雙連拱隧道原位擴建風險分析

吳超凡

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計院有限公司，福州 350004)

1 引言

某隧道為雙向四車道連拱隧道，長140m，由于不能滿足日益增長的交通需求， 擬采用單洞保通原位擴建方案，由連拱四車道擴建為連拱八車道。 而目前，連拱隧道的原位擴建極其罕見， 國內(nèi)僅有福州市象山四連拱隧道擬采用原位擴建方案[1]，臧萬軍等[1]和陳七林[2]對象山隧道拓寬改造的工程方案和關(guān)鍵技術(shù)方案進行了研究。目前，國內(nèi)在隧道原位擴建的研究多針對分離式隧道或單洞、小凈距隧道，胡居義等[3-4]以泉廈高速大帽山隧道右洞原位擴挖工程為例， 分析了原位擴挖工法對圍巖穩(wěn)定性的影響。 林從謀等[5-6]、孫興山等[7]對隧道原位擴建過程中隧道結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力規(guī)律展開了研究。

我國連拱隧道在近30 年的發(fā)展歷史中， 遍布四川、貴州、云南、廣東、福建、湖南等省，并且已建、在建和擬建的連拱隧道多為雙連拱隧道， 而我國早期修建的雙連拱隧道又以雙向四車道居多，在日益增加的交通壓力下，將逐漸難以滿足交通量的需求， 雙連拱隧道改擴建將勢在必行。 而連拱隧道由于隧道間距小、斷面跨度大，改擴建工程對圍巖、 既有隧道結(jié)構(gòu)或新建隧道結(jié)構(gòu)以及中隔墻造成的擾動相較于分離式隧道或單洞隧道、 小凈距隧道更為嚴重，施工難度更大，風險更高。 而國內(nèi)針對擴建過程中風險研究的案例較少，王猛[8]針對擴建過程中的塌方風險展開了分析， 其他擴建過程中的風險分析尚未見報道。

為明確連拱隧道原位擴建方案下易發(fā)生的風險事件，明確相應(yīng)風險源，及時采取有效應(yīng)對措施降低施工風險， 本文依托某雙連拱隧道四車道擴建八車道的原位擴建方案，展開風險分析。

2 工程背景

某隧道洞身穿越地層巖性為殘積土、全風化－砂土狀強風化花崗閃長巖，結(jié)構(gòu)松散，巖體風化強烈，且泡水易軟化，為極軟巖，為Ⅴ級圍巖；隧道進出口圍巖主要為松散堆積土層，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，坡度為20～40°，降雨作用下， 沖刷作用及軟化作用， 使開挖后邊坡穩(wěn)定性變差?；谒淼浪巼鷰r條件及施工方案，該隧道擴挖工程具有以下重難點：

（1）隧道擴建斷面跨度大，結(jié)構(gòu)承受松散壓力大

鈣隧道施工斷面大，寬度21.16m，凈空高度13.74m，扁平率低，隧道最大埋深為29m，暗挖段均為淺埋，成拱效應(yīng)差，所受的圍巖松散壓力比較大，自穩(wěn)定差。 原有連拱隧道修建時，已經(jīng)對周邊圍巖進行了多次擾動，而擴建過程中，圍巖受到二次擾動，容易發(fā)生大變形、塌方、洞口邊仰坡失穩(wěn)等風險事故。

（2）隧道擴挖工序復(fù)雜，受力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換頻繁

該隧道擴建采用單側(cè)CRD 施工工法， 工序復(fù)雜，包括回填、分步開挖（包括原襯砌拆除），臨時支撐封閉、臨時支撐拆除等工序。工序間轉(zhuǎn)換多，使得隧道結(jié)構(gòu)受力體系頻繁轉(zhuǎn)換。 原有隧道運行多年，行車、風化及病害影響使得安全性能降低， 擴挖過程中隧道襯砌拆除時穩(wěn)定性差，施工控制不當易發(fā)生大變形、塌方等風險事故。

3 連拱擴建施工風險分析

3.1 風險評估

根據(jù)安全風險事件發(fā)生的概率和損失等級， 將安全風險等級分為4 級，見表1。 其中，Ⅰ級風險可以接受；Ⅱ級風險有條件接受， 有進一步實施預(yù)防措施以提升安全性的必要；Ⅲ級風險風險水平有條件接受，必須實施削減風險的應(yīng)對措施；Ⅳ級風險水平不可接受，必須采取有效應(yīng)對措施，將風險等級降低到Ⅲ級及以下水平。

表1 風險等級標準

根據(jù)該隧道地質(zhì)情況、 現(xiàn)有病害調(diào)查及安全狀況及擴挖初步設(shè)計資料，結(jié)合《公路橋梁和隧道工程設(shè)計安全風險評估指南》[9], 對該隧道擴挖存在的重大風險事件及與之相關(guān)的風險源進行檢查和初步辨識（見表2）。

