張?zhí)畦F路燕山隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估淺析

高樹(shù)峰

(鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，天津 300251)

1 工程概況

燕山隧道是張?zhí)畦F路最長(zhǎng)的越嶺隧道，隧道地處河北省宣化縣李家堡鄉(xiāng)李家堡村與赤城縣龍關(guān)鎮(zhèn)八里莊村之間。隧道左線進(jìn)口里程為改DK52+940，出口里程為改DK74+118，隧道左線全長(zhǎng)21 178 m;隧道右線進(jìn)口里程為改YDK52+948，出口里程為改YDK74+126，隧道右線全長(zhǎng)21 178 m，隧道最大埋深為轎頂山主峰南側(cè)557 m，最小埋深不足20 m。本隧道為雙洞單線隧道，線間距為40.0 m。隧道內(nèi)凈空滿足“隧限-2A”要求，隧道軌面以上內(nèi)凈空面積30.42 m2。因篇幅有限，本文僅介紹燕山隧道左線施工圖階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)

燕山隧道洞身主要穿越晚太古界水地莊巖組(Ar3s)片麻巖、變粒巖及花崗片麻巖，上侏羅統(tǒng)張家口組(J3z)凝灰?guī)r、安山巖，長(zhǎng)城系常州溝組(Chc)石英砂巖，燕山期二長(zhǎng)花崗巖(ηγ52-2)，燕山期正長(zhǎng)斑巖(ξπ5

2-2)、石英正長(zhǎng)斑巖(ξOπ52-2)。進(jìn)出口部位穿越第四系上更新統(tǒng)坡洪積(Q3dl+pl)新黃土、粉質(zhì)黏土、細(xì)圓礫土、卵石土。

隧道區(qū)地下水按賦存條件的不同，分為以下三種類型:孔隙水、裂隙水及構(gòu)造裂隙水。以左線為例，隧道正常涌水量69 501.18 m3/d，最大涌水量148 522.08 m3/d。左線隧道各級(jí)圍巖級(jí)別及所占比例見(jiàn)圖1。

3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估程序和評(píng)估方法

3.1 評(píng)估對(duì)象及目標(biāo)

圖1 左線隧道各級(jí)圍巖級(jí)別及所占比例

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)象主要為隧道施工過(guò)程中的安全、環(huán)境、投資及工期，并側(cè)重于安全風(fēng)險(xiǎn)。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，識(shí)別所有潛在的風(fēng)險(xiǎn)因素，確定風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，提出風(fēng)險(xiǎn)處理措施，將各類風(fēng)險(xiǎn)降至可接受水平，以達(dá)到確保安全、環(huán)境保護(hù)、投資合理、保障工期、提高效益的目的。

不同的目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)會(huì)造成相同或不同的后果過(guò)，對(duì)應(yīng)關(guān)系見(jiàn)表1。

表1 隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估目標(biāo)與后果或損失

3.2 評(píng)估方法及流程

燕山風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估以定性、半定量為主，結(jié)合現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)定，通過(guò)工程類比進(jìn)行。評(píng)估方法以專家調(diào)查法為主，根據(jù)已掌握的勘測(cè)、設(shè)計(jì)資料分析確定各風(fēng)險(xiǎn)因素可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)事件的概率大小和后果嚴(yán)重程度，評(píng)估流程見(jiàn)圖2。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定及對(duì)不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的接收準(zhǔn)則和處理措施

根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》(鐵建設(shè)［2007］200號(hào))將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)指數(shù)分為極高(Ⅰ級(jí))、高度(Ⅱ級(jí))、中度(Ⅲ級(jí))、低度(Ⅳ級(jí))4個(gè)等級(jí)，該等級(jí)是結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率和嚴(yán)重程度來(lái)確定的，見(jiàn)表2。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

