隧道施工安全風險與現場管理研究

謝俊明

（貴州高速公路集團有限公司,貴州 貴陽 550003）

0 引言

我國位于多山地帶，山區公路的建設規模也日益擴大。公路在穿越山嶺時為了保證線形指標的平順，一般是采用隧道方案。相對其他工程而言，隧道工程屬隱蔽工程，圍巖物理力學指標測定困難，地形地質條件和施工環境因素，圍巖與支護結構相互作用機理不明確，施工難度大。如果不能準確識別隧道施工期間可能存在的風險，可能產生各種施工安全問題，從而造成一定的人員傷亡和不良的社會影響。鑒于此，國內外很多學者和工程技術人員針對隧道施工風險變形開展了一系列研究，并取得了許多成果，但尚未形成系統性的理論來指導隧道施工[1]。因此，進一步研究隧道的安全風險和現場管理措施具有十分重要的工程意義。

1 隧道施工風險機理分析及風險事故類型

1.1 施工影響范圍計算

隧道施工一般采用“新奧法”，施工時對周圍巖土層的擾動并不是無限大的。在分析隧道施工風險之前，有必要分析施工對圍巖的影響范圍。影響范圍包括縱向影響區和橫向影響區，其中縱向為隧道爆破開挖方向，橫向是與隧道爆破開挖方向相垂直的方向。

縱向影響區和橫向影響區的圍巖擾動程度分別用S、W表示，見公式（1）~（2）：

式中，H——隧道軸線埋深（m）；R——隧道半徑（m）；φ——土體內摩擦角（°）。

1.2 施工風險產生和發展機理

隧道施工風險可定義為事故發生可能性和損失嚴重程度的組合。事故指在隧道施工期間出現的各種不利事件，損失指隧道施工期間已經產生或可能產生的各種經濟損失、人員傷亡、不良社會影響等。

1.2.1 風險產生機理

隧道開挖之前，地層應力處于相對平衡狀態。隧道開始施工后，地層應力平衡會被破壞。在此期間，各種自然和人為作用會使孕險環境中的致險因子沖擊承險體，產生各種風險事故。了解隧道施工風險產生機理后，能夠強化施工人員和管理人員的安全意識，更好地保障隧道安全施工[2]。

1.2.2 風險發展機理

隧道施工風險是動態變化的，一般是由小風險擴展為大風險，由新風險代替舊風險，這一過程稱之為風險發展。隧道開挖過程中的風險發展規律如圖1所示：

圖1 隧道施工風險發展

由圖1可知：風險發展的過程本質上是致險因子在孕險環境中持續釋放的過程。OA階段為隧道施工風險產生階段，風險規模小，對工程危害程度低，呈單一因素線性變化，表現為一種參數變化引發一個致險因子；AB階段為隧道施工風險發展階段，風險規模逐漸擴大，風險危害也越來越高，呈多因素非線性變化，表現為多個風險因子引發一個風險事件。此外，曲線上的F點為風險閾值，位于閾值之下的曲線OEFD表示風險在隧道施工期間雖然一直存在，但并未發生，反之，便發生了風險。

1.3 隧道施工風險類型

參考《公路橋隧工程施工安全風險評估管理辦法》及相關研究成果，文章將隧道施工期間可能存在的風險主要劃分為塌方、瓦斯、涌水突泥、大變形等。不同風險事故所對應的風險因子有一定差異，但基本包括不良地形、地質、地下水、設計、開挖、施工、監控等方面[3]。

1.3.1 塌方

隧道塌方是因為隧道開挖后，破壞了圍巖完整性，原力學平衡體系被打破，圍巖應力重分布。當隧道圍巖應力＞圍巖承載力，隧道出現塌方。隧道塌方時間可能在開挖后、初期支護后、或二次襯砌后，具體塌方步驟：隧道開挖→圍巖受應力而變形→支護結構變形→圍巖失穩塌方。

1.3.2 瓦斯

隧道圍巖屬于三相物質，由固態巖土顆粒及空隙中水和氣組成。而地層堆積成煤時期，各種有機質經“厭氧菌”的長期分解作用，可能生成大量的瓦斯氣體（無色、無味、可以燃燒和爆炸），瓦斯氣體會殘留在圍巖孔隙中。瓦斯大多是以游離狀態和吸著狀態存在于圍巖中。隧道施工產生的瓦斯事故最嚴重的是瓦斯爆炸，爆破的能量可能破壞隧道整體結構，并造成大面積的人員傷亡。隧道施工產生瓦斯爆炸應滿足以下三個條件：①瓦斯濃度介于5%~16%；②空氣中氧含量不≥12%；③存在溫度為50~750 ℃的引爆火源。

1.3.3 涌水突泥

隧道施工期間揭露部分地下導水通道，會使地下水沿著導水通道涌入隧道空間。如果涌水中伴隨大量的泥質物，此時稱之為突泥。隧道出現涌水突泥病害，應達到三個條件：①含水圍巖的能量儲存條件；②地下水動力和含水圍巖的能量釋放條件；③含水圍巖的穩定性。

1.3.4 大變形

隧道施工期間發生大變形通常是因為隧道支護結構提供足夠的支護力小于圍巖所受到的應力，支護結構無法約束圍巖變形。因此，只要選擇的支護參數合理，掌子面開挖后及時支護，就能在一定程度上避免圍巖大變形。反之，即使在地質條件好的情況下，圍巖也可能出現生圍巖大變形風險。

