大斷面淺埋公路隧道進(jìn)口段施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制＊

黃 越，寇君淑，鄧祥輝，2，李 鵬

（1．西安工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院，西安710021；2．長(zhǎng)安大學(xué) 公路學(xué)院，西安710064）

隨著中國(guó)交通建設(shè)的快速發(fā)展，為了滿足日益增長(zhǎng)的交通量需求和達(dá)到交通條件的要求，山嶺隧道的數(shù)量日益增多，然而隨著隧道建設(shè)的不斷發(fā)展，大斷面淺埋的公路隧道越來越多，在大斷面、大跨度公路隧道的發(fā)展趨勢(shì)下，隧道施工的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)逐漸提高，難度也逐漸增大［1-2］．文獻(xiàn)［3］提出受大斷面公路隧道自身跨度大、形狀扁平的影響，開挖過后應(yīng)力集中程度是一般隧道的一到兩倍．文獻(xiàn)［4］提出隧道進(jìn)出口段埋深較淺，隧道的開挖程度較大，從而導(dǎo)致無法形成有效的承載拱，由于開挖的影響，圍巖產(chǎn)生較大的松動(dòng)變形．文獻(xiàn)［5］提出大斷面淺埋公路隧道進(jìn)出口處圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，地層埋深較淺，且受降雨和地下水影響較大，在隧道進(jìn)出口處由于施工擾動(dòng)，更易發(fā)生坍塌等風(fēng)險(xiǎn)事件，故隧道施工的難點(diǎn)為山嶺隧道進(jìn)口處段的施工，因此，對(duì)隧道進(jìn)出口段施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估不可或缺．

設(shè)計(jì)階段和施工階段是隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估最主要的兩個(gè)階段．風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估按照研究方法分為兩種：①采用數(shù)學(xué)方法對(duì)整個(gè)項(xiàng)目或工程進(jìn)行定量計(jì)算，得出風(fēng)險(xiǎn)值及影響并排序，如層次分析法、模糊綜合評(píng)價(jià)法、蒙特卡羅法等［6-10］；②采用專家調(diào)查研究的方法，對(duì)指定工程或項(xiàng)目進(jìn)行實(shí)地勘察、資料分析，憑借專家的知識(shí)及經(jīng)驗(yàn)，判斷、評(píng)估和預(yù)測(cè)該項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)．根據(jù)某高速公路隧道的進(jìn)口段設(shè)計(jì)資料、工程地質(zhì)情況、水文及施工工法等資料，采用專家調(diào)查法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)，層次分析對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行等級(jí)評(píng)估［11-12］．

本文以某高速公路隧道進(jìn)口段為研究對(duì)象，對(duì)進(jìn)口段施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過專家調(diào)查法依據(jù)隧道進(jìn)口段地質(zhì)條件、施工工法及設(shè)計(jì)圖紙對(duì)隧道進(jìn)口段施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，采用層次分析法對(duì)識(shí)別出的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素重要性排序，在此基礎(chǔ)上給出對(duì)進(jìn)口段圍巖進(jìn)行小導(dǎo)管注漿及管棚加固、嚴(yán)格控制進(jìn)口段一次開挖進(jìn)尺、積極實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控系列風(fēng)險(xiǎn)控制措施，為大斷面淺埋公路隧道進(jìn)口段施工進(jìn)行有效的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理，保障隧道進(jìn)口段安全施工提供參考．

1 工程概況

1．1 地質(zhì)水文條件

某公路隧道屬于寶漢高速（漢中-陜川界）項(xiàng)目HC-09合同段，位于留壩縣武關(guān)驛鎮(zhèn)武關(guān)河村南側(cè)，G316國(guó)道西側(cè)．隧道按左、右線分離式設(shè)計(jì)，左線里程樁號(hào)ZK158＋598～ZK158＋788，長(zhǎng)190 m；右線里程樁號(hào)YK158＋579～YK158＋784，長(zhǎng)205m，均屬短隧道．

