綠色礦山法隧道建設(shè)期內(nèi)風(fēng)險(xiǎn)研究

陳行行 孫國帥，2 胡露露

（1.遼寧工業(yè)大學(xué)，遼寧 錦州 121001；2.中大建設(shè)股份有限公司工程管理中心，廣東 廣州 510280）

0 引言

“綠色發(fā)展”是我國五大發(fā)展戰(zhàn)略之一，傳統(tǒng)發(fā)展常伴隨著高污染、高消耗與高投入，這種發(fā)展模式不可持續(xù)，須向節(jié)約資源的綠色低碳循環(huán)發(fā)展模式轉(zhuǎn)型升級。近日，交通運(yùn)輸部下發(fā)了“十四五”發(fā)展規(guī)劃文件，提出大力推進(jìn)綠色交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隧道是綠色交通基礎(chǔ)設(shè)施的重要組成部分，建設(shè)綠色隧道將是必然選擇。“綠色隧道”是指在全壽命周期內(nèi)，降低能耗、綠色低碳，節(jié)省資源、保護(hù)環(huán)境，為人們提供一個(gè)優(yōu)良的地下建筑［1］。我國綠色隧道建設(shè)正處于初期階段，節(jié)能和環(huán)保技術(shù)及體系尚未成熟，建造難度比較大、風(fēng)險(xiǎn)因素種類多、危險(xiǎn)性高。因此，很有必要對綠色隧道建設(shè)期內(nèi)的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行研究和分析，段軍朝等［2］利用物聯(lián)網(wǎng)現(xiàn)代科技，形成瓦斯智能檢測系統(tǒng)；王玉鎖等［3］利用FIAC有限差分軟件建立隧道掘進(jìn)計(jì)算模型。上述研究推動了綠色隧道的發(fā)展，但研究僅限于某一特殊工序，對綠色礦山法隧道風(fēng)險(xiǎn)因素缺乏整體性分析。因此，本研究從兩方面進(jìn)行切入，一方面是對綠色隧道建設(shè)過程中較為常見的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析；另一方面通過綠色礦山法隧道工藝過程進(jìn)行分析，旨在完善綠色礦山法隧道風(fēng)險(xiǎn)因素體系，為相關(guān)研究者提供意見和建議。

1 風(fēng)險(xiǎn)因素

1.1 坍塌風(fēng)險(xiǎn)

隧道坍塌主要發(fā)生在掌子面或者掌子面前段，巖體處于裸露狀態(tài)，未能及時(shí)施作初期支護(hù)，造成掌子面不能承受圍巖與周圍的水土壓力，又或者是巖石較軟，再有地下水的侵蝕和軟化，導(dǎo)致巖體強(qiáng)度降低。因隧道環(huán)境、巖性不同造成隧道坍塌的位置、時(shí)間以及影響范圍等也不同，表1 為隧道易失穩(wěn)的圍巖類型。

表1 隧道易失穩(wěn)圍巖類型

1.2 有毒有害氣體風(fēng)險(xiǎn)

在含有瓦斯氣體地層進(jìn)行綠色礦山法隧道施工風(fēng)險(xiǎn)極大，安全控制難度較高。瓦斯是各類氣體的混合物，如CH4、CO2、N2以及少量惰性氣體，在相同的大氣壓下，瓦斯密度比空氣密度小，因而在隧道頂部、斷面改變處累聚，少量瓦斯氣體并不會造成太大危險(xiǎn)，但濃度達(dá)到一定程度后會造成隧道內(nèi)含氧量過低，使作業(yè)人員窒息死亡。瓦斯爆炸是指瓦斯氣體和空氣混合后遇到高溫點(diǎn)火源形成的劇烈化學(xué)反應(yīng)。

1.3 地下水風(fēng)險(xiǎn)

地下水對隧道的影響主要分為兩類，一類是涌水，涌水又可分為開挖面涌水、區(qū)間涌水、門洞涌水。如圖1 所示，三者發(fā)生機(jī)理并不完全相同，但均是由于隧道的開挖和振動，導(dǎo)致地應(yīng)力場變化，平衡狀態(tài)遭到破壞，圍巖和周圍地下水產(chǎn)生互動效應(yīng)，常伴隨有土和砂，大面積涌水將會造成人員傷亡、地下水位降低、井水干涸以及地表沉降等危害。

圖1 開挖面涌水示意圖

另一類是滲漏水，隧道滲漏水發(fā)生機(jī)理是由于滲流場的變化，導(dǎo)致圍巖周圍地層水和裂隙水通過滲透流動到達(dá)隧道內(nèi)部，破壞隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、腐蝕隧道設(shè)備，尤其是在地質(zhì)復(fù)雜的環(huán)境下，地下水處理不當(dāng)會造成較大影響。

