南峰隧道安全風(fēng)險評估及病害預(yù)防措施

王春茶

(福建船政交通職業(yè)學(xué)院，福州 350007)

0 引言

南峰隧道位于福州繞城高速公路A15合同段終點處，是A15合同段的主要控制性工程之一，按雙向6車道設(shè)計，設(shè)計時速為100 km/h，左洞1 409 m，右洞1 388 m，隧道合同工期18個月。

南峰隧道位于鷲峰山山脈，沿線穿越的地貌為低山—剝蝕丘陵地貌，地形起伏大，海拔50～400 m，相對高差約50～250 m，山坡植被發(fā)育，多為雜林，覆蓋層較薄。山坡自然坡度約為20°～55°，天然坡體較穩(wěn)定，溝谷發(fā)育，切割較深，谷底狹窄，呈“V”型。區(qū)域上位于閩東火山斷拗帶東北部與閩東南沿海變質(zhì)巖帶延伸接觸部分，并以其為主導(dǎo)，控制區(qū)內(nèi)是北東向及北西向為主東西向次之的構(gòu)造格局，經(jīng)歷多次構(gòu)造運動及火山巖漿活動造就了路段地層巖性及其構(gòu)造斷裂體系。

南峰隧道周邊為火山巖或侵入巖等較硬巖或堅硬巖，巖質(zhì)堅硬，有利于工程建設(shè)。其中侵入巖約占全線的43%，火山噴出巖占全線的57%。殘坡積層一般工程地質(zhì)性質(zhì)尚好，可充分采用天然地基。沿線主要分布有可塑狀粉質(zhì)黏土及稍密以上卵石、礫石等，中低壓縮性，力學(xué)性能較好，一般可采用天然地基。

南峰隧道口兩側(cè)為峽谷，場地狹小，場地布置難度較大，圍巖裂隙較多，水系發(fā)育，有1 991.591 m為反坡，施工難度大。且隧道洞碴棄碴場離隧道口約2.5 km，隧道出碴的運輸僅有1條沿著河谷的施工便道可用，施工干擾大，運輸速度慢。

1 南峰隧道總體風(fēng)險評估

南峰隧道為福州繞城高速公路東南段A15合同段的控制性工程，根據(jù)隧道本身的特點(共穿越5個斷裂層、巖石較破碎等)，根據(jù)相關(guān)規(guī)定需對南峰隧道施工安全進行風(fēng)險評估。

南峰隧道施工安全總體風(fēng)險評估主要考慮隧道地質(zhì)條件、建設(shè)規(guī)模、氣候與地形條件等風(fēng)險評估指標，見表1～2。

表1 隧道工程總體風(fēng)險評估指標體系

表2 隧道工程施工安全總體風(fēng)險分級標準

1.1 隧道地質(zhì)情況

1)隧道圍巖情況：南峰隧道屬于A15合同段部分，共長2 797 m，施工分左洞和右洞，其中Ⅴ級、Ⅵ級圍巖709 m，小于2 797 m×30%=839.1 m。綜合考慮a=1。

2)瓦斯含量：據(jù)當?shù)貐^(qū)域地質(zhì)資料，隧道施工區(qū)域未見有礦體分布，不會產(chǎn)生瓦斯等有害氣體。綜合考慮b=0。

3)水情況：南峰隧道分布5條斷層和1條巖性接觸帶，隧道施工區(qū)域地下水主要為風(fēng)化基巖孔隙—裂隙水，構(gòu)造裂隙水、地下水較發(fā)育，洞口處地下水在洞頂附近。綜合考慮c=1。

