公路隧道施工重大風(fēng)險源的分析與控制措施

胡云世

(衢州學(xué)院建筑工程系，浙江衢州324000)

1 工程概況

某高速公路全線共設(shè)置隧道10座，共長7 032m。其中長隧道2870 m 1座、中隧道1 690 m和1 260 m各一座、短隧道202 m 6座，均為石質(zhì)隧道，為滿足按六車道劃線的要求，最大洞內(nèi)斷面220 m2，最大寬度21 m，最大開挖寬度23.166 m，寬度居國內(nèi)同類型隧道前列。

根據(jù)巖土工程勘察，勘察區(qū)內(nèi)的斷裂構(gòu)造為非全新活動斷裂，沿線地形起伏較大，局部地段全風(fēng)化層較厚，隧道通過斷裂或構(gòu)造影響帶，因此隧道襯砌按新奧法原理設(shè)計，初期支護采用C25噴射混凝土，厚度為280 mm，鋼筋網(wǎng)鋼筋直徑6 mm，間距15 cm×15 cm;臨時支護為120b型鋼格柵，每榀格柵腳部設(shè)2根鎖腳錨桿。錨桿采用φ50無縫鋼管(壁厚4 mm)，長3 m，注C30水泥漿;二次襯砌采用C30鋼筋混凝土襯砌，厚度550 mm。設(shè)計要求在施工過程中必須做好重大風(fēng)險源分析，采取有效的控制措施，以確保隧道安全施工。

2 重大風(fēng)險源識別及風(fēng)險分析

在國際及國內(nèi)已統(tǒng)計的隧道安全事故中，發(fā)生在掘進過程中的占50%，運輸過程中的占25%，其他占25%［1］，因此，本文重點就掘進過程中的風(fēng)險因素進行識別。隧道施工安全控制的基本思想是識別與施工現(xiàn)場相關(guān)的所有風(fēng)險源，評價出重大風(fēng)險源，并以此為基礎(chǔ)，制定針對性的控制措施和管理方案，明確建立風(fēng)險源識別、分析、評價和控制管理與安全施工之間的聯(lián)系，體現(xiàn)了系統(tǒng)的、主動的事故預(yù)防思想。

隧道施工風(fēng)險主要來自于巖層性狀和地下水的影響，而根據(jù)地質(zhì)資料分析本地區(qū)地下水缺乏，而且施工期間為枯水期施工，因此可以不考慮突水突泥的影響。施工方法也是潛在的風(fēng)險，但是只要方法得當(dāng)，科學(xué)施工，就會使風(fēng)險降低到最低，另外防排風(fēng)，地表建筑物等對本工程都影響很小，鑒于對風(fēng)險的認(rèn)識及對本隧道工程施工的全盤考慮，從而將過斷層破碎圍巖(過節(jié)理、斷層破碎帶)作為本工程的重大風(fēng)險源。

2.1 斷層破碎圍巖分析

根據(jù)以往的隧道事故分析資料表明:地下工程的塌方90%以上是由斷層破碎帶引起的。破碎帶是地下工程施工中易于引發(fā)塌方的斷層面附近的巖石破碎帶，是隧道開挖過程中常見的不良地質(zhì)現(xiàn)象。在多數(shù)情況下，斷層破碎帶是作為一個低強度、易變形、透水性大、抗水性差的軟弱帶存在，與其兩側(cè)巖體在物理力學(xué)特性上具有顯著的差異，其結(jié)構(gòu)松散、膠結(jié)性弱、穩(wěn)定性差，施工中遭遇斷層破碎帶極易發(fā)生事故，若遇水則更甚，是隧道建設(shè)的控制性地段。隧道穿越斷層及軟弱圍巖時，由于巖層的地質(zhì)成因復(fù)雜，地質(zhì)條件具有突變性，施工事故也具有突發(fā)性，可見，在施工過程中如遇斷層破碎帶，隨時都可能給工程帶來塌方、涌水甚至淹沒等事故，造成巨大的甚至是災(zāi)難性損失。因此，對隧道斷層破碎帶施工風(fēng)險控制措施研究具有重要意義。本工程各隧道斷層破碎帶的分布情況匯總見表1。

