大斷面隧道開(kāi)挖塌方事故因素分析及控制措施

(重慶科技學(xué)院 重慶 401331)

引言

近年來(lái)地下工程修建成為緩解城市交通壓力的主流手段，大量地下工程構(gòu)建物的修建推進(jìn)了我國(guó)城市隧道領(lǐng)域建設(shè)技術(shù)的發(fā)展，城市地鐵隧道修建具有施工環(huán)境復(fù)雜、作業(yè)空間受限、風(fēng)險(xiǎn)因素較多等特點(diǎn)，由于車(chē)站主體隧道斷面較大，交叉口居多，開(kāi)挖過(guò)程中圍巖極易出現(xiàn)應(yīng)力集中、塑性區(qū)貫穿等現(xiàn)象，加強(qiáng)車(chē)站隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)管控尤為重要。隧道災(zāi)害事故主要有隧道塌方、圍巖突水突泥、洞內(nèi)火災(zāi)以及施工爆炸等，其中隧道塌方最為常見(jiàn)、破壞性強(qiáng)、造成損失更嚴(yán)重，為了保證隧道工程的順利進(jìn)行，安全、高效的達(dá)到預(yù)期目標(biāo)，因此需要對(duì)隧道塌方影響因素進(jìn)行識(shí)別，提出相應(yīng)的技術(shù)控制措施[1]。

一、我國(guó)關(guān)于隧道塌方事故因素分析研究

塌方事故的本質(zhì)是構(gòu)成隧道巖土體在外界各種因素作用下失去了原始的應(yīng)力平衡狀態(tài)，因此探究隧道圍巖失穩(wěn)影響因素的根本的要從“因素”出發(fā)，近年來(lái)我國(guó)學(xué)者對(duì)于隧道塌方的研究取得了一定的成就，主要通過(guò)對(duì)隧道塌方案例進(jìn)行統(tǒng)計(jì)調(diào)查，主要研究隧道塌方形式、隧道塌方因素，經(jīng)過(guò)歸納總結(jié)將隧道事故因素分為四個(gè)方面：勘察設(shè)計(jì)；地質(zhì)條件包括圍巖級(jí)別、巖體結(jié)構(gòu)、地下水、巖層裂隙、熔洞、斷層、地壓、初始地應(yīng)力；隧道設(shè)計(jì)包括隧道斷面、隧道埋深、隧道高跨比、地表偏壓；施工工藝包括施工方法、開(kāi)挖方式、支護(hù)手段[2]。通過(guò)大量的文獻(xiàn)調(diào)研和事故案例統(tǒng)計(jì)分析，本文針對(duì)重慶市某地鐵車(chē)站工程，采用事故樹(shù)分析方法分析可能導(dǎo)致隧道圍巖失穩(wěn)事故發(fā)生的原因，通過(guò)定性分析提出相應(yīng)的預(yù)防措施，對(duì)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控，以保證工程安全，該工程地質(zhì)條件如下：

(1)工程地質(zhì)特點(diǎn)：開(kāi)挖巖層為砂巖砂質(zhì)泥巖互層，巖體完整，巖體質(zhì)量較好，風(fēng)化裂隙發(fā)育，基巖裂隙水主要來(lái)源于地表降水，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為V級(jí)，此類(lèi)圍巖強(qiáng)度較低、遇水易軟化。

(2)隧道自身?xiàng)l件：車(chē)站為地下兩層拱形暗挖島式車(chē)站，隧道為直墻圓拱暗挖隧道斷面，采用復(fù)合式襯砌結(jié)構(gòu)，暗挖鉆爆法施工，根據(jù)工程設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)屬于大斷面淺埋暗挖車(chē)站。

二、隧道塌方因素分析

(一)事故樹(shù)介紹

事故樹(shù)流程圖如下圖所示

圖1 事故樹(shù)流程圖

(二)建立事故樹(shù)

通過(guò)大量的塌方事故和隧道圍巖失穩(wěn)案例總結(jié)，分析隧道圍巖失穩(wěn)的基本影響因素，根據(jù)它們發(fā)生的基本邏輯關(guān)系構(gòu)造如下事故樹(shù)：

圖2 事故樹(shù)

代號(hào)意義代號(hào)意義T隧道圍巖失穩(wěn)X8圍巖偏壓M1勘查設(shè)計(jì)X9初始地應(yīng)力M2隧道圍巖自身?xiàng)l件X10賦水情況M3施工工藝X11隧道巖體結(jié)構(gòu)M4施工組織X12隧道埋深m1勘察不符X13隧道斷面m2設(shè)計(jì)不符X14隧道長(zhǎng)度m3圍巖環(huán)境X15隧道高跨比m4隧道設(shè)計(jì)X16隧道間距m5施工方法X17開(kāi)挖方法m6支護(hù)手段X18開(kāi)挖工法m7安全培訓(xùn)X19支護(hù)質(zhì)量M8動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)X20支護(hù)原則X1勘察單位不具備相應(yīng)的資質(zhì)X21支護(hù)時(shí)間X2勘察存在誤差X22安全規(guī)章制度X3勘察結(jié)果未評(píng)估X23安全培訓(xùn)X4設(shè)計(jì)不合理X24監(jiān)測(cè)方案X5設(shè)計(jì)失誤X25監(jiān)測(cè)設(shè)備X6設(shè)計(jì)資質(zhì)不符X26監(jiān)測(cè)人員培訓(xùn)X7設(shè)計(jì)審查失誤

