隧道施工塌方事故致因及防控措施研究

邱效儉

(甘肅建投交通建設(shè)有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

我國(guó)交通運(yùn)輸工程建設(shè)方興未艾，隧道工程在全國(guó)各地也有著廣泛分布。復(fù)雜地質(zhì)條件下的隧道工程建設(shè)面臨著越來(lái)越多的挑戰(zhàn)，常常發(fā)生各類(lèi)安全生產(chǎn)事故，隧道塌方事故就是最常見(jiàn)的隧道安全事故[1]。

由于隧道工程的特點(diǎn)，一旦發(fā)生塌方事故，往往造成重大的人員傷亡及經(jīng)濟(jì)損失。近年來(lái)，隧道施工塌方事故屢見(jiàn)報(bào)端。2019年12月30日，山西省陽(yáng)城縣某隧道由于支護(hù)噴錨不及時(shí)發(fā)生掌子面塌方，造成數(shù)人死亡的較大安全事故，直接經(jīng)濟(jì)損失893萬(wàn)元。2020年9月10日，廣西百色市某在建隧道由于圍巖局部微地質(zhì)構(gòu)造組合突變與裂隙面強(qiáng)烈溶蝕作用疊加在施工過(guò)程中，發(fā)生洞頂巖體塌方事故，造成人員傷亡死亡，直接經(jīng)濟(jì)損失1 414萬(wàn)元。2021年8月30日陜西省寶雞市某在建隧道由于現(xiàn)場(chǎng)施工監(jiān)控量測(cè)結(jié)果反饋不及時(shí)，圍巖強(qiáng)度差，加之連續(xù)降雨發(fā)生坍塌事故，10人被困，直接經(jīng)濟(jì)損失359萬(wàn)元。

基于此，本文將分析梳理隧道施工塌方事故的發(fā)生致因，繪制隧道事故魚(yú)骨圖，據(jù)此構(gòu)建隧道施工塌方事故致因評(píng)價(jià)體系，采用AHP對(duì)隧道施工塌方事故致因進(jìn)行評(píng)價(jià)分析，并提出針對(duì)性隧道施工塌方事故的防控措施。

1 構(gòu)建隧道施工塌方事故魚(yú)骨圖

繪制隧道施工塌方事故魚(yú)骨圖前，需要對(duì)隧道施工塌方事故的致因進(jìn)行分析。通過(guò)文獻(xiàn)查閱與相關(guān)案例調(diào)查，結(jié)合工作經(jīng)驗(yàn)，本文分析整理了引起隧道施工塌方事故發(fā)生的原因，并將其分為水文地質(zhì)、勘察設(shè)計(jì)、工程特性、施工技術(shù)、現(xiàn)場(chǎng)管理5類(lèi)。

1)水文地質(zhì)。大部分隧道施工塌方事故的發(fā)生都與其所處的水文地質(zhì)條件有著聯(lián)系，影響因素主要包括圍巖性質(zhì)、偏壓、地下水及地表降水。一般而言，圍巖等級(jí)越高穩(wěn)定性越差，透水性越強(qiáng)抗風(fēng)化能力越弱，隧道施工發(fā)生塌方事故的概率也就越大。地形不對(duì)稱(chēng)或者地質(zhì)巖層引起隧道結(jié)構(gòu)偏壓，會(huì)導(dǎo)致隧道所受荷載不對(duì)稱(chēng)，尤其對(duì)于淺埋洞口段，很容易由于隧道偏壓導(dǎo)致塌方事故的發(fā)生。

地下水與隧道建設(shè)有著重要的聯(lián)系，不僅可以直接導(dǎo)致隧道涌水冒泥，還可能軟化敏感性圍巖、溶蝕可溶性圍巖，導(dǎo)致隧道的強(qiáng)度與承載力降低。地表降水嚴(yán)重影響著隧道洞頂?shù)某休d能力，還會(huì)使得地表壓力增大，導(dǎo)致塌方風(fēng)險(xiǎn)大大增加。

