綠色礦山法隧道建設期內風險研究

陳行行 孫國帥，2 胡露露

（1.遼寧工業大學，遼寧 錦州 121001；2.中大建設股份有限公司工程管理中心，廣東 廣州 510280）

0 引言

“綠色發展”是我國五大發展戰略之一，傳統發展常伴隨著高污染、高消耗與高投入，這種發展模式不可持續，須向節約資源的綠色低碳循環發展模式轉型升級。近日，交通運輸部下發了“十四五”發展規劃文件，提出大力推進綠色交通基礎設施建設。隧道是綠色交通基礎設施的重要組成部分，建設綠色隧道將是必然選擇。“綠色隧道”是指在全壽命周期內，降低能耗、綠色低碳，節省資源、保護環境，為人們提供一個優良的地下建筑［1］。我國綠色隧道建設正處于初期階段，節能和環保技術及體系尚未成熟，建造難度比較大、風險因素種類多、危險性高。因此，很有必要對綠色隧道建設期內的風險進行研究和分析，段軍朝等［2］利用物聯網現代科技，形成瓦斯智能檢測系統；王玉鎖等［3］利用FIAC有限差分軟件建立隧道掘進計算模型。上述研究推動了綠色隧道的發展，但研究僅限于某一特殊工序，對綠色礦山法隧道風險因素缺乏整體性分析。因此，本研究從兩方面進行切入，一方面是對綠色隧道建設過程中較為常見的風險進行分析；另一方面通過綠色礦山法隧道工藝過程進行分析，旨在完善綠色礦山法隧道風險因素體系，為相關研究者提供意見和建議。

1 風險因素

1.1 坍塌風險

隧道坍塌主要發生在掌子面或者掌子面前段，巖體處于裸露狀態，未能及時施作初期支護，造成掌子面不能承受圍巖與周圍的水土壓力，又或者是巖石較軟，再有地下水的侵蝕和軟化，導致巖體強度降低。因隧道環境、巖性不同造成隧道坍塌的位置、時間以及影響范圍等也不同，表1 為隧道易失穩的圍巖類型。

表1 隧道易失穩圍巖類型

1.2 有毒有害氣體風險

在含有瓦斯氣體地層進行綠色礦山法隧道施工風險極大，安全控制難度較高。瓦斯是各類氣體的混合物，如CH4、CO2、N2以及少量惰性氣體，在相同的大氣壓下，瓦斯密度比空氣密度小，因而在隧道頂部、斷面改變處累聚，少量瓦斯氣體并不會造成太大危險，但濃度達到一定程度后會造成隧道內含氧量過低，使作業人員窒息死亡。瓦斯爆炸是指瓦斯氣體和空氣混合后遇到高溫點火源形成的劇烈化學反應。

1.3 地下水風險

地下水對隧道的影響主要分為兩類，一類是涌水，涌水又可分為開挖面涌水、區間涌水、門洞涌水。如圖1 所示，三者發生機理并不完全相同，但均是由于隧道的開挖和振動，導致地應力場變化，平衡狀態遭到破壞，圍巖和周圍地下水產生互動效應，常伴隨有土和砂，大面積涌水將會造成人員傷亡、地下水位降低、井水干涸以及地表沉降等危害。

圖1 開挖面涌水示意圖

另一類是滲漏水，隧道滲漏水發生機理是由于滲流場的變化，導致圍巖周圍地層水和裂隙水通過滲透流動到達隧道內部，破壞隧道結構穩定、腐蝕隧道設備，尤其是在地質復雜的環境下，地下水處理不當會造成較大影響。

1.4 工藝過程風險

在綠色礦山法隧道施工過程中，風險蘊含在每個工序之中，綠色隧道施工流程為：超前支護—開挖—初支—防水層—二襯。

1.4.1 超前支護。超前支護通常設置在圍巖自承能力差、自穩時間短的隧道，超前支護形式和種類見表2。常見超前支護過程的風險因素有：①加固方式與方法不匹配；②存在巖溶潛水、承壓水、鉆孔后涌水；③超前方案不合理；④注漿后未達到規定強度進行下一道工序施工；⑤注漿壓力過大，導致注漿管炸裂；⑥漿液配合比不合理。

