改擴(kuò)建隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的評(píng)估和預(yù)防

（中國(guó)建筑第八工程局有限公司，山東 濟(jì)南 250001）

20世紀(jì)末建設(shè)的公路隧道，因年代久遠(yuǎn)，存在平縱指標(biāo)較低、結(jié)構(gòu)安全隱患較為突出、通行能力不足等問題。但是，國(guó)家目前沒有出臺(tái)針對(duì)既有公路隧道改擴(kuò)建風(fēng)險(xiǎn)研究的指南或規(guī)范，并且既有隧道改擴(kuò)建風(fēng)險(xiǎn)的學(xué)術(shù)研究較為缺乏。因此，對(duì)改擴(kuò)建隧道項(xiàng)目施工過程中重大專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)難以建立定性和定量的系統(tǒng)性評(píng)估。

基于現(xiàn)代系統(tǒng)安全工程角度，施工作業(yè)引發(fā)的事故風(fēng)險(xiǎn)是可以預(yù)測(cè)和預(yù)防的。參照2011年頒布的《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》和《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》（簡(jiǎn)稱“《指南》”），以黑峪隧道改擴(kuò)建項(xiàng)目為例，評(píng)估和預(yù)防可能產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)。由于隧址區(qū)地質(zhì)復(fù)雜、施工技術(shù)水平有限，加之該隧道是在原位基礎(chǔ)上改擴(kuò)建。為防范風(fēng)險(xiǎn)，采用指標(biāo)體系法，識(shí)別、歸類和整理排序重大風(fēng)險(xiǎn)的影響因子，確定主要的風(fēng)險(xiǎn)因子，并制定風(fēng)險(xiǎn)消減措施，為項(xiàng)目施工的安全生產(chǎn)決策提供科學(xué)的依據(jù)。

一、工程概況

黑峪隧道（既有隧道）位于淄博市淄川區(qū)趙家?guī)X村黑峪山下淄中路中心樁號(hào)K17+993處，單洞雙向兩車道隧道。為提升公路安全服務(wù)水平，擬對(duì)黑峪隧道在原位處進(jìn)行改擴(kuò)建（擬建隧道）。根據(jù)相關(guān)地勘報(bào)告可知，擬建隧道起點(diǎn)里程標(biāo)號(hào)為K17+722，終點(diǎn)里程標(biāo)號(hào)為K18+270，全長(zhǎng)548m，屬于中長(zhǎng)隧道。

擬建隧道圍巖級(jí)別比例為V級(jí)圍巖占全隧道16.5%，IV級(jí)圍巖占全隧道29.4%，III級(jí)圍巖占全隧道54.1%。擬建隧道與既有隧道接近段及相交段（K17+722～K17+808）的爆破屬于V級(jí)圍巖爆破段，既有隧道開挖后溶洞段的施工有可能存在啞炮等，這些是黑峪隧道改擴(kuò)建重難點(diǎn)，爆破開挖風(fēng)險(xiǎn)高、難度大。

二、風(fēng)險(xiǎn)源研究

（一）總體風(fēng)險(xiǎn)量化評(píng)估

參照《指南》，在評(píng)估一般隧道項(xiàng)目的總體風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，主要考慮隧道的地形地貌、水文地質(zhì)、建設(shè)規(guī)模等評(píng)估指標(biāo)。但黑峪隧道改擴(kuò)建工程，增加了洞口施工難度、擬建隧道與既有隧道支護(hù)難度、既有隧道加固難度、事故救援的可開展性等多種因素，建立新的改擴(kuò)建隧道工程施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表，如表1所示。

總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分?jǐn)?shù)為24分，屬于IV級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)極高。根據(jù)《指南》，需要評(píng)估隧道專項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)，將隧道施工工序分解，普查、辨識(shí)和分析分解工序的危險(xiǎn)源，識(shí)別重大風(fēng)險(xiǎn)源。