2)勘察設(shè)計(jì)?？辈旎蛟O(shè)計(jì)缺陷會(huì)給后續(xù)隧道施工帶來(lái)極大的安全影響。隧道工程常見(jiàn)的勘察或設(shè)計(jì)缺陷主要表現(xiàn)為地勘不詳或不實(shí)，以及支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)不合理。地勘報(bào)告是隧道規(guī)劃、設(shè)計(jì)、施工、管理及運(yùn)行的重要基礎(chǔ)資料，地勘不詳或不實(shí)會(huì)對(duì)隧道施工的安全可靠性、技術(shù)可能性及經(jīng)濟(jì)合理性產(chǎn)生極大的影響。隧道支護(hù)與襯砌是保證隧道的安全關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，直接影響著隧道建設(shè)的質(zhì)量與安全，不合理的支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)極易導(dǎo)致隧道塌方事故的發(fā)生。

3)工程特性。隧道工程的自身結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與工程特性對(duì)于塌方事故的發(fā)生有著重要的影響，主要表現(xiàn)為隧道結(jié)構(gòu)的埋深與斷面面積兩個(gè)方面。相關(guān)研究表明，埋置較深的隧道發(fā)生塌方事故占比(42.9%)要遠(yuǎn)高于埋置較淺的隧道發(fā)生塌方事故占比(17.1%)[2]。隨著隧道開(kāi)挖斷面面積的增大，隧道結(jié)構(gòu)受力也越加復(fù)雜，受外部環(huán)境的影響也將越大，施工難度也將越高，也越容易由于圍巖失穩(wěn)坍塌而發(fā)生塌方事故。

4)施工技術(shù)。施工技術(shù)往往是隧道施工塌方事故最直接的原因。相關(guān)研究表明，由于施工技術(shù)導(dǎo)致的隧道施工塌方主要表現(xiàn)為開(kāi)挖方式不合理、支護(hù)或襯砌方式或時(shí)機(jī)不合理、施工質(zhì)量存在缺陷以及監(jiān)控量測(cè)不及時(shí)或不到位等[3]。

5)現(xiàn)場(chǎng)管理。除去環(huán)境及技術(shù)因素外，施工現(xiàn)場(chǎng)的管理也會(huì)對(duì)隧道施工安全起著十分重要的作用。一般而言，隧道施工塌方事故的背后，往往伴隨著現(xiàn)場(chǎng)管理混亂、安全質(zhì)量檢查監(jiān)督落實(shí)不到位、安全技術(shù)交底效果差、缺乏針對(duì)性防護(hù)與管理措施等管理缺陷問(wèn)題。

基于以上分析，對(duì)隧道施工塌方事故進(jìn)行進(jìn)一步梳理，繪制隧道施工塌方事故魚(yú)骨圖(見(jiàn)圖1)。

圖1 隧道施工塌方事故魚(yú)骨圖

2 隧道施工塌方事故致因評(píng)價(jià)

采用AHP法對(duì)隧道施工塌方事故致因的重要性進(jìn)行評(píng)價(jià)，具體步驟如下。

2.1 構(gòu)建評(píng)價(jià)指標(biāo)

根據(jù)圖1隧道施工塌方事故致因魚(yú)骨圖，構(gòu)建隧道施工塌方事故致因指標(biāo)體系。同時(shí)，為了后續(xù)AHP分析的需要，設(shè)定目標(biāo)層為隧道施工塌方事故致因，準(zhǔn)則層為水文地質(zhì)、勘察設(shè)計(jì)、工程特性、施工技術(shù)、施工管理5類(lèi)，指標(biāo)為具體的隧道塌方致因，共15個(gè)，并對(duì)各層致因進(jìn)行編碼。具體指標(biāo)體系如圖2所示。