1.4 工藝過程風(fēng)險(xiǎn)

在綠色礦山法隧道施工過程中，風(fēng)險(xiǎn)蘊(yùn)含在每個(gè)工序之中，綠色隧道施工流程為：超前支護(hù)—開挖—初支—防水層—二襯。

1.4.1 超前支護(hù)。超前支護(hù)通常設(shè)置在圍巖自承能力差、自穩(wěn)時(shí)間短的隧道，超前支護(hù)形式和種類見表2。常見超前支護(hù)過程的風(fēng)險(xiǎn)因素有：①加固方式與方法不匹配；②存在巖溶潛水、承壓水、鉆孔后涌水；③超前方案不合理；④注漿后未達(dá)到規(guī)定強(qiáng)度進(jìn)行下一道工序施工；⑤注漿壓力過大，導(dǎo)致注漿管炸裂；⑥漿液配合比不合理。

表2 超前支護(hù)類型

1.4.2 開挖。根據(jù)施工技術(shù)的復(fù)雜程度、隧道斷面尺寸、周邊地質(zhì)情況等因素選擇隧道開挖工法，若圍巖自承能力好，又無地下水的影響，可使用全斷面開挖法；若圍巖穩(wěn)定性差，又有地下水的影響，可使用分部開挖法并輔以降水措施。隧道開挖的風(fēng)險(xiǎn)因素有：①開挖方式選擇不當(dāng)；②裝藥量不當(dāng)；③炮眼布置不合理；④開挖步距過長或過短，支護(hù)不及時(shí)；⑤突發(fā)性涌水，存在不確定因素。

1.4.3 初期支護(hù)。初期支護(hù)主要承受圍巖變形和應(yīng)力釋放，保障隧道結(jié)構(gòu)安全，通常情況下采用噴錨支護(hù)，在圍巖破碎地帶還需要鋼拱架和鋼筋網(wǎng)配套使用，并和二次襯砌共同作用形成韌性復(fù)合結(jié)構(gòu)。初期支護(hù)的風(fēng)險(xiǎn)因素有：①錨桿不符合要求；②噴射混凝土配合比差；③初期支護(hù)背后空洞；④鋼拱架未設(shè)置鋼墊板，直接立于虛渣上；⑤錨桿未鉆至設(shè)計(jì)位置；⑥水泥漿液不符合設(shè)計(jì)要求；⑦初期支護(hù)不及時(shí)；⑧鋼筋網(wǎng)片未與鋼拱架焊接。

1.4.4 二次襯砌。二次襯砌結(jié)構(gòu)和初期結(jié)構(gòu)共同作用，保證隧道結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，二次襯砌的風(fēng)險(xiǎn)因素有：①混凝土未達(dá)到拆模強(qiáng)度，致使混凝土塌陷掉落；②模板臺車強(qiáng)度、剛度低；③泵送混凝土配合比不合理；④未振搗密實(shí)，致使混凝土強(qiáng)度較低以及混凝土表面缺陷；⑤端頭模板拼接不嚴(yán)，隧道轉(zhuǎn)彎處封堵不嚴(yán)及厚度不足；⑥防水層鋪設(shè)不合理、不規(guī)范。

2 風(fēng)險(xiǎn)對策

2.1 坍塌風(fēng)險(xiǎn)對策

開挖方式的選擇是影響綠色隧道穩(wěn)定性的因素之一，合理的掘進(jìn)技術(shù)可以減少隧道坍塌現(xiàn)象的發(fā)生，其原理是通過避免多次擾動開挖面周圍巖層，從而降低掌子面圍巖的變形引起失穩(wěn)坍塌等情況。對現(xiàn)有超前支護(hù)形式進(jìn)行歸納總結(jié)，當(dāng)圍巖具有一定的自承能力時(shí)可采用在巖層中施打超前錨桿，并配合鋼拱架使用；當(dāng)圍巖強(qiáng)度低、巖體較為破碎時(shí)，可以加大初期支護(hù)體系的強(qiáng)度和剛度，并施作超前小導(dǎo)管注漿，縮短鋼筋網(wǎng)的間距；當(dāng)隧道圍巖極其破碎可以采用鋼拱架與管棚相配合的方法來抑制隧道坍塌。