（二）風(fēng)險(xiǎn)源普查分析

在隧道工程中，根據(jù)隧道改擴(kuò)建施工進(jìn)度，可以將工程分解為洞口段明洞、洞門開挖工程、洞身掘進(jìn)、洞身襯砌，以及施工配套工程。采用核對(duì)表法和專家調(diào)查法相結(jié)合的方法，查找關(guān)于公路隧道的主要風(fēng)險(xiǎn)事故資料，訪問研究隧道施工領(lǐng)域的專家、實(shí)施該項(xiàng)目的項(xiàng)目經(jīng)理等人。通過現(xiàn)場(chǎng)事故調(diào)查，結(jié)合工程地質(zhì)、圍巖等級(jí)、水文地質(zhì)等基本信息和施工方法，具體分析隧道可能發(fā)生的典型事故類型，如表2所示。

表1 隧道工程施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表

表2 隧道工程按單位作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)源普查清單表

從人、機(jī)、料、法、環(huán)等方面分析可能導(dǎo)致的致險(xiǎn)因子。在洞口工程施工時(shí)，施工人員的施工方法不符合設(shè)計(jì)要求、地質(zhì)情況太差，易發(fā)生洞口失穩(wěn)、路基邊坡失穩(wěn)、塌方等事故；在洞身開挖時(shí)，機(jī)械的操作不當(dāng)、鉆炮作業(yè)未嚴(yán)格按照相關(guān)要求、機(jī)械的帶病工作、圍巖情況差，易發(fā)生塌方、機(jī)械傷害等事故；在新舊隧道交叉施工時(shí)，未及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，容易發(fā)生既有隧道塌方、高處墜落等事故；在初期支護(hù)時(shí)，未按設(shè)計(jì)要求施工、作業(yè)人員無(wú)經(jīng)驗(yàn)，易發(fā)生塌方、物體打擊等事故；如果在二次襯砌時(shí)，未注意標(biāo)準(zhǔn)標(biāo)識(shí)、不按照相關(guān)程序操作設(shè)備，易發(fā)生機(jī)械傷害、物體打擊等事故。

通過以上分析可知，改擴(kuò)建隧道工程主要存在塌方、路基邊坡失穩(wěn)、洞口失穩(wěn)、爆破、機(jī)械傷害、物體打擊六大危險(xiǎn)源。

三、重大風(fēng)險(xiǎn)專項(xiàng)評(píng)估

重大事故風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)包含工程事故和其引起的損失兩部分，一般用事故發(fā)生概率及其損失的函數(shù)表示：

式中，R表示隧道工程施工階段風(fēng)險(xiǎn)；P表示風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率；C表示風(fēng)險(xiǎn)事故造成的損失，包括經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、工期損失及環(huán)境影響等。

重大風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要考慮物的狀態(tài)、人的狀態(tài)和施工管理缺陷。其中物的狀態(tài)主要考慮水文地質(zhì)、項(xiàng)目地形地貌及施工難度等客觀條件；人的因素和施工管理缺陷，主要考慮總包及專業(yè)分包企業(yè)資質(zhì)、歷史事故、作業(yè)人經(jīng)驗(yàn)、安全投入情況等。其中，人的因素及施工管理對(duì)公路隧道工程施工安全影響較大，可作為風(fēng)險(xiǎn)抵消的因素。重大風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性表示為：

式中，Q表示該風(fēng)險(xiǎn)事故可能性的計(jì)算分值；γ表示安全管理評(píng)估指標(biāo)分值對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)；p表示該風(fēng)險(xiǎn)事故經(jīng)過加入折減系數(shù)后發(fā)生可能性的計(jì)算分值。

