黃土與泥巖復合巖層公路隧道安全風險防控研究

摘要：濕陷性黃土和膨脹性泥巖組成的復合巖層中隧道安全風險存在于隧道規劃、設計、施工及使用全過程。圍巖變形、塌方等災害是常見的自然風險類型、其不僅取決于復合巖層的工程地質特性，也與巖層的物質成分、當地的氣候、水文地質條件、新構造運動等因素密切相關。文章通過對天秀橋隧道巖土體工程地質特性研究，結合隧道具體地質條件、水文條件、實際建設情況等因素，對黃土和泥巖復合巖層公路隧道安全風險因素分析、構建風險評價體系，提出合理的安全風險防控措施，為今后濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層公路隧道建設提供借鑒。

關鍵詞：濕陷性黃土；膨脹性泥巖；隧道安全；風險；防控

中圖分類號：TB"""""""文獻標識碼：A""""""doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2025.06.077

0"引言

隨著我國西部經濟的快速發展，隧道建設在道路“提速”中起著重要作用。西部地區濕陷性黃土與膨脹性泥巖組成的復合巖層的工程地質性質是公路隧道建設全過程以及安全風險防控體系建設的決定性因素，構建完整、全面的安全風險評價體系，對于有效降低安全風險及相關防控措施的提出，具有重要作用。

1"天水市天秀隧道概況

1.1"隧道工程概況

天秀隧道位于天水市天秀橋北側，隧道主體為分離式雙洞隧道，施工以雙向一級公路技術為標準，設計時速60km/h，隧道長4.02公里，左幅長3973米、右幅長4010米，整體式路基寬度27米，單向路基寬度為13.5米。隧道主體所處的地質條件復雜，圍巖以水平泥巖為主，上覆節理發育的黃土，二者接觸帶軟弱破碎，部分破碎帶富水，存在安全風險。

1.2"隧道工自然地理概況

天秀隧道隧址位于天水市花牛鎮北山。天水市屬于典型的溫帶大陸季風氣候，通過對2020—2023年氣象數據統計，平均氣溫為11.3℃，年平均降水量為513.0mm（見圖1，2020—2023年天水市降水量統計圖），80%的降水集中于5—9月，雨季降水具有雨量大、時間集中的特點。

天秀隧道所處的天水市北山海拔在1100m以上，地形變化大，為大型黃土墚，墚頂及山坡基本被黃土覆蓋，坡面沖溝發育，下伏泥巖部分出露，風化嚴重，同時山坡上發育崩塌、滑坡等地質災害，墚下為藉河河谷階地地貌。

1.3"地質環境

1.3.1"地層巖性及新構造運動

隧道圍巖巖性特征是控制隧道巖層力學變形機制及圍巖穩定性的基礎。天秀隧道沿線及附近區域地層較為單一，隧址山體基本被第四系地層覆蓋，局部區域在洪流的沖蝕作用下，出露下伏新近系地層（見圖2，天秀隧道周圍地層分布圖）。隧道主體位于新進層泥巖中，洞頂表層及進、出口段由第四系黃土和松散的沖洪積物、倒石堆等組成。

Q-第四系；N-新近系；K-白堊系；Pt1q-下元古秦嶺群

第四系（Q）廣泛部分于天水市北山墚，墚頂覆蓋晚更新世馬蘭黃土，主要成分以顆粒較小的粉土、粉質黏土為主，疏松多孔，孔隙度大，垂直節理發育[1]，滲透性能強。大氣降水滲入黃土，溶解其水溶鹽，大大降低土粒間的聯結力，導致土體濕陷，崩解，形成黃土的濕陷性，促進發生黃土潛蝕作用。黃土的潛蝕作用，會導致黃土的空隙增加，小顆粒物質更易被流水帶走，加重黃土的濕陷性。馬蘭黃土下伏中更新統離石黃土，主要成分為粉砂，在上覆黃土壓力的作用下，結構較為密實，層理不明顯，在水流沖刷作用下，易于坡中部出露。北山墚下分布第四系沖、洪積物、倒石堆和滑坡堆積物，巖性與黃土、泥巖母巖成分一致。

天水地區新近系泥巖（N）下伏于第四系黃土，天秀隧道隧址處泥巖為內陸盆地河湖相沉積灰綠色水平泥巖，具有泥質結構，塊狀構造，主要由石英、斜長石、鉀長石等穩定礦物和蒙脫石、伊利石等不穩定礦物組成，其中不穩定黏土礦物占50%以上，結構較為致密。黏土礦物中蒙脫石、伊利石的三層晶胞結構，水分子易滲透到晶胞內部，使其黏結力急劇減弱，親水性強，巖體易被風化、變得破碎。雨季集中的強降水，不僅讓黃土中小顆粒粉土、粉砂被面流、洪流沿著坡面沖溝迅速帶走，形成水土流失，同時也讓坡面遭受沖刷，致使下部泥巖出露，發育風化裂隙。雨水易沿風化裂隙滲入泥巖，同時部分降水從上覆黃土的孔隙和垂直節理迅速下滲至泥巖，導致泥巖發生泥化、軟化、膨脹、崩解，而失水后收縮、開裂變形，反復作用，形成大量的次生空隙，加劇泥巖的膨脹性。

