山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論與方法及工程應(yīng)用

袁永才，李術(shù)才，李利平，雷霆，王升，孫柏林(.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南，5006；.湖北省?？抵烈瞬咚俟方ㄔO(shè)指揮部，湖北 宜昌，44400)

山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)理論與方法及工程應(yīng)用

袁永才1，李術(shù)才1，李利平1，雷霆1，王升1，孫柏林2
(1.山東大學(xué) 巖土與結(jié)構(gòu)工程研究中心，山東 濟(jì)南，250061；
2.湖北省?？抵烈瞬咚俟方ㄔO(shè)指揮部，湖北 宜昌，444200)

為確保隧道施工安全，基于突變理論建立隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的突變理論模型?；谖覈?guó)近300例隧道塌方資料的分析，結(jié)合隧道的地質(zhì)因素、勘察設(shè)計(jì)因素以及施工因素，選取圍巖級(jí)別、地下水、偏壓、埋深、地質(zhì)勘查、開挖跨度、施工技術(shù)水平和施工管理水平這8個(gè)主要因素作為山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)這8個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)分別進(jìn)行定量描述；在對(duì)紅巖寺隧道孕險(xiǎn)環(huán)境及風(fēng)險(xiǎn)誘因分析基礎(chǔ)之上，運(yùn)用突變理論模型對(duì)紅巖寺隧道進(jìn)行塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。研究結(jié)果表明：結(jié)果與實(shí)際施工情況一致；但由于施工單位未采取積極的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避及控制措施，且連續(xù)強(qiáng)降雨，導(dǎo)致發(fā)生“關(guān)門”式塌方災(zāi)害；針對(duì)發(fā)生的“關(guān)門”式塌方采用超前小導(dǎo)管與管棚相結(jié)合的注漿法處治方案，施工中遵循了“先加固、防擴(kuò)展、后處理、穩(wěn)通過”的處理原則，成功完成塌方段治理，且效果顯著。

山嶺隧道；風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)；突變理論；塌方治理；孕險(xiǎn)環(huán)境

塌方是山嶺隧道工程建設(shè)過程中最為常見的一種地質(zhì)災(zāi)害，其出現(xiàn)概率約占所有隧道地質(zhì)災(zāi)害的90%以上[1]。隨著我國(guó)西部山區(qū)高速公路、鐵路的修建，將會(huì)涌現(xiàn)出更多更復(fù)雜地質(zhì)條件下隧道工程，從而增加了塌方發(fā)生概率，造成人員傷亡、設(shè)備損毀以及工期的延誤等不良后果。由于隧道塌方事故不斷涌現(xiàn)，塌方危害時(shí)有發(fā)生，嚴(yán)重危及施工人員安全，亟需針對(duì)塌方險(xiǎn)情對(duì)隧道施工進(jìn)行塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，針對(duì)可能出現(xiàn)的塌方災(zāi)害進(jìn)行預(yù)處治。許多學(xué)者在塌方風(fēng)險(xiǎn)的多目標(biāo)評(píng)價(jià)決策分析中采用模糊層次分析法[2]、層次分析法[3]、粗糙集重心法[4]、屬性數(shù)學(xué)法[5]、集對(duì)分析方法[6]等，由于評(píng)價(jià)目標(biāo)之間關(guān)系復(fù)雜，難以準(zhǔn)確界定各目標(biāo)之間的權(quán)重。權(quán)重取值受主觀因素影響明顯，從而難以真實(shí)評(píng)價(jià)塌方風(fēng)險(xiǎn)。基于突變?cè)淼乃淼浪斤L(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型是通過對(duì)導(dǎo)致塌方產(chǎn)生的因素進(jìn)行歸一化處理，計(jì)算得出不同塌方的安全數(shù)值(SD)指標(biāo)。在進(jìn)行隧道塌方影響因素的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，只需要對(duì)諸影響因素按照重要性排序，無需主觀確定任何權(quán)重[7]。本文作者通過構(gòu)建塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，建立山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的突變理論模型。針對(duì)在建紅巖寺隧道進(jìn)行塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，結(jié)合孕災(zāi)環(huán)境及風(fēng)險(xiǎn)誘因的分析，得出評(píng)價(jià)里程范圍內(nèi)塌方發(fā)生的危險(xiǎn)度較高。最后，采取超前小導(dǎo)管與管棚相結(jié)合的注漿法處理塌方的施工方案。評(píng)價(jià)過程去除了主觀權(quán)重對(duì)評(píng)價(jià)結(jié)果的影響，為準(zhǔn)確預(yù)測(cè)山嶺隧道塌方提供一種新的分析方法，該方法對(duì)山嶺隧道塌方事故的預(yù)防具有重要借鑒意義。