（一）人為因素事故可能性評(píng)估

根據(jù)黑峪隧道總承包企業(yè)管理資質(zhì)及施工組織應(yīng)急方案等考慮，該項(xiàng)目總包企業(yè)為中國(guó)建筑第八工程局有限公司，具有房屋建筑工程施工特級(jí)總承包資質(zhì)；項(xiàng)目專業(yè)及勞務(wù)分包企業(yè)有資歷；項(xiàng)目部主要管理人員曾在項(xiàng)目上發(fā)生過一般事故；作業(yè)人員經(jīng)驗(yàn)豐富；安全管理人員及安全投入、機(jī)械設(shè)備配置符合合同要求。經(jīng)評(píng)估，安全管理評(píng)估指標(biāo)分值對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)為0.9。

（二）塌方事故可能性評(píng)估

從六大危險(xiǎn)源中選擇隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)事故，詳細(xì)評(píng)估可能性。結(jié)合項(xiàng)目特點(diǎn)，采用現(xiàn)場(chǎng)考察、專家調(diào)查等方式，整理篩選出與項(xiàng)目直接相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)因素，建立了黑峪隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，從交叉處施工區(qū)段的圍巖級(jí)別、斷層破碎帶、滲水狀態(tài)、地質(zhì)符合性、施工方法、施工步距等多個(gè)因子考慮，如表3所示。

如表3所示，黑峪隧道塌方事故可能性評(píng)估分值Q=A+B+F*C+D+E+G+H+I=20.8。

根據(jù)公式（1）p=Q*γ=20.8*0.9=18.72。按照《指南》中重大風(fēng)險(xiǎn)源事故等級(jí)劃分，該隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為4級(jí)，很有可能發(fā)生。需要重點(diǎn)制定有效措施防止塌方事故的發(fā)生，并進(jìn)行全面安全控制。

表3 黑峪隧道施工區(qū)段塌方事故可能性評(píng)估

四、塌方事故安全控制

（一）支護(hù)措施控制

為提高洞口段施工安全，起點(diǎn)35m范圍內(nèi)設(shè)置超前大管棚支護(hù)，管棚預(yù)支護(hù)施工時(shí)鋼筋與襯砌中線平行以α=5°～8°仰角打入拱部圍巖，環(huán)向間距40cm。爆破開挖過程中，由于爆破載荷作用必然造成巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且在同一臺(tái)階邊坡附近多次爆破，因此必須提前預(yù)防爆破對(duì)既有隧道洞口的振動(dòng)影響，用錨噴技術(shù)加固既有隧道洞口。

根據(jù)圍巖類別和設(shè)計(jì)參數(shù)、結(jié)合新建隧道與既有隧道位置關(guān)系開展初期支護(hù)。洞身暗挖地段K17+722～K17+754為Ⅴ級(jí)圍巖新建段，按照新奧法原理組織施工采用復(fù)合式襯砌：Φ42超前小導(dǎo)管，L=350cm，環(huán)向間距40cm，搭接長(zhǎng)度1.25m+Φ25中空注漿錨桿，L=350cm，間距100cm（環(huán)）*75cm（縱）。接近段K17+754～K17+808采用復(fù)合式襯砌，必須先加固既有隧道，支護(hù)參數(shù)和新建段一致。K17+807～K17+967重合段為Ⅳ級(jí)圍巖段，如圖1所示，采用超前錨桿支護(hù)，初期支護(hù)以錨網(wǎng)噴支護(hù)為主，輔以鋼拱架。