表2 某隧道擴挖安全風險事件與風險源檢查表

由表2 可知， 該隧道擴挖存在的主要風險事件為既有隧道安全、邊仰坡失穩(wěn)、塌方及結(jié)構(gòu)設(shè)計風險。

3.1.1 既有隧道結(jié)構(gòu)安全風險

根據(jù)隧道病害檢查結(jié)果， 擴建之前原隧道結(jié)構(gòu)主要存在以下病害：

（1）隧道右洞進口洞頂排水溝破損，溝內(nèi)淤積泥塊和雜草；左右洞洞門墻身風化較嚴重，存在裂縫。

（2）左洞全部裂縫共計46 條，其中伴有滲水的共有8 條；右洞全部裂縫共計51 條，其中伴有滲水的共有6條。 混凝土襯砌表面只有少量局部輕微破損、 剝落情況，對襯砌質(zhì)量無影響。 隧道左右洞襯砌裂縫統(tǒng)計見表3、表4。

表3 該隧道左洞襯砌裂縫統(tǒng)計

表4 該隧道右洞襯砌裂縫統(tǒng)計

（3）隧道左洞滲水點共有12 處，其中裂縫滲水共有8 處， 主要表現(xiàn)為裂縫表面流白灰，3 處滲水點襯砌表面有明顯的浸滲； 右洞落滲水點共有6 處， 全部為裂縫滲水，一處襯砌表面濕潤，其余都表現(xiàn)為襯砌表面流白灰。

（4）隧道左洞存在1 處排水溝堵塞、1 處檢修道蓋板破損；右洞存在3 處檢修道蓋板破損。左右洞均無隧道斷面侵入凈空、襯砌背后無空洞、襯砌強度不滿足要求的病害，且二襯存在鋼筋網(wǎng)。

根據(jù)隧道病害檢測情況及技術(shù)狀況評價， 確定既有隧道安全風險概率等級為2，損失等級為2。 既有隧道安全風險等級為Ⅱ級，屬可接受風險，需加強監(jiān)測。

3.1.2 擴建隧道邊仰坡失穩(wěn)風險

洞口坡體為松散堆積層，擴挖時穩(wěn)定性差，既有隧道洞頂排水溝破損、堵塞，雨水滲透進入坡體中，使得巖土體強度降低，且擴挖工序復(fù)雜，工序轉(zhuǎn)換較多，對邊坡土體造成多次擾動， 易引起邊坡支護拉裂， 原有植被被破壞，導(dǎo)致洞口邊仰坡失穩(wěn)。 結(jié)合國內(nèi)外隧道施工經(jīng)驗，分析可能引起該隧道擴挖工程洞口邊仰坡失穩(wěn)的基本事件，得出風險事故樹圖如圖1 所示。

圖1 隧道洞口邊仰坡失穩(wěn)風險源辨識

根據(jù)對該隧道擴挖工程的洞口地質(zhì)情況以及初步設(shè)計方案的分析， 結(jié)合對邊仰坡失穩(wěn)風險的模糊綜合評價結(jié)果， 得出該隧道擴挖工程邊仰坡失穩(wěn)風險發(fā)生的概率等級和損失等級，見表5。

表5 邊仰坡失穩(wěn)風險等級表

由表5 可知， 該隧道擴挖工程初步設(shè)計階段發(fā)生洞口邊仰坡失穩(wěn)的風險等級為Ⅱ級，屬可接受風險，需加強監(jiān)測。

3.1.3 擴建隧道塌方風險

連拱隧道改擴建過程中既有隧道結(jié)構(gòu)退化， 結(jié)構(gòu)斷面大，擴挖工序復(fù)雜，圍巖擾動頻繁，受力體系轉(zhuǎn)化多，鎖腳錨桿和臨時支撐的質(zhì)量和封閉及時性要求高， 如果控制不當， 易導(dǎo)致隧道發(fā)生塌方。 結(jié)合國內(nèi)外隧道施工經(jīng)驗，分析可能引起該隧道擴挖工程塌方的風險事件，得出塌方風險事故樹如圖2 所示。

根據(jù)對該隧道擴挖工程的地質(zhì)情況以及初步設(shè)計方案的分析，結(jié)合對塌方風險的模糊綜合評價結(jié)果，得出該隧道擴挖工程塌方風險發(fā)生的概率等級和損失等級，見表6。

圖2 塌方風險事故樹

表6 塌方風險等級表

由表6 可知， 該隧道擴挖工程初步設(shè)計階段發(fā)生塌方的風險等級為III 級，需采取風險處理措施降低風險并加強監(jiān)測。

3.1.4 擴建隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計風險

該隧道擴挖工程結(jié)構(gòu)設(shè)計風險， 主要從擴挖施工方案數(shù)值模擬和新建隧道二襯結(jié)構(gòu)安全評價兩方面進行分析評估：