1　隧道塌方評(píng)價(jià)理論

1.1塌方評(píng)價(jià)的突變模型

20世紀(jì)60年代中期，THOM[8]創(chuàng)立了突變理論。通過突變理論描述和預(yù)測(cè)事物發(fā)展過程中發(fā)生陡然質(zhì)變過程。突變理論研究的是平衡點(diǎn)之間的相互轉(zhuǎn)化問題，同時(shí)考慮多個(gè)參數(shù)變化時(shí)平衡點(diǎn)附近分叉情況的全面圖像，特別是其中可能出現(xiàn)的突然變化[8]。

通過研究代表系統(tǒng)各構(gòu)成單元彼此聯(lián)系的系統(tǒng)勢(shì)能函數(shù)，形成狀態(tài)變量在控制空間的軌跡-分叉集合，而處于分叉集合中的控制變量使勢(shì)函數(shù)發(fā)生突變，出現(xiàn)不連續(xù)的性態(tài)，這正是突變?cè)u(píng)價(jià)法的基本原理。據(jù)此構(gòu)建由分叉集合內(nèi)的控制變量引發(fā)系統(tǒng)突變的評(píng)價(jià)模型。分析分叉集合的性態(tài)，可以達(dá)到控制系統(tǒng)自身行為的目的。

表1所示為常見突變模型及其勢(shì)函數(shù)。表1中：V(x)和x為狀態(tài)變量；a，b，c和d為控制變量。同時(shí)，a，b，c和d也是導(dǎo)致系統(tǒng)突變的影響因子，只需對(duì)影響因子的重要程度進(jìn)行排序，當(dāng)其滿足分叉集合方程時(shí)，表征系統(tǒng)從一種狀態(tài)突變?yōu)榱硪环N狀態(tài)。當(dāng)待評(píng)價(jià)系統(tǒng)包含2個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí)，可構(gòu)建尖點(diǎn)評(píng)價(jià)模型，從而計(jì)算得到待評(píng)價(jià)系統(tǒng)發(fā)生突變時(shí)的狀態(tài)變量值，即評(píng)價(jià)目標(biāo)值。同理，可推得3個(gè)或更多指標(biāo)時(shí)，對(duì)應(yīng)的突變理論模型，從而計(jì)算評(píng)價(jià)目標(biāo)值。

表1　常見突變模型及其勢(shì)函數(shù)Table 1　Catastrophe theory model and its potential function

通過聯(lián)立)(xVˊ 和)(xVˊˊ ，消去x，可以計(jì)算得到構(gòu)建的4種突變?cè)u(píng)價(jià)模型的系統(tǒng)分叉集方程。

折疊突變?yōu)?/p>

尖點(diǎn)突變?yōu)?/p>

燕尾突變?yōu)?/p>

蝴蝶突變?yōu)?/p>

需要利用歸一化公式對(duì)分叉集方程進(jìn)行變換、推導(dǎo)，得出突變模型歸一公式。

折疊突變模型歸一公式為

尖點(diǎn)突變模型歸一公式為

燕尾突變模型歸一公式為

蝴蝶突變模型歸一公式為

突變?cè)u(píng)價(jià)模型歸一公式將控制變量的不同質(zhì)態(tài)轉(zhuǎn)化為狀態(tài)變量的同一質(zhì)態(tài)。若系統(tǒng)的各控制變量之間不可以相互彌補(bǔ)不足，則從各控制變量a，b，c和d相對(duì)應(yīng)的值xa，xb，xc和xd中選取最小的1個(gè)值作為整個(gè)系統(tǒng)的值，即“大中取小”。只有這樣，才能滿足分叉集合方程，達(dá)到質(zhì)變。當(dāng)系統(tǒng)的各個(gè)控制變量之間可以相互彌補(bǔ)不足時(shí)，為使其值達(dá)到較高的平均值，則采取控制變量a，b，c和d相對(duì)應(yīng)的xa，xb，xc和xd的平均值。