圖2 隧道施工塌方事故致因指標(biāo)體系

2.2 權(quán)重計(jì)算方法

1) 構(gòu)建判斷矩陣。邀請(qǐng)專(zhuān)家采用1～9標(biāo)度法對(duì)同一層級(jí)的指標(biāo)兩兩比較建立判斷矩陣A。

2)求解某層指標(biāo)對(duì)于其上級(jí)指標(biāo)權(quán)重及一致性檢驗(yàn)。對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行歸一化處理，求解其對(duì)應(yīng)的最大特征值λmax及特征向量W，并對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。若判斷矩陣A滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)條件，則特征向量W即為判斷矩陣A對(duì)應(yīng)元素權(quán)重值，若判斷矩陣A不滿(mǎn)足一致性檢驗(yàn)條件，則應(yīng)對(duì)其進(jìn)行一定的調(diào)整。

2.3 計(jì)算結(jié)果

基于上述步驟，利用AHP法計(jì)算各層指標(biāo)的權(quán)重，計(jì)算結(jié)果如表1所示。

表1 隧道施工塌方事故致因各層指標(biāo)權(quán)重計(jì)算結(jié)果

從表1可以看出，對(duì)于隧道施工塌方事故而言，5個(gè)準(zhǔn)則層致因按權(quán)重由大到小依次為：施工技術(shù)D(0.289 6)、水文地質(zhì)A(0.237 7)、現(xiàn)場(chǎng)管理E(0.226 5)、勘察設(shè)計(jì)B(0.134 6)、工程特性C(0.111 6)。致因權(quán)重越大，表明該致因?qū)λ淼朗┕に绞鹿实挠绊懸簿驮酱?。因此，上述結(jié)果表明在一般塌方事故中，施工技術(shù)、水文地質(zhì)及現(xiàn)場(chǎng)管理是主要的致因，而勘察設(shè)計(jì)與工程特性的影響相對(duì)較小。

對(duì)于5個(gè)準(zhǔn)則層而言，部分指標(biāo)層的致因影響顯著。在水文地質(zhì)致因中，權(quán)重由大到小依次為圍巖性質(zhì)差(0.389 1)、地下水豐富(0.317 0)、存在偏壓(0.172 4)、地表降水(0.121 5)；在水文地質(zhì)致因中，地勘不詳或不實(shí)權(quán)重(0.666 7)要大于支護(hù)襯砌設(shè)計(jì)不合理(0.333 3)；在工程特性致因中，隧道斷面大權(quán)重(0.666 7)的要大于隧道埋置過(guò)深或過(guò)淺(0.333 3)；在施工技術(shù)致因中致因權(quán)重由大小依次為開(kāi)挖方式不合理(0.330 0)、支護(hù)方式不合理(0.330 0)、監(jiān)控量測(cè)不到位(0.199 6)、存在施工缺陷(0.140 4)；在現(xiàn)場(chǎng)管理致因中，權(quán)重由大到小依次為現(xiàn)場(chǎng)管理不到位(0.539 6)、檢查落實(shí)不到位(0.297 0)、交底培訓(xùn)不到位(0.163 4)。對(duì)于高權(quán)重的致因，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)防控。

3 防控建議

3.1 采用科學(xué)合理的隧道施工方案與技術(shù)

施工方案是隧道施工的主要依據(jù)，科學(xué)合理的隧道施工技術(shù)是隧道工程安全、順利施工的決定性因素。隧道塌方事故多發(fā)生于進(jìn)出洞口段與區(qū)間穿越復(fù)雜地層段。因此，隧道工程施工所采用的開(kāi)挖方式、支護(hù)方式及支護(hù)時(shí)機(jī)都要有較好的地質(zhì)適應(yīng)性。隧道施工方法的選擇應(yīng)根據(jù)水文地質(zhì)、圍巖條件、開(kāi)挖斷面、埋置深淺分析論證確定，并建立針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)管控措施，從而減少或避免隧道施工風(fēng)險(xiǎn)事故的發(fā)生。