表2 超前支護類型

1.4.2 開挖。根據施工技術的復雜程度、隧道斷面尺寸、周邊地質情況等因素選擇隧道開挖工法，若圍巖自承能力好，又無地下水的影響，可使用全斷面開挖法；若圍巖穩定性差，又有地下水的影響，可使用分部開挖法并輔以降水措施。隧道開挖的風險因素有：①開挖方式選擇不當；②裝藥量不當；③炮眼布置不合理；④開挖步距過長或過短，支護不及時；⑤突發性涌水，存在不確定因素。

1.4.3 初期支護。初期支護主要承受圍巖變形和應力釋放，保障隧道結構安全，通常情況下采用噴錨支護，在圍巖破碎地帶還需要鋼拱架和鋼筋網配套使用，并和二次襯砌共同作用形成韌性復合結構。初期支護的風險因素有：①錨桿不符合要求；②噴射混凝土配合比差；③初期支護背后空洞；④鋼拱架未設置鋼墊板，直接立于虛渣上；⑤錨桿未鉆至設計位置；⑥水泥漿液不符合設計要求；⑦初期支護不及時；⑧鋼筋網片未與鋼拱架焊接。

1.4.4 二次襯砌。二次襯砌結構和初期結構共同作用，保證隧道結構穩定，二次襯砌的風險因素有：①混凝土未達到拆模強度，致使混凝土塌陷掉落；②模板臺車強度、剛度低；③泵送混凝土配合比不合理；④未振搗密實，致使混凝土強度較低以及混凝土表面缺陷；⑤端頭模板拼接不嚴，隧道轉彎處封堵不嚴及厚度不足；⑥防水層鋪設不合理、不規范。

2 風險對策

2.1 坍塌風險對策

開挖方式的選擇是影響綠色隧道穩定性的因素之一，合理的掘進技術可以減少隧道坍塌現象的發生，其原理是通過避免多次擾動開挖面周圍巖層，從而降低掌子面圍巖的變形引起失穩坍塌等情況。對現有超前支護形式進行歸納總結，當圍巖具有一定的自承能力時可采用在巖層中施打超前錨桿，并配合鋼拱架使用；當圍巖強度低、巖體較為破碎時，可以加大初期支護體系的強度和剛度，并施作超前小導管注漿，縮短鋼筋網的間距；當隧道圍巖極其破碎可以采用鋼拱架與管棚相配合的方法來抑制隧道坍塌。

2.2 有毒有害氣體風險對策

隧道內有毒有害氣體的防治主要是通過加強通風，防止出現瓦斯濃度超限或者隧道局部瓦斯積聚的情況。由于隧道處于一個相對封閉的空間內，隧道設計又多為曲線形，造成彎道較多，并且對外洞口較少。因此，必須有配套的檢測儀器來加強隧道有毒有害氣體的監測。

2.2.1 隧道通風。施工期間隧道通風是一個較為復雜的系統，不僅需要滿足日常作業所需的風量，還需要考慮瓦斯隧道通風，具體考慮因素如下。

①洞內作業人員所需風量Q1，根據式（1）計算。

式中：4 為人均每分鐘所需空氣量，m3/min；k為風量備用系數；m為洞內同時工作的最多人數。

②洞內工作的內燃機械所需風量Q2，根據式（2）計算。

式中：ps為隧道內施工作業機械的總功率，kW；4為內燃機每千瓦每分鐘需風量，m3/min。

③隧道爆破通風排煙所需風量Q3，根據式（3）計算。

式中：A為炸藥消耗量，kg；S為隧洞斷面面積，m2；L為通風換氣長度，m；t為通風時間，min。

④洞內最小風速Q4、最大風速Q5，根據式（4）和式（5）計算。

式中：Vmin為最小通風風速，m3/min；Vmax為最大通風風速，m3/min；Smax為隧洞最大斷面面積，m2；Smin為隧洞最小斷面面積，m2。

⑤風管的百米漏風率和風管內摩阻系數、風壓摩阻和局部損失。

根據隧道的設計斷面大小及瓦斯地層通風要求，選擇適當的通風方式，瓦斯長距離隧道可以采用混合式通風，在隧道外部和隧道錯車洞分別設置220 kW 壓入式風機，形成多臺接力，并在距離開挖面30～40 m處設置吸出式風機。