2.2 風(fēng)險分析

風(fēng)險一般是指對人身安全、財產(chǎn)、環(huán)境有潛在損害和對工程有潛在經(jīng)濟損失或延期的不利事件發(fā)生的頻率和影響結(jié)果的綜合。依據(jù)風(fēng)險事故發(fā)生概率的大小，分為五級［2］(見表2)。同時根據(jù)風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)(見表3)，確定風(fēng)險評價矩陣和接受準(zhǔn)則(見表4)，本工程根據(jù)隧址處勘察到的斷層破碎帶情況及上述斷層破碎帶與圍巖穩(wěn)定性關(guān)系，采用“信心指數(shù)法”并依據(jù)風(fēng)險評價矩陣對其等級進行評定，確定本隧道斷層節(jié)理破碎帶施工風(fēng)險評估結(jié)果(見表5)。依據(jù)風(fēng)險等級的高低，指導(dǎo)隧道工程中施工方法的選擇、施工進度的快慢和設(shè)計方案的調(diào)整變更，從而保證工程的順利完工。

3 重大危險源的安全風(fēng)險控制對策

通過以上對該工程隧道施工中存在的斷層破碎圍巖(過節(jié)理、斷層破碎帶)風(fēng)險源的辨識分析與評價，從而對其已經(jīng)有了基本的認(rèn)識。為防范該重大危險源的發(fā)生，針對它的工程特性，制定了相應(yīng)的安全風(fēng)險控制對策和緊急救援預(yù)案。

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3.1 風(fēng)險預(yù)測

(1)采用地質(zhì)雷達超前預(yù)測、預(yù)報。

(2)當(dāng)隧道設(shè)平行導(dǎo)坑時，平行導(dǎo)坑的掘進需超前隧洞一定距離，以了解掌握斷層破碎帶地質(zhì)情況。

(3)洞內(nèi)超前鉆探預(yù)報，即在開挖工作面采用水平鉆機向隧道前方打超前鉆孔探測，以掌握前方地質(zhì)資料，預(yù)防突發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，指導(dǎo)施工。

3.2 規(guī)避對策

(1)開挖前先施工超前錨桿或超前管棚等對圍巖進行預(yù)加固。圍巖破碎時應(yīng)先進行預(yù)注漿，改良圍巖，或者采用旋噴拱或預(yù)切槽，減少圍巖變形。

(2)開挖后的施工支護應(yīng)加強，視斷層的圍巖破碎情況，采用系統(tǒng)錨桿、掛鋼筋網(wǎng)然后噴混凝土，或采用鋼架(或格柵鋼架)支護。

(3)按設(shè)計進行永久性混凝土襯砌支護，或采用鋼筋混凝土襯砌，以及增加襯砌混凝土厚度，提高襯砌混凝土強度等級。

(4)襯砌后及早壓漿。

(5)做好排水，在施工前或施工中，均應(yīng)采取可行的防排水措施，盡可能將地表水引排，不滲入隧道中。

(6)選擇正確的開挖方法，隧道洞口加強段和V級圍巖段開挖方式采用雙側(cè)壁導(dǎo)洞法和新奧法開挖(見圖1、圖2所示)。

(7)加強圍巖量測，發(fā)現(xiàn)圍巖變形或異常情況，及時采取緊急措施處理:按設(shè)計進行永久性混凝土襯砌支護;采用鋼筋混凝土襯砌;增加襯砌混凝土厚度;改變襯砌斷面形式(如直墻變曲墻等);提高襯砌混凝土強度等級。

4 主要風(fēng)險因素的控制措施及其應(yīng)用

結(jié)合本隧道的具體重大危險源特點，主要采取的監(jiān)控措施有:掌子面超前地質(zhì)預(yù)報、隧道拱頂下沉、周邊收斂及支護結(jié)構(gòu)受力、掌子面地質(zhì)素描及隧道支護情況觀察。通過超前地質(zhì)預(yù)報．以及加強掌握不良地質(zhì)的準(zhǔn)確信息，選擇合理的施工方案和爆破參數(shù)，同時作好相應(yīng)的緊急救援預(yù)案措施．可有效控制不良地質(zhì)施工的安全風(fēng)險。通過監(jiān)控量測數(shù)據(jù)和地質(zhì)素描，掌握隧道開挖揭露的圍巖實際情況和隧道變形及其發(fā)展趨勢情況，及時發(fā)現(xiàn)不良地質(zhì)圍巖和危險變形征兆，及時對施工方案爆破參數(shù)進行修正和調(diào)整，消除安全隱患，有效防范施工過程和出口段大跨徑的安全風(fēng)險。通過爆破振動波監(jiān)測，掌握爆破施工對附近環(huán)境結(jié)構(gòu)物的影響。根據(jù)影響程度，及時調(diào)整爆破參數(shù)，達到有效控制隧道爆破施工對周邊臨近構(gòu)筑物的影響和破壞。通過對隧道安全風(fēng)險監(jiān)測和控制，確保了隧道施工安全及對環(huán)境的影響降到最小。

