巖溶隧道施工全過程風(fēng)險管控措施

汪黎黎　黃夢昌

摘要：巖溶隧道是高速公路建設(shè)工程中的難點(diǎn)。巖溶地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響隧道施工工期、施工質(zhì)量，并極大地增加了施工安全風(fēng)險。文章提出了巖溶隧道施工全過程風(fēng)險管控的理念，并針對當(dāng)前隧道施工安全管理存在的一些問題與不足，結(jié)合實(shí)際工程案例，從施工前、施工中、施工后三個階段對巖溶隧道風(fēng)險管控措施進(jìn)行了探討，以期為同類工程提供參考。

關(guān)鍵詞：巖溶;隧道;施工安全;風(fēng)險管理

0 引言

巖溶隧道為高速公路建設(shè)中常見的重難點(diǎn)工程，巖溶地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重制約著公路隧道施工周期，影響施工質(zhì)量，為公路建設(shè)重大安全事故易發(fā)、高發(fā)部位。隨著交通強(qiáng)國戰(zhàn)略的逐步實(shí)施，高速公路網(wǎng)建設(shè)將更快更密。而我國又是世界上巖溶分布最廣的國家，可溶巖層分布面積超過344萬 km 2，約占1/3的國土面積，其中又以廣西、云南、貴州等地區(qū)的巖溶最為發(fā)育。因此，巖溶隧道施工安全管理將成為我國公路建設(shè)領(lǐng)域的一個重要議題。

本文依托在建柳州經(jīng)合山至南寧高速公路吾排隧道的工程實(shí)踐，結(jié)合隧道建設(shè)安全管理常見問題，對巖溶隧道施工全過程（施工前、施工中、施工后三個階段）風(fēng)險管控進(jìn)行了探討，以期為同類巖溶隧道安全生產(chǎn)提供經(jīng)驗(yàn)借鑒。

1 當(dāng)前隧道施工安全管理常見問題與不足

1.1 隧道洞身現(xiàn)場揭露地質(zhì)條件與事前判別不一致的矛盾

隧道工程主體一般深埋于山體內(nèi)，而目前的勘察技術(shù)手段較難完全查清隧道深部復(fù)雜的地質(zhì)問題（國內(nèi)外皆如此），隧道建設(shè)始終存在“地面勘察難以探明深部，而隧道深部施工安全、工程處理又要求盡量探明”這一對矛盾。為解決這對矛盾，只能在前期勘察的基礎(chǔ)上，強(qiáng)化隧道施工過程的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作[1]。

1.2 施工安全風(fēng)險評估工作深度不足

隧道工程施工環(huán)境條件復(fù)雜，施工組織實(shí)施困難，作業(yè)安全風(fēng)險高居不下，一直以來都是行業(yè)安全監(jiān)管的重點(diǎn)環(huán)節(jié)。為提高施工現(xiàn)場安全預(yù)控的有效性，交通運(yùn)輸部自2011年開始逐步施行施工階段隧道工程施工安全風(fēng)險評估制度。

根據(jù)當(dāng)前風(fēng)險評估制度施行情況，常見問題有：（1）部分施工安全風(fēng)險評估報(bào)告針對性不強(qiáng)、深度不足，對下階段工作的指導(dǎo)有限;（2）項(xiàng)目建設(shè)過程中未能將施工安全風(fēng)險評估報(bào)告作為制度性指導(dǎo)文件執(zhí)行落地，僅僅只是作為前期工作和竣工文件的必備資料進(jìn)行歸檔備查，未充分發(fā)揮其技術(shù)指導(dǎo)作用。

1.3 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作不科學(xué)

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作是隧道工程安全施工的重要判別依據(jù)，而部分項(xiàng)目對超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作依然重視不夠，常見問題有：（1）隧道工程項(xiàng)目監(jiān)控量測未納入工序管理，未列入工程成本;（2）超前預(yù)報(bào)方案不科學(xué)，監(jiān)測水平不足;（3）監(jiān)測資料弄虛作假，對監(jiān)測數(shù)據(jù)不進(jìn)行分析，未起到預(yù)報(bào)、預(yù)警的作用。

