雙連拱隧道原位擴建風險分析

吳超凡

(福建省交通規劃設計院有限公司，福州 350004)

1 引言

某隧道為雙向四車道連拱隧道，長140m，由于不能滿足日益增長的交通需求， 擬采用單洞保通原位擴建方案，由連拱四車道擴建為連拱八車道。 而目前，連拱隧道的原位擴建極其罕見， 國內僅有福州市象山四連拱隧道擬采用原位擴建方案[1]，臧萬軍等[1]和陳七林[2]對象山隧道拓寬改造的工程方案和關鍵技術方案進行了研究。目前，國內在隧道原位擴建的研究多針對分離式隧道或單洞、小凈距隧道，胡居義等[3-4]以泉廈高速大帽山隧道右洞原位擴挖工程為例， 分析了原位擴挖工法對圍巖穩定性的影響。 林從謀等[5-6]、孫興山等[7]對隧道原位擴建過程中隧道結構的變形及應力規律展開了研究。

我國連拱隧道在近30 年的發展歷史中， 遍布四川、貴州、云南、廣東、福建、湖南等省，并且已建、在建和擬建的連拱隧道多為雙連拱隧道， 而我國早期修建的雙連拱隧道又以雙向四車道居多，在日益增加的交通壓力下，將逐漸難以滿足交通量的需求， 雙連拱隧道改擴建將勢在必行。 而連拱隧道由于隧道間距小、斷面跨度大，改擴建工程對圍巖、 既有隧道結構或新建隧道結構以及中隔墻造成的擾動相較于分離式隧道或單洞隧道、 小凈距隧道更為嚴重，施工難度更大，風險更高。 而國內針對擴建過程中風險研究的案例較少，王猛[8]針對擴建過程中的塌方風險展開了分析， 其他擴建過程中的風險分析尚未見報道。

為明確連拱隧道原位擴建方案下易發生的風險事件，明確相應風險源，及時采取有效應對措施降低施工風險， 本文依托某雙連拱隧道四車道擴建八車道的原位擴建方案，展開風險分析。

2 工程背景

某隧道洞身穿越地層巖性為殘積土、全風化－砂土狀強風化花崗閃長巖，結構松散，巖體風化強烈，且泡水易軟化，為極軟巖，為Ⅴ級圍巖；隧道進出口圍巖主要為松散堆積土層，結構松散，穩定性差，坡度為20～40°，降雨作用下， 沖刷作用及軟化作用， 使開挖后邊坡穩定性變差。基于隧道所處圍巖條件及施工方案，該隧道擴挖工程具有以下重難點：

（1）隧道擴建斷面跨度大，結構承受松散壓力大

鈣隧道施工斷面大，寬度21.16m，凈空高度13.74m，扁平率低，隧道最大埋深為29m，暗挖段均為淺埋，成拱效應差，所受的圍巖松散壓力比較大，自穩定差。 原有連拱隧道修建時，已經對周邊圍巖進行了多次擾動，而擴建過程中，圍巖受到二次擾動，容易發生大變形、塌方、洞口邊仰坡失穩等風險事故。

（2）隧道擴挖工序復雜，受力系統轉換頻繁

該隧道擴建采用單側CRD 施工工法， 工序復雜，包括回填、分步開挖（包括原襯砌拆除），臨時支撐封閉、臨時支撐拆除等工序。工序間轉換多，使得隧道結構受力體系頻繁轉換。 原有隧道運行多年，行車、風化及病害影響使得安全性能降低， 擴挖過程中隧道襯砌拆除時穩定性差，施工控制不當易發生大變形、塌方等風險事故。

3 連拱擴建施工風險分析

3.1 風險評估

根據安全風險事件發生的概率和損失等級， 將安全風險等級分為4 級，見表1。 其中，Ⅰ級風險可以接受；Ⅱ級風險有條件接受， 有進一步實施預防措施以提升安全性的必要；Ⅲ級風險風險水平有條件接受，必須實施削減風險的應對措施；Ⅳ級風險水平不可接受，必須采取有效應對措施，將風險等級降低到Ⅲ級及以下水平。

