處施工區段的圍巖級別、斷層破碎帶、滲水狀態、地質符合性、施工方法、施工步距等多個因子考慮，如表3所示。

如表3所示，黑峪隧道塌方事故可能性評估分值Q=A+B+F*C+D+E+G+H+I=20.8。

根據公式（1）p=Q*γ=20.8*0.9=18.72。按照《指南》中重大風險源事故等級劃分，該隧道塌方風險等級為4級，很有可能發生。需要重點制定有效措施防止塌方事故的發生，并進行全面安全控制。

表3 黑峪隧道施工區段塌方事故可能性評估

四、塌方事故安全控制

（一）支護措施控制

為提高洞口段施工安全，起點35m范圍內設置超前大管棚支護，管棚預支護施工時鋼筋與襯砌中線平行以α=5°～8°仰角打入拱部圍巖，環向間距40cm。爆破開挖過程中，由于爆破載荷作用必然造成巖體結構發生變化，且在同一臺階邊坡附近多次爆破，因此必須提前預防爆破對既有隧道洞口的振動影響，用錨噴技術加固既有隧道洞口。

根據圍巖類別和設計參數、結合新建隧道與既有隧道位置關系開展初期支護。洞身暗挖地段K17+722～K17+754為Ⅴ級圍巖新建段，按照新奧法原理組織施工采用復合式襯砌：Φ42超前小導管，L=350cm，環向間距40cm，搭接長度1.25m+Φ25中空注漿錨桿，L=350cm，間距100cm（環）*75cm（縱）。接近段K17+754～K17+808采用復合式襯砌，必須先加固既有隧道，支護參數和新建段一致。K17+807～K17+967重合段為Ⅳ級圍巖段，如圖1所示，采用超前錨桿支護，初期支護以錨網噴支護為主，輔以鋼拱架。

圖1 Ⅴ級圍巖相交段襯砌斷面圖

（二）爆破措施控制

針對K17+722～K17+808段，新建隧道與既有隧道的距離隨施工進度變化而減小，圍巖較破碎，修正不同施工階段的爆破方案，并優化K17+808～K18+270段不同圍巖等級的爆破施工參數。V級圍巖新建段上部爆破參數設計，孔徑d=42mm，孔深L=1.5m，周邊炮眼間距為500mm；V級圍巖相交段上部爆破參數設計，孔徑d=42mm，孔深L=2.0m，V級圍巖相交段布置掏槽眼、崩落眼、周邊眼、底眼。掏槽眼共布置兩排，與工作面夾角取85°，炮眼底部間距取185mm，周邊炮眼間距為600mm，落眼的炮眼孔距取800mm。炮眼間距增大可以減輕爆破振動對既有隧道的影響。交叉隧道空間關系復雜，開挖過程中，必須控制爆破質量，尤其是新建隧道與既有隧道的接近段及相交段，需要控制爆破震速小于5cm/s。

（三）加固措施控制

新建隧道與既有隧道接近段及相交段在施工前，必須先加固既有隧道。如圖2所示，隧道從K17+754～K17+808為接近段并在K17+808處完全重合。施工時需要對K17+754～K17+808共54m長的既有隧道采取加固措施。d表示開挖輪廓線至既有隧道對側邊墻距離，d≤30cm時，開挖輪廓線外側預留10cm空間，上部噴射混凝土，下部片石回填；d＞30cm時，開挖輪廓線外側預留10cm空間，上部噴射混凝土，下部片石回填，外側采用漿砌片石加固既有隧道，漿砌片石墻體最大寬度100cm。

表4 典型重大風險源事故可能性等級劃分

圖2 K17+754處既有隧道加固示意圖

（四）其他施工措施

加強現場監控量測，對該隧道洞內外觀察、拱頂下沉、周邊收斂、外邊墻位移及地表下沉量測等4項作為施工監測項目。

用TSP超前地質預報系統預報Ⅲ、Ⅳ、V級圍巖地段地質情況，在工程地質與水文地質較復雜地段，應補充超前地質鉆孔采用徑向鉆孔。

當隧道內掌子面后方發生塌方等事故時容易造成施工人員被困洞內的情況，在隧道施工階段應準備相關救援設備和措施，包括設置900mm*15mm逃生用鋼管，設置無線電話，施工照明采用UPS供電照明、掌子面附近準備食品、緊急醫用藥品及相關設備，外準備臨時鋼架、木材、鉆機、抽水機具等設施，施工單位應根據實際情況開展必要的防災、救援演練。

五、結語

依據山東淄博淄川區黑峪隧道改擴建工程，建立山區公路隧道改擴建施工總體風險評估細則，加入新的指標項：洞口施工難度、擬建隧道與既有隧道支護難度、既有隧道加固難度、事故救援的可開展性。確定山區公路隧道改擴建施工中存在塌方、路基邊坡失穩、洞口失穩、爆炸、機械傷害、物體打擊六大危險源，并建立詳細的塌方事故評估指標體系表，得出塌方的風險等級為IV級，風險等級極高，需要制定風險消減措施。通過支護措施指標對比、爆破措施指標對比、既有隧道加固措施指標對比和其他施工措施控制4個方面，預防隧道塌方事故。