綜合上述因素G=a+b+c=2。

1.2 開挖斷面

南峰隧道為大斷面(單洞三車道隧道)，如圖1。綜合考慮A=3。

圖1 南峰隧道斷面示意圖

1.3 隧道長度

因南峰隧道全長共2 848.5 m，對照風(fēng)險評估指標體系表可知L=3。

1.4 洞口形式

南峰隧道有A15標和A16標負責施工，A15標從進口分左右洞單向掘進，左右洞洞口形式均采用水平洞。綜合考慮S=1。如圖2～3所示。

1.5 洞口特征

南峰隧道進洞口位于兩山谷交匯的坡腳處，坡度大約在25°～30°，斜坡上覆蓋著較薄的殘積土，在其下大部分為遭受過強風(fēng)化的巖層，巖層強度總體較好。在勘察時發(fā)現(xiàn)洞口地下水位離洞頂位置很近，不利于洞口施工。隧道右洞靠近右側(cè)，發(fā)現(xiàn)有斷層與隧道相交，不利于圍巖表面穩(wěn)定，應(yīng)及時支護，綜合考慮C=2。

綜合前述計算得：南峰隧道風(fēng)險等級分值R=G+A+L+S+C=2+3+3+1+2=11，查看風(fēng)險分級標準，分值在Ⅱ級區(qū)間，判定為中度風(fēng)險。

圖2 南峰隧道左洞進口段洞口剖面圖

2 南峰隧道施工時有可能出現(xiàn)的病害特征

1)南峰隧道若未支護就進行開挖，拱部可能因產(chǎn)生較大變形而出現(xiàn)開裂。

2)隧道圍巖施工表面應(yīng)及時采用噴射混凝土支護，否則圍巖可能會迅速沿著裂隙產(chǎn)生破裂，施工表面會有異響，伴隨圍巖表面剝落，開挖掌子面輪廓漸漸出現(xiàn)變形等病害，隨后出現(xiàn)較為破碎現(xiàn)象[1]。

3)隨著時間推移隧道圍巖應(yīng)力可能突然大量釋放，加速隧道的變形，使隧道產(chǎn)生開裂，造成危險。

4)隧道進出口附近的偏壓可能不對稱、不均勻，開挖施工時會產(chǎn)生變形，出現(xiàn)裂縫。

5)在隧道開挖掘進過程中如果遇到巖溶溶腔，很可能出現(xiàn)突水突泥病害[2]。

3 預(yù)防措施

3.1 預(yù)防坍方的對策

在施工右洞洞口偏壓段時，預(yù)防坍方的主要對策：做好地質(zhì)超前預(yù)報，采取相應(yīng)支護措施和隧道圍巖變形監(jiān)測，并及時進行仰拱和二次襯砌施工[3]。若沒有重視坍方預(yù)防，未隨時分析數(shù)據(jù)，沒有研判，沒有及時采取有效措施，則容易出現(xiàn)初期支護混凝土裂紋，格柵鋼架扭曲變形，隧道可能會發(fā)生局部坍塌，如圖4所示。

圖4 隧道局部坍塌

3.2 預(yù)防隧道突泥突水突石

隧道突水突泥突石病害經(jīng)常發(fā)生在掌子面附近的破碎段，或是在隧道施工時掌子面附近的巖溶溶腔壓力大，與隧道臨界表面被壓潰[4]。

圖5 隧道突水突泥突石

因南峰隧道洞身有5條發(fā)育的斷層和1個特大巖溶溶腔，而且有1條斷層涌水量較大。為避免產(chǎn)生病害，應(yīng)做好相關(guān)預(yù)防工作，比如超前地質(zhì)預(yù)報、探水、鉆孔探測等，出現(xiàn)狀況后要及時制訂相應(yīng)的處治措施。

3.2.1 預(yù)防隧道洞身斷層裂隙涌水的對策

在施工過程中，采用打孔注漿的封堵方法對隧道破碎帶頂面的裂隙進行加固，注漿時需延伸至隧道仰拱底部。在隧道開挖掘進過程中，應(yīng)先采用超前小導(dǎo)管注漿法加固地層，然后再采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法進行開挖，遇到大塊巖石就采取微爆法進行爆破，循環(huán)進尺應(yīng)在0.8 m內(nèi)，并按設(shè)計加密炮眼，控制好炸藥用量，按科學(xué)有序的方法對破碎帶進行施工。