2.2.2 有毒有害氣體監測。建立瓦斯濃度自動檢測、礦山法隧道實時監控、重大危險源視頻監控、隧道施工人員定位以及勞務實名制的“五位一體”的礦山法隧道安全防控體系平臺。在隧道開挖面、斷面改變處、隧道頂部、錯車洞等重點部位安裝光學瓦斯檢測儀、H2S 檢測報警儀以及隧道流動風速監測傳感器，當隧道內瓦斯濃度超過標定濃度或流動風速較低時，洞內與視頻控制中心均會發出聲光報警。平臺系統應具有CH4斷電儀和CH4風電閉鎖裝置的全部功能，利用物聯網、大數據以及無線傳輸等現代科技手段實現風險源智能化監控，遇到危險時，應急系統會迅速啟動，視頻監控中心可立即向施工現場發出應急指令。

2.3 地下水風險對策

地下水在隧道建設期內是最為常見、最為活躍且影響較大的風險因素，地下水的防治可分為“排”和“堵”或兩者相結合的方法。“排”主要是通過超前地質報告預發位置和地下水量選擇合理的排水方案，通過埋入排水盲管或排水盲溝，使隧道內部地下水排出洞外，不同隧道允許最大排水量如表3 所示。“堵”是指在滲漏水處注漿，改變地下水流向。地下水的防治需要根據植被生態的需水量計算隧道允許最大排水量Qmax［4］，如式（6）所示。在滿足生態需水量后還應考慮地下水對襯砌結構的壓力，通過折減系數、數值分析或者模型試驗研究地下水壓力對襯砌結構的影響。

表3 不同隧道允許最大排水量

式中：μ為貯水系數；qt為最大涌水開始到t時涌水總量，m3/（d·m）；T為導水系數；t為計算時間，d；y為疏干漏斗半徑，m；L為隧長，m；B為隧寬，m；h為允許地下水最大下降深度，m。

2.3.1 超前地質預報技術。超前地質預報可以探明開挖前方地層構造形態、規模大小、位置，預測分析未開挖巖體構造，提前做好應對措施。因此，超前地質預報技術備受關注，經過不斷的嘗試和應用，超前地質預報技術也逐步趨于成熟和穩定，構建了以宏觀地質分析和超前鉆孔分析為基礎，瞬變電磁法、探地雷達、紅外線探測法并行的超前地質預報體系，每種方法在應用中均有優缺點。如宏觀地質分析主要依靠預測人員經驗，預報精度低；超前鉆孔可以直接查看開挖面前方圍巖情況，但鉆孔之間的圍巖無法查看，作業強度大，成本高；瞬變電磁法在含水地質構造中反應靈敏，可以探明位置和尺寸，但易受金屬結構、錨索等的影響；探地雷達對裂隙、斷層、破碎帶識別能力強，反應靈敏，但也易受金屬結構、錨索等的影響；紅外線探測只能定性判斷，不能探明位置。因此，需要結合隧道風險類型和等級來選用一種或多種組合的超前地質預報方法［5］。

2.3.2 結構防水。結構防水是以提高混凝土結構保護層的厚度以及襯砌混凝土自密性為基礎，對接縫、接頭等部位進行止水帶的敷設為重點，并做防水層進行補強，形成較為嚴密的防水體系，建立防水體系的同時還要充分考慮地下水水壓對襯砌混凝土結構的影響，地下水水壓可分為地下水靜水壓和圍巖孔隙水壓兩種。

地下水靜水壓對襯砌混凝土的影響可通過折減系數法定性判斷得出，最關鍵的折減系數依據隧道周邊地質水文情況、隧道滲流場以及排水體系等條件綜合分析后確定，折減系數計算公式為式（7）。

