隧道施工安全風(fēng)險與現(xiàn)場管理研究

謝俊明

（貴州高速公路集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550003）

0 引言

我國位于多山地帶，山區(qū)公路的建設(shè)規(guī)模也日益擴(kuò)大。公路在穿越山嶺時為了保證線形指標(biāo)的平順，一般是采用隧道方案。相對其他工程而言，隧道工程屬隱蔽工程，圍巖物理力學(xué)指標(biāo)測定困難，地形地質(zhì)條件和施工環(huán)境因素，圍巖與支護(hù)結(jié)構(gòu)相互作用機(jī)理不明確，施工難度大。如果不能準(zhǔn)確識別隧道施工期間可能存在的風(fēng)險，可能產(chǎn)生各種施工安全問題，從而造成一定的人員傷亡和不良的社會影響。鑒于此，國內(nèi)外很多學(xué)者和工程技術(shù)人員針對隧道施工風(fēng)險變形開展了一系列研究，并取得了許多成果，但尚未形成系統(tǒng)性的理論來指導(dǎo)隧道施工[1]。因此，進(jìn)一步研究隧道的安全風(fēng)險和現(xiàn)場管理措施具有十分重要的工程意義。

1 隧道施工風(fēng)險機(jī)理分析及風(fēng)險事故類型

1.1 施工影響范圍計算

隧道施工一般采用“新奧法”，施工時對周圍巖土層的擾動并不是無限大的。在分析隧道施工風(fēng)險之前，有必要分析施工對圍巖的影響范圍。影響范圍包括縱向影響區(qū)和橫向影響區(qū)，其中縱向為隧道爆破開挖方向，橫向是與隧道爆破開挖方向相垂直的方向。

縱向影響區(qū)和橫向影響區(qū)的圍巖擾動程度分別用S、W表示，見公式（1）~（2）：

式中，H——隧道軸線埋深（m）；R——隧道半徑（m）；φ——土體內(nèi)摩擦角（°）。

1.2 施工風(fēng)險產(chǎn)生和發(fā)展機(jī)理

隧道施工風(fēng)險可定義為事故發(fā)生可能性和損失嚴(yán)重程度的組合。事故指在隧道施工期間出現(xiàn)的各種不利事件，損失指隧道施工期間已經(jīng)產(chǎn)生或可能產(chǎn)生的各種經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、不良社會影響等。

1.2.1 風(fēng)險產(chǎn)生機(jī)理

隧道開挖之前，地層應(yīng)力處于相對平衡狀態(tài)。隧道開始施工后，地層應(yīng)力平衡會被破壞。在此期間，各種自然和人為作用會使孕險環(huán)境中的致險因子沖擊承險體，產(chǎn)生各種風(fēng)險事故。了解隧道施工風(fēng)險產(chǎn)生機(jī)理后，能夠強(qiáng)化施工人員和管理人員的安全意識，更好地保障隧道安全施工[2]。

1.2.2 風(fēng)險發(fā)展機(jī)理

隧道施工風(fēng)險是動態(tài)變化的，一般是由小風(fēng)險擴(kuò)展為大風(fēng)險，由新風(fēng)險代替舊風(fēng)險，這一過程稱之為風(fēng)險發(fā)展。隧道開挖過程中的風(fēng)險發(fā)展規(guī)律如圖1所示：

圖1 隧道施工風(fēng)險發(fā)展

由圖1可知：風(fēng)險發(fā)展的過程本質(zhì)上是致險因子在孕險環(huán)境中持續(xù)釋放的過程。OA階段為隧道施工風(fēng)險產(chǎn)生階段，風(fēng)險規(guī)模小，對工程危害程度低，呈單一因素線性變化，表現(xiàn)為一種參數(shù)變化引發(fā)一個致險因子；AB階段為隧道施工風(fēng)險發(fā)展階段，風(fēng)險規(guī)模逐漸擴(kuò)大，風(fēng)險危害也越來越高，呈多因素非線性變化，表現(xiàn)為多個風(fēng)險因子引發(fā)一個風(fēng)險事件。此外，曲線上的F點為風(fēng)險閾值，位于閾值之下的曲線OEFD表示風(fēng)險在隧道施工期間雖然一直存在，但并未發(fā)生，反之，便發(fā)生了風(fēng)險。

1.3 隧道施工風(fēng)險類型

參考《公路橋隧工程施工安全風(fēng)險評估管理辦法》及相關(guān)研究成果，文章將隧道施工期間可能存在的風(fēng)險主要劃分為塌方、瓦斯、涌水突泥、大變形等。不同風(fēng)險事故所對應(yīng)的風(fēng)險因子有一定差異，但基本包括不良地形、地質(zhì)、地下水、設(shè)計、開挖、施工、監(jiān)控等方面[3]。