1.4 施工質(zhì)量控制不足

在軟弱地層中打隧洞就“如同在豆腐塊中挖洞”，隧道開挖方法和支護(hù)形式必須安全可靠。常見施工質(zhì)量問題有：（1）未嚴(yán)格執(zhí)行隧道安全專項(xiàng)施工方案，存在方案與實(shí)施“兩張皮”的現(xiàn)象，如“為了施工方便，擅自改變施工工法”“長臺階、超步距開挖”“仰拱、二襯施作滯后”等;（2）工法運(yùn)用不當(dāng)導(dǎo)致圍巖強(qiáng)烈擾動，巖層位移和變形嚴(yán)重超限;（3）隱蔽工程質(zhì)量缺陷，主要體現(xiàn)為支護(hù)結(jié)構(gòu)偷工減料、背后脫空問題，超挖部位采用石棉瓦、土工布等遮擋后噴射混凝土，致使初支背后存在較大空洞等質(zhì)量安全隱患;（4）防水工程重視度不夠，施工質(zhì)量不高。

1.5 隧道洞內(nèi)安全逃生系統(tǒng)設(shè)施缺乏

巖溶區(qū)隧道施工掌子面前方可能存在富水溶腔、巖溶破碎帶，施工過程稍有不慎可能導(dǎo)致瞬間突水、涌泥及冒頂塌方的災(zāi)害[2]，災(zāi)害的發(fā)生快速、迅猛。

當(dāng)前隧道施工普遍存在洞內(nèi)安全逃生系統(tǒng)設(shè)施缺乏或設(shè)置不當(dāng)?shù)膯栴}，且疏于日常安全教育和逃生演習(xí)。一旦發(fā)生安全事故，難以為應(yīng)急救援爭取寶貴時間。

2 全過程風(fēng)險管控思路

巖溶隧道安全生產(chǎn)涉及建設(shè)單位、設(shè)計(jì)單位、施工單位、監(jiān)理單位四方，根據(jù)以往巖溶隧道施工的經(jīng)驗(yàn)與教訓(xùn)，巖溶隧道安全生產(chǎn)應(yīng)具備六個要素：安全設(shè)計(jì)、安全評估、安全管理、安全預(yù)報(bào)、安全施工、安全逃生與搶險，涉及公路隧道工程建設(shè)全過程。

巖溶隧道施工安全管理應(yīng)貫穿于施工前、施工中、施工后三個階段，即隧道施工全過程均應(yīng)開展風(fēng)險管控，依次為：施工安全風(fēng)險評估（施工前階段）、安全預(yù)報(bào)（施工前）、安全施工（施工中）、安全逃生與搶險（施工后）。

3 巖溶隧道施工安全全過程風(fēng)險管控

3.1 工程案例

吾排隧道位于忻城縣果隧鄉(xiāng)古抗村吾排屯，為分離式+小凈距隧道，設(shè)計(jì)長度為1 600 m，屬長隧道。隧道凈空為11.65 m×5 m。隧道洞身有斷層破碎帶，溶洞強(qiáng)發(fā)育。以YK72+645～YK73+000段為例，根據(jù)勘察設(shè)計(jì)資料，隧道地質(zhì)情況如圖1所示。

3.2 施工安全風(fēng)險評估

施工前階段，依據(jù)風(fēng)險評估指南要求嚴(yán)格執(zhí)行施工安全風(fēng)險評估制度，主要措施如下：（1）總體風(fēng)險評估，應(yīng)對Ⅲ級（高度風(fēng)險）隧道主要風(fēng)險源進(jìn)行分析與辨識，用以指導(dǎo)隧道施工組織設(shè)計(jì)及下階段專項(xiàng)風(fēng)險評估工作;（2）專項(xiàng)風(fēng)險評估，應(yīng)就隧道存在的洞口失穩(wěn)、塌方、突水涌泥、大變形等風(fēng)險進(jìn)行分區(qū)段評估其風(fēng)險等級，制定相應(yīng)的風(fēng)險控制措施，指導(dǎo)下階段隧道專項(xiàng)施工方案的編制工作。

3.3 安全預(yù)報(bào)

掌子面施工前，吾排隧道采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前水平鉆相結(jié)合的方式進(jìn)行鉆探，同時對前方地質(zhì)條件復(fù)雜、較大可能性存有溶洞的施工段落進(jìn)行TGP物探，有效地掌握掌子面前方的地質(zhì)條件情況。同時項(xiàng)目采取隱伏巖溶綜合物探對支護(hù)過后的溶洞段進(jìn)行探測，進(jìn)一步掌控頂部情況，降低事故發(fā)生的可能性。