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報的應(yīng)用

由于地勘工作受布點范圍的限制，無法完全準(zhǔn)確掌握隧道地質(zhì)情況。隧道超前地質(zhì)預(yù)報是探明本隧道前方地質(zhì)情況的有效手段，采用超前地質(zhì)預(yù)報可提前了解隧道前方突變的地質(zhì)狀況，提前作好施工準(zhǔn)備，以便及時調(diào)整開挖及支護參數(shù)，有效避免施工中諸如塌方、涌水等災(zāi)害，從而達到控制隧道施工風(fēng)險和快速施工的目的。

4.1.1 該隧道工程的超前地質(zhì)預(yù)報流程

采用超前地質(zhì)預(yù)報的施工工藝流程:布置鉆孔→接受器套管埋置→爆破孔裝藥→現(xiàn)場測試→預(yù)報結(jié)果分析→與實際開挖情況對比→支護參數(shù)調(diào)整。施工過程中需嚴(yán)格按照上述方法執(zhí)行，做到心中有數(shù)，目標(biāo)明確，計劃科學(xué)。

4.1.2 該隧道工程的數(shù)據(jù)分析整理及應(yīng)用

(1)ZK47+652～ZK47+681(29m)范圍內(nèi)巖性為花崗閃長巖夾薄片灰?guī)r，巖體強風(fēng)化，易塌方，圍巖強度較掌子面巖體強度有所降低，裂隙十分發(fā)育，巖體破碎，建議加強初期支護工作。

圖1 雙側(cè)壁導(dǎo)洞法

圖2 新奧法

(2)ZK47+681～ZK47+699(18m)范圍內(nèi)巖性為花崗閃長巖夾薄片灰?guī)r，巖體強風(fēng)化，易塌方，圍巖強度較掌子面巖體強度有很大幅度降低，裂隙十分發(fā)育，巖體十分破碎，建議加強初期支護工作。

(3)ZK47+699～ZK47+747(48m)范圍內(nèi)巖性分析為灰?guī)r夾花崗閃長巖，巖體弱風(fēng)化～強風(fēng)化，圍巖強度較掌子面巖體強度高一些，裂隙發(fā)育，巖體破碎。

(4)ZK47+747～ZK47+756(9m)范圍內(nèi)巖性分析為灰?guī)r，圍巖強度較掌子面低一些，巖體強風(fēng)化，易塌方，裂隙十分發(fā)育，巖體破碎，建議加強初期支護和防排水工作。

(5)ZK146+495～ZK146+532段圍巖強度較低，節(jié)理裂隙較發(fā)育，巖體較破碎，含水，建議加強支護。

(6)ZK146+564～ZK146+607段圍巖強度較低，巖體較破碎，含水，推斷為F33斷層，建議加強支護。

(7)ZK146+495～ZK146+607段圍巖Ⅴ級，ZK146+607～ZK146+645段圍巖V級。

根據(jù)掌子面的揭示情況和探測結(jié)果顯示，在整個探測段ZK146+495～ZK146+607范圍內(nèi)圍巖完整性差、穩(wěn)定性差，ZK146+564～ZK146+607推斷為F33斷層或其影響帶，含水，施工時應(yīng)予以注意，做好防、排水工作。同時根據(jù)二維視圖以及巖石力學(xué)參數(shù)分析，隧道掌子面前方ZK47+652～ZK47+699地段裂隙十分發(fā)育，應(yīng)予以高度重視，防止隧道坍塌。

4.1.3 相應(yīng)的施工措施

針對“構(gòu)造裂隙發(fā)育段”的施工措施:對爆破循環(huán)進尺減小到1.5m，爆破開挖后立即進行初期支護施作，初期支護緊跟掌子面，支護施工完成后方可進行下一輪掘進施工。對K0+600～K0+615和K0+625～K0+758段，因巖體較完整，可繼續(xù)照常施工。

同時，將左線里程K0+200處測得的數(shù)據(jù)與設(shè)計文件相對比，結(jié)合實際需要，對支護參數(shù)進行調(diào)整。對構(gòu)造與裂隙發(fā)育段采取措施:K0+254～K0+272、K0+308一K0+320段開挖后，其實際揭露巖層與預(yù)報資料相符，采取“開挖后立即對巖層初噴一層5cm厚的混凝土．避免因巖層構(gòu)造裂隙發(fā)育，或巖層軟弱而產(chǎn)生的拱頂下沉和邊墻兩側(cè)塑性變形”。K0+338～K0+345、K0+360～K0+370開挖后為砂巖巖層，未見不良地質(zhì)，可采取正常施工程序施工。