表1 風險等級標準

根據該隧道地質情況、 現有病害調查及安全狀況及擴挖初步設計資料，結合《公路橋梁和隧道工程設計安全風險評估指南》[9], 對該隧道擴挖存在的重大風險事件及與之相關的風險源進行檢查和初步辨識（見表2）。

表2 某隧道擴挖安全風險事件與風險源檢查表

由表2 可知， 該隧道擴挖存在的主要風險事件為既有隧道安全、邊仰坡失穩、塌方及結構設計風險。

3.1.1 既有隧道結構安全風險

根據隧道病害檢查結果， 擴建之前原隧道結構主要存在以下病害：

（1）隧道右洞進口洞頂排水溝破損，溝內淤積泥塊和雜草；左右洞洞門墻身風化較嚴重，存在裂縫。

（2）左洞全部裂縫共計46 條，其中伴有滲水的共有8 條；右洞全部裂縫共計51 條，其中伴有滲水的共有6條。 混凝土襯砌表面只有少量局部輕微破損、 剝落情況，對襯砌質量無影響。 隧道左右洞襯砌裂縫統計見表3、表4。

表3 該隧道左洞襯砌裂縫統計

表4 該隧道右洞襯砌裂縫統計

（3）隧道左洞滲水點共有12 處，其中裂縫滲水共有8 處， 主要表現為裂縫表面流白灰，3 處滲水點襯砌表面有明顯的浸滲； 右洞落滲水點共有6 處， 全部為裂縫滲水，一處襯砌表面濕潤，其余都表現為襯砌表面流白灰。

（4）隧道左洞存在1 處排水溝堵塞、1 處檢修道蓋板破損；右洞存在3 處檢修道蓋板破損。左右洞均無隧道斷面侵入凈空、襯砌背后無空洞、襯砌強度不滿足要求的病害，且二襯存在鋼筋網。

根據隧道病害檢測情況及技術狀況評價， 確定既有隧道安全風險概率等級為2，損失等級為2。 既有隧道安全風險等級為Ⅱ級，屬可接受風險，需加強監測。

3.1.2 擴建隧道邊仰坡失穩風險

洞口坡體為松散堆積層，擴挖時穩定性差，既有隧道洞頂排水溝破損、堵塞，雨水滲透進入坡體中，使得巖土體強度降低，且擴挖工序復雜，工序轉換較多，對邊坡土體造成多次擾動， 易引起邊坡支護拉裂， 原有植被被破壞，導致洞口邊仰坡失穩。 結合國內外隧道施工經驗，分析可能引起該隧道擴挖工程洞口邊仰坡失穩的基本事件，得出風險事故樹圖如圖1 所示。

圖1 隧道洞口邊仰坡失穩風險源辨識

根據對該隧道擴挖工程的洞口地質情況以及初步設計方案的分析， 結合對邊仰坡失穩風險的模糊綜合評價結果， 得出該隧道擴挖工程邊仰坡失穩風險發生的概率等級和損失等級，見表5。

表5 邊仰坡失穩風險等級表

由表5 可知， 該隧道擴挖工程初步設計階段發生洞口邊仰坡失穩的風險等級為Ⅱ級，屬可接受風險，需加強監測。

3.1.3 擴建隧道塌方風險

連拱隧道改擴建過程中既有隧道結構退化， 結構斷面大，擴挖工序復雜，圍巖擾動頻繁，受力體系轉化多，鎖腳錨桿和臨時支撐的質量和封閉及時性要求高， 如果控制不當， 易導致隧道發生塌方。 結合國內外隧道施工經驗，分析可能引起該隧道擴挖工程塌方的風險事件，得出塌方風險事故樹如圖2 所示。