3.2.2 預(yù)防隧道巖溶溶腔突水突泥突石的對策

隧道巖溶溶腔突然突水突泥突石地質(zhì)災(zāi)害是隧道為數(shù)不多并且危險性很大的病害。在施工中，可以采用TSP探測及根據(jù)設(shè)計單位提供的地質(zhì)報告，提前判斷并發(fā)現(xiàn)隧道洞內(nèi)地下水位較高以及較易發(fā)生涌水的路段，在施工過程中可以采取以下措施預(yù)防洞內(nèi)地下水位較高問題：

1)“排”即采取超前鉆孔排水和輔助坑道排水來降低地下水位；

2)“堵”即采取超前小導(dǎo)管預(yù)注漿加固堵水或超前圍巖預(yù)注漿加固堵水，預(yù)防巖溶溶腔壓潰隧道臨界面；

3)“降”即采用井點降水或深井降水的方法來降低地下水位。

隧道涌水的主要特點及防治方法：

1)隧道涌水面積大地段。可以在圍堰表面設(shè)置樹枝狀軟式透水管，對突水進行引排，然后再噴射混凝土。

2)隧道涌水較為集中地段。常用在噴錨前打孔或開縫的摩擦錨桿進行排水。

3)涌水較為嚴重地段。目前常用的防治方法是一邊采用引水管排水一邊噴射水泥混凝土。首先在隧道圍巖表面挖引水孔，用引水管連接匯水孔等排水裝置將涌水引入排水溝內(nèi)，然后噴射水泥混凝土。

3.3 南峰隧道因基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生變形異常的對策

南峰隧道左洞基礎(chǔ)的病害較為復(fù)雜且難處理，為了了解注漿前后隧道仰拱位移及初期支護仰拱軸力的變化情況，使用MIDAS-GTS 軟件建二維模型[5]，在隧道基礎(chǔ)工程布設(shè) 205個觀測斷面，每個觀測斷面埋設(shè)左側(cè)、中間、右側(cè) 3 個觀測點，每個觀測點監(jiān)測頻率為 7 d/次，在仰拱澆筑完工后開始監(jiān)測，觀測最多 73 期，觀測時長最長512 d。分析不同時段隧道仰拱位移及初期支護仰拱軸力的變化情況來確定防治措施。

在LK2+120～LK4+595 段，施工方按要求提供沉降觀測數(shù)據(jù)，隧道仰拱累計沉降觀測值為-6.1～7.97 mm，8 d后本段沉降觀測累計值為 -6.78～8.44 mm，近 40 d變化范圍為-0.65～1.12 mm。隧道仰拱數(shù)據(jù)未穩(wěn)定，有個別測點為隆起，大部分測點產(chǎn)生下沉。計算結(jié)果匯總到表3。

由表3可知，隧道Ⅴ級圍巖仰拱處位移與軸力均大于Ⅵ級圍巖仰拱處的位移與軸力。在隧道Ⅴ級圍巖仰拱經(jīng)過打孔注漿和打設(shè)鉆孔灌注樁后，初期支護仰拱處軸力仍較大，因此隧道Ⅴ級圍巖的仰拱加固一般可以在先注漿的基礎(chǔ)上再打設(shè)鉆孔灌注樁；如果隧道Ⅴ級圍巖在注漿后仰拱隆起尺寸狀態(tài)能保持在安全允許的標準范圍內(nèi)，可以不用再打設(shè)鉆孔樁。

表3 注漿前后仰拱位移與軸力變化

3.3.1 隧道邊坡溜坡坍塌預(yù)防方法

隧道在開挖過程中可能引起邊坡溜坡坍塌、危巖落石，可以采用逐層清理、臺階法施工、錨網(wǎng)噴支護3種方法。

1)逐層清理。若隧道邊坡有比較大且可能下滑的巖層，可以采用逐層清理的方法，從上到下一層一層地進行清理，同時進行錨噴網(wǎng)支護。

2)分臺階刷坡施工。南峰隧道進口邊坡高且陡峭，為防止邊坡溜坡坍塌，經(jīng)多方研究討論確定采用分臺階刷坡方法進行防護，每級臺階高度約為2 m。每級臺階刷坡完成后應(yīng)注意及時支護，避免因為刷坡表面長時間暴露在外發(fā)生風(fēng)化或雨水沖刷而引起溜坡坍塌。