1.2塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)過程

隧道塌方影響因素指標(biāo)體系見圖1。根據(jù)突變理論可知，山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的突變理論模型評(píng)價(jià)過程為：

1)根據(jù)山嶺隧道塌方發(fā)生的影響因素(通過對(duì)我國(guó)近300例隧道塌方資料的詳細(xì)分析得出[9])，構(gòu)建多層次的隧道塌方綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)體系。

2)按照塌方影響因素的重要程度，對(duì)各層次指標(biāo)進(jìn)行排序。根據(jù)每一級(jí)狀態(tài)變量個(gè)數(shù)選擇不同的突變理論評(píng)價(jià)模型，最終得到控制變量狀態(tài)情況。每一個(gè)狀態(tài)變量也可能是下一級(jí)狀態(tài)變量的控制變量，根據(jù)狀態(tài)變量的個(gè)數(shù)將評(píng)價(jià)模型分為：折疊突變模型(1個(gè)下級(jí)指標(biāo))、尖點(diǎn)突變模型(2個(gè)下級(jí)指標(biāo))、燕尾突變模型(3個(gè)下級(jí)指標(biāo))、蝴蝶突變模型(4個(gè)下級(jí)指標(biāo))。當(dāng)控制變量的下級(jí)指標(biāo)個(gè)數(shù)多于4個(gè)時(shí)，應(yīng)根據(jù)成分分析方法進(jìn)行合并，使指標(biāo)個(gè)數(shù)控制在4個(gè)以內(nèi)。

3)由突變模型歸一公式，按照“大中取小”或“互補(bǔ)”原則計(jì)算出各層狀態(tài)變量評(píng)價(jià)目標(biāo)值。最頂層狀態(tài)變量為最終控制變量，即最終評(píng)價(jià)目標(biāo)(隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)SD)。計(jì)算時(shí)，只需知道最底層狀態(tài)變量(評(píng)價(jià)指標(biāo))的原始數(shù)據(jù)即可[10]。

圖1　隧道塌方影響因素指標(biāo)體系Fig.1　Effect factors of tunnel collapse indicator system

4)結(jié)合隧道塌方影響因素評(píng)價(jià)指標(biāo)SD，根據(jù)隧道塌方危險(xiǎn)度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(如表2所示)，確定塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)狀態(tài)。

1.3隧道塌方危險(xiǎn)度等級(jí)劃分

依據(jù)常規(guī)安全等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)將隧道塌方危險(xiǎn)等級(jí)劃分為4個(gè)等級(jí)，依次是危險(xiǎn)度極高、危險(xiǎn)度較高、危險(xiǎn)度一般和危險(xiǎn)度較低。其中，危險(xiǎn)度較低可忽略，保持正常施工及日常管理；危險(xiǎn)度一般則屬于可接受狀態(tài)，實(shí)施預(yù)防措施，并加強(qiáng)支護(hù)提升安全性；危險(xiǎn)度較高及危險(xiǎn)度極高狀態(tài)應(yīng)停止施工，采取方案整改及風(fēng)險(xiǎn)專題論證，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避及控制[11]。

表2　隧道塌方SD指標(biāo)危險(xiǎn)度分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)Table 2　Grade division of SDfor tunnel collapse

2　塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的指標(biāo)體系

在進(jìn)行塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)時(shí)，對(duì)每個(gè)因素進(jìn)行分析是難以實(shí)現(xiàn)的，應(yīng)選擇最重要、影響力最大的一些因素[2]。隧道塌方的影響因素多且復(fù)雜，但總體上可概化為地質(zhì)因素、勘察設(shè)計(jì)因素和施工因素。本文參考有關(guān)文獻(xiàn)[12]選取圍巖級(jí)別、地下水、偏壓角度、隧道埋深、地質(zhì)勘查、開挖跨度、施工技術(shù)水平和施工管理水平8個(gè)主要因素作為隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)。

2.1隧道圍巖級(jí)別

隧道圍巖級(jí)別受圍巖強(qiáng)度與完整性影響，可通過解譯后的超前探測(cè)地震波的縱波波速評(píng)判隧道圍巖級(jí)別，且通過軟件分析可獲得巖石彈性模量、密度以及泊松比等信息[12]，圍巖等級(jí)劃分如表3所示。