根據對該隧道擴挖工程的地質情況以及初步設計方案的分析，結合對塌方風險的模糊綜合評價結果，得出該隧道擴挖工程塌方風險發生的概率等級和損失等級，見表6。

圖2 塌方風險事故樹

表6 塌方風險等級表

由表6 可知， 該隧道擴挖工程初步設計階段發生塌方的風險等級為III 級，需采取風險處理措施降低風險并加強監測。

3.1.4 擴建隧道結構設計風險

該隧道擴挖工程結構設計風險， 主要從擴挖施工方案數值模擬和新建隧道二襯結構安全評價兩方面進行分析評估：

（1）右洞擴挖過程中，左洞原有襯砌結構變形、受力變化均較小。在不考慮爆破動力作用下，右洞擴挖對左洞原隧道結構影響較小，可保持通車安全。

（2）擴挖過程中，中隔墻、圍巖變形及受力均較小，均在可控、穩定范圍內，擴挖過程中隔墻及圍巖穩定性滿足要求。

（3）左洞擴挖過程中，右洞初期支護變形量值不大，個別點混凝土拉應力達到C25 噴射混凝土設計抗拉強度值，但不會產生大范圍的破壞，不會影響整個初期支護的穩定性。

（4）不考慮爆破因素的影響下，設計二襯結構安全系數均滿足規范要求，達到了安全儲備的要求。

綜上可知，不未考慮爆破動力作用影響，擴挖過程中除初襯受力略大于設計要求外，其余圍巖、二襯及中隔墻變形受力均滿足要求， 故確定該隧道擴挖結構設計風險概率等級為3 級，風險損失等級為2 級。

由表7 可知，該隧道擴挖結構設計風險等級為Ⅱ級，在施工過程中要臨時支撐支護及時，初支及時封閉，臨時支撐拆除時加強監測。

表7 結構設計風險等級表

3.2 專家調查

通過對該隧道擴挖重大安全風險事件的專家調查評估，統計各風險事件的風險等級專家調查結果，詳見表8。

表8 該隧道擴挖專家調查各風險事件風險等級統計

3.3 隧道擴建總體風險

3.3.1 隧道總體風險分析

結合專家調查結果， 由各風險事件的風險概率等級和損失等級，可得出隧道總體風險概率等級為4 級、總體損失等級為2 級，進而得出隧道總體風險等級為Ⅲ級。

3.3.2 隧道風險控制措施

結合隧道擴建過程中的風險分析結果， 在初步設計方案的基礎上提出針對性的風險控制措施， 可使隧道安全風險得到進一步的控制。

（1）塌方風險控制措施

①在拆除既有隧道襯砌時， 應對既有襯砌進行詳細的勘察，明確其具體情況，確保其能夠保證安全施工；原隧道襯砌及支護的拆除應遵循先襯砌后支護分段拆除的原則，施工縫、變形縫前后必須分段。

②洞口段開挖施工應與大管棚等超前加固及支護措施配合，必要時地面注漿，確保隧道洞口擴挖施工安全。

③注意鎖腳錨桿等輔助施工措施的施作時間和施工質量。

④加強隧道施工監控量測。

⑤隧道施工中各部的超前距離及臺階長度應根據人員施工技術、機具配備綜合確定，施工中根據隧道監控量測結果適當調整。

（2）結構設計風險控制措施

建議擴挖施工中臨時支撐支護及時，初支及時封閉，嚴格控制開挖每環循環進尺及臺階高度。

3.3.3 隧道殘留風險

對初始風險等級為III 級的塌方風險事件，結合初評提出的安全風險控制措施的落實情況， 進行再評估確定殘留風險，見表9、表10。

表9 塌方殘留風險概率、損失等級表

根據表9 可得出該隧道擴挖初步設計階段在采取風險控制措施的基礎上， 塌方風險的殘留風險等級為II級，屬可接受風險。

表10 該隧道擴挖重大風險事件殘留風險等級表

由表10 可知，落實風險安全控制措施后，隧道的總體殘留風險等級為Ⅱ級，屬可接受風險。

4 結論與建議

根據對某雙連拱隧道原位擴建過程中的風險分析結果可知：

(1)該隧道原位擴建過程中，主要存在既有結構安全風險、邊仰坡失穩風險、塌方風險和結構設計風險四個風險事件，其風險等級分別為II 級、II 級、III 級、II 級。

(2)隧道擴挖初步設計階段在采取風險控制措施的基礎上，塌方風險的殘留風險等級為Ⅱ級，隧道的總體殘留風險等級為Ⅱ級，屬可接受風險。

(3)隧道施工過程中應加強監測，初期支護應及早封閉成環。

(4)嚴格控制擴挖中各部序爆破藥量，加強爆破振動監測。

(5)嚴格控制開挖每環循環進尺及臺階高度。