4.2 隧道監(jiān)控量測的應(yīng)用

隧道監(jiān)控量測是隧道施工安全必不可少的重要工作。根據(jù)JTJ042—94《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》的規(guī)定和要求，結(jié)合本隧道圍巖實際情況，確定隧道監(jiān)控的必測項目和選測項目。其中必測項目包括:圍巖與支護狀態(tài)觀察;周邊位移監(jiān)測;拱頂下沉監(jiān)測。選測項目包括:圍巖與噴層接觸壓力監(jiān)測;鋼支撐內(nèi)力監(jiān)測;錨桿軸力監(jiān)測。

一般地段隧道圍巖收斂監(jiān)測內(nèi)容。

(1)監(jiān)測斷面的布置。根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》要求和隧道圍巖實際狀況，在隧道左右線共布設(shè)83個監(jiān)測斷面，其中左線41個，右線42個。

(2)測樁埋設(shè)與測線的布置。隧道開挖采用臺階法進行。測點布置:先在上臺階埋設(shè)l#、2#、3#測樁，對A、B、C，3條測線進行量測;當(dāng)下臺階開挖到達相應(yīng)的監(jiān)測斷面位置時，再埋設(shè)4#、5#測樁，對下部D線進行量測(圖3)。

(3)監(jiān)測頻度。監(jiān)測頻度根據(jù)《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》，第9.2.1條和第9.2.6條規(guī)定，即根據(jù)開挖時間、距開挖面距離和變形速率確定監(jiān)測頻度。取其三者之高值。

(4)監(jiān)測成果分析。綜合各監(jiān)測斷面測線的變形情況，從分析所得的有關(guān)數(shù)據(jù)可以看出:①拱頂下沉的變形速率隨時間和距開挖面距離增大而逐漸降低，拱頂下沉量隨時間呈遞減趨勢，變形逐漸趨于收斂。水平收斂變形的變形速率與時間的關(guān)系呈明顯的收斂趨勢;②隧道圍巖的凈空收斂呈現(xiàn)典型三個階段:第一階段為急劇變形期，10～15 d;第二階段為緩慢變形期，約35 d;第三階段為基本穩(wěn)定期，約40 d;③隧道洞身段為Ⅲ級和級Ⅳ圍巖:以圍巖變形速率小于0.1 mm/d作為圍巖穩(wěn)定的判定準(zhǔn)則是合理的，與實際情況相符。在保阜隧道所有收斂監(jiān)測數(shù)據(jù)中，未出現(xiàn)持續(xù)收斂或者不收斂值等異常情況。亦未出現(xiàn)拱頂?shù)魤K或初期支護開裂等情況，說明初期支護是安全的。同時根據(jù)收斂發(fā)展?fàn)顩r，及時確定了二次襯砌施作時間。

圖3 測樁、測線布置

5 結(jié)束語

在該隧道施工全過程中，通過對隧道施工重大安全風(fēng)險源的辨識與分析評價，制定了風(fēng)險監(jiān)控措施和安全預(yù)案。通過監(jiān)測手段及時發(fā)現(xiàn)施工中的安全風(fēng)險，并采取相應(yīng)的安全風(fēng)險控制措施，避免了隧道施工過程中的風(fēng)險惡化，在工程初始階段取得了良好的經(jīng)濟和安全效益:隧道初期支護無一開裂、掉塊、坍塌事件發(fā)生，隧道施工安全處于可控狀態(tài)。在本次風(fēng)險控制應(yīng)用中得到如下體會:

(1)隧道施工安全風(fēng)險源識別是隧道施工安全的重要步驟，決定了安全工作能否抓住工程施工中的主要矛盾。

(2)隧道安全風(fēng)險監(jiān)控必須貫穿施工全過程，根據(jù)工程進度和實際情況采取有效的手段進行風(fēng)險監(jiān)測、分析，并及時反饋，才能夠指導(dǎo)安全施工。

(3)隧道安全風(fēng)險管理必須要有良好的組織措施和制度措施，從而使得安全風(fēng)險的評估、監(jiān)控和管理的職責(zé)能夠得到有效落實。

［1］楊峰．嘉華隧道施工安全風(fēng)險控制應(yīng)用［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009(6)

［2］陳龍，黃宏偉．巖石隧道工程風(fēng)險淺析［J］．巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005，24(1):110—115