1.3.2"水文地質條件

隧道圍巖中的地下水會影響圍巖的工程地質性質。天秀隧道所在區域地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水和泥巖孔隙裂隙水，以降水滲入和沿黃土垂直節理灌入補給為主。當地下水下滲至離石黃土與泥巖的接觸面上，遇到下伏透水性差的泥巖，使黃土和泥巖的接觸帶上形成滯水軟化層[2]，隨著地下水側向徑流帶走粉砂及方解石，接觸面上黏土礦物含量相對增高（見表1，天水市黃土及黃土泥巖接觸面礦物成分平均含量），此時強風化泥巖不僅發生軟化、泥化，土體的抗剪強度下降，同時地下水位升高，坡體內部孔隙水壓力增高，斜坡穩定性變差。

2"濕陷性黃土與膨脹性泥巖復合巖層隧道安全風險體系構建

濕陷性黃土與膨脹性泥巖其工程性質復雜，尤其是復合巖層的接觸面上的巖層具有的崩解性、膨脹性、易擾動性等性質，易受降水、新構造運動等環境因素影響，導致公路隧道項目建設及使用管理與原規劃目標出現偏差，造成一定的經濟損失，甚至人員傷亡。從風險源普查入手，識別、預判安全風險類型，采用合適的安全風險估測方法，以降低安全風險為目標，從研究安全風險因素角度研究合理、可行的安全風險防范措施，是構建濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層安全風險防控體系的基本過程（見圖3，濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層安全風險防控體系）。

2.1"風險源普查

天秀隧道所處復雜地質環境為濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層，隧道主體圍巖Ⅳ、Ⅴ級泥巖達3km以上，隧道穿越特殊地段有砂夾礫石坡積物堆積區和黃土、泥巖接觸帶，巖性軟弱破碎，在高地應力下，易發生擠壓變形。左幅隧道進口段土體比較疏松，圍巖自穩能力較差，出口端圍巖為花崗片麻巖，風化嚴重，洞頂有大型沖溝。隧道圍巖在長期西秦嶺北緣構造斷裂帶的影響下，節理發育，降水、面流易沿圍巖裂隙滲透，使其工程地質性質變差，同時天秀隧道下穿靖天公路、天巉公路等工程，隧道施工和使用存在潛在安全風險。

2.2"風險分析

根據天秀隧道的設計、施工情況，結合天水市北山地質環境情況和現場調研，濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層隧道的安全風險包括：地基變形、塌方、滑坡、泥石流、涌水突泥和施工事故等，其中泥石流、滑坡、塌方風險易出現在第四紀黃土中，黃土與泥巖的接觸面上易發生涌水突泥、圍巖變形等風險，在新近紀泥巖中，巖體變形為主要的風險類型，施工事故易發生于施工階段，并且這些風險更易發生于夏秋降水豐富的季節。經過分析、研究，產生安全風險因素包括自然風險因素和人為風險因素兩大類。自然風險因素包括自然地理、地層巖性特征、水文地質條件、新構造運動等，人為因素包括隧道的設計、施工人員技術水平、施工方法設備及隧道安全監測等。

2.3"風險評價方法選擇

濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層公路隧道風險估測方法可以采用定量評價與定性評價相結合。對于具有較大不可預見性的重大風險源，由于風險發生后果嚴重，應結合自然地理、地層等環境因素，以及巖土勘查、隧道施工設計、施工方法等因素多角度、多方面進行研究，進行準確估測。在施工過程中風險估測可采用LEC"法，計算風險峰值（D）[3]。

D=L×E×C

其中：L"——發生事故的可能性大小；

E"——人體暴露在這種危險環境中的頻繁程度；

C——一旦發生事故會造成的損失后果。

D"——風險分值，值越大，危險性越大，值越小，危險性小。

LEC法可采取半定量計值法進行量化分值。根據實際情況，按照等級標準（表2、3、4，等級劃分級賦值），分別對L、E、C進行定級，并賦值，算出風險分值，根據風險分值，確定評估結果（表5，評估結果分級），確定風險級別。