2.2 有毒有害氣體風(fēng)險(xiǎn)對策

隧道內(nèi)有毒有害氣體的防治主要是通過加強(qiáng)通風(fēng)，防止出現(xiàn)瓦斯?jié)舛瘸藁蛘咚淼谰植客咚狗e聚的情況。由于隧道處于一個(gè)相對封閉的空間內(nèi)，隧道設(shè)計(jì)又多為曲線形，造成彎道較多，并且對外洞口較少。因此，必須有配套的檢測儀器來加強(qiáng)隧道有毒有害氣體的監(jiān)測。

2.2.1 隧道通風(fēng)。施工期間隧道通風(fēng)是一個(gè)較為復(fù)雜的系統(tǒng)，不僅需要滿足日常作業(yè)所需的風(fēng)量，還需要考慮瓦斯隧道通風(fēng)，具體考慮因素如下。

①洞內(nèi)作業(yè)人員所需風(fēng)量Q1，根據(jù)式（1）計(jì)算。

式中：4 為人均每分鐘所需空氣量，m3/min；k為風(fēng)量備用系數(shù)；m為洞內(nèi)同時(shí)工作的最多人數(shù)。

②洞內(nèi)工作的內(nèi)燃機(jī)械所需風(fēng)量Q2，根據(jù)式（2）計(jì)算。

式中：ps為隧道內(nèi)施工作業(yè)機(jī)械的總功率，kW；4為內(nèi)燃機(jī)每千瓦每分鐘需風(fēng)量，m3/min。

③隧道爆破通風(fēng)排煙所需風(fēng)量Q3，根據(jù)式（3）計(jì)算。

式中：A為炸藥消耗量，kg；S為隧洞斷面面積，m2；L為通風(fēng)換氣長度，m；t為通風(fēng)時(shí)間，min。

④洞內(nèi)最小風(fēng)速Q(mào)4、最大風(fēng)速Q(mào)5，根據(jù)式（4）和式（5）計(jì)算。

式中：Vmin為最小通風(fēng)風(fēng)速，m3/min；Vmax為最大通風(fēng)風(fēng)速，m3/min；Smax為隧洞最大斷面面積，m2；Smin為隧洞最小斷面面積，m2。

⑤風(fēng)管的百米漏風(fēng)率和風(fēng)管內(nèi)摩阻系數(shù)、風(fēng)壓摩阻和局部損失。

根據(jù)隧道的設(shè)計(jì)斷面大小及瓦斯地層通風(fēng)要求，選擇適當(dāng)?shù)耐L(fēng)方式，瓦斯長距離隧道可以采用混合式通風(fēng)，在隧道外部和隧道錯(cuò)車洞分別設(shè)置220 kW 壓入式風(fēng)機(jī)，形成多臺接力，并在距離開挖面30～40 m處設(shè)置吸出式風(fēng)機(jī)。

2.2.2 有毒有害氣體監(jiān)測。建立瓦斯?jié)舛茸詣訖z測、礦山法隧道實(shí)時(shí)監(jiān)控、重大危險(xiǎn)源視頻監(jiān)控、隧道施工人員定位以及勞務(wù)實(shí)名制的“五位一體”的礦山法隧道安全防控體系平臺。在隧道開挖面、斷面改變處、隧道頂部、錯(cuò)車洞等重點(diǎn)部位安裝光學(xué)瓦斯檢測儀、H2S 檢測報(bào)警儀以及隧道流動風(fēng)速監(jiān)測傳感器，當(dāng)隧道內(nèi)瓦斯?jié)舛瘸^標(biāo)定濃度或流動風(fēng)速較低時(shí)，洞內(nèi)與視頻控制中心均會發(fā)出聲光報(bào)警。平臺系統(tǒng)應(yīng)具有CH4斷電儀和CH4風(fēng)電閉鎖裝置的全部功能，利用物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)以及無線傳輸?shù)痊F(xiàn)代科技手段實(shí)現(xiàn)風(fēng)險(xiǎn)源智能化監(jiān)控，遇到危險(xiǎn)時(shí)，應(yīng)急系統(tǒng)會迅速啟動，視頻監(jiān)控中心可立即向施工現(xiàn)場發(fā)出應(yīng)急指令。