2.2偏壓

對(duì)于山嶺隧道洞口淺埋段，常常會(huì)受到由于地形原因產(chǎn)生的偏壓作用，偏壓作用的產(chǎn)生會(huì)影響隧道圍巖的穩(wěn)定性，文獻(xiàn)[13]中16%的隧道塌方災(zāi)害中都與偏壓有關(guān)。從偏壓傾角出發(fā)，以沿隧道縱軸方向，山體傾角即為隧道偏壓情況。一般來說，山體傾角(偏壓)越大，隧道發(fā)生塌方的可能性就越大[2]。偏壓等級(jí)劃分如表4所示。

表3　縱波波速等級(jí)劃分Table 3　Grade division of longitudinal wave velocity

表4　偏壓角度影響等級(jí)劃分Table 4　Grade division of angle of unsymmetrical pressure

2.3地下水

在統(tǒng)計(jì)過的隧道塌方案例中，都會(huì)出現(xiàn)地下水的影子。而地下水正是誘發(fā)隧道發(fā)生塌方最為活躍，影響最大的原因。在三大作用(物理作用、化學(xué)作用及力學(xué)作用)下，產(chǎn)生的軟化、潤(rùn)滑、溶解、水合、動(dòng)靜水壓力以及機(jī)械沖刷作用導(dǎo)致隧道圍巖的穩(wěn)定性明顯降低。

地下水將會(huì)溶蝕巖體中結(jié)構(gòu)面的膠結(jié)物以及部分充填物，軟化巖石，降低巖體強(qiáng)度，嚴(yán)重影響圍巖穩(wěn)定性。故應(yīng)充分考慮地下水的作用[14]，地下水影響等級(jí)劃分如表5所示。

表5　地下水影響等級(jí)劃分Table 5　Grade division of groundwater

2.4隧道埋深

當(dāng)隧道埋深較淺時(shí)，隧道開挖會(huì)波及山體表面難以形成穩(wěn)定狀態(tài)的自然拱，圍巖自穩(wěn)能力相對(duì)較弱，同時(shí)當(dāng)初期支護(hù)難以提供足夠的支撐力時(shí)，圍巖將會(huì)產(chǎn)生大變形，形成塌方。一般講，當(dāng)隧道處于埋深較淺的情況中，其自穩(wěn)能力相對(duì)也較弱，發(fā)生塌方災(zāi)害的概率也越高。

根據(jù)文獻(xiàn)[15]中關(guān)于隧道埋深與塌方次數(shù)所占比例的統(tǒng)計(jì)結(jié)果。其中，在隧道埋深小于10 m的情況中，主要由于原始塌方數(shù)據(jù)收集中該部分的隧道塌方案例所占比例較小，同時(shí)在隧道淺埋段施工單位往往會(huì)加強(qiáng)初期支護(hù)的強(qiáng)度，避免塌方的產(chǎn)生。因此根據(jù)文獻(xiàn)[15]案例統(tǒng)計(jì)結(jié)果，可以將隧道埋深的等級(jí)劃分如表6所示。

表6　埋深影響等級(jí)劃分Table 6　Grade division of tunnel depth

2.5開挖跨度

根據(jù)文獻(xiàn)[13]得知，開挖跨度與塌方次數(shù)成正比關(guān)系，開挖跨度越大，塌方次數(shù)越多，也間接說明塌方發(fā)生概率越大，并把開挖跨度因素劃分為5個(gè)等級(jí)，開挖跨度等級(jí)劃分如表7所示。

表7　開挖跨度因素等級(jí)劃分Table 7　Grade division of excavation span

2.6地質(zhì)勘查

應(yīng)根據(jù)隧道不同設(shè)計(jì)階段的任務(wù)、目的和要求，針對(duì)公路等級(jí)、隧道的特點(diǎn)和規(guī)模，確定搜集、調(diào)查資料的內(nèi)容和范圍，并認(rèn)真進(jìn)行調(diào)查、測(cè)繪、勘探和試驗(yàn)。調(diào)查的資料應(yīng)齊全、準(zhǔn)確，滿足隧道設(shè)計(jì)要求[16]。地質(zhì)勘查等級(jí)劃分如表8所示。

表8　地質(zhì)勘查等級(jí)劃分Table 8　Grade division of geological exploration

2.7施工技術(shù)水平

施工過程中，隧道開挖擾動(dòng)是產(chǎn)生塌方的最主要原因，同時(shí)由于施工人員技術(shù)欠缺、開挖方法不當(dāng)、地下水治理措施不力、支護(hù)不及時(shí)、爆破震動(dòng)過大、監(jiān)控量測(cè)不規(guī)范、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)滯后等原因，都將導(dǎo)致隧道塌方災(zāi)害的發(fā)生。因此將施工技術(shù)水平劃分為5個(gè)等級(jí)，施工技術(shù)等級(jí)劃分如表9所示。