(三)最小割集計(jì)算

根據(jù)隧道圍巖失穩(wěn)事故樹(shù)，可列出事故樹(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)：根據(jù)布爾運(yùn)算得得出14個(gè)最小割集：

表2 最小割集

通過(guò)計(jì)算最小割集得到隧道失穩(wěn)得主要因素主要集中在隧道圍巖環(huán)境、隧道開(kāi)挖工法、支護(hù)手段上，這些因素在決定隧道圍巖失穩(wěn)占有很大的比率，有些因素例如巖層地質(zhì)賦水量、初始偏壓等單因素就可以控制頂上事件的發(fā)生。當(dāng)然施工人員和測(cè)人員的專(zhuān)業(yè)培訓(xùn)也是舉足輕重的，目前隧道施工最大的問(wèn)題就是每個(gè)施工部分形成“孤島”的存在，信息的反饋效率低，這也是造成事故發(fā)生的主要原因。

(四)結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算

I(X11)=I(X10)=I(X9)=I(X8)>I(X18)=I(X17)>I(X21)=I(X20)=I(X19)>I(X26)=I(X25)=I(X24)>I(X23)=I(X22)>I(X16)=I(X15)=I(X14)=I(X13)=I(X12)>I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1)

通過(guò)事故樹(shù)分析，影響隧道圍巖失穩(wěn)的主要影響因素就是圍巖初始應(yīng)力狀態(tài)、地質(zhì)構(gòu)造失穩(wěn)、地下水影響、巖體結(jié)構(gòu)，其次是施工工藝和支護(hù)方案。在該隧道圍巖失穩(wěn)中最小割集比較多，有14最小割集，每一個(gè)最小割都有造成頂上事件發(fā)生的可能性，最小割集的數(shù)量越多，造成頂上事件發(fā)生的概率越大。

結(jié)構(gòu)重要度代表基本事件的重要程度[4]，由計(jì)算結(jié)果可知地質(zhì)環(huán)境排在最前,其次是施工工藝，由此可見(jiàn)精確超前勘探的重要性。地下工程發(fā)生事故的原因是多方面的，施工方作為工程安全唯一責(zé)任主體無(wú)法根本避免事故的發(fā)生，勘察設(shè)計(jì)失誤導(dǎo)致的風(fēng)險(xiǎn)往往到施工時(shí)才反映出來(lái)，因此加強(qiáng)地質(zhì)超前勘探可有效減少事故的發(fā)生。

三、事故防治措施

(1)加強(qiáng)組織施工人員和監(jiān)測(cè)人員的安全教育培訓(xùn)，增強(qiáng)施工人員的應(yīng)急處理能力，基于物聯(lián)網(wǎng)提高信息反饋交流，編制專(zhuān)業(yè)的事故救援方案。

(2)加強(qiáng)地質(zhì)超前勘探，基于人工智能大數(shù)據(jù)平臺(tái)加強(qiáng)可視化監(jiān)測(cè)范圍和數(shù)據(jù)處理精度，時(shí)刻關(guān)注圍巖變形情況和災(zāi)害預(yù)兆，在支護(hù)質(zhì)量和支護(hù)時(shí)間上及時(shí)調(diào)整，支護(hù)上本著“寧強(qiáng)勿弱”的原則，以預(yù)防事故的發(fā)生。

(3)車(chē)站隧道所處巖層為砂質(zhì)泥巖和砂巖夾層區(qū)域，砂質(zhì)泥巖吸水性極強(qiáng)，吸水后軟化，其強(qiáng)度大大降低，風(fēng)干后易破碎，鑒于巖層的裂隙水主要來(lái)源于地面降水，且重慶市春夏降雨量較大，工程期間要注意強(qiáng)化排水系統(tǒng)。

(4)隧道開(kāi)挖斷面較大，高跨比較小，存在交叉口施工，經(jīng)過(guò)篩選選擇雙側(cè)壁導(dǎo)洞法進(jìn)行施工，將導(dǎo)洞作多個(gè)導(dǎo)洞進(jìn)行，每個(gè)單元導(dǎo)洞單元開(kāi)挖后組成穩(wěn)固的環(huán)形，在開(kāi)挖過(guò)程中有效的減少開(kāi)挖的擾動(dòng)和結(jié)構(gòu)載荷的轉(zhuǎn)換。

(5)隧道主體工程從開(kāi)始施工至全線貫通，工期內(nèi)完成，施工中所采取的雙側(cè)壁導(dǎo)坑法技術(shù)措施很好地解決了大跨度軟弱圍巖隧道的施工難題，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，施工進(jìn)度快，安全可靠，較好的控制了工程項(xiàng)目的施工成本及進(jìn)度，并且在施工中未發(fā)生任何大的安全事故，經(jīng)過(guò)相關(guān)的施工質(zhì)量檢測(cè)后，獲得了建設(shè)單位、監(jiān)理單位、設(shè)計(jì)單位以及社會(huì)各界的好評(píng)。

四、結(jié)論

基于事故樹(shù)分析得到影響隧道圍巖失穩(wěn)的因素眾多，其中地質(zhì)條件、巖土體的結(jié)構(gòu)狀態(tài)和隧道自身的設(shè)計(jì)等這些客觀因素難以改變，但是可以通過(guò)提高監(jiān)測(cè)的機(jī)密性，及時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，以保證信息的及時(shí)反饋，修正設(shè)計(jì)并調(diào)整支護(hù)參數(shù)以保證結(jié)構(gòu)受力需要，減少事故發(fā)生的概率。