1.3.1 塌方

隧道塌方是因為隧道開挖后，破壞了圍巖完整性，原力學(xué)平衡體系被打破，圍巖應(yīng)力重分布。當(dāng)隧道圍巖應(yīng)力＞圍巖承載力，隧道出現(xiàn)塌方。隧道塌方時間可能在開挖后、初期支護(hù)后、或二次襯砌后，具體塌方步驟：隧道開挖→圍巖受應(yīng)力而變形→支護(hù)結(jié)構(gòu)變形→圍巖失穩(wěn)塌方。

1.3.2 瓦斯

隧道圍巖屬于三相物質(zhì)，由固態(tài)巖土顆粒及空隙中水和氣組成。而地層堆積成煤時期，各種有機(jī)質(zhì)經(jīng)“厭氧菌”的長期分解作用，可能生成大量的瓦斯氣體（無色、無味、可以燃燒和爆炸），瓦斯氣體會殘留在圍巖孔隙中。瓦斯大多是以游離狀態(tài)和吸著狀態(tài)存在于圍巖中。隧道施工產(chǎn)生的瓦斯事故最嚴(yán)重的是瓦斯爆炸，爆破的能量可能破壞隧道整體結(jié)構(gòu)，并造成大面積的人員傷亡。隧道施工產(chǎn)生瓦斯爆炸應(yīng)滿足以下三個條件：①瓦斯?jié)舛冉橛?%~16%；②空氣中氧含量不≥12%；③存在溫度為50~750 ℃的引爆火源。

1.3.3 涌水突泥

隧道施工期間揭露部分地下導(dǎo)水通道，會使地下水沿著導(dǎo)水通道涌入隧道空間。如果涌水中伴隨大量的泥質(zhì)物，此時稱之為突泥。隧道出現(xiàn)涌水突泥病害，應(yīng)達(dá)到三個條件：①含水圍巖的能量儲存條件；②地下水動力和含水圍巖的能量釋放條件；③含水圍巖的穩(wěn)定性。

1.3.4 大變形

隧道施工期間發(fā)生大變形通常是因為隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)提供足夠的支護(hù)力小于圍巖所受到的應(yīng)力，支護(hù)結(jié)構(gòu)無法約束圍巖變形。因此，只要選擇的支護(hù)參數(shù)合理，掌子面開挖后及時支護(hù)，就能在一定程度上避免圍巖大變形。反之，即使在地質(zhì)條件好的情況下，圍巖也可能出現(xiàn)生圍巖大變形風(fēng)險。

2 隧道施工風(fēng)險評估方法

在選擇施工風(fēng)險管理措施之前，需對施工風(fēng)險進(jìn)行評估，根據(jù)事故發(fā)生概率和事故危害程度確定施工風(fēng)險等級。隧道施工風(fēng)險常用方法有LEC法、德爾菲法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等。

2.1 LEC法

LEC評價法是一種經(jīng)典風(fēng)險因素評估方法，屬于一種半定量的評價方法[4]，即根據(jù)L、E、C三個自變量（具體取值見表1）的乘積來表示風(fēng)險因素的危險等級。風(fēng)險評估值D的計算見公式（3）。

表1 L、E、C的分?jǐn)?shù)判定標(biāo)準(zhǔn)

式中，L——事故發(fā)生可能性；E——人員暴露于危險環(huán)境中的頻繁程度；C——事故可能造成的危害。

D值共劃分為1~5個等級，對應(yīng)的分?jǐn)?shù)區(qū)間為＜20、20~70、70~160、160~320、＞320，對應(yīng)的危險程度分別為稍有危險（可以接受）、一般危險（需要注意）、顯著危險（需要整改）、高度危險（立即整改）、極其危險（不能繼續(xù)作業(yè)）。隧道施工期間的具體實施步驟：選擇隧道施工領(lǐng)域的專家對每個自變量進(jìn)行評價→給出自變量L、E、C的相應(yīng)分值→按照上述公式得到D值→判斷隧道施工風(fēng)險等級。

2.2 德爾菲法

德爾菲法不是采用單純的數(shù)學(xué)模型來辨識隧道施工風(fēng)險，而是通過多個專家匿名評估的方式預(yù)測隧道施工期間的不同風(fēng)險因素，并計算出風(fēng)險等級，這樣可以將定性因素定量處理，兼顧了科學(xué)性與實用性。使用德爾菲法的關(guān)鍵是評估專家，在隧道施工風(fēng)險評估期間各專家不應(yīng)有接觸，不互相交流評估結(jié)果，各專家需根據(jù)自己對項目的理解作出判斷，不附和某些所謂的權(quán)威專家意見[5]。