2.8施工管理水平

隧道施工管理水平同施工技術(shù)水平要求相似，關(guān)乎工程順利、竣工安全。隧道工程施工過程中進(jìn)度安排、隧道施工工序不合理，隧道圍巖的監(jiān)控量測(cè)與超前地質(zhì)預(yù)報(bào)不規(guī)范，同時(shí)工程安全技術(shù)人員對(duì)工程開展缺乏安全意識(shí)也對(duì)隧道塌方災(zāi)害的發(fā)生起一定影響。而在施工過程中由于管理不善，造成爆破時(shí)產(chǎn)生震動(dòng)過大、初期支護(hù)暴露時(shí)間太久。同時(shí)，隧道施工中存在其他管理方面的管理因素，根據(jù)表9中施工技術(shù)水平中的參數(shù)選取標(biāo)準(zhǔn)選取施工管理水平參數(shù)。

表9　施工管理與技術(shù)水平等級(jí)劃分[5]Table 9　Grade division of construction management and technical level[5]

3　工程應(yīng)用

3.1工程概況

紅巖寺隧道為保宜高速襄陽(yáng)段中長(zhǎng)度最大和埋深最大的一座分離式隧道，隧道左線起訖樁號(hào)ZK14+962~ZK21+640，長(zhǎng) 6 678 m，最大埋深約655.6 m；右線起訖樁號(hào)YK14+915~YK21+661，長(zhǎng)6 746 m，最大埋深約654.5 m。紅巖寺隧道是典型的深埋特長(zhǎng)越嶺隧道。隧道穿越長(zhǎng)江與漢江的流域分水嶺，該分水嶺呈近東西向分布，主峰聚龍山高程1 851 m，分水嶺南側(cè)主要河流為長(zhǎng)江一級(jí)支流沮水，北側(cè)屬漢水一級(jí)支流南河流域。

根據(jù)紅巖寺隧道的工程地質(zhì)勘查報(bào)告、水文地質(zhì)專題研究報(bào)告及超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告得到在隧道左線ZK15+400~ZK15+500段圍巖主要為中、微風(fēng)化頁(yè)巖，巖體較破碎，屬于Ⅳ級(jí)圍巖，遇水軟化、強(qiáng)度降低，拱部可能松動(dòng)，極易發(fā)生塌方災(zāi)害。且進(jìn)口洞口段有桂河經(jīng)過，桂河上游有1條溝谷(謝家溝)平行隧道左線上溯，距隧道左洞軸線間距50~100 m，在ZK15+400位置溝底標(biāo)高與隧道拱頂標(biāo)高基本一致，隨降雨增加對(duì)隧道圍巖影響較大。因此，對(duì)該段隧道進(jìn)行塌方災(zāi)害危險(xiǎn)性評(píng)價(jià)。

3.2孕險(xiǎn)環(huán)境及風(fēng)險(xiǎn)誘因

3.2.1自然氣候條件

圖2　紅巖寺隧道工程地質(zhì)剖面圖Fig.2　Engineering geological profile of Hongyansi Tunnel

隧址區(qū)屬亞熱帶大陸性季風(fēng)氣候，年均降雨量930 mm以上，多集中于4~9月份，占全年85%左右。降雨充沛，多為暴雨，地表匯水沿裂縫入滲補(bǔ)給地下水，地下水位的變化引起巖體物理參數(shù)的改變，致使隧道圍巖壓力增大，成為隧道塌方地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)的誘因之一。

3.2.2隧道圍巖

施工至ZK15+400處時(shí)，圍巖揭露為中-強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，巖體破碎，強(qiáng)度低，遇水軟化，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果顯示掌子面前方圍巖有逐漸變差的趨勢(shì)。

