淺埋偏壓高速公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制研究

鄒 超，徐林生

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

淺埋偏壓隧道的圍巖節(jié)理裂隙較發(fā)育，且圍巖巖體松散破碎，圍巖體穩(wěn)定性較差。由于隧道偏壓嚴(yán)重，將對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)及圍巖形成不對(duì)稱的壓力，在施工過程中可能會(huì)導(dǎo)致冒頂、塌方等安全事故[1]。為了保障隧道施工安全，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與控制作了廣泛的研究。早在2003年，國際隧道與地下空間協(xié)會(huì)就完成了隧道風(fēng)險(xiǎn)管理指南，這對(duì)控制隧道施工風(fēng)險(xiǎn)有著指導(dǎo)意義[2]。目前，國內(nèi)對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制研究才剛起步不久，程遠(yuǎn)等提出了采用層次分析法和專家調(diào)查法相結(jié)合來對(duì)大跨徑淺埋偏壓隧道的施工過程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別[3]，劉偉通過層次分析法來分析、確定公路隧道風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重[4]，陳潔金、蘇永華、范玉祥、姚浩等[5-8]就隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制展開了研究并取得了一系列成果。本文采用模糊數(shù)學(xué)法和層次分析法相結(jié)合的方法對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估研究，并用于實(shí)際工程隧道的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估及控制研究。

1 工程概述

本文主要依托貴州正習(xí)高速公路第十八合同段天鵝穴偏壓隧道，天鵝穴隧道位于遵義市習(xí)水縣溫水鎮(zhèn)新文村。隧道按左、右線分離式設(shè)計(jì)。左線隧道里程樁號(hào)ZK126+595～ZK126+983，長388 m，屬短隧道；右線隧道里程樁號(hào)K126+585～K127+013，長428 m，屬短隧道。隧道左線最大埋深80.24 m(里程ZK126+790)，右線最大埋深 85.16 m(里程 K126+850)。

該隧道屬中低山地貌單元。山坡較緩，植被較發(fā)育。隧址區(qū)高程1 040.50～1 156.7 m，相對(duì)高差 116.2 m。根據(jù)工程地質(zhì)調(diào)繪、鉆探及工程物探等成果，隧址區(qū)地層結(jié)構(gòu)簡單。地層，上覆為第四系全新統(tǒng)(Q4el+dl)粉質(zhì)黏土，下伏為三疊系下統(tǒng)夜郎組(T1y)鈣質(zhì)頁巖，局部分布有強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r。

2 施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

2.1 風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

結(jié)合現(xiàn)場勘測數(shù)據(jù)及其施工單位編制的施工組織設(shè)計(jì)，將工程施工過程進(jìn)行工序分解。了解具體的施工工序和步驟,依據(jù)現(xiàn)場施工經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)安全規(guī)程，結(jié)合現(xiàn)場的情況，明確可能出現(xiàn)的施工風(fēng)險(xiǎn)。天鵝穴隧道可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)有：冒頂、洞口失穩(wěn)、滲漏水、巖爆、大變形、塌方和結(jié)構(gòu)損壞等。

風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別，通過風(fēng)險(xiǎn)源普查和工序分解確定可能導(dǎo)致事故和傷害的致險(xiǎn)因子，并對(duì)其進(jìn)行分析，確定潛在事故類型和致險(xiǎn)因子，及時(shí)地制定預(yù)防措施。風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別是風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中很重要的一個(gè)組成部分，要謹(jǐn)慎對(duì)待。風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估小組應(yīng)由施工、監(jiān)理、設(shè)計(jì)和業(yè)主各方的相關(guān)人員組成，而不是由一兩個(gè)人或某一方獨(dú)立完成，只有這樣才能得到最貼近工程實(shí)際的辨識(shí)結(jié)果。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)分析