近年來(lái)，我國(guó)專(zhuān)家學(xué)者針對(duì)隧道及地下工程軟弱圍巖隧道施工，實(shí)踐總結(jié)出一套較為完善的“一強(qiáng)化、二緊跟、三超前、四到位”的施工工藝。“一強(qiáng)化”是指強(qiáng)化隧道監(jiān)控量測(cè)；“二緊跟”是指鋼架緊跟掌子面及初期支護(hù)仰拱封閉成環(huán)緊跟下臺(tái)階；“三超前”是指超前預(yù)報(bào)、超前加固及超前支護(hù)；“四到位”是指工法選擇到位、支護(hù)措施到位、快速封閉到位及襯砌質(zhì)量到位。此套工法具有較高的普適性，隧道工程施工可參考使用[4]。

3.2 建立安全風(fēng)險(xiǎn)管理體系

現(xiàn)場(chǎng)安全與質(zhì)量管理不到位是隧道塌方事故的根本原因?，F(xiàn)場(chǎng)管理作為工程項(xiàng)目管理的關(guān)鍵部分，是保證隧道安全施工的核心途徑之一。隧道塌方事故的防控堅(jiān)持以防為主。根據(jù)國(guó)家、行業(yè)與地方的規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)、指導(dǎo)文件及相關(guān)要求，從安全管理的共性出發(fā)，將計(jì)劃原則、效果原則、反饋原則、系統(tǒng)性原則作為指導(dǎo)隧道安全施工防控的基本原則，對(duì)隧道施工中地質(zhì)條件、作業(yè)環(huán)境、施工工藝、設(shè)備機(jī)具、技術(shù)水平進(jìn)行分析，找出各個(gè)環(huán)節(jié)的薄弱環(huán)節(jié)，識(shí)別施工過(guò)程中的各種風(fēng)險(xiǎn)，系統(tǒng)研判評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，逐級(jí)形成隧道施工安全生產(chǎn)風(fēng)險(xiǎn)防控清單，依次建立安全生產(chǎn)策劃、風(fēng)險(xiǎn)管控、隱患排查、應(yīng)急救援、事故分析等多道隧道施工安全防線(xiàn)[4]。從組織、制度、技術(shù)、應(yīng)急等方面對(duì)隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行管控，及時(shí)排查治理施工過(guò)程的隱患，嚴(yán)防隱患整改責(zé)任不落實(shí)而升級(jí)為事故，構(gòu)建以風(fēng)險(xiǎn)動(dòng)態(tài)管控與隱患排查治理為核心的隧道施工多重預(yù)防安全管理體系，最大程度減少因安全事故引發(fā)的人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境影響。

3.3 落實(shí)監(jiān)控量測(cè)

監(jiān)控量測(cè)可以獲取隧道結(jié)構(gòu)的位移變形以及周邊圍巖、初期支護(hù)的穩(wěn)定性，不僅可以用來(lái)判斷施工現(xiàn)場(chǎng)的安全性，還可為后續(xù)施工時(shí)機(jī)確定、施工工法調(diào)整提供依據(jù)[5]。隧道監(jiān)控量測(cè)應(yīng)嚴(yán)格依照國(guó)家、行業(yè)及地方的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行，根據(jù)圍巖條件、隧道規(guī)模、施工工藝及支護(hù)類(lèi)型等選擇適宜檢測(cè)項(xiàng)目與監(jiān)測(cè)方法，及時(shí)、準(zhǔn)確地進(jìn)行監(jiān)控量測(cè)，做到“不量測(cè)不進(jìn)洞、不安全不進(jìn)洞”。初期階段位移及下沉量大或地質(zhì)變化顯著時(shí)，量測(cè)斷面間距可取較小值并適當(dāng)增加量測(cè)頻率。同時(shí)，隧道的監(jiān)控量測(cè)是一個(gè)動(dòng)態(tài)的過(guò)程，應(yīng)本著準(zhǔn)確、及時(shí)的原則，將監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)、時(shí)間變形曲線(xiàn)及對(duì)結(jié)果的評(píng)估及時(shí)報(bào)送相關(guān)人員，及時(shí)分析并反饋到施工作業(yè)上。對(duì)于存在安全隱患及時(shí)消除，最大限度地發(fā)揮隧道監(jiān)控量測(cè)的作用，達(dá)到輔助施工的目的，確保施工安全、質(zhì)量的效果。此外，近年來(lái)物聯(lián)網(wǎng)、智慧工地、智能監(jiān)測(cè)技術(shù)發(fā)展迅速，在隧道監(jiān)控量測(cè)時(shí)可引入這些信息化技術(shù)，對(duì)潛在的水文地質(zhì)或環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)、控制和預(yù)警，提升隧道施工風(fēng)險(xiǎn)管控、隱患排查治理和應(yīng)急預(yù)警響應(yīng)的信息化水平。