3.2.3地表水源

隧道左線進(jìn)口段有桂河經(jīng)過，桂河上游有一條溝谷(謝家溝)平行隧道左線上溯，距隧道左洞軸線間距50~100 m，在ZK15+400位置溝底標(biāo)高與隧道拱頂標(biāo)高基本一致。雨季謝家溝匯水面積較大，由于溝谷、地表水、裂隙水對(duì)圍巖長(zhǎng)期的滲透，導(dǎo)致圍巖軟化、強(qiáng)度降低。特別是ZK15+412-ZK15+432段巖體風(fēng)化嚴(yán)重，圍巖呈泥砂顆粒狀，洞身穩(wěn)定性極差。

3.2.4水文地質(zhì)特征

隧址區(qū)地下水的補(bǔ)給來源為大氣降水直接滲入補(bǔ)給，徑流方式是垂直向下沿節(jié)理裂隙徑流。巨厚的志留系碎屑巖構(gòu)成背斜巖溶水系統(tǒng)的邊界，地下水沿裂隙進(jìn)行匯聚。由于隧道埋深淺，且圍巖多處于強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)，破碎地帶風(fēng)化可能更嚴(yán)重，裂隙水滲漏明顯，且隧道緊鄰石板溝，受降雨影響，地下水位變化明顯。枯水期流量為10 L/s，洪水期流量為60 L/s，在圍巖破碎地段，雨季存在股狀滲漏，極易發(fā)生圍巖塌方。

3.3評(píng)價(jià)指標(biāo)取值

根據(jù)紅巖寺隧道的工程地質(zhì)勘查報(bào)告、水文地質(zhì)專題研究報(bào)告、隧道TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)報(bào)告及現(xiàn)場(chǎng)施工情況確定評(píng)價(jià)指標(biāo)(圍巖級(jí)別、偏壓、地下水、埋深、開挖跨度、地質(zhì)勘查、施工技術(shù)水平及管理水平)實(shí)際數(shù)據(jù)。構(gòu)建隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)突變模型，分析隧道圍巖所處的狀態(tài)。

針對(duì)評(píng)價(jià)指標(biāo)的影響特征，采用兩類計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)對(duì)量綱不同的最底層指標(biāo)初始數(shù)據(jù)進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化去量綱處理，使經(jīng)過處理的數(shù)據(jù)在0~1內(nèi)，標(biāo)準(zhǔn)化去量綱后的最底層指標(biāo)數(shù)據(jù)如表10所示。

由圖1可知：A1，A2和A3構(gòu)成燕尾突變理論評(píng)價(jià)模型；B1，B2，B3和B4構(gòu)成蝴蝶突變理論評(píng)價(jià)模型；B5和B6構(gòu)成尖點(diǎn)突變理論評(píng)價(jià)模型；B7和B8構(gòu)成尖點(diǎn)突變理論評(píng)價(jià)模型。Ai為第2層評(píng)價(jià)指標(biāo)，Bi為底層評(píng)價(jià)指標(biāo)。

3.4塌方風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別分析

根據(jù)互補(bǔ)原則，可計(jì)算出導(dǎo)致塌方產(chǎn)生的第2層風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)和頂層塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)因素指標(biāo)SD，如表11所示。

在對(duì)隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)突變?cè)砟Ｐ团c塌方災(zāi)害的主要影響因素分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合隧道的地質(zhì)因素、勘察設(shè)計(jì)因素以及施工等因素制定了隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)突變?cè)砟Ｐ椭笜?biāo)系數(shù)SD的等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表2)。通過表2與表11的結(jié)果可以看出：紅巖寺隧道ZK15+400~ZK15+500段發(fā)生塌方的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為II級(jí)，危險(xiǎn)度較高。因此，紅巖寺隧道ZK15+400~500段應(yīng)停止施工，整改施工方案及進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)專題論證，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避及控制。

3.5施工驗(yàn)證

2013-07-22—2013-08-11，紅巖寺隧道左線施工通過ZK15+412~ZK15+490段，施工單位僅將原設(shè)計(jì)S4b復(fù)合式襯砌調(diào)整為S5b復(fù)合式襯砌施工，未進(jìn)行進(jìn)一步的方案整改及風(fēng)險(xiǎn)的控制。且在隧道通過該段后，隧址區(qū)連續(xù)降雨多日，圍巖變形較大，通過監(jiān)控量測(cè)資料顯示，初期支護(hù)變形不斷加大至15~35 cm，格柵鋼架變形，如圖3所示。此段在掘進(jìn)、支護(hù)施工中圍巖揭露為中—強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，巖體破碎，強(qiáng)度低，遇水軟化。

