公路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)分析與設(shè)計(jì)研究

劉 志

（山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

公路隧道屬風(fēng)險(xiǎn)較大的地下巖土工程，且往往是公路工程全線施工的控制性工程，公路隧道風(fēng)險(xiǎn)因素多，風(fēng)險(xiǎn)影響大，如若風(fēng)險(xiǎn)控制不當(dāng)，極易引發(fā)風(fēng)險(xiǎn)事件。加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)控制管理，對保證隧道工程安全實(shí)施尤為重要。

目前公路隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析研究，針對施工準(zhǔn)備及施工階段的較多，在設(shè)計(jì)階段的研究內(nèi)容相對較少[1]。隧道設(shè)計(jì)是隧道施工的主要依據(jù)，合理進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)管理和控制能夠大大提高隧道工程施工的安全性，從這一點(diǎn)來說，有必要在設(shè)計(jì)準(zhǔn)備階段重視風(fēng)險(xiǎn)分析并有針對性地進(jìn)行應(yīng)對設(shè)計(jì)。

1 風(fēng)險(xiǎn)控制概述

工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)控制主要包括風(fēng)險(xiǎn)辨識、風(fēng)險(xiǎn)分析與評估、風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對3 個(gè)步驟。在設(shè)計(jì)階段對隧道施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)的預(yù)防和控制時(shí)，首先，應(yīng)當(dāng)對隧道工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)源辨識，建立初步識別清單和確定風(fēng)險(xiǎn)事故；然后，通過一種或多種風(fēng)險(xiǎn)分析和評估方法，對風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行綜合評估并考慮相應(yīng)的應(yīng)對設(shè)計(jì)措施；最后，根據(jù)評估結(jié)果選擇相應(yīng)的設(shè)計(jì)措施[2]。對于可能發(fā)生較大風(fēng)險(xiǎn)事故的風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)，還要考慮進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2 風(fēng)險(xiǎn)評估方法

本文主要從初步設(shè)計(jì)階段進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，采用的評估方法主要為專家調(diào)查法，即采用函詢的方法征求專家意見，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估并確定設(shè)計(jì)方案。該方法雖然分析結(jié)果受組織者和專家主觀因素影響大，但能夠廣泛采取大多數(shù)人的意見，在設(shè)計(jì)階段使用時(shí)較為方便和實(shí)用，也是現(xiàn)行規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)推薦使用的主要方法。

專家調(diào)查法的一般步驟：a）將項(xiàng)目設(shè)計(jì)前期基本信息（含地質(zhì)資料、外業(yè)調(diào)查資料、路線布置情況等）和設(shè)計(jì)問題提交給專家；b）請專家匿名對風(fēng)險(xiǎn)源情況、風(fēng)險(xiǎn)分析和評估、風(fēng)險(xiǎn)控制措施等提出意見；c）對專家意見進(jìn)行歸納總結(jié)，形成設(shè)計(jì)方案；d）將總結(jié)的評估結(jié)果和設(shè)計(jì)方案交專家審定，請各專家再提出匿名意見；e）以上過程循環(huán)多次后，最終形成的評估結(jié)果和設(shè)計(jì)方案為設(shè)計(jì)依據(jù)。

3 工程概況

擬建公路為次要干線公路，公路等級為一級，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度25.5 m。擬建隧道設(shè)計(jì)為左右線分離式兩車道公路隧道。隧道進(jìn)口段平面線型為曲線，曲線長度滿足3 s 設(shè)計(jì)速度行程長度范圍的平面線型，其他平面線型為直線；隧道左右線縱面坡度均為0.2%。隧道圍巖等級主要為Ⅳ級和Ⅴ級。隧道兩洞中軸線間距約30 m。左線洞體全長1 094 m，右線洞體全長1 075 m；洞體沖溝淺埋段最小埋深約3 m，洞體最大埋深約112 m。隧址區(qū)為典型的黃土高原梁峁殘?jiān)珳羡謪^(qū)。洞內(nèi)圍巖主要為灰?guī)r局部夾灰黃色薄層泥灰?guī)r構(gòu)成，泥晶質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀分布。圍巖風(fēng)化程度強(qiáng)- 中等風(fēng)化。

4 隧道風(fēng)險(xiǎn)分析與設(shè)計(jì)