3.4 提升勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量

勘察設(shè)計(jì)是隧道工程建設(shè)的基礎(chǔ)，也是保證隧道工程施工安全與質(zhì)量的源頭。勘察與設(shè)計(jì)單位在進(jìn)行隧道工程的勘測(cè)與設(shè)計(jì)工作時(shí)，應(yīng)樹(shù)立牢固的質(zhì)量服務(wù)意識(shí)，提高勘測(cè)與設(shè)計(jì)工作質(zhì)量，確保所形成的勘察設(shè)計(jì)報(bào)告與設(shè)計(jì)文件符合相關(guān)規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)與后續(xù)工程檢測(cè)需要，避免不必要的設(shè)計(jì)變更。首先，應(yīng)強(qiáng)化前期基礎(chǔ)工作，確保正常的勘察設(shè)計(jì)工程資金、技術(shù)力量及時(shí)間投入，將基礎(chǔ)資料收集、地質(zhì)勘察、地形測(cè)量、環(huán)境監(jiān)測(cè)和調(diào)查等基礎(chǔ)執(zhí)行到位，充分調(diào)查隧道的水文地質(zhì)條件，保證地質(zhì)勘測(cè)前期工作深度與質(zhì)量。

其次，完善落實(shí)勘測(cè)設(shè)計(jì)質(zhì)量保證體系，堅(jiān)持設(shè)計(jì)原則，強(qiáng)化安全意識(shí)與設(shè)計(jì)文件的質(zhì)量管理，嚴(yán)格相關(guān)工程強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)，充分論證分析設(shè)計(jì)方案，落實(shí)“一校、二審”三級(jí)審核，避免設(shè)計(jì)錯(cuò)誤及缺項(xiàng)、漏項(xiàng)[6]。同時(shí)，各專(zhuān)業(yè)勘察設(shè)計(jì)技術(shù)人員及參建各方要做到全面對(duì)接、充分討論，保證隧洞支護(hù)襯砌的設(shè)計(jì)與勘察資料相匹配適應(yīng)且滿(mǎn)足后續(xù)施工，減少各專(zhuān)業(yè)、各方因?qū)硬怀浞之a(chǎn)生的勘察設(shè)計(jì)問(wèn)題，全面提升勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量。

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)分析，發(fā)現(xiàn)采用魚(yú)骨圖與AHP對(duì)隧道塌方事故的致因進(jìn)行分析梳理，明確了隧道塌方事故的致因體系，確定了隧道塌方事故的關(guān)鍵致因。施工技術(shù)因素與水文地質(zhì)條件是引起隧道塌方事故的最主要致因，在進(jìn)行隧道塌方事故防控時(shí)，應(yīng)進(jìn)行重點(diǎn)關(guān)注與管理?？赏ㄟ^(guò)采用科學(xué)合理的隧道施工方案與技術(shù)建立安全風(fēng)險(xiǎn)管理體系，落實(shí)監(jiān)控量測(cè)，提升勘察設(shè)計(jì)質(zhì)量，防控隧道塌方事故發(fā)生。