2.3 地下水風(fēng)險(xiǎn)對策

地下水在隧道建設(shè)期內(nèi)是最為常見、最為活躍且影響較大的風(fēng)險(xiǎn)因素，地下水的防治可分為“排”和“堵”或兩者相結(jié)合的方法。“排”主要是通過超前地質(zhì)報(bào)告預(yù)發(fā)位置和地下水量選擇合理的排水方案，通過埋入排水盲管或排水盲溝，使隧道內(nèi)部地下水排出洞外，不同隧道允許最大排水量如表3 所示。“堵”是指在滲漏水處注漿，改變地下水流向。地下水的防治需要根據(jù)植被生態(tài)的需水量計(jì)算隧道允許最大排水量Qmax［4］，如式（6）所示。在滿足生態(tài)需水量后還應(yīng)考慮地下水對襯砌結(jié)構(gòu)的壓力，通過折減系數(shù)、數(shù)值分析或者模型試驗(yàn)研究地下水壓力對襯砌結(jié)構(gòu)的影響。

表3 不同隧道允許最大排水量

式中：μ為貯水系數(shù)；qt為最大涌水開始到t時(shí)涌水總量，m3/（d·m）；T為導(dǎo)水系數(shù)；t為計(jì)算時(shí)間，d；y為疏干漏斗半徑，m；L為隧長，m；B為隧寬，m；h為允許地下水最大下降深度，m。

2.3.1 超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)。超前地質(zhì)預(yù)報(bào)可以探明開挖前方地層構(gòu)造形態(tài)、規(guī)模大小、位置，預(yù)測分析未開挖巖體構(gòu)造，提前做好應(yīng)對措施。因此，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)備受關(guān)注，經(jīng)過不斷的嘗試和應(yīng)用，超前地質(zhì)預(yù)報(bào)技術(shù)也逐步趨于成熟和穩(wěn)定，構(gòu)建了以宏觀地質(zhì)分析和超前鉆孔分析為基礎(chǔ)，瞬變電磁法、探地雷達(dá)、紅外線探測法并行的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)體系，每種方法在應(yīng)用中均有優(yōu)缺點(diǎn)。如宏觀地質(zhì)分析主要依靠預(yù)測人員經(jīng)驗(yàn)，預(yù)報(bào)精度低；超前鉆孔可以直接查看開挖面前方圍巖情況，但鉆孔之間的圍巖無法查看，作業(yè)強(qiáng)度大，成本高；瞬變電磁法在含水地質(zhì)構(gòu)造中反應(yīng)靈敏，可以探明位置和尺寸，但易受金屬結(jié)構(gòu)、錨索等的影響；探地雷達(dá)對裂隙、斷層、破碎帶識別能力強(qiáng)，反應(yīng)靈敏，但也易受金屬結(jié)構(gòu)、錨索等的影響；紅外線探測只能定性判斷，不能探明位置。因此，需要結(jié)合隧道風(fēng)險(xiǎn)類型和等級來選用一種或多種組合的超前地質(zhì)預(yù)報(bào)方法［5］。

2.3.2 結(jié)構(gòu)防水。結(jié)構(gòu)防水是以提高混凝土結(jié)構(gòu)保護(hù)層的厚度以及襯砌混凝土自密性為基礎(chǔ)，對接縫、接頭等部位進(jìn)行止水帶的敷設(shè)為重點(diǎn)，并做防水層進(jìn)行補(bǔ)強(qiáng)，形成較為嚴(yán)密的防水體系，建立防水體系的同時(shí)還要充分考慮地下水水壓對襯砌混凝土結(jié)構(gòu)的影響，地下水水壓可分為地下水靜水壓和圍巖孔隙水壓兩種。

地下水靜水壓對襯砌混凝土的影響可通過折減系數(shù)法定性判斷得出，最關(guān)鍵的折減系數(shù)依據(jù)隧道周邊地質(zhì)水文情況、隧道滲流場以及排水體系等條件綜合分析后確定，折減系數(shù)計(jì)算公式為式（7）。

式中：P為襯砌靜水壓，kPa；c1為水文地質(zhì)折減系數(shù)；c2為滲流場折減系數(shù)；c3為排水系統(tǒng)折減系數(shù)；γw為地下水重度，N/m3；h為水頭高度，m。

圍巖孔隙水壓力可分為水平孔隙水壓ph和垂直孔隙水壓pv［6］，計(jì)算公式為式（8）和式（9）。

式中：h′為等效地下水位高度，m；x為計(jì)算位置到隧道中心的長度，m；r0為隧道半徑，m；γw為地下水重度，N/m3。

2.3.3 加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)。富水地層圍巖受到地下水的軟化與溶蝕，巖體多為破碎，同時(shí)存在斷層和破碎帶的可能，在含有地下水較多的巖層中加強(qiáng)支護(hù)參數(shù)也是十分必要的，具體如表4 所示，通過提高支護(hù)等級來控制地下水的影響。