隧道工程風(fēng)險(xiǎn)種類多，風(fēng)險(xiǎn)辨識任務(wù)大，在不同施工或場地環(huán)境段落，遇到的風(fēng)險(xiǎn)狀況往往不同。在設(shè)計(jì)前期按照分段設(shè)計(jì)的方法，能夠做到有重點(diǎn)地對風(fēng)險(xiǎn)事項(xiàng)進(jìn)行預(yù)防和控制設(shè)計(jì)。本文進(jìn)行隧道工程設(shè)計(jì)時(shí)，將風(fēng)險(xiǎn)段落主要?jiǎng)澐譃樗淼肋M(jìn)出口段、洞身沖溝淺埋段、下穿構(gòu)筑物段、特殊地質(zhì)段4 個(gè)段落進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析和設(shè)計(jì)，并結(jié)合評估專家意見進(jìn)行有針對性的工程設(shè)計(jì)。

4.1 隧道進(jìn)出口段設(shè)計(jì)

4.1.1 進(jìn)出口段風(fēng)險(xiǎn)源辨識

隧道進(jìn)出口段埋深淺，地質(zhì)、地形條件差，當(dāng)存在偏壓時(shí)，偏壓側(cè)地層多出現(xiàn)風(fēng)化破碎、堆積等形成的松軟巖體等不利情況，是隧道工程施工的薄弱環(huán)節(jié)，易發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)事故。進(jìn)出口段主要風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)包括：洞口邊仰坡失穩(wěn)、開挖面坍塌、洞口結(jié)構(gòu)或地表大變形、洞口地基沉降失穩(wěn)等。本次設(shè)計(jì)隧道進(jìn)口段地形情況如圖1。

圖1 隧道進(jìn)口段地形分布圖

4.1.2 進(jìn)出口段風(fēng)險(xiǎn)控制措施

隧道洞口段風(fēng)險(xiǎn)的主要控制措施包括：滑坡等地質(zhì)災(zāi)害處理、邊仰坡加固、長管棚或小導(dǎo)管等超前支護(hù)、地基換填或加固處理等。

4.1.3 進(jìn)出口段方案設(shè)計(jì)

圖2 進(jìn)出口段主要方案設(shè)計(jì)圖（單位：m）

結(jié)合擬建某隧道的設(shè)計(jì)階段資料和專家審定意見，隧道進(jìn)出口段進(jìn)口左洞施工屬風(fēng)險(xiǎn)較大部分，主要風(fēng)險(xiǎn)原因?yàn)榈匦螠\埋偏壓，易發(fā)生大變形、坍塌的風(fēng)險(xiǎn)事故。經(jīng)方案比選，洞口段開挖采用長管棚超前加固進(jìn)行預(yù)支護(hù)，并采用偏壓式明洞襯砌抵抗地形偏壓應(yīng)力，主要方案示意圖見圖2。

4.2 穿越?jīng)_溝淺埋段設(shè)計(jì)

4.2.1 穿越?jīng)_溝淺埋段風(fēng)險(xiǎn)源辨識

隧道洞身開挖過程中，當(dāng)穿越?jīng)_溝或其他地段，易形成洞身施工埋深較淺的情況，往往地質(zhì)條件差，地下水豐富，且伴隨著施工場地狹小等不利因素。洞身淺埋段的主要風(fēng)險(xiǎn)事件一般有洞內(nèi)坍塌、冒頂、涌水等。本次設(shè)計(jì)隧道沖溝段主要地形如圖3 和圖4。

圖3 穿越?jīng)_溝段地形分布圖（平面）

圖4 穿越?jīng)_溝段地形分布圖（縱斷面）

4.2.2 穿越?jīng)_溝淺埋段風(fēng)險(xiǎn)控制措施

隧道穿越?jīng)_溝段的主要處理措施包括：采用明挖法先出洞再進(jìn)洞，在洞外地表預(yù)加固、洞內(nèi)超前支護(hù)等措施。

4.2.3 穿越?jīng)_溝淺埋段方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)隧道右線靠近出口段隧道穿越一小型沖溝，隧道洞身埋深變淺，設(shè)計(jì)洞頂最小埋深僅3 m，主要影響段落為右線K48+670—48+710 段，長度約40 m。隧道圍巖主要為薄層狀泥灰?guī)r，開挖易造成坍塌、冒頂風(fēng)險(xiǎn)。經(jīng)論證分析，設(shè)計(jì)采用洞外地表加固和洞內(nèi)超前支護(hù)相結(jié)合的方案。其中，地表注漿采用直徑50 mm 的鋼花管，加固范圍為沿洞身兩側(cè)并外擴(kuò)約4.5 m，鋼花管呈梅花型布置，間距1.5 m，注漿材料為水泥漿，水灰比1∶1。洞內(nèi)超前支護(hù)采用φ42 雙排小導(dǎo)管預(yù)加固，導(dǎo)管上下兩排交錯(cuò)布置，下排傾角約15°，上排傾角約25°。小導(dǎo)管縱向間距3 m，環(huán)向間距0.3 m，注漿材料采用水泥水玻璃雙液漿。主要方案示意圖見圖5。