該公路隧道進(jìn)口位于褒河右岸谷坡坡腳，洞線與坡面基本垂直，不存在偏壓情況．隧道進(jìn)口段現(xiàn)坡面傾向357°，傾角27°，現(xiàn)狀條件下自然坡坡面穩(wěn)定，現(xiàn)坡面為全強(qiáng)風(fēng)化的花崗巖，洞門開挖易引起全風(fēng)化花崗巖邊坡失穩(wěn)．出口位于褒河右岸一巖質(zhì)谷坡，坡面傾角178°，傾角42°，現(xiàn)狀條件下自然坡坡面穩(wěn)定，現(xiàn)坡面直接出露全風(fēng)化花崗巖．隧道左右線進(jìn)相距26m，兩者埋深均小于36m，洞口段埋深屬淺埋段．隧道左線Ⅴ級(jí)圍巖段長(zhǎng)104m，右線Ⅴ級(jí)圍巖段長(zhǎng)121m，左、右線進(jìn)口段均為Ⅴ級(jí)淺埋圍巖．該公路隧道縱斷面如圖1所示．

圖1 某公路隧道縱斷面圖Fig．1 Profile view of a highway tunnel

隧址區(qū)地下水主要為基巖裂隙水，呈潛水狀態(tài)，由于受地形限制，隧址區(qū)在強(qiáng)中風(fēng)化基巖中裂縫發(fā)育，但沒有形成儲(chǔ)水構(gòu)造，該隧址區(qū)正常涌水量為34．01m3·d-1，雨季最大涌水量為60．04m3·d-1，圍巖滲透性很高，水量和水位受季節(jié)制約，雨季時(shí)水量相對(duì)較大．

1．2 隧道施工方法

1．2．1 隧道設(shè)計(jì)參數(shù)

隧道內(nèi)輪廓結(jié)構(gòu)斷面為三圓心曲墻式斷面，如圖2所示，隧道開挖面積為124．20m2，屬于大斷面隧道．

圖2 隧道內(nèi)輪廓設(shè)計(jì)圖（cm）Fig．2 Tunnel contour design（cm）

洞口段圍巖初期支護(hù)為C20強(qiáng)度等級(jí)的噴射混凝土10cm，網(wǎng)格間距為20cm×20cm的?8 mm鋼筋網(wǎng)，施工過程中對(duì)圍巖進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)．在初期支護(hù)穩(wěn)定后，全斷面施作模筑襯砌混凝土，并在襯砌混凝土拱腳處采用加厚曲墻和仰拱，以控制隧道的沉降．

隧道進(jìn)口左、右線進(jìn)口出為確保仰坡穩(wěn)定，臨時(shí)防護(hù)采用錨、噴、網(wǎng)防護(hù)，C20混凝土10cm，掛?8mm鋼筋網(wǎng)，網(wǎng)格間距20cm×20cm，?22mm砂漿錨桿長(zhǎng)350cm，采用梅花形布設(shè)，間距為120cm×120cm．

1．2．2 洞口施工方法

隧道洞口段采用中隔壁（Center Diaphragm，CD）法施工，施工方法如圖3所示．CD法施工工序：拱部用超前小導(dǎo)管注漿加固地層→開挖上部Ⅰ→左側(cè)導(dǎo)坑上部初期支護(hù)，中隔墻臨時(shí)支護(hù)→開挖左側(cè)導(dǎo)坑下部Ⅱ→左側(cè)導(dǎo)坑下部初期支護(hù)，中隔墻臨時(shí)支護(hù)→開挖右側(cè)導(dǎo)坑上部Ⅲ→右側(cè)導(dǎo)坑上部初期支護(hù)→開挖右側(cè)導(dǎo)坑下部Ⅳ→右側(cè)導(dǎo)坑邊墻及仰拱初期支護(hù)→拆除中隔壁，拱墻二次襯砌，各分部開挖保持3m錯(cuò)距．