2 隧道施工風險評估方法

在選擇施工風險管理措施之前，需對施工風險進行評估，根據事故發生概率和事故危害程度確定施工風險等級。隧道施工風險常用方法有LEC法、德爾菲法、灰色關聯分析法等。

2.1 LEC法

LEC評價法是一種經典風險因素評估方法，屬于一種半定量的評價方法[4]，即根據L、E、C三個自變量（具體取值見表1）的乘積來表示風險因素的危險等級。風險評估值D的計算見公式（3）。

表1 L、E、C的分數判定標準

式中，L——事故發生可能性；E——人員暴露于危險環境中的頻繁程度；C——事故可能造成的危害。

D值共劃分為1~5個等級，對應的分數區間為＜20、20~70、70~160、160~320、＞320，對應的危險程度分別為稍有危險（可以接受）、一般危險（需要注意）、顯著危險（需要整改）、高度危險（立即整改）、極其危險（不能繼續作業）。隧道施工期間的具體實施步驟：選擇隧道施工領域的專家對每個自變量進行評價→給出自變量L、E、C的相應分值→按照上述公式得到D值→判斷隧道施工風險等級。

2.2 德爾菲法

德爾菲法不是采用單純的數學模型來辨識隧道施工風險，而是通過多個專家匿名評估的方式預測隧道施工期間的不同風險因素，并計算出風險等級，這樣可以將定性因素定量處理，兼顧了科學性與實用性。使用德爾菲法的關鍵是評估專家，在隧道施工風險評估期間各專家不應有接觸，不互相交流評估結果，各專家需根據自己對項目的理解作出判斷，不附和某些所謂的權威專家意見[5]。

專家針對某一風險事故的評分k可按加權算術平均法計算，見公式（4）：

式中，ki——第i個風險因子的評分；n——某一事故中風險因子個數；ωi——第i個風險因子的評分。

隧道施工風險因子的權重也是咨詢相關專家或借鑒區域內的典型隧道項目確定，以提升隧道施工風險評估的準確度和效率。

3 隧道施工風險現場管理措施

3.1 工程概況

文章以某山區高速公路雙線分離式隧道為研究對象，隧道左線全長785 m，其中V級圍巖段256 m，Ⅳ級圍巖段529 m；隧道右線全長776 m，其中V級圍巖段263 m，Ⅳ級圍巖段513 m。隧道設計為雙向四車道，路面寬度26 m，隧道進出口分別采用柱式洞門和端墻式洞門。隧道設計支護為S5b型復合式襯砌，支護結構主要設計參數為：①超前支護。采用42 mm的小導管，小導管縱向間距2.4 m/環。②初期支護。注漿錨桿直徑25 mm（環向間距1 m，錨桿長度3 m/根）、鋼架型號為20 b（間距75 cm），并噴25 cm C25混凝土。③二次襯砌。拱部和仰拱二次襯砌均為厚45 cm素混凝土。根據隧道地質測繪、鉆探、室內試驗數據等，圍巖以三疊系泥頁巖、泥灰巖為主，淺部巖石風化裂隙發育，巖體完整性較差，呈強風化狀態。同時，沿線地下水包括第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水等。

3.2 現場風險控制措施

經現場調研，隧道施工期間可能發生塌方風險，擬采取以下控制措施[6]：第一，做好地質調查。施工時應使用地質雷達、TGP、TSP、超前鉆孔等多種技術手段做好地質超前預報，準確判別隧道掌子面前方的各種不良地質段，并提前制定合理的施工應急預案。第二，加強隧道防排水工作。防排水應以“排”為主，以“截、堵”為輔，避免地下水和基巖裂隙水流向隧道內。第三，加強隧道支護。掌子面開挖后，初期支護要及時施工，二次襯砌的支護時機應根據現場監控量測數據來判斷。如果隧道所處地質條件差，可補充超前錨桿、超前小導管、管棚等超前支護方案。第四，加強動態化管理。隧道施工期間如發現圍巖級別、圍巖參數與設計單位提供的數據差別較大，應暫時停止施工，并及時上報監理單位和業主單位變更支護設計，不得擅自修改施工方案。第五，加強監控量測。根據不同地質分段制訂有針對性的監控量測計劃，確保施工安全，還要保證監控數據的準確性和及時性，以便施工單位及時制定應急處理預案。

3.3 現場安全組織管理

結合項目現場實際情況，建立了現場安全管理的三級安全組織體系，見圖2：

圖2 隧道施工風險發展

在安全組織體系中，項目經理對隧道施工安全負全責，項目總工程師編寫施工事故應急預案。各工區要在應急領導小組的指揮下，有序開展救援工作，避免事故進一步擴大。

3.4 現場風險信息管理

隧道施工現場出現事故后，現場風險信息管理可參考圖3：

圖3 隧道施工風險信息傳遞

隧道事故發生后，施工隊必須在10 min內將情況報項目經理部，同時在30 min內將施工事故的基本狀況上報本級公司應急領導小組辦公室。如果出現人員死亡事故，必須將事故向縣級及以上政府主管部門上報。同時，為確保報告內容的全面性和規范性，報告內容應經項目經理部應急領導小組審核后上報。

4 結論

文章研究了隧道施工風險的產生機理、風險事故類型、風險評估方法等，并依托某高速公路項目，探討了隧道風險現場管理措施，主要得到以下結論：①隧道施工會破壞圍巖應力平衡而產生風險，且施工風險是處于動態變化的；②隧道施工風險包括塌方、瓦斯、涌水突泥、大變形等，與不良地形、地質、地下水、設計、開挖、施工、監控等因素密切相關；③在確定隧道施工風險控制措施前，可用LEC法、德爾菲法、灰色關聯分析法等對風險等級進行評估；④為了避免隧道施工期間產生事故，應做好地質調查、加強防排工作、加強支護、加強動態化管理，并建立三級安全組織體系和風險信息傳遞體系。