（1）右洞擴挖過程中，左洞原有襯砌結(jié)構(gòu)變形、受力變化均較小。在不考慮爆破動力作用下，右洞擴挖對左洞原隧道結(jié)構(gòu)影響較小，可保持通車安全。

（2）擴挖過程中，中隔墻、圍巖變形及受力均較小，均在可控、穩(wěn)定范圍內(nèi)，擴挖過程中隔墻及圍巖穩(wěn)定性滿足要求。

（3）左洞擴挖過程中，右洞初期支護變形量值不大，個別點混凝土拉應(yīng)力達到C25 噴射混凝土設(shè)計抗拉強度值，但不會產(chǎn)生大范圍的破壞，不會影響整個初期支護的穩(wěn)定性。

（4）不考慮爆破因素的影響下，設(shè)計二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，達到了安全儲備的要求。

綜上可知，不未考慮爆破動力作用影響，擴挖過程中除初襯受力略大于設(shè)計要求外，其余圍巖、二襯及中隔墻變形受力均滿足要求， 故確定該隧道擴挖結(jié)構(gòu)設(shè)計風險概率等級為3 級，風險損失等級為2 級。

由表7 可知，該隧道擴挖結(jié)構(gòu)設(shè)計風險等級為Ⅱ級，在施工過程中要臨時支撐支護及時，初支及時封閉，臨時支撐拆除時加強監(jiān)測。

表7 結(jié)構(gòu)設(shè)計風險等級表

3.2 專家調(diào)查

通過對該隧道擴挖重大安全風險事件的專家調(diào)查評估，統(tǒng)計各風險事件的風險等級專家調(diào)查結(jié)果，詳見表8。

表8 該隧道擴挖專家調(diào)查各風險事件風險等級統(tǒng)計

3.3 隧道擴建總體風險

3.3.1 隧道總體風險分析

結(jié)合專家調(diào)查結(jié)果， 由各風險事件的風險概率等級和損失等級，可得出隧道總體風險概率等級為4 級、總體損失等級為2 級，進而得出隧道總體風險等級為Ⅲ級。

3.3.2 隧道風險控制措施

結(jié)合隧道擴建過程中的風險分析結(jié)果， 在初步設(shè)計方案的基礎(chǔ)上提出針對性的風險控制措施， 可使隧道安全風險得到進一步的控制。

（1）塌方風險控制措施

①在拆除既有隧道襯砌時， 應(yīng)對既有襯砌進行詳細的勘察，明確其具體情況，確保其能夠保證安全施工；原隧道襯砌及支護的拆除應(yīng)遵循先襯砌后支護分段拆除的原則，施工縫、變形縫前后必須分段。

②洞口段開挖施工應(yīng)與大管棚等超前加固及支護措施配合，必要時地面注漿，確保隧道洞口擴挖施工安全。

③注意鎖腳錨桿等輔助施工措施的施作時間和施工質(zhì)量。

④加強隧道施工監(jiān)控量測。

⑤隧道施工中各部的超前距離及臺階長度應(yīng)根據(jù)人員施工技術(shù)、機具配備綜合確定，施工中根據(jù)隧道監(jiān)控量測結(jié)果適當調(diào)整。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計風險控制措施

建議擴挖施工中臨時支撐支護及時，初支及時封閉，嚴格控制開挖每環(huán)循環(huán)進尺及臺階高度。

3.3.3 隧道殘留風險

對初始風險等級為III 級的塌方風險事件，結(jié)合初評提出的安全風險控制措施的落實情況， 進行再評估確定殘留風險，見表9、表10。

表9 塌方殘留風險概率、損失等級表

根據(jù)表9 可得出該隧道擴挖初步設(shè)計階段在采取風險控制措施的基礎(chǔ)上， 塌方風險的殘留風險等級為II級，屬可接受風險。

表10 該隧道擴挖重大風險事件殘留風險等級表

由表10 可知，落實風險安全控制措施后，隧道的總體殘留風險等級為Ⅱ級，屬可接受風險。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)對某雙連拱隧道原位擴建過程中的風險分析結(jié)果可知：

(1)該隧道原位擴建過程中，主要存在既有結(jié)構(gòu)安全風險、邊仰坡失穩(wěn)風險、塌方風險和結(jié)構(gòu)設(shè)計風險四個風險事件，其風險等級分別為II 級、II 級、III 級、II 級。

(2)隧道擴挖初步設(shè)計階段在采取風險控制措施的基礎(chǔ)上，塌方風險的殘留風險等級為Ⅱ級，隧道的總體殘留風險等級為Ⅱ級，屬可接受風險。

(3)隧道施工過程中應(yīng)加強監(jiān)測，初期支護應(yīng)及早封閉成環(huán)。

(4)嚴格控制擴挖中各部序爆破藥量，加強爆破振動監(jiān)測。

(5)嚴格控制開挖每環(huán)循環(huán)進尺及臺階高度。