鐘鳴二號隧道施工階段風(fēng)險評估

王樹杰，楊新安，李得昌

(同濟(jì)大學(xué) 城市軌道與鐵道工程系，上海 200092)

隧道施工風(fēng)險大，國外早在20世紀(jì)90年代中期就已給出了實(shí)用的風(fēng)險分析技術(shù)，并將其應(yīng)用于公路隧道[1]。根據(jù)我國鐵道部2007年發(fā)布的《鐵路隧道風(fēng)險評估與管理暫行規(guī)定》[2](以下簡稱暫規(guī))，所有隧道在施工階段都需進(jìn)行風(fēng)險評估，特別是風(fēng)險因素較多的高難度施工隧道。本文在設(shè)計階段施工組織設(shè)計、現(xiàn)場調(diào)查和以往工程實(shí)例[3-5]的基礎(chǔ)上，結(jié)合暫規(guī)對寧安鐵路鐘鳴二號隧道施工進(jìn)行了風(fēng)險評估。

1 工程概況

鐘鳴二號隧道是新建寧安城際鐵路池州至安慶段的一條施工難度較高的隧道。隧道位于安徽省銅陵縣鐘鳴鎮(zhèn)境內(nèi)，起訖里程為DK140+830—DK141+628，全長798 m。隧道穿越地層地質(zhì)條件差，隧道全長屬淺埋、Ⅴ級圍巖，局部屬超淺埋;地下水主要為基巖裂隙水，不發(fā)育，降雨后滲水嚴(yán)重;圍巖遇水易軟化變形，施工難度大。同時，隧道為寧安鐵路鋪架工程的主要運(yùn)梁通道，工期緊，控制指標(biāo)高。

鐘鳴二號隧道進(jìn)、出口端各有75 m、63 m采用明挖法施工;隧道采用新奧法施工原理進(jìn)行開挖，進(jìn)、出口段采用中隔壁法(CD法)施工，洞身圍巖較穩(wěn)定段改為三臺階臨時仰拱法。

2 隧道施工主要風(fēng)險因素分析

2.1 地質(zhì)條件風(fēng)險

1)土質(zhì)松散。隧道洞身及上覆地層軟弱，裂隙多，屬Ⅴ級圍巖。由于隧道洞身位于地下水水位以下，在施工過程中，受地下水的影響，粉質(zhì)黏土和全風(fēng)化層易變形，向洞室臨空面擠出;粗圓礫土(夾漂石)組成的圍巖很不穩(wěn)定，頂部掉塊嚴(yán)重，部分頂部掉塊后超挖30～40 cm。雨天地下水豐富，圍巖土體易滲漏，容易造成圍巖內(nèi)細(xì)顆粒的大量流失，極易發(fā)生塌方，引起洞壁失穩(wěn)和地表沉陷。

隧道明挖段屬高邊坡施工，最高達(dá)18 m。邊坡揭露多為粉質(zhì)黏土，土質(zhì)松軟，遇水易軟化滑塌。施工中已采用錨噴網(wǎng)加固，但由于錨桿長度偏小，防護(hù)效果不好，曾發(fā)生仰坡滑動導(dǎo)致導(dǎo)向墻倒塌事故。兩側(cè)邊坡及仰坡多次出現(xiàn)裂縫，采用一些措施后，使得裂縫影響減小。但裂縫仍在發(fā)展，如防護(hù)不當(dāng)，遇雨天極有可能引起山體開裂變形，甚至再次坍塌。

2)淺埋。隧道的覆蓋層厚度僅0～22 m，屬于超淺埋或淺埋開挖。圍巖內(nèi)無有效的承拱作用，易造成拱頂塌方;隧道變形不易控制，容易造成山體開裂變形[6]。隧道一旦坍塌，很可能發(fā)生冒頂事故。同時，雨天地表水通過基巖裂隙大量滲入，降低圍巖強(qiáng)度，增加開挖難度，極易造成圍巖失穩(wěn)。

3)偏壓。隧道進(jìn)、出口段屬洞口淺埋、偏壓地段。出口端偏壓嚴(yán)重，右側(cè)最小埋深5 m。偏壓地段由于圍巖受力不對稱，隧道成拱效果不好，穩(wěn)定性差。開挖后與初期支護(hù)完成前，在周邊圍巖側(cè)向壓力的情況下，覆蓋層薄的一側(cè)洞身易出現(xiàn)坍塌，形成“神仙洞”[7-8]。

2.2 環(huán)境條件風(fēng)險

1)沖溝。在隧道右側(cè)存在一條沖溝，在里程DK140+980—DK141+5處與隧道斜交，過隧道中線，根據(jù)地形走勢DK140+990—DK141+10段為隧道埋深的最淺處。其附近村民為種樹挖掘了一處水坑，水坑底部距隧道頂部僅3.5 m，并且地層松散夾有漂石。降雨后雨水匯聚于此，對隧道施工影響非常大，很有可能發(fā)生坍塌冒頂事故。

2)下穿公路。隧道在里程 DK141+110—DK141+120處下穿一條公路，埋深21 m。因附近建立了一處料場，重載車輛大量通過，其動荷載對隧道施工影響巨大，極易引起圍巖變形和隧道塌方。

3 風(fēng)險評估

3.1 風(fēng)險指標(biāo)體系

根據(jù)對隧道主要的地質(zhì)條件和環(huán)境條件風(fēng)險因素分析，總結(jié)得出鐘鳴二號隧道施工主要風(fēng)險事件有塌方、山體開裂變形和邊坡坍塌。目標(biāo)風(fēng)險為安全風(fēng)險、工期風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險。結(jié)合以往工程實(shí)例，建立鐘鳴二號隧道施工風(fēng)險指標(biāo)體系，見表1。