表10　紅巖寺隧道最底層評(píng)價(jià)指標(biāo)Table 10　Evaluation index at bottom of Hongyansi Tunnel

表11　第2層風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)指標(biāo)及SD結(jié)果Table 11　Second layer of risk factors evaluation and SDresults

圖3　鋼拱架扭曲變形Fig.3　Deformation of steel arch centering

2013-09-26，紅巖寺隧道左線開挖至樁號(hào)ZK15+500處，隧道掌子面后方ZK15+412~490段圍巖變形繼續(xù)增大，初支噴射混凝土表面開裂、脫落，經(jīng)過持續(xù)的監(jiān)控量測(cè)得到圍巖變形超過預(yù)警值，施工人員快速撤離，隨后ZK15+412~490段圍巖發(fā)生塌方，施工人員無一危險(xiǎn)，僅車輛設(shè)備被埋隧道內(nèi)，形成“關(guān)門”之災(zāi)，如圖4所示。

圖4　隧道塌方示意圖Fig.4　Schematic diagram of tunnel collapse

4　隧道塌方治理

4.1確定治理方案

隧道塌方的處理必須建立在對(duì)塌方正確認(rèn)識(shí)的基礎(chǔ)上，其處理原則是先鞏固塌方范圍后方，防止塌方擴(kuò)大，以安全的后方為依托或掩護(hù)，向前處理。

治理塌方方案有錨桿法、支頂法、護(hù)拱法、注漿法[17-18]，而注漿法主要采用超前小導(dǎo)管與管棚。由于塌方發(fā)生地段的圍巖復(fù)雜多變，往往選用兩種或多種方法相互配合處治。同時(shí)，依據(jù)新奧法的思想，塌方治理后圍巖趨于穩(wěn)定，形成自然拱。為了給施工人員提供安全的作業(yè)環(huán)境，確保塌方處理不留質(zhì)量隱患，經(jīng)過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)條件的認(rèn)真調(diào)查，綜合考慮塌方處理時(shí)間、工程費(fèi)用投入等因素，確定了采用超前小導(dǎo)管與管棚相結(jié)合的注漿法處理塌方的施工方案。施工中遵循了“先加固、防擴(kuò)展、后處理、穩(wěn)通過”的處理原則。

4.2詳細(xì)治理措施

紅巖寺隧道進(jìn)口左線ZK15+412~490段塌方治理措施為：

1)在ZK15+412~490段設(shè)置臨時(shí)加強(qiáng)支護(hù)，采用Ⅰ18工字鋼，縱向間距為1 m，環(huán)向間距為1 m，設(shè)直徑為22 mm連接筋。鋼拱架拱腳必須安放在堅(jiān)硬基巖或混凝土基礎(chǔ)上，每榀拱架拱腳每側(cè)各設(shè)置2根直徑為42 mm鎖腳小導(dǎo)管，長(zhǎng)為5 m。

2)ZK15+412~445全斷面和ZK15+445~490上半斷面采用直徑為42 mm小導(dǎo)管注漿，長(zhǎng)為4 m，間距為1 m，梅花型布置，采用1:1水泥漿進(jìn)行注漿，注漿壓力為0.5~1 MPa。

3)對(duì)ZK15+412~432采用直徑為108無縫鋼管大管棚注漿超前臨時(shí)加固，設(shè)置25根，每根長(zhǎng)為18 m，環(huán)向間距為40 cm。

4)對(duì)ZK15+412~432已完成初支變形格柵鋼架采用I20a鋼拱架替換加強(qiáng)，每榀間距為50 cm，環(huán)向采用Φ22鋼筋連接，間距為1 m。此段置換設(shè)直徑為42 mm超前注漿小導(dǎo)管，3.5 m，環(huán)向間距為20 cm，每2 m 1環(huán)，每環(huán)為50根。

5)ZK15+452~490在S5b復(fù)合襯砌的基礎(chǔ)上增加二襯鋼筋。二襯施工前初支凈空尺寸必須符合設(shè)計(jì)、規(guī)范要求。

隧道左線ZK15+490~500，掌子面開挖圍巖揭露為中-強(qiáng)風(fēng)化頁(yè)巖，圍巖水平層狀，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎、裂隙滲水較嚴(yán)重，圍巖遇水軟化，拱頂易掉塊。因此，將原設(shè)計(jì)的S4b復(fù)合式襯砌調(diào)整為S5b復(fù)合式襯砌施工。

