高地應力隧道巖爆施工風險評估及管控措施

呂飛 LV Fei；李榮 LI Rong

（西安長安大學工程設計研究院有限公司，西安 710061）

0 引言

公路隧道施工環境條件復雜，施工組織實施困難，作業安全風險居高不下，一直以來是行業安全管理的重點。巖爆是在工程開挖過程中，圍巖發生應力釋放而產生脆性破壞的一種巖體失穩過程，具有突發性、高危害性等特點，是高地應力地區地下隧道建設過程中所面對的主要風險之一[1]。在工程實施前，開展施工安全風險估測，能夠增強安全風險意識，改進施工措施，規范預案預警預控管理，有效降低施工風險，嚴防重特大事故發生。

1 項目背景

某隧道項目位于月河與漢江之間鳳凰山區，設隧道4990m/1 座通過鳳凰山區，設計速度40km/h，隧道凈寬10m。除進出口堆積體淺埋段采用機械開挖，其余均采用鉆爆法正面進洞施工。隧道出渣均采用汽車拉運的方式，初期支護噴射混凝土采用濕噴工藝。

①對V 級圍巖段，施工開挖應先做好超前支護，隧道采用三臺階拱部留核心土環形開挖；

②對于IV 級圍巖段，施工開挖應先做好超前支護，隧道施工采用微臺階弧形導坑留核心土的方法開挖，上、下斷面間距控制在1～2 倍洞徑尺寸；

③III 級圍巖段可采用上下斷面正臺階法施工，上下臺階之間的距離應能滿足機具正常作業，當頂部圍巖破碎，施工支護需緊跟時可適當延長，減少施工干擾，上臺階可采用拉中槽分部開挖。

1.1 地應力背景

鳳凰山為斷塊山，地形地質條件較復雜，構造活動較強烈，區內應力場復雜。隧道在變質流紋斑巖、變質石英閃長玢巖洞段埋深在820m 以上圍巖巖體應力量級為極高地應力水平，埋深360～820m 處巖體應力量級為高應力水平，埋深360m 以下巖體應力量級為一般地應力水平；隧道在花崗閃長巖洞段埋深在550m 以上圍巖巖體應力量級為極高地應力水平，埋深240～550m 處巖體應力量級為高應力水平，埋深240m 以下巖體應力量級為一般地應力水平。最大水平主應力方向集中范圍為N57°E～N80°E，平均N67°E，即NEE 向，與隧道軸線方向（約N19°E 向）夾角約48°，對隧道圍巖穩定存在一定影響。

1.2 硬質巖的物理力學特性

隧道穿越硬質巖主要包括下古生代侵入巖：花崗閃長巖；上元古代震旦系下統：鄖西群變質流紋斑巖、變質石英閃長玢巖、綠泥綠簾角閃片巖等。巖體總體以堅硬巖為主。

1.3 巖爆的判別

依據《公路隧道設計規范 第一冊 土建工程》（JTG3370.1-2018）相關巖爆判別標準見表1。綜合分析地應力測試結果，硬質圍巖巖石容重（γ）取27.0kN/m3，花崗閃長巖單軸抗壓強度（Rb）采用80MPa、變質流紋斑巖單軸抗壓強度（Rb）采用105MPa。泊松比（μ）取0.25。對隧道不同埋深地應力量級及巖爆分級與判別見表2。

表1 巖爆等級分級

表2 某隧道不同洞段各埋深圍巖巖爆判別表

1.4 巖爆預測與綜合評價

按照前述判別標準結合隧道具體巖體工程地質特性，并根據巖體完整性、圍巖賦水情況，并參考大地電磁視電阻率高低對巖爆可能性進一步評價。由于隧道大部分處于地下水位以下，判斷硬巖巖爆問題總體不會很突出，但部分地下水貧乏、巖體完整的深埋洞段存在中等巖爆問題。結合相關規范，經綜合分析，主洞可能產生輕微巖爆洞段累計長1096m，占隧道總長的22.0%，產生中等巖爆的洞段累計長681m，占隧道總長的13.6%，產生強烈巖爆的洞段累計長487m，占隧道總長的9.7%，預測結果見表3。