3.2 風(fēng)險評價標(biāo)準(zhǔn)

鐵路隧道風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)包括事故發(fā)生概率的等級標(biāo)準(zhǔn)、事故發(fā)生后果的等級標(biāo)準(zhǔn)和風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)風(fēng)險等級為低度和中度時，風(fēng)險為可接受和可忽略范圍;當(dāng)風(fēng)險等級為高度和極高時，必須針對風(fēng)險采取措施，將風(fēng)險降低到可接受或可忽略范圍。風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)具體內(nèi)容詳見暫規(guī)[1]。

表1 鐘鳴二號隧道施工風(fēng)險評估指標(biāo)體系

3.3 隧道初始風(fēng)險等級評估

根據(jù)風(fēng)險分級及接受標(biāo)準(zhǔn)，采用專家打分法對初始風(fēng)險等級進(jìn)行評估，基于保守考慮，取安全風(fēng)險、工期風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險中概率等級和后果等級的最大值，再利用“R=P×C”(R表示風(fēng)險，P表示風(fēng)險因素發(fā)生的概率，C表示風(fēng)險因素發(fā)生時可能產(chǎn)生的后果)法求出隧道綜合風(fēng)險權(quán)重，最終得到隧道各段施工風(fēng)險事件的風(fēng)險等級，評估結(jié)果見表2。

表2 鐘鳴二號隧道初始風(fēng)險等級表

4 主要風(fēng)險控制措施

按照評估結(jié)果，本隧道各段施工風(fēng)險事件雖風(fēng)險綜合權(quán)重不同，但全屬高度等級風(fēng)險，屬不可接受范圍，需采取針對性措施將風(fēng)險降低至可接受或可忽略范圍。限于篇幅，本文僅對隧道施工中的典型風(fēng)險控制措施進(jìn)行闡述。

1)邊坡坍塌風(fēng)險控制措施

施工應(yīng)改用長錨索噴網(wǎng)防護(hù)，加深錨桿打入深度，利用穩(wěn)定土體的牽拉作用使高邊坡穩(wěn)定;在高邊坡上部采用地表注漿對土體進(jìn)行加固;對邊坡上部卸載。

2)塌方風(fēng)險控制措施

在洞口段及圍巖較差段，開挖施工嚴(yán)格按照中隔壁法(CD法)施工;若圍巖比較穩(wěn)定，可將施工方法更換為三臺階臨時仰拱法，以加快施工進(jìn)度。盡量縮短開挖進(jìn)尺，仰拱及時閉合，二襯緊跟，控制預(yù)留變形量，同時加強(qiáng)監(jiān)控量測。洞口采用長管棚預(yù)支護(hù)，其他段采用雙層小導(dǎo)管注漿加固。

3)山體開裂變形風(fēng)險控制措施

對明挖段頂面卸載，坡面采用長錨索噴網(wǎng)防護(hù);暗挖段采用地表注漿加固，洞頂用鋼管打入加固。

4)沖溝段風(fēng)險控制措施

沖溝段更改開挖方式，采用明挖法施工，邊坡高度控制在18 m以內(nèi);在明挖處向前增加一個進(jìn)口，以提高施工進(jìn)度，保證工期要求。同時采取防止邊坡坍塌風(fēng)險控制措施。

5)下穿公路段風(fēng)險控制措施

施工至公路處，先將公路改道，待隧道二襯施工完成后，再移回原處。同時采取防止塌方、山體開裂變形風(fēng)險控制措施。

5 殘余風(fēng)險

針對初始風(fēng)險采取以上多項(xiàng)施工技術(shù)措施后，施工風(fēng)險會相應(yīng)降低，但不可能完全消除，結(jié)合初始風(fēng)險評估結(jié)果和制訂的對策措施，對鐘鳴二號隧道施工殘余風(fēng)險進(jìn)行評估，評估結(jié)果顯示風(fēng)險等級都已降至中度或低度，為可以接受風(fēng)險。

6 結(jié)論

1)鐘鳴二號隧道是典型的淺埋高風(fēng)險隧道，又與沖溝斜交，下穿公路，施工風(fēng)險高。通過對地質(zhì)條件和環(huán)境條件風(fēng)險因素進(jìn)行分析，確認(rèn)施工存在塌方、邊坡坍塌、山體開裂變形的安全風(fēng)險，同時存在工期風(fēng)險和環(huán)境風(fēng)險。

2)根據(jù)風(fēng)險分級及接受標(biāo)準(zhǔn)，采用專家打分法對初始風(fēng)險等級進(jìn)行評估，再利用“R=P×C”法求出隧道綜合風(fēng)險權(quán)重，得到鐘鳴二號隧道各段各風(fēng)險事件的風(fēng)險等級。

3)針對初始風(fēng)險，對隧道主要風(fēng)險提出多項(xiàng)技術(shù)、管理措施。殘余風(fēng)險等級降至中度或低度，措施有效地降低了隧道施工風(fēng)險。

4)隧道施工風(fēng)險大，風(fēng)險管理應(yīng)貫穿于工程實(shí)施的整個過程，施工時應(yīng)跟蹤措施實(shí)施后的風(fēng)險因素及風(fēng)險等級變化，實(shí)施動態(tài)化的風(fēng)險管理。

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