在對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)充分識(shí)別后，還應(yīng)結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際考察情況和設(shè)計(jì)圖紙，對(duì)潛在風(fēng)險(xiǎn)因子進(jìn)行分析，判斷其是否為重大風(fēng)險(xiǎn)源，決定是否應(yīng)對(duì)其做詳細(xì)評(píng)估。在隧道施工中，一般主要從地形、地質(zhì)和施工因素方面進(jìn)行分析評(píng)估。采用系統(tǒng)安全工程的方法來分析事故的致險(xiǎn)因子，以此來確定隧道施工過程出現(xiàn)的不安全因素。

2.3 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)，影響因子和風(fēng)險(xiǎn)事故并沒有直接對(duì)應(yīng)的關(guān)系，評(píng)估系統(tǒng)是由多因素、多層次決定的。因而大部分影響施工安全的風(fēng)險(xiǎn)因素難以定量的用數(shù)字描述。而模糊數(shù)學(xué)可以將模糊、不清晰的問題用數(shù)學(xué)的語言去分析和解決，使定性的問題定量化。模糊評(píng)價(jià)法簡潔適用且具有系統(tǒng)性，但卻無法明確多因子的權(quán)重，而層次分析法卻能很好的確定不同因子的權(quán)重。故充分結(jié)合模糊評(píng)價(jià)法和層次分析法優(yōu)點(diǎn)的模糊層次分析法，是一種廣泛應(yīng)用于施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的決策方法(圖1)。

圖1 公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型

2.3.1 建立因子集和評(píng)價(jià)集

2.3.1.1 建立因子集

將對(duì)高速公路淺埋偏壓隧道的產(chǎn)生影響的因素建立一個(gè)因素集，用U來表示：

U={u1，u2，u3，…，un}

ui=(i=1,2,…n),表示各個(gè)影響因子，n表示影響因子的數(shù)量。影響因子又具有不同的模糊性狀，在應(yīng)用模糊層次分析法進(jìn)行評(píng)價(jià)時(shí)，可通過隸屬函數(shù)來處理模糊性。將每個(gè)因子的影響程度分為m個(gè)等級(jí)。建立因子等級(jí)集合，

ui={ui1,ui2,ui3,…,uim}(i=1,2,…,n)

2.3.1.2 建立評(píng)價(jià)集

評(píng)價(jià)集也就是影響因子發(fā)生的概率的集合，一般采用區(qū)間取值或程序語言作為評(píng)價(jià)目標(biāo)，可用五個(gè)等級(jí)來表示，V={Ⅰ級(jí)，Ⅱ級(jí)，Ⅲ級(jí)，Ⅳ級(jí)，Ⅴ級(jí)}，對(duì)應(yīng)的是{很不可能，不可能，偶然，可能，極有可能}。

2.3.2 建立單因子等級(jí)評(píng)價(jià)矩陣，確定隸屬度

根據(jù)因子集的某一元素指標(biāo)對(duì)事物進(jìn)行評(píng)價(jià)，建立因子集和評(píng)價(jià)集的關(guān)系。由U中的不同因素ui與其所對(duì)應(yīng)的V中的評(píng)級(jí)結(jié)果vj，建立它們之間的隸屬關(guān)系，即模糊集合R={ri1,ri2,…rim},從而建立起了單因素等級(jí)評(píng)價(jià)矩陣R。

2.3.3 確定風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重值

風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重值是模糊綜合評(píng)判法的一個(gè)重要依據(jù)，反映了各指標(biāo)的重要程度。通常由層次分析法來確定向量，相對(duì)簡便。同時(shí)也應(yīng)滿足歸一化和非負(fù)性的條件。

(1)建立多級(jí)遞階結(jié)構(gòu)模型(圖2)。

圖2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程

(2)構(gòu)建判斷矩陣。

運(yùn)用兩兩對(duì)比的方法，對(duì)影響因子進(jìn)行對(duì)比，判斷其重要性(表1)。

表1 層次分析法的因子判斷賦值

(3)計(jì)算相對(duì)權(quán)重。

①計(jì)算判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值：

計(jì)算得到CI后，可以查隨機(jī)一致性指標(biāo)RI(表2)，若CI/RI<0.1時(shí)，則矩陣符合要求，否則應(yīng)寫出新的判斷矩陣，重新進(jìn)行判斷。