圖3 CD法施工Fig．3 CD construction method

2 風(fēng)險(xiǎn)分析及控制

2．1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過程

風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和風(fēng)險(xiǎn)控制是公路隧道洞口段施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的三個(gè)階段．首先根據(jù)地形地貌、工程地質(zhì)條件、施工工藝等對(duì)洞口段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)；其次，以確定的風(fēng)險(xiǎn)源為基礎(chǔ)，采用專家調(diào)查法和層次分析法分別確定其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源的重要性進(jìn)行排序．最后，根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源的重要性以及后果等級(jí)，針對(duì)本隧道采取相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施措施降低施工階段的風(fēng)險(xiǎn)．

2．2 評(píng)估結(jié)果及控制對(duì)策

2．2．1 評(píng)估結(jié)果

某公路隧道進(jìn)口段埋深小于36m，頂部巖土體厚度較小，屬淺埋，不足以形成穩(wěn)定的平衡拱，且原巖結(jié)構(gòu)破碎，在施工開挖擾動(dòng)與降雨作用下，極易造成洞口巖體的滑塌和失穩(wěn)．通過專家調(diào)查法，分析得出在該隧道進(jìn)口段施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)有掌子面失穩(wěn)、邊仰坡失穩(wěn)、大變形和突涌水等四類．引發(fā)上述四類風(fēng)險(xiǎn)的因素為洞口段埋深、斷面大小、圍巖條件、支護(hù)參數(shù)、施工方法、降雨及地下水．

運(yùn)用層次分析法，建立風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)，如圖4所示．結(jié)合系統(tǒng)工程理論通過反復(fù)詢問作答的方法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性進(jìn)行比較，具體對(duì)比結(jié)果見表1．分別針對(duì)每一種風(fēng)險(xiǎn)，比較風(fēng)險(xiǎn)因素重要性，根據(jù)其重要程度進(jìn)行賦值，賦值方法見表2，將賦值結(jié)果列成6階矩陣，求得最大特征值，并對(duì)一致性指數(shù)進(jìn)行驗(yàn)算．

1）對(duì)于施工風(fēng)險(xiǎn)C1，P3＞P5＞P2＞P4＞P1＞P6，掌子面失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果見表3．

圖4 進(jìn)口段施工風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)Fig．4 Risk hierarchy of portal construction

表1 風(fēng)險(xiǎn)因素重要性對(duì)比表Tab．1 The importance comparison of risk factors

表2 風(fēng)險(xiǎn)因素重要性賦值表Tab．2 Scale evaluation of affect degree of risk factors

表3 掌子面失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果Tab．3 Pairwise comparison of the influence of risk factors on tunnel face

表3中賦值構(gòu)成6階矩陣，其最大特征值λmax＝6．372 0；一致性指數(shù)CI為

查表4知RI＝1．24，由式（1）～（2）得CR＝0．06＜0．1．

表4 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)Tab．4 Mean random consistency index

2）對(duì)于施工風(fēng)險(xiǎn)C2，P3＞P1＞P6＞P5＞P4＞P2，邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果見表5．

表5 邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果Tab．5 Pairwise comparison of the influence of risk factors on slope stability

表5中賦值構(gòu)成6階矩陣，該6階矩陣的最大特征值λmax＝6．372 0；一致性指數(shù)CI＝0．074 4，一致性比率CR＝0．06＜0．1．

3）對(duì)于施工風(fēng)險(xiǎn)C3，P3＞P1＞P2＞P6＞P5＞P4，洞口塌方失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果見表6．

表6 洞口塌方失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果Tab．6 Pairwise comparison of the influence of risk factors on collapse

表6中賦值構(gòu)成6階矩陣，其最大特征值λmax＝6．606 5；一致性指數(shù)CI＝0．121 3；一致性比率CR＝0．098＜0．1．

4）對(duì)于施工風(fēng)險(xiǎn)C4，P3＞P6＞P5＞P1＝P2＞P4，大變形風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果見表7．

表7 大變形風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果Tab．7 Pairwise comparison of the influence of risk factors on deformation