超前地質(zhì)預(yù)報(bào)：采用地質(zhì)雷達(dá)進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，主要探測隧道掌子面前方30 m范圍內(nèi)巖土體的含水、空洞、破碎及巖溶發(fā)育情況。儀器設(shè)備主要采用SIR-4000型探地雷達(dá)系統(tǒng)（美國），該系統(tǒng)包括儀器主機(jī)和100 MHz天線兩部分。

超前地質(zhì)鉆探：采用不取芯水平?jīng)_擊鉆進(jìn)行超前預(yù)報(bào)作業(yè)，在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發(fā)育區(qū)、重大物探異常區(qū)等地質(zhì)條件復(fù)雜地段必須施作[3]。

施工監(jiān)測：洞內(nèi)監(jiān)測布點(diǎn)根據(jù)圍巖等級及現(xiàn)場開挖方式，于監(jiān)控量測斷面拱頂、拱腰、側(cè)墻處布置埋設(shè);地表監(jiān)測布點(diǎn)根據(jù)地表開裂處布設(shè)。

3.4 安全施工

3.4.1 洞口施工管理

隧道洞口嚴(yán)格按照生產(chǎn)安全標(biāo)準(zhǔn)化管理，設(shè)置值班室及應(yīng)急倉庫，完備應(yīng)急救援物資。采用人臉識別人行通道系統(tǒng)及藍(lán)牙自動化門閘系統(tǒng)，嚴(yán)格人員、車輛進(jìn)出洞管理。

3.4.2 洞內(nèi)施工管理

洞內(nèi)施工項(xiàng)目使用新型逃生管道，配套逃生屋，設(shè)置一鍵式應(yīng)急警報(bào)器，做好應(yīng)急救援管理。布線嚴(yán)格按照規(guī)范要求“動力在上，照明在下”的原則，同時使用投影技術(shù)對“限速”“警示標(biāo)語”進(jìn)行投影警示。

3.5 安全逃生與搶險

施工后遇到險情時安全逃生系統(tǒng)直接關(guān)系到施工人員人身安全。吾排隧道開展了隧道洞內(nèi)逃生系統(tǒng)設(shè)施的標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)，洞內(nèi)施工時，在隧道掌子面附近安裝玻璃纖維材質(zhì)逃生管道（GFRPC-I-800-25），配套馬蹄形逃生屋（波紋鋼材質(zhì)，高2 m，長約3 m，儲備有應(yīng)急食物箱與救護(hù)箱），逃生屋與逃生管道相連。

日常加強(qiáng)對全體施工人員安全教育，包括逃生路線的熟悉、逃生設(shè)備設(shè)施的使用、逃生演習(xí)演練等。

4 巖溶風(fēng)險管控效果分析

擬建吾排隧道右洞YK72+937～YK72+969段位于山谷中間水田路段，原設(shè)計(jì)圍巖等級為Ⅲ級，采用S3支護(hù)形式進(jìn)行支護(hù)。經(jīng)現(xiàn)場揭露該段地質(zhì)極其復(fù)雜，因此采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前水平鉆相結(jié)合，輔以隱伏巖溶綜合物探的方式，以有效掌握掌子面前方及洞身周圍地質(zhì)條件情況。根據(jù)預(yù)報(bào)地質(zhì)情況，針對性地加強(qiáng)隧道洞身圍巖監(jiān)測工作。

4.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)

2020-10-16采用地質(zhì)雷達(dá)對YK72+944進(jìn)行了超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作，主要探測隧道掌子面前方30 m范圍內(nèi)巖土體的含水、空洞、破碎及巖溶發(fā)育情況。本次檢測采用地質(zhì)雷達(dá)法對圍巖情況進(jìn)行檢測。根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際情況測線布置如圖2所示。

預(yù)報(bào)結(jié)論如下：（1）該段以強(qiáng)風(fēng)化灰?guī)r為主，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，建議施工圍巖等級為V級，與事前判別的設(shè)計(jì)圍巖等級不符，詳見表1;（2）建議采取加深炮孔法和超前水平鉆探法相結(jié)合的方法，對前方隱伏巖溶區(qū)進(jìn)行進(jìn)一步探測。

4.2 超前水平地質(zhì)鉆探

2020-11-07采用不取芯水平?jīng)_擊鉆進(jìn)行超前預(yù)報(bào)作業(yè)。本次預(yù)報(bào)掌子面里程為 YK72+966，通過對前方42 m（YK72+966 ～ YK73+800段）內(nèi)圍巖的巖性鉆進(jìn)參數(shù)，如鉆進(jìn)速度、推進(jìn)力、扭矩、涌水情況等進(jìn)行分析得出結(jié)論。鉆孔位置詳見圖3。