表2 隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

在綜合考慮了地形地質(zhì)條件、勘測(cè)、設(shè)計(jì)有關(guān)資料后，根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定》，將各種風(fēng)險(xiǎn)因素導(dǎo)致相應(yīng)事故發(fā)生的概率及后果分別用1～5五個(gè)數(shù)值來(lái)表示，其中，概率等級(jí)1～5分別代表“很不可能”、“不可能”、“偶然”、“可能”、“很可能”，后果等級(jí)1～5分別代表“輕微的”、“較大的”、“嚴(yán)重的”、“很嚴(yán)重的”、“災(zāi)難性的”;并定義概率及后果的估值的和為風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)，風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)將風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)分為“極高(Ⅰ級(jí))、高度(Ⅱ級(jí))、中度(Ⅲ級(jí))、低度(Ⅳ級(jí))”4個(gè)等級(jí)。對(duì)于不同的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的接受準(zhǔn)則和處理措施見(jiàn)表3。

表3 隧道不同風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)接受準(zhǔn)則和處理措施

4 燕山隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估情況

4.1 燕山隧道主要風(fēng)險(xiǎn)分析

根據(jù)本階段地質(zhì)勘測(cè)資料，隧道主要風(fēng)險(xiǎn)為塌方、突水突泥、巖爆、地下水流失和工期等風(fēng)險(xiǎn)，全隧各段落中存在的風(fēng)險(xiǎn)和可能發(fā)生的典型風(fēng)險(xiǎn)事件分析如下。

4.1.1 塌方風(fēng)險(xiǎn)

本隧道的巖層傾角一般多數(shù)為30°～60°，部分達(dá)70°～89°，屬陡傾巖層，其部分地段地表片麻巖傾角近于直立。巖層層理較發(fā)育，層理結(jié)合面強(qiáng)度較低，在斷層、節(jié)理的切割下，施工中拱部的巖層容易形成大小不同的巖塊或沿層理面發(fā)生滑落，而產(chǎn)生坍方掉塊現(xiàn)象;調(diào)查結(jié)果顯示，隧道出入口及洞身圍巖的節(jié)理，部分地段為節(jié)理發(fā)育～很發(fā)育，巖體較破碎，開(kāi)挖如不及時(shí)支護(hù)、襯砌，有失穩(wěn)滑塌的危險(xiǎn)。

4.1.2 突泥突水風(fēng)險(xiǎn)

隧道區(qū)在節(jié)理裂隙發(fā)育帶、斷裂構(gòu)造帶、巖層接觸帶等部位地下水富集時(shí)存在著突水地質(zhì)災(zāi)害的可能，應(yīng)引起高度的重視，并采取可靠的防治措施。隧道通過(guò)斷裂帶時(shí)，斷層內(nèi)巖體破碎，地下水較豐富，易發(fā)生突水突泥，施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)排水和支撐防護(hù)，及時(shí)襯砌。在地下水位以下挖掘由貧水地段進(jìn)入破碎帶時(shí)，應(yīng)防止突水，做好止排水工作。

4.1.3 巖爆風(fēng)險(xiǎn)

巖爆發(fā)生的條件是巖體中有較高的地應(yīng)力，并且超過(guò)了巖石本身的強(qiáng)度，同時(shí)巖石具有較高的脆性和彈性，在這種條件下，一旦由于地下工程活動(dòng)破壞了巖體原有的平衡狀態(tài)，巖體中積聚的能量導(dǎo)致巖石破壞，并將破碎巖石拋出。燕山隧道在埋深較大、完整性的片麻巖、二長(zhǎng)花崗巖、安山巖、正長(zhǎng)斑巖、石英砂巖及凝灰?guī)r地層中，均有發(fā)生巖爆的可能。

4.1.4 地下水流失風(fēng)險(xiǎn)