表7中賦值構(gòu)成6階矩陣，其最大特征值λmax＝6．222 0；一致性指數(shù)CI＝0．044 4；一致性比率CR＝0．036＜0．1．

依據(jù)以上各施工風(fēng)險(xiǎn)相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)因素重要性兩兩比較賦值結(jié)果，通過計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素相對(duì)權(quán)重系數(shù)得到層次單排序結(jié)果以及總排序結(jié)果（見表8～9），從表8～9看出，大斷面淺埋隧道進(jìn)口段施工風(fēng)險(xiǎn)總排序，由高到低依次為掌子面失穩(wěn)、大變形、邊仰坡失穩(wěn)和突涌水．

表8 施工風(fēng)險(xiǎn)重要性兩兩比較賦值結(jié)果Tab．8 Pairwise comparison of the influence of risk factors on construction

從表9看出，某公路隧道進(jìn)口段施工風(fēng)險(xiǎn)因素重要性等級(jí)依次為圍巖條件→施工工法→斷面大小→洞口段埋深→支護(hù)方案→降雨及地下水．依據(jù)以上結(jié)果，在進(jìn)口段施工階段可依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度，采取有效的風(fēng)險(xiǎn)控制措施應(yīng)對(duì)．

2．2．2 風(fēng)險(xiǎn)控制對(duì)策

針對(duì)某大斷面淺埋公路隧道進(jìn)口段施工風(fēng)險(xiǎn)因素重要性等級(jí)，對(duì)該隧道采取以下風(fēng)險(xiǎn)控制措施：①在該進(jìn)口段對(duì)圍巖進(jìn)行小導(dǎo)管注漿及管棚加固，施工過程遵循“先加固、后開挖”的原則；②采用CD法施工時(shí)，嚴(yán)格控制進(jìn)口段一次開挖進(jìn)尺，開挖尺寸及爆破裝藥量；③在施工過程中，積極實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控，進(jìn)行隧道拱頂沉降與地表沉降監(jiān)測(cè)，分析該隧道圍巖穩(wěn)定性，及時(shí)變更支護(hù)參數(shù)．

經(jīng)該隧道開挖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際拱頂沉降與地表沉降監(jiān)測(cè)分析及驗(yàn)證，證明上述風(fēng)控措施可有效控制和規(guī)避風(fēng)險(xiǎn)，保證施工安全．

表9 總排序結(jié)果表Tab．9 Overall order of different excavation methods

3 結(jié) 論

以某公路隧道為工程實(shí)例，采用專家調(diào)查法和層次分析法相結(jié)合方法對(duì)洞口段施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，在此基礎(chǔ)上制定針對(duì)大斷面淺埋公路隧道進(jìn)口段施工的風(fēng)險(xiǎn)控制措施，得出的結(jié)論為

1）大斷面淺埋公路隧道進(jìn)口段施工存在掌子面失穩(wěn)、邊仰坡失穩(wěn)、大變形和突涌水四類風(fēng)險(xiǎn)；引發(fā)這四類風(fēng)險(xiǎn)的因素為洞口段埋深、斷面大小、圍巖條件、支護(hù)參數(shù)、施工工法、降雨及地下水．

2）運(yùn)用層次分析法給出大斷面淺埋公路隧道進(jìn)口段施工風(fēng)險(xiǎn)層次結(jié)構(gòu)，計(jì)算得到了各風(fēng)險(xiǎn)因素的綜合權(quán)重，結(jié)果顯示在各風(fēng)險(xiǎn)因素中圍巖條件對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)的影響最大，其次為施工工法．

3）給出了大斷面淺埋公路隧道進(jìn)口段施工的風(fēng)險(xiǎn)控制措施：在該隧道進(jìn)口段對(duì)圍巖進(jìn)行小導(dǎo)管注漿及管棚加固；施工過程嚴(yán)格控制進(jìn)口段一次開挖進(jìn)尺、開挖尺寸及爆破裝藥量；在施工過程中，積極實(shí)施動(dòng)態(tài)監(jiān)控，進(jìn)行隧道拱頂沉降與地表沉降監(jiān)測(cè)，分析該隧道圍巖穩(wěn)定性，及時(shí)變更支護(hù)參數(shù)．該隧道開挖現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際驗(yàn)證以上風(fēng)控措施有效可行．

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