圖1 Ⅴ級(jí)圍巖相交段襯砌斷面圖

（二）爆破措施控制

針對(duì)K17+722～K17+808段，新建隧道與既有隧道的距離隨施工進(jìn)度變化而減小，圍巖較破碎，修正不同施工階段的爆破方案，并優(yōu)化K17+808～K18+270段不同圍巖等級(jí)的爆破施工參數(shù)。V級(jí)圍巖新建段上部爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，孔徑d=42mm，孔深L=1.5m，周邊炮眼間距為500mm；V級(jí)圍巖相交段上部爆破參數(shù)設(shè)計(jì)，孔徑d=42mm，孔深L=2.0m，V級(jí)圍巖相交段布置掏槽眼、崩落眼、周邊眼、底眼。掏槽眼共布置兩排，與工作面夾角取85°，炮眼底部間距取185mm，周邊炮眼間距為600mm，落眼的炮眼孔距取800mm。炮眼間距增大可以減輕爆破振動(dòng)對(duì)既有隧道的影響。交叉隧道空間關(guān)系復(fù)雜，開挖過程中，必須控制爆破質(zhì)量，尤其是新建隧道與既有隧道的接近段及相交段，需要控制爆破震速小于5cm/s。

（三）加固措施控制

新建隧道與既有隧道接近段及相交段在施工前，必須先加固既有隧道。如圖2所示，隧道從K17+754～K17+808為接近段并在K17+808處完全重合。施工時(shí)需要對(duì)K17+754～K17+808共54m長(zhǎng)的既有隧道采取加固措施。d表示開挖輪廓線至既有隧道對(duì)側(cè)邊墻距離，d≤30cm時(shí)，開挖輪廓線外側(cè)預(yù)留10cm空間，上部噴射混凝土，下部片石回填；d＞30cm時(shí)，開挖輪廓線外側(cè)預(yù)留10cm空間，上部噴射混凝土，下部片石回填，外側(cè)采用漿砌片石加固既有隧道，漿砌片石墻體最大寬度100cm。

表4 典型重大風(fēng)險(xiǎn)源事故可能性等級(jí)劃分

圖2 K17+754處既有隧道加固示意圖

（四）其他施工措施

加強(qiáng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)控量測(cè)，對(duì)該隧道洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、周邊收斂、外邊墻位移及地表下沉量測(cè)等4項(xiàng)作為施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

用TSP超前地質(zhì)預(yù)報(bào)系統(tǒng)預(yù)報(bào)Ⅲ、Ⅳ、V級(jí)圍巖地段地質(zhì)情況，在工程地質(zhì)與水文地質(zhì)較復(fù)雜地段，應(yīng)補(bǔ)充超前地質(zhì)鉆孔采用徑向鉆孔。

當(dāng)隧道內(nèi)掌子面后方發(fā)生塌方等事故時(shí)容易造成施工人員被困洞內(nèi)的情況，在隧道施工階段應(yīng)準(zhǔn)備相關(guān)救援設(shè)備和措施，包括設(shè)置900mm*15mm逃生用鋼管，設(shè)置無(wú)線電話，施工照明采用UPS供電照明、掌子面附近準(zhǔn)備食品、緊急醫(yī)用藥品及相關(guān)設(shè)備，外準(zhǔn)備臨時(shí)鋼架、木材、鉆機(jī)、抽水機(jī)具等設(shè)施，施工單位應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況開展必要的防災(zāi)、救援演練。

五、結(jié)語(yǔ)

依據(jù)山東淄博淄川區(qū)黑峪隧道改擴(kuò)建工程，建立山區(qū)公路隧道改擴(kuò)建施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估細(xì)則，加入新的指標(biāo)項(xiàng)：洞口施工難度、擬建隧道與既有隧道支護(hù)難度、既有隧道加固難度、事故救援的可開展性。確定山區(qū)公路隧道改擴(kuò)建施工中存在塌方、路基邊坡失穩(wěn)、洞口失穩(wěn)、爆炸、機(jī)械傷害、物體打擊六大危險(xiǎn)源，并建立詳細(xì)的塌方事故評(píng)估指標(biāo)體系表，得出塌方的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為IV級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)極高，需要制定風(fēng)險(xiǎn)消減措施。通過支護(hù)措施指標(biāo)對(duì)比、爆破措施指標(biāo)對(duì)比、既有隧道加固措施指標(biāo)對(duì)比和其他施工措施控制4個(gè)方面，預(yù)防隧道塌方事故。