表3 巖爆預測結果

2 施工風險評估的方法

本次高地應力隧道巖爆施工風險評估采用風險矩陣法進行評估。風險矩陣法根據系統層次按次序揭示系統、分系統和設備中的危險源，做到不漏任何一項，并按風險的可能性和嚴重性分類，以便分別按輕重緩急采取措施。可根據使用需求對風險等級劃分進行修改，使其適用不同的分析系統，但需有一定的工程經驗和數據資料；既可適用于整個系統，又可以適用于系統中某一環節，適于現場作業[2]。

施工風險評估的思路：建立評估風險矩陣；評估事故發生的可能和事故后果嚴重程度；參照風險矩陣，確定風險等級。

2.1 風險矩陣的建立

風險矩陣方法按照事故發生的可能性、事故后果嚴重程度建立風險矩陣表見表4，表5、表6、表7 為事故可能性和后果等級標準。

表4 風險等級標準

表5 事故可能性等級標準

表6 人員傷亡等級標準

表7 直接經濟損失等級標準

2.2 巖爆風險可能性評估指標

相關研究成果表明，巖爆主要與高地應力環境、巖石力學性能和圍巖性質有關[3]。巖爆風險可能性評估指標體系見表8，并根據隧道類型和資料完整性對巖爆風險可能性評估指標進行修正，指標取值見表9。隧道施工前巖爆風險事件可能性分值計算公式為：

表8 巖爆風險可能性評估指標體系

表9 隧道類型、資料完整性對風險事件可能性評估分值的修正系數

式中：

P—隧道施工前巖爆風險事件可能性評估分值；

D1—隧道類型對隧道施工前巖爆風險事件可能性的修正系數；

D2—工程資料完整性對隧道施工前巖爆風險事件可能性的修正系數；

X11—高地應力環境所賦分值；

X21—巖石力學性能所賦分值；

X31—圍巖性質所賦分值。

計算結果應四舍五入為整數。分值大小確定后，對照表10 確定隧道巖爆風險事件可能性等級。

表10 隧道施工前巖爆風險事件可能性等級標準

根據計算后的可能性等級和預估可能造成的后果，通過風險矩陣，評估高地應力隧道巖爆施工風險等級。

3 高地應力隧道巖爆施工風險控制措施

3.1 加強組織領導

成立風險管控領導小組，負責領導、協調本項目的施工風險的管理工作。

3.2 細化前期資料收集

收集現行有效的法律、法規、規范及相關標準和設計資料，以及對現場周邊環境實地踏勘[4]以及項目周圍已完工和在建隧道工程出現巖爆的資料等，為編制專項施工方案提供有力支撐。

3.3 優化施工計劃

在前期調查的基礎上，初步確定今后施工過程中哪些部位及里程容易發生巖爆現象，對于巖爆地段，優化隧道形狀和方位、調整隧道施工順序。

3.4 加強巖爆的監測和超前地質預報

高地應力隧道施工過程中，要加強監測和超前地質預報工作，采用微震監測系統、BEAM 及地質雷達短距離預報、TSP 中長距離預報、宏觀地質長距離預測多種預測方法組成巖爆的綜合預測預報體系。