圖5 穿越?jīng)_溝段洞內(nèi)施工方案圖（單位：m）

4.3 下穿構(gòu)筑物段設(shè)計(jì)

4.3.1 下穿構(gòu)筑物段風(fēng)險(xiǎn)源辨識

隧道路線確定過程中，不可避免地會(huì)出現(xiàn)隧道洞身上方存在構(gòu)筑物的情況。下穿構(gòu)筑物段的主要風(fēng)險(xiǎn)在于，隧道開挖引起的地表變形造成建筑物的傾斜、破壞等。常見受影響的建筑物有：重要樹木、林地；自然遺跡或歷史文化遺址；電力、通信、運(yùn)輸管道等行業(yè)設(shè)施等。本次設(shè)計(jì)隧道穿越構(gòu)筑物段主要分布情況見圖6。

圖6 隧道下穿高壓電塔位置圖

4.3.2 下穿構(gòu)筑物段風(fēng)險(xiǎn)控制措施

當(dāng)隧道洞身下穿構(gòu)筑物時(shí)，應(yīng)綜合評估工程開挖造成的變形等其他影響，向有關(guān)部門報(bào)告并取得許可后確定方案。下穿建筑物時(shí)，主要的處理措施有：路線改線避讓、構(gòu)筑物地基加固、構(gòu)筑物遷址重建等。

4.3.3 下穿構(gòu)筑物段方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)隧道在左線ZK47+859 和右線K47+895 兩處附近隧道路線存在下穿電塔情況，該段距洞口較近，埋深相對較淺，開挖過程會(huì)造成一定的變形?？紤]到電塔設(shè)置的重要性，結(jié)合專家和電力部門的方案和意見，對兩處電塔進(jìn)行遷址重建，隧道按正常段進(jìn)行設(shè)計(jì)。

4.4 穿越特殊地質(zhì)段設(shè)計(jì)

4.4.1 穿越特殊地質(zhì)段風(fēng)險(xiǎn)源辨識

隧道工程屬巖土地下工程，在進(jìn)行巖土開挖時(shí)，就不可避免地遇到特殊地質(zhì)情況。常見的隧道特殊地質(zhì)主要包括：巖溶和土洞、滑坡和崩塌、地震、泥石流、采空區(qū)等；對于隧道工程，還要注意瓦斯等有毒有害氣體、斷層等其他構(gòu)造形成的破碎帶或風(fēng)化帶等對工程開挖的不利影響。本次隧道設(shè)計(jì)主要涉及特殊地質(zhì)為落水洞，典型分布圖見圖7。

圖7 隧道落水洞典型分布圖

4.4.2 穿越特殊地質(zhì)段風(fēng)險(xiǎn)控制措施

穿越特殊地質(zhì)段隧道施工一般難度大，風(fēng)險(xiǎn)事故多發(fā)，在進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，首選方案應(yīng)當(dāng)考慮進(jìn)行避讓。如不能避開，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況，結(jié)合對隧道開挖的影響，選用相應(yīng)的特殊地質(zhì)處理措施。

4.4.3 穿越特殊地質(zhì)段方案設(shè)計(jì)

本次設(shè)計(jì)隧道在洞身路線上方存在多處落水洞，經(jīng)地質(zhì)調(diào)查并結(jié)合專家意見，隧道落水洞規(guī)模多較小，設(shè)計(jì)采用回填方案，對落水洞進(jìn)行處理。

4.5 隧道設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)清單

通過對該隧道設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)分析與設(shè)計(jì)，最終形成該隧道的風(fēng)險(xiǎn)源控制清單。清單主要包括風(fēng)險(xiǎn)地段、風(fēng)險(xiǎn)事項(xiàng)、風(fēng)險(xiǎn)措施和設(shè)計(jì)對策4 個(gè)部分，清單以表格的形式在設(shè)計(jì)文件中體現(xiàn)，用以指導(dǎo)后續(xù)施工過程。主要安全風(fēng)險(xiǎn)清單與設(shè)計(jì)方案見表1。

表1 某隧道工程設(shè)計(jì)主要安全風(fēng)險(xiǎn)清單與設(shè)計(jì)方案表

5 結(jié)語

本文將公路隧道的初步設(shè)計(jì)階段作為一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)項(xiàng)目，通過劃分不同段落的方式，對隧道結(jié)構(gòu)施工過程的主要風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了研究和分析，并根據(jù)不同的風(fēng)險(xiǎn)后果提出有針對性的設(shè)計(jì)方案，為隧道工程安全設(shè)計(jì)和施工提供有效保障。