4.3治理效果檢查

為檢查治理方案施工的實(shí)施效果，保證隧道后續(xù)安全，按照要求增設(shè)監(jiān)控量測(cè)斷面，分別測(cè)量隧道拱頂沉降和水平收斂變形，監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布設(shè)如圖5所示，各拱頂沉降及水平收斂變化趨勢(shì)如圖6和圖7所示。

從圍巖變形監(jiān)測(cè)及現(xiàn)場(chǎng)施工情況可知：塌方治理效果較好，隧道處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖5　監(jiān)控量測(cè)點(diǎn)布設(shè)Fig.5　Distribution of monitoring measurement points

圖6　累計(jì)水平收斂與拱頂沉降曲線圖Fig.6　Curve of horizontal convergence and crown settlement

圖7　水平收斂與拱頂沉降速率曲線圖Fig.7　Rate curve of horizontal convergence and crown settlement

5　結(jié)論

1)將突變理論引入隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，構(gòu)建了山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的突變理論模型，應(yīng)用在紅巖寺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)中，得到評(píng)估結(jié)果與隧道實(shí)際開挖揭露一致，可以作為隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)新方法。

2)通過搜集查閱資料的方式，對(duì)我國(guó)近300例隧道塌方資料進(jìn)行詳細(xì)分析，結(jié)合隧道的地質(zhì)因素、勘察設(shè)計(jì)因素以及施工等因素選取圍巖級(jí)別、地下水、偏壓、埋深、地質(zhì)勘查、開挖跨度、施工技術(shù)和施工管理等8個(gè)主要因素作為山嶺隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)價(jià)指標(biāo)，并對(duì)各指標(biāo)進(jìn)行了定量化描述及等級(jí)劃分，構(gòu)建隧道塌方突變理論模型評(píng)價(jià)指標(biāo)體系，使得評(píng)價(jià)結(jié)果客觀真實(shí)。

3)施工單位未按照風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)結(jié)果整改施工方案及進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)專題論證，未采取積極的風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避及控制措施，最終導(dǎo)致發(fā)生“關(guān)門”式塌方災(zāi)害。

4)針對(duì)已發(fā)生的塌方災(zāi)害采用超前小導(dǎo)管與管棚相結(jié)合的注漿法處理方案。施工中遵循了“先加固、防擴(kuò)展、后處理、穩(wěn)通過”的處理原則完成塌方治理，效果明顯。

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(編輯羅金花)

Risk evaluation theory and method of collapse in mountain tunnel and its engineering applications

YUAN Yongcai1,LI Shucai1,LI Liping1,LEI Ting1,WANG Sheng1,SUN Bolin2
(1.Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China;
2.Baokang-Yichang Expressway Construction Headquarters of Hubei Province,Yichang 444200,China)

In order to ensure the safety of tunnel construction,a tunnel collapse risk assessment model was established based on catastrophe theory.The surrounding rock grade,groundwater,tunnel depth,angle of unsymmetrical pressure, geological exploration,excavation span,construction technology and construction management were selected as the indexes for the risk assessment of the mountain tunnel collapse through analyzing nearly 300 cases of tunnel collapse.All the evaluation indexes can be divided into three categories i.e.,geological factors,survey and design factors,and construction factors.The quantitative analysis and the criteria of indexes were determined.Exemplification of Hongyansi Tunnel was evaluated by the catastrophe theory.The evaluation result obtained from the proposed method agrees well with practical situation.In the process of construction,an active precautions are not considered by the construction unit. Meanwhile,Heavy rains have fallen on Hongyansi Tunnel.They are important reasons for causing collapse disaster.On the spot,using leading conduit and pipe-shed to deal with the tunnel collapse in arch is successful.Fundamental and method disposing tunnel collapse have been stated in this paper and marked effect is obtained in the engineering practice.

mountain tunnel;risk assessment;catastrophe theory;collapse governance;environment of dangerous source

袁永才，博士研究生，從事地下工程地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制研究；E-mail:yuanyc924@163.com

TU457

A

1672-7207(2016)07-2406-09

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.031

2015-07-28；

2015-09-28

國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(973計(jì)劃)(2013CB036000)；國(guó)家自然科學(xué)基金重點(diǎn)資助項(xiàng)目(51139004)(Project (2013CB036000)supported by the National Basic Research Development Program(973 Program)of China;Project(51139004)supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China)