表2 隨機(jī)一致性指標(biāo)RI

(4)模糊綜合評(píng)價(jià)。

利用單因子評(píng)價(jià)等級(jí)R及因子權(quán)重可得模糊綜合評(píng)價(jià)指標(biāo)：

=(b1,b2,…,bn)

(5)評(píng)價(jià)結(jié)果。

在求得評(píng)價(jià)指標(biāo)bj(j=1,2,…,m)后，運(yùn)用最大隸屬度法來確定評(píng)價(jià)結(jié)果。

3 風(fēng)險(xiǎn)控制

3.1 洞口邊坡坍塌失穩(wěn)及塌方控制

在洞口施工前，應(yīng)先對(duì)邊坡、仰坡的穩(wěn)定情況進(jìn)行檢測，及時(shí)清除懸石、危石，并應(yīng)保持不間斷的檢測。在隧道開挖前，應(yīng)提前對(duì)邊坡進(jìn)行錨錠支護(hù)，開挖時(shí)做到“早進(jìn)洞、晚出洞”，避免出現(xiàn)邊坡坡度過高，減少山體破壞，防止土體流失。

對(duì)于掌子面塌方，應(yīng)對(duì)爆破進(jìn)行控制，優(yōu)化炮孔位置、炸藥用量，爆炸方式等，降低爆破對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。超前支護(hù)和初期支護(hù)要及時(shí)到位，嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)施工，加強(qiáng)施工過程中的動(dòng)態(tài)監(jiān)測。

3.2 隧道突涌水、突泥控制

3.2.1 加強(qiáng)地質(zhì)預(yù)報(bào)

在施工期間，根據(jù)工程水文、地質(zhì)檢測資料，加強(qiáng)地表、重點(diǎn)斷層破碎帶的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，綜合應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)和紅外勘探等各種地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報(bào)方法，特別是采取有效的突水、突泥預(yù)報(bào)方法，提高地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性，在隧道開挖前判斷發(fā)生熔巖及斷層突涌水、突泥的可能性。

3.2.2 超前預(yù)加固

在施工期間，根據(jù)工程水文、地質(zhì)檢測資料，加強(qiáng)對(duì)地表、重點(diǎn)斷層破碎帶的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，綜合應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)和紅外勘探等各種地質(zhì)預(yù)測、預(yù)報(bào)方法。尤其是要采取有效的突涌水、突泥預(yù)報(bào)方法，提高地質(zhì)預(yù)報(bào)準(zhǔn)確性。并在隧道開挖前，判斷發(fā)生熔巖及斷層突涌水、突泥的可能性。

3.2.3 注漿封堵

對(duì)于可能會(huì)出現(xiàn)突涌水、突泥的地段，采用超前帷幕預(yù)注漿進(jìn)行封堵，確定封堵成功之后再進(jìn)行施工活動(dòng)，這樣能夠很大程度的控制風(fēng)險(xiǎn)。

3.3 襯砌結(jié)構(gòu)大變形控制

保證初期施工質(zhì)量，加強(qiáng)臨時(shí)支撐。在施工期間，可通過調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，改良土體、注漿、對(duì)變形縫進(jìn)行特殊處理等一系列措施來控制隧道結(jié)構(gòu)變形量。對(duì)于運(yùn)營時(shí)期，須從砂層、軟土、注漿材料的配合比及抗液化特性等做更為深入的研究，從而來解決隧道結(jié)構(gòu)變形的問題[9]。

4 結(jié)論

為了預(yù)防防止隧道在施工過程中出現(xiàn)事故，積極利用現(xiàn)場監(jiān)控和量測數(shù)據(jù)來分析隧道圍巖穩(wěn)定性，及時(shí)調(diào)整支護(hù)參數(shù)，對(duì)施工方法動(dòng)態(tài)調(diào)整，保證施工安全。在開挖前，應(yīng)對(duì)隧道洞口進(jìn)行加固，做到“先加固、后開挖”的原則。合理安排施工進(jìn)度，嚴(yán)格控制洞口段的開挖尺寸和炸藥使用量，確保圍巖穩(wěn)定性在可控范圍內(nèi)，確保安全。