燕山隧道在梁家窯～二莊溝一帶，高程為935～975 m，明顯低于該段潛水面高程1 040～1 400 m，盡管隧道在第四系下面片麻巖中通過(guò)，隧道距第四系垂直距離最近有40 m左右，但該段泉眼比較發(fā)育(泉眼多無(wú)流水)，說(shuō)明該地段構(gòu)造裂隙比較發(fā)育，隧道工程可能導(dǎo)致梁家窯～二莊溝一帶地下水位下降，甚至全部流失;隧道在辛窯村北西(出口)高程為1 010 m，辛窯村西泉眼高程為1 120 m，隧道位置略低于地下水潛水面，隧道工程可能導(dǎo)致辛窯村一帶地下水位輕微下降。施工中斷層水極有可能順?biāo)淼老滦?，?duì)施工造成極大危險(xiǎn)。

4.1.5 工期風(fēng)險(xiǎn)

隧道洞身地質(zhì)條件較復(fù)雜，勘測(cè)資料無(wú)法準(zhǔn)確反映隧道區(qū)的地層巖性情況，隧道的圍巖級(jí)別、水量情況有可能發(fā)生變化，進(jìn)而影響施工進(jìn)度。

4.2 隧道初始風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

經(jīng)評(píng)估，左線隧道中的主要典型風(fēng)險(xiǎn)事件類型為塌方、突水突泥及巖爆風(fēng)險(xiǎn);初始風(fēng)險(xiǎn)為高度及以上的共有52處。具體情況如下:(1)塌方風(fēng)險(xiǎn):塌方風(fēng)險(xiǎn)為極高的段落共有17處，高度的段落共有5處。(2)突水突泥風(fēng)險(xiǎn):突水突泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為極高的段落共15段，高度的段落共4段。(3)巖爆風(fēng)險(xiǎn):巖爆風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為極高的段落共4段，高度的段落共7段。

其余地段各類初始風(fēng)險(xiǎn)均為中度及其以下。燕山左線隧道初始風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖3。

圖3 燕山隧道左線初始風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)

4.3 隧道采取的風(fēng)險(xiǎn)控制措施

4.3.1 塌方風(fēng)險(xiǎn)控制措施

隧道采取的塌方風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要有:(1)強(qiáng)化超前支護(hù)。進(jìn)洞環(huán)節(jié)拱部設(shè)置1環(huán)超前大管棚。Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖拱部設(shè)置超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固;根據(jù)不同的圍巖情況及構(gòu)造特征，采取預(yù)注漿加固圍巖;(2)加強(qiáng)初期支護(hù)。節(jié)理裂隙發(fā)育或地下水豐富地段的Ⅴ級(jí)圍巖采用型鋼鋼架，并適當(dāng)縮短鋼架間距;(3)嚴(yán)格控制開(kāi)挖進(jìn)尺，遵循“管超前、弱爆破、強(qiáng)支護(hù)、早封閉、勤量測(cè)、及時(shí)襯砌”的施工原則，確保不出現(xiàn)塌方;(4)加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)。通過(guò)監(jiān)控量測(cè)成果分析，及早掌握圍巖及支護(hù)的動(dòng)態(tài)狀況，以便采取有效措施，并及時(shí)調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù);(5)對(duì)于軟弱圍巖段，及時(shí)施做二次襯砌，確保安全;(6)隧道洞身斷層破碎帶地段，水量不大處采用密排長(zhǎng)導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù)，水量較大處采用帷幕注漿加強(qiáng)支護(hù)，隧道洞身淺埋角礫土段采用密排長(zhǎng)導(dǎo)管加強(qiáng)支護(hù)。

4.3.2 突水突泥風(fēng)險(xiǎn)控制措施

隧道采取的突水突泥風(fēng)險(xiǎn)控制措施主要有:(1)加強(qiáng)地質(zhì)超前預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)，以超前鉆孔為主加地質(zhì)素描，其他物探手段為輔。主要預(yù)測(cè)斷層破碎帶的巖性、斷層破碎帶的性質(zhì)以及地下水情況，包括水量以及水壓;(2)根據(jù)地下水情況采取措施，襯砌采用加強(qiáng)型襯砌。(3)Ⅳ、Ⅴ圍巖均采用超前小導(dǎo)管。在圍巖不整合接觸帶采用密排長(zhǎng)導(dǎo)管加固支護(hù);(4)加強(qiáng)施工管理，推行標(biāo)準(zhǔn)化管理。