3.5 加強施工作業期間的技術管理工作

①改善圍巖應力狀態：高地應力隧道開挖時采用減少每循環進尺并采用光面爆破技術。采用光面爆破技術可以使爆破后的圍巖界面光滑圓順，緩解圍巖表面應力集中狀態；嚴格控制開挖進尺的進度，從而盡量減小發生巖爆的尺寸效應，輕微巖爆和中等巖爆區域，一般進尺控制在1.5～2.5m。在洞身邊、頂拱呈輻射狀斜向進行鉆孔，孔內灌筑高壓水，一定程度上軟化圍巖，加快釋放圍巖內部集中應力，改善圍巖應力狀態。②爆破控制：微差起爆，嚴格控制最大單響藥量，減小藥量和減少爆破頻率，提高光爆效果，減小應力集中。③應力釋放：對于以壓應力為主、掌子面發生巖爆較多的地段，應結合巖爆規律及地應力測試結果在掌子面上有針對性地施作應力釋放孔。當巖爆主要發生在周邊圍巖時，需對隧道最大切向應力位置進行分析，結合現場巖爆發生位置，在隧道周邊拱腰等位置處鉆應力釋放孔[5]。④圍巖灑水：洞壁噴水沖洗，洞壁沖洗一則可軟化巖體，降低巖爆強度，二則可清洗巖面，便于及時發現巖爆裂隙，采取加固措施。⑤圍巖支護：為抵抗巖爆的沖擊破壞，支護體系應有一定的伸展性和抗沖擊性，能夠抵消巖爆帶來的沖擊。現場實踐證明，支護的及時性和系統性是預防巖爆的重要因素。迅速形成由錨桿、鋼筋網、噴砼組成的完整支護結構，提升圍巖內部和表面的整體受力性能，能夠有效提升圍巖整體穩定性和施工安全[6]。⑥測量管理：表象觀測，利用人的肉眼和耳朵去觀測作業區異常現象，做到一聽響聲、二看位置、三看方向，找出巖爆發生的前兆，如邊幫開裂、脫片或出現異常的響聲等，做到及時發現險情及時處理。儀器監測，可結合現場實際利用兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計等監測儀器進行監測。⑦信息溝通機制：明確測量結果的聯絡及報告機制，建立完善的交接班制度。⑧記錄及保存：記錄并整理施工中的各項測量結果，根據數據把握巖爆的危險度。

3.6 開展安全檢查

開展日常安全生產檢查、經常性安全生產檢查、定期安全生產檢查、特殊安全生產檢查。對現場發現的一般隱患問題，及時督促相關人員迅速行動、整改到位；對查出的重大隱患，建立重大隱患問題專項臺賬，制定專項整治方案，做到整改責任、措施、資金、時限、預案“五落實”；不能及時消除的，按照規定暫停施工或停止使用相關設備設施，直至整治銷號[7]。

3.7 應急措施

編制項目綜合應急預案、專項應急預案及現場處置方案。項目綜合應急預案應從總體上闡述項目應急領導機構、預警預防、應急聯動、現場救援、應急資源調配等要求。專項應急預案重點規范應急組織機構以及應急救援處置程序和措施。現場處置方案針對具體部位、作業環節和設施設備等制定的應急處置措施，重點分析風險事件，規范應急工作職責、處置措施和注意事項，應突出班組自救互救與先期處置的特點。并備好應急搶險物資，定期組織應急演練。

3.8 巖爆防護培訓

圍繞巖爆的危險性、防止巖爆發生的措施及注意事項、檢查方法、發生緊急情況時的對策，開展三級安全教育、安全技術交底、班前會等安全教育、防護培訓工作。

4 結語

施工風險評估為風險等級較高的工程僅說明其發生施工安全事故的可能性高、危害性大，但并不說明和代表風險等級較低的工程就一定不會發生施工安全事故。所以在安全生產管理中，需要全面扎實的推進安全生產管理，在突出對關鍵工程、重點工序、危險地段進行強化管理過程中，不要疏忽一般性工程施工作業及附屬設施的安全管理。

施工安全風險管理是一項動態管理的過程，持續在施工的全周期管理中。在施工過程中稍有失誤或違規操作都可能導致不同程度的安全事故。施工中安全事故往往是由于項目各參建方人員的因素、物的因素、環境因素和管理因素綜合作用的結果。所以，項目工程在施工過程中發現水文地質條件變化較大、施工工藝發生實質性改變，需重新進行施工安全風險評估。在施工安全管理中充分重視施工安全風險評估工作，將風險管控措施落實在生產管理中，這樣才能使施工安全風險評估工作達到真正目的和效果。