式中：P為襯砌靜水壓，kPa；c1為水文地質折減系數；c2為滲流場折減系數；c3為排水系統折減系數；γw為地下水重度，N/m3；h為水頭高度，m。

圍巖孔隙水壓力可分為水平孔隙水壓ph和垂直孔隙水壓pv［6］，計算公式為式（8）和式（9）。

式中：h′為等效地下水位高度，m；x為計算位置到隧道中心的長度，m；r0為隧道半徑，m；γw為地下水重度，N/m3。

2.3.3 加強支護參數。富水地層圍巖受到地下水的軟化與溶蝕，巖體多為破碎，同時存在斷層和破碎帶的可能，在含有地下水較多的巖層中加強支護參數也是十分必要的，具體如表4 所示，通過提高支護等級來控制地下水的影響。

2.3.4 徑向導管注漿堵水。徑向注漿堵水和超前導管注漿工藝大致相同，均是利用巖體本身進行防水。因巖體存在不連續性，造成地下水力特征的改變，通過注漿使巖體成為一個連續體，增加巖體的密實度和連續性，漿液可選擇水泥單液漿和水泥水玻璃雙液漿，圍巖裂隙小且水壓較大時也可采用水溶性聚氨酯材料，漿液擴散長度如表5 所示。隨著環保意識的不斷加強，綠色礦山法隧道地下水的防治更要考慮地下水的保護。

表5 漿液擴散長度

2.3.5 材料防水。近年來，防水新型材料不斷研發和應用，防水材料可分為剛性材料和柔性材料，見表6。如塑料防（排）水板與無紡布復合使用，它利用防（排）一體的特性，增加無紡布過濾土砂功能。防水卷材在地下水防治中使用最為普遍，穩定性能也較好。隧道防水卷材主要材料可分為增塑聚氯乙烯（PVC-P）、柔軟聚烯烴（FPO）和熱塑性聚烯烴（TPO）3 種類型，其中PVC-P 對于不規則隧道具有很強的適用性、操作方便，實踐案例最多；FPO、TPO 屬于聚合物系列，相較于PVC-P 其具有較大剛性和抗腐蝕性，在明挖隧道以及仰拱下部有較多應用。防水涂料的基質材料有乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、丙烯酸甲酯反應性樹脂（MRR）和丁苯橡膠聚合物（SBR）［7］，上述噴涂材料不僅具有較好的伸縮性，還存在較強的耐久性，但要格外注意噴涂表面環境條件，噴涂表面平整度、濕度以及腐蝕性地下水對防水效果的影響。

表6 防水材料分類及代表

2.4 初期支護及二次襯砌風險對策

2.4.1 安全風險對策。初期支護和二次襯砌所面臨的安全風險主要是防止土或石的掉落，在立架作業工序時應保證隧道作業環境的安全，措施有：①根據超前地質報告數據嚴格復核，確保準確性；②技術人員對富水地段進行標注，加強觀測圍巖及滲水情況；③對初期支護、二次襯砌以及模板臺車進行荷載計算，驗證結構的穩定性。

2.4.2 質量風險對策。二次襯砌最大的質量風險是混凝土厚度不足，導致二次襯砌混凝土厚度不足的原因則是初期支護不平整，初期支護不平整的原因是測量間距過大、炮眼位置布置不合理、炸藥量計算不準確等，造成隧道斷面存在較多欠挖部位，故將欠挖部位剔除后即可解決初期支護及二次襯砌厚度不足問題。

3 結語

綠色礦山法隧道在建設期內存在諸多風險，該研究主要從坍塌、有毒有害氣體、地下水以及初期支護和二次襯砌等方面對綠色隧道風險進行分析，針對不同風險類型，從人員、地質、水文、環境等方面提出相應的對策及建議，因建設期內綠色隧道風險因素較為復雜，且不確定因素較多，這需要項目管理者進行多方面、深層次、全過程的把控，做好精確管理，并根據勘察設計以及地質環境選擇施工工法，有針對性地組織綠色隧道的施工，實現目標控制，保證作業安全。目前，綠色礦山法隧道處于初期發展階段，還須進一步研究綠色隧道技術，如裝配式隧道技術、地熱技術、雨水循環技術、LED 節能高效照明技術、隧道礦渣綜合利用技術等，以此促進綠色礦山法隧道可持續發展。