4.3.3 巖爆風(fēng)險(xiǎn)控制措施

在埋深較大、完整性硬巖地層中，均有發(fā)生巖爆的可能，在可能存在巖爆地段采取加強(qiáng)超前預(yù)報(bào)和地應(yīng)力監(jiān)測(cè)，掌子面撒水，釋放應(yīng)力。

4.3.4 地下水流失風(fēng)險(xiǎn)控制措施

為防止隧道的開(kāi)挖導(dǎo)致水資源的流失，對(duì)隧道穿越的村莊范圍采用帷幕注漿、超前周邊注漿或徑向注漿堵水的措施，保護(hù)地下水資源。

4.3.5 工期風(fēng)險(xiǎn)控制措施

隧道洞身所處地層巖性較為復(fù)雜，隧道地質(zhì)條件有可能發(fā)生較大變化。為保證施工工期，施工中應(yīng)加強(qiáng)施工管理，注意各工序間的銜接。施工中如發(fā)現(xiàn)圍巖情況與設(shè)計(jì)有所出入或其他異常情況應(yīng)及時(shí)反饋，采取相應(yīng)措施，防止由于發(fā)生突水突泥、塌方等事故而延誤隧道工期的情況發(fā)生。

4.4 隧道殘留風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

采取了風(fēng)險(xiǎn)控制措施以后，對(duì)本隧道中殘留的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，燕山左線隧道殘留風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)見(jiàn)圖4。

圖4 燕山隧道左線殘留風(fēng)險(xiǎn)統(tǒng)計(jì)

由上述表格可以看出，隧道殘留風(fēng)險(xiǎn)中已不存在極高或高度風(fēng)險(xiǎn)，隧道的各種風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)均控制在中度以下。

4.5 評(píng)估結(jié)論

通過(guò)對(duì)燕山隧道工程條件的概述和初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的確定，部分風(fēng)險(xiǎn)因素可導(dǎo)致“極高”或“高度”風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)事件。通過(guò)采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施后，能夠?qū)L(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降為“中度”及以下。因此，燕山隧道的建設(shè)在安全、工期、環(huán)境等多個(gè)目標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)方面都是可以接受的，設(shè)計(jì)方案可行。

鑒于燕山隧道發(fā)生塌方、突泥突水和巖爆的概率較大，初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)有“高度”級(jí)別和部分“極高”級(jí)別，因此將該隧道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)暫定為Ⅰ級(jí)(極高風(fēng)險(xiǎn))隧道。

5 隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的幾個(gè)問(wèn)題的淺析

5.1 隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定問(wèn)題

現(xiàn)階段隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要以定性為主，結(jié)合現(xiàn)有統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及現(xiàn)行規(guī)范、規(guī)定，通過(guò)工程類比進(jìn)行。評(píng)估方法以專家調(diào)查法為主，根據(jù)已掌握的勘測(cè)、設(shè)計(jì)資料分析確定各風(fēng)險(xiǎn)因素可能導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)事件的概率大小和后果嚴(yán)重程度。這樣，判定隧道的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)沒(méi)有具體的量化標(biāo)準(zhǔn)，沒(méi)有統(tǒng)一的劃分隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的標(biāo)準(zhǔn)體系，人為因素過(guò)多，比較隨意。

5.2 非高風(fēng)險(xiǎn)隧道，對(duì)于特殊段落應(yīng)提高風(fēng)險(xiǎn)管理等級(jí)

隧道風(fēng)險(xiǎn)管理現(xiàn)階段是以整個(gè)隧道為基本單位的。實(shí)際上，有的隧道，整條隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)并不高，但其中的某段落殘余風(fēng)險(xiǎn)可能極高。按現(xiàn)階段的風(fēng)險(xiǎn)管理方式，風(fēng)險(xiǎn)很大。建議這種段落也按極高風(fēng)險(xiǎn)隧道管理，防止事故的發(fā)生。