對于風險的級別，可以通過對施工工藝、施工人員等方面采取相關措施控制L、E、C值，實現降低D值，將危險級別降低，為隧道安全風險控制指明了方向。

3"濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層隧道安全風險防控的對策

3.1"重視公路隧道地質、水文地質勘察，夯實隧道設計基礎

地質、水文地質勘察是確保隧道安全建造和使用的重要前提。地下水是影響濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層巖土工程特性的關鍵因素，并直接影響公路隧道的合理設計和安全施工。進行全面細致的地質勘察和水文地質勘察，可有效降低公路隧道施工中的地質風險，確保工程安全和質量。勘查中靈活應用鉆探、試驗等方法，查明地層巖性、地形地貌等地質背景影響下濕陷性黃土和膨脹性泥巖的工程地質特性和水文地質條件，為隧道施工地下水超前預報提供依據。根據水文地質勘察結果可制定詳細的預案，包括緊急排水系統的設計、安裝和使用，以及必要的緊急撤離通道。在未來的工程實踐中，應進一步加強隧道的選址和勘查工作，繼續優化勘察技術，結合實際情況靈活應用勘察方法，不斷提升公路隧道安全施工水平。

3.2"并重隧道開挖工藝控制及防護，降低隧道安全風險

隧道開挖工藝的嚴格控制及防護是確保隧道地基穩定、防治軟弱圍巖沉降和變形的關鍵步驟。濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合巖層隧道施工應根據地質條件、巖體工程地質性質選擇適當的開挖方法，可采用“先探測、短進尺、弱爆破、嚴注漿、勤監測”的施工原則，保證每道工序穩步推進。在隧道施工中，遵循設計要求，控制開挖量，盡量降低對圍巖的擾動，縮短開挖進尺并盡早閉合各個分部，防止出現拱頂下沉、開裂，隧底鼓脹等不均勻變形現象。在斷層破碎帶或風化嚴重的不穩定地層中，可采用注漿技術來提高圍巖的穩定性。同時，利用混凝土噴層作為初期支護，配合超前支護及鋼架，增大支護初期剛度。洞口施工時，檢查、處理洞口周圍不穩定巖土體，預防洞口滑坡、塌方、泥石流發生。在施工期的雨季之前，需按照施工規范完成洞口、洞內排水設施的修建工作。隧道洞口斷面可設計為圓形帶仰拱，避免突水涌泥的問題。

3.3"提升隧道工程施工人員安全意識，落實文明施工

隧道施工人員專業技術水平關系到工程的高效進行及安全性。建設單位應定期組織最新隧道施工技術、施工方法、機械操作技能培訓以及安全知識講座等有助于提升隧道建設人員的技能水平和安全意識的活動，安排隧道設計、施工人員學習并定期進行技能評估和考核。鼓勵隧道建設采用新技術、新材料、新設備，如隧道掘進機（TBM）、地質雷達等，提高施工自動化和機械化水平，實現降低LEC風險評價中人體暴露危險中的頻繁程度E值，有效降低隧道施工安全風險。施工現場應嚴格執行安全、整頓、素養、清潔、清掃、整理于一體的施工現場6S管理[4]，優化施工環境，有效提升整體施工效率和質量，落實文明施工。

3.4"加強隧道監控量測，保證隧道的施工安全及使用

隧道施工監控量測是隧道施工安全及后期使用的重要保障。監控測量應包括隧道洞內外與周圍環境的位移量測、洞內拱頂沉降和地表沉降監測、支護結構監測等，構建隧道圍堰和支護結構監測信息化管理系統，及時分析監測信息并處理安全隱患，確保施工質量及工程正常使用。給施工人員配備帶有傳感器的智能穿戴設備，實時監測其位置和周圍環境狀況，實現人員安全管理信息化。在隧道入口、出口、內部及緊急出口等關鍵位置全方位安裝監控系統，能夠全天候、全方位系統及時地掌握隧道情況，同時設置警報裝置和危險處理預案，做到預測預警一體化，保障隧道的安全施工。尤其隧道下穿大型構筑物如高速公路時，需加強地表沉降監控，可運用地質雷達、紅外線監測等先進設備進行超前地質預報，提前發現地質隱患，并結合遠程監控系統實時掌握施工現場情況，及時優化施工方案。

4"結束語

濕陷性黃土和膨脹性泥巖復合性巖層中的公路隧道工程建設環境復雜，存在工程安全風險。結合工程實際情況，構建公路隧道的安全風險體系，通過安全風險估測，研究可行性高、針對性強的安全風險防控措施，將潛在的安全風險控制在可控的范圍內，對于預防安全事故發生，發揮公路促進經濟發展的意義重大。

參考文獻

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[3]吳培.軟弱圍巖隧道施工安全風險管理研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學，2016.

[4]周建昆，吳堅.公路隧道風險管理[J].地下空間與工程報，2015，（04）：89-90