鉆探結(jié)論為：YK72+966～YK73+800段圍巖等級推薦定為Ⅳ～Ⅴ級，建議提前做好施工應(yīng)對準(zhǔn)備，防止事故的發(fā)生。

4.3 周邊隱伏巖溶探測

采用地質(zhì)雷達(dá)對YK72+937～YK72+943段進(jìn)行了隧道周邊隱伏巖溶探測工作，主要探測隧道周邊25 m范圍內(nèi)巖土體完整性情況。在YK72+937～YK72+943斷面處縱向探測，共3條測線，測線長度均為6 m，累計(jì)測線長度為18 m?，F(xiàn)場測線布置如圖4所示。

通過對地質(zhì)雷達(dá)波圖像的辨識及地質(zhì)條件的綜合分析，得出如下結(jié)論：推斷斷面 YK72+937～YK72+943段0～25 m范圍內(nèi)巖體以強(qiáng)～中風(fēng)化灰?guī)r夾黏土為主，巖體破碎，溶蝕裂隙發(fā)育，地下水發(fā)育，發(fā)育有串珠狀小溶洞或溶腔，泥質(zhì)充填嚴(yán)重，其他段圍巖巖體較破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，層間局部夾泥，結(jié)合差。如圖5所示。

4.4 圍巖監(jiān)測及預(yù)警

針對以上預(yù)報(bào)情況，針對性地加強(qiáng)了隧道洞身圍巖監(jiān)測工作。YK72+944～YK72+969段監(jiān)控量測斷面測點(diǎn)埋設(shè)布置及拱頂下沉速率時態(tài)曲線如圖6、圖7所示。

從監(jiān)測數(shù)據(jù)來看，YK72+940～YK72+969 段圍巖一直處于急劇變形狀態(tài)，且拱頂下沉累計(jì)值及沉降速率非常大，為防止可能出現(xiàn)工程險情，監(jiān)測單位先后發(fā)出二級、一級預(yù)警。

2020-11-09早上5：00左右，YK72+958右拱腰出現(xiàn)塌方，通過監(jiān)測發(fā)現(xiàn)YK72+946、YK72+948斷面拱頂及拱腰沉降速率均>100 mm/d。為防止險情發(fā)生，監(jiān)控量測組通過信息及電話方式發(fā)出緊急預(yù)警，隨即施工人員全部撤離，撤離后約1 h，YK72+957～YK72+969段（隧道凈埋深約78 m）發(fā)生溶洞塌方事故，4塊巨型孤石（直徑在1～4 m）滑落，有填充物涌出約12 m，方量約600 m 3，填充物為軟塑狀黃黏土，濕潤，夾雜孤石，掌子面無水噴涌。

因提前預(yù)警，人員已撤離，未造成人員傷亡。后續(xù)擬召開專家研討會，研究討論溶洞塌方過程及成因，并提出相應(yīng)的處治方案。

根據(jù)巖溶隧道安全管理實(shí)踐，擬建吾排隧道所采取的安全預(yù)報(bào)方案科學(xué)、有效，施工過程中成功地預(yù)警了YK72+937～YK72+969 段溶洞塌方事故，保護(hù)了洞內(nèi)作業(yè)人員人身安全，安全風(fēng)險管控效果明顯。

5 結(jié)語

（1）隧道洞身實(shí)際地質(zhì)情況可能與前期勘察有出入，應(yīng)強(qiáng)化巖溶隧道施工過程中的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作。

（2）安全預(yù)報(bào)是巖溶隧道全過程安全管理的核心。采用超前地質(zhì)預(yù)報(bào)與超前水平鉆相結(jié)合，輔以隱伏巖溶綜合物探，可有效地掌握掌子面前方及洞身周圍地質(zhì)條件情況。根據(jù)預(yù)報(bào)地質(zhì)情況，針對性地加強(qiáng)隧道施工監(jiān)測，可有效降低事故發(fā)生的可能性。

（3）隧道洞內(nèi)逃生系統(tǒng)設(shè)施標(biāo)準(zhǔn)化建設(shè)可有效應(yīng)對事故險情，為應(yīng)急救援爭取寶貴時間。

（4）應(yīng)運(yùn)用系統(tǒng)工程原理和方法，開展巖溶隧道施工全過程風(fēng)險管控工作。

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