5.3 地質(zhì)選線應(yīng)高度重視，這是規(guī)避隧道重大風(fēng)險(xiǎn)的重要手段

隧道的最大風(fēng)險(xiǎn)就是地質(zhì)方面的風(fēng)險(xiǎn)，隧道洞身的地應(yīng)力大小，膨脹巖特性，深層天然氣出露部位、巖溶隧道的水量和突水部位、大的地質(zhì)構(gòu)造等等，都是隧道風(fēng)險(xiǎn)的源頭。在勘察設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)查明鐵路隧道內(nèi)的不良地質(zhì)，并對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，采用風(fēng)險(xiǎn)相對(duì)較小的方案實(shí)施。

5.4 風(fēng)險(xiǎn)管理應(yīng)動(dòng)態(tài)地開(kāi)展

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及管理應(yīng)動(dòng)態(tài)地開(kāi)展，建立風(fēng)險(xiǎn)監(jiān)控程序、信息報(bào)送程序、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警程序、風(fēng)險(xiǎn)處理程序。

5.5 落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)控制措施

落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)控制措施的關(guān)鍵在于根據(jù)已掌握的有關(guān)風(fēng)險(xiǎn)因素和風(fēng)險(xiǎn)事件，確定工程措施的適應(yīng)性、可操作性。工程措施應(yīng)針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)事件的特性，具有一定的冗余涵蓋面和施作可調(diào)性，如注漿堵水范圍、瓦斯隧道通風(fēng)方式和能力等。落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)控制措施的另一要點(diǎn)是風(fēng)險(xiǎn)事件出現(xiàn)的征兆和判定指標(biāo)的正確性(風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警標(biāo)準(zhǔn)和預(yù)警分級(jí))。判據(jù)確定的誤差過(guò)大時(shí)，可能導(dǎo)致控制措施的效能喪失或風(fēng)險(xiǎn)的轉(zhuǎn)換。如軟巖變形條件下的初期支護(hù)失格判據(jù)、煤與瓦斯突出指標(biāo)、涌水突水的判定標(biāo)準(zhǔn)。

5.6 要特別重視施工階段的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及管理

設(shè)計(jì)階段風(fēng)險(xiǎn)因素相對(duì)施工階段少，易于識(shí)別，故通過(guò)認(rèn)真細(xì)致的工作，可以做到降低重大風(fēng)險(xiǎn)。施工階段情況復(fù)雜，風(fēng)險(xiǎn)因素多，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)還可能會(huì)升高，應(yīng)重視風(fēng)險(xiǎn)因素的識(shí)別，跟蹤風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的變化切實(shí)開(kāi)展風(fēng)險(xiǎn)管理尤為重要。

6 結(jié)論

本文僅對(duì)燕山隧道施工圖階段風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估做了簡(jiǎn)單介紹。鐵路隧道發(fā)生各類風(fēng)險(xiǎn)的概率較其他行業(yè)高，且一旦發(fā)生事故，所造成的損失較大。因此應(yīng)將風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估貫穿于整個(gè)設(shè)計(jì)及施工過(guò)程。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的是辯識(shí)最重要的風(fēng)險(xiǎn)，并加以管理，在隧道設(shè)計(jì)的各個(gè)階段和施工期間，有不同的最重要的風(fēng)險(xiǎn)，因此每個(gè)階段都應(yīng)該有針對(duì)性的進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并制定相應(yīng)的應(yīng)急預(yù)案，將風(fēng)險(xiǎn)消滅在搖籃里，杜絕隧道事故的發(fā)生。

［1］鐵建設(shè)［2007］200號(hào) 鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理暫行規(guī)定［S］.

［2］鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司.張?zhí)畦F路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估報(bào)告［Z］.天津:鐵道第三勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，2011.

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