3)錨網(wǎng)噴支護。錨網(wǎng)噴支護能夠有效地防止邊坡溜坡坍塌。在開挖邊坡臺階的過程中，應(yīng)盡量做到隧道開挖一小段后馬上采取錨網(wǎng)噴支護[6]。為了確保邊坡不會因滑動面出現(xiàn)而整體滑動，錨桿應(yīng)打入邊坡滑動面的有效深度。

3.3.2 危巖落石的預(yù)防方法

危巖落石的預(yù)防可以采取主動清除、錨網(wǎng)噴防護、掛安全網(wǎng)防護3種方法。

1)主動清除。對于南峰隧道進出口邊坡上較大且可能會落下的孤石，可以采取措施將其清除，避免其滾動滑落后產(chǎn)生危險破壞。

2)錨網(wǎng)噴防護。如果隧道表面危巖落石很多，體積小，占用面積較大，適合采用錨網(wǎng)噴方法進行處理。

3)掛安全網(wǎng)防護。有些危巖落石不方便采用主動清除或錨網(wǎng)噴防護，可在其下方的適當位置掛安全網(wǎng)進行防護。

4 結(jié)語

南峰隧道是福州繞城高速公路東南段A15合同段的重難點工程及控制工程，難度系數(shù)大，需要注意的事項較多，最重要的是要做好安全和預(yù)防措施。

南峰隧道采用安全風(fēng)險評估內(nèi)容：采用創(chuàng)新分析方法，通過隧道設(shè)計文件及現(xiàn)場施工情況，依據(jù)隧道的地質(zhì)情況、開挖斷面、隧道長度、洞口形式及特征計算相應(yīng)分值，計算得總分值R=11分，分值在Ⅱ級區(qū)間，為中度風(fēng)險，為制訂隧道安全施工的預(yù)防措施提供了可行依據(jù)。

保證南峰隧道安全的主要預(yù)防措施及效果：

1)南峰隧道采用地質(zhì)超前預(yù)報、初期支護和圍巖變形監(jiān)測等安全預(yù)防措施，做到及時分析數(shù)據(jù)、研判，發(fā)現(xiàn)問題及時采取正確措施，有效地預(yù)防坍塌，未出現(xiàn)混凝土裂紋、格柵鋼架扭曲變形或局部坍塌等病害現(xiàn)象。

2)在隧道巖溶溶腔處采用TSP探測及設(shè)計單位提供的地質(zhì)報告，提前判斷并發(fā)現(xiàn)隧道洞內(nèi)地下水位較高以及較易發(fā)生涌水的路段，在施工過程中采用“排”“堵”“降”的方法有效降低洞內(nèi)地下水位和防止隧道巖溶溶腔產(chǎn)生突水突泥突石地質(zhì)災(zāi)害。

3)對南峰隧道左洞使用MIDAS-GTS軟件建二維模型分析不同時段隧道仰拱位移及初期支護仰拱軸力的變化情況，找到防治措施，有效地防止基礎(chǔ)沉降產(chǎn)生變形病害現(xiàn)象。

4)對南峰隧道巖層采用逐層清理、臺階法施工、錨網(wǎng)噴支護3種方法，基本上未出現(xiàn)隧道邊坡溜坡坍塌現(xiàn)象。采取主動清除、錨網(wǎng)噴防護、掛安全網(wǎng)防護3種方法有效地防止危巖落石現(xiàn)象。

在施工過程中應(yīng)注意對隧道安全風(fēng)險進行動態(tài)監(jiān)測，高效降低隧道安全風(fēng)險[7]。隧道風(fēng)險一般不會完全消除，應(yīng)評估隧道殘留風(fēng)險。

根據(jù)評估南峰隧道施工安全性，并針對風(fēng)險采用病害預(yù)防措施后，病害少且處理效果好，為今后隧道施工的安全風(fēng)險評估與預(yù)防措施提供了參考。