2.3.4 徑向?qū)Ч茏{堵水。徑向注漿堵水和超前導(dǎo)管注漿工藝大致相同，均是利用巖體本身進(jìn)行防水。因巖體存在不連續(xù)性，造成地下水力特征的改變，通過注漿使巖體成為一個(gè)連續(xù)體，增加巖體的密實(shí)度和連續(xù)性，漿液可選擇水泥單液漿和水泥水玻璃雙液漿，圍巖裂隙小且水壓較大時(shí)也可采用水溶性聚氨酯材料，漿液擴(kuò)散長度如表5 所示。隨著環(huán)保意識的不斷加強(qiáng)，綠色礦山法隧道地下水的防治更要考慮地下水的保護(hù)。

表5 漿液擴(kuò)散長度

2.3.5 材料防水。近年來，防水新型材料不斷研發(fā)和應(yīng)用，防水材料可分為剛性材料和柔性材料，見表6。如塑料防（排）水板與無紡布復(fù)合使用，它利用防（排）一體的特性，增加無紡布過濾土砂功能。防水卷材在地下水防治中使用最為普遍，穩(wěn)定性能也較好。隧道防水卷材主要材料可分為增塑聚氯乙烯（PVC-P）、柔軟聚烯烴（FPO）和熱塑性聚烯烴（TPO）3 種類型，其中PVC-P 對于不規(guī)則隧道具有很強(qiáng)的適用性、操作方便，實(shí)踐案例最多；FPO、TPO 屬于聚合物系列，相較于PVC-P 其具有較大剛性和抗腐蝕性，在明挖隧道以及仰拱下部有較多應(yīng)用。防水涂料的基質(zhì)材料有乙烯-醋酸乙烯共聚物（EVA）、丙烯酸甲酯反應(yīng)性樹脂（MRR）和丁苯橡膠聚合物（SBR）［7］，上述噴涂材料不僅具有較好的伸縮性，還存在較強(qiáng)的耐久性，但要格外注意噴涂表面環(huán)境條件，噴涂表面平整度、濕度以及腐蝕性地下水對防水效果的影響。

表6 防水材料分類及代表

2.4 初期支護(hù)及二次襯砌風(fēng)險(xiǎn)對策

2.4.1 安全風(fēng)險(xiǎn)對策。初期支護(hù)和二次襯砌所面臨的安全風(fēng)險(xiǎn)主要是防止土或石的掉落，在立架作業(yè)工序時(shí)應(yīng)保證隧道作業(yè)環(huán)境的安全，措施有：①根據(jù)超前地質(zhì)報(bào)告數(shù)據(jù)嚴(yán)格復(fù)核，確保準(zhǔn)確性；②技術(shù)人員對富水地段進(jìn)行標(biāo)注，加強(qiáng)觀測圍巖及滲水情況；③對初期支護(hù)、二次襯砌以及模板臺車進(jìn)行荷載計(jì)算，驗(yàn)證結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。

2.4.2 質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)對策。二次襯砌最大的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)是混凝土厚度不足，導(dǎo)致二次襯砌混凝土厚度不足的原因則是初期支護(hù)不平整，初期支護(hù)不平整的原因是測量間距過大、炮眼位置布置不合理、炸藥量計(jì)算不準(zhǔn)確等，造成隧道斷面存在較多欠挖部位，故將欠挖部位剔除后即可解決初期支護(hù)及二次襯砌厚度不足問題。

3 結(jié)語

綠色礦山法隧道在建設(shè)期內(nèi)存在諸多風(fēng)險(xiǎn)，該研究主要從坍塌、有毒有害氣體、地下水以及初期支護(hù)和二次襯砌等方面對綠色隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析，針對不同風(fēng)險(xiǎn)類型，從人員、地質(zhì)、水文、環(huán)境等方面提出相應(yīng)的對策及建議，因建設(shè)期內(nèi)綠色隧道風(fēng)險(xiǎn)因素較為復(fù)雜，且不確定因素較多，這需要項(xiàng)目管理者進(jìn)行多方面、深層次、全過程的把控，做好精確管理，并根據(jù)勘察設(shè)計(jì)以及地質(zhì)環(huán)境選擇施工工法，有針對性地組織綠色隧道的施工，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)控制，保證作業(yè)安全。目前，綠色礦山法隧道處于初期發(fā)展階段，還須進(jìn)一步研究綠色隧道技術(shù)，如裝配式隧道技術(shù)、地?zé)峒夹g(shù)、雨水循環(huán)技術(shù)、LED 節(jié)能高效照明技術(shù)、隧道礦渣綜合利用技術(shù)等，以此促進(jìn)綠色礦山法隧道可持續(xù)發(fā)展。