專家針對某一風(fēng)險事故的評分k可按加權(quán)算術(shù)平均法計算，見公式（4）：

式中，ki——第i個風(fēng)險因子的評分；n——某一事故中風(fēng)險因子個數(shù)；ωi——第i個風(fēng)險因子的評分。

隧道施工風(fēng)險因子的權(quán)重也是咨詢相關(guān)專家或借鑒區(qū)域內(nèi)的典型隧道項目確定，以提升隧道施工風(fēng)險評估的準(zhǔn)確度和效率。

3 隧道施工風(fēng)險現(xiàn)場管理措施

3.1 工程概況

文章以某山區(qū)高速公路雙線分離式隧道為研究對象，隧道左線全長785 m，其中V級圍巖段256 m，Ⅳ級圍巖段529 m；隧道右線全長776 m，其中V級圍巖段263 m，Ⅳ級圍巖段513 m。隧道設(shè)計為雙向四車道，路面寬度26 m，隧道進(jìn)出口分別采用柱式洞門和端墻式洞門。隧道設(shè)計支護(hù)為S5b型復(fù)合式襯砌，支護(hù)結(jié)構(gòu)主要設(shè)計參數(shù)為：①超前支護(hù)。采用42 mm的小導(dǎo)管，小導(dǎo)管縱向間距2.4 m/環(huán)。②初期支護(hù)。注漿錨桿直徑25 mm（環(huán)向間距1 m，錨桿長度3 m/根）、鋼架型號為20 b（間距75 cm），并噴25 cm C25混凝土。③二次襯砌。拱部和仰拱二次襯砌均為厚45 cm素混凝土。根據(jù)隧道地質(zhì)測繪、鉆探、室內(nèi)試驗數(shù)據(jù)等，圍巖以三疊系泥頁巖、泥灰?guī)r為主，淺部巖石風(fēng)化裂隙發(fā)育，巖體完整性較差，呈強(qiáng)風(fēng)化狀態(tài)。同時，沿線地下水包括第四系松散巖類孔隙水、基巖裂隙水、巖溶水等。

3.2 現(xiàn)場風(fēng)險控制措施

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)研，隧道施工期間可能發(fā)生塌方風(fēng)險，擬采取以下控制措施[6]：第一，做好地質(zhì)調(diào)查。施工時應(yīng)使用地質(zhì)雷達(dá)、TGP、TSP、超前鉆孔等多種技術(shù)手段做好地質(zhì)超前預(yù)報，準(zhǔn)確判別隧道掌子面前方的各種不良地質(zhì)段，并提前制定合理的施工應(yīng)急預(yù)案。第二，加強(qiáng)隧道防排水工作。防排水應(yīng)以“排”為主，以“截、堵”為輔，避免地下水和基巖裂隙水流向隧道內(nèi)。第三，加強(qiáng)隧道支護(hù)。掌子面開挖后，初期支護(hù)要及時施工，二次襯砌的支護(hù)時機(jī)應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測數(shù)據(jù)來判斷。如果隧道所處地質(zhì)條件差，可補(bǔ)充超前錨桿、超前小導(dǎo)管、管棚等超前支護(hù)方案。第四，加強(qiáng)動態(tài)化管理。隧道施工期間如發(fā)現(xiàn)圍巖級別、圍巖參數(shù)與設(shè)計單位提供的數(shù)據(jù)差別較大，應(yīng)暫時停止施工，并及時上報監(jiān)理單位和業(yè)主單位變更支護(hù)設(shè)計，不得擅自修改施工方案。第五，加強(qiáng)監(jiān)控量測。根據(jù)不同地質(zhì)分段制訂有針對性的監(jiān)控量測計劃，確保施工安全，還要保證監(jiān)控數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和及時性，以便施工單位及時制定應(yīng)急處理預(yù)案。

3.3 現(xiàn)場安全組織管理

結(jié)合項目現(xiàn)場實際情況，建立了現(xiàn)場安全管理的三級安全組織體系，見圖2：

圖2 隧道施工風(fēng)險發(fā)展

在安全組織體系中，項目經(jīng)理對隧道施工安全負(fù)全責(zé)，項目總工程師編寫施工事故應(yīng)急預(yù)案。各工區(qū)要在應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組的指揮下，有序開展救援工作，避免事故進(jìn)一步擴(kuò)大。

3.4 現(xiàn)場風(fēng)險信息管理

隧道施工現(xiàn)場出現(xiàn)事故后，現(xiàn)場風(fēng)險信息管理可參考圖3：

圖3 隧道施工風(fēng)險信息傳遞

隧道事故發(fā)生后，施工隊必須在10 min內(nèi)將情況報項目經(jīng)理部，同時在30 min內(nèi)將施工事故的基本狀況上報本級公司應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組辦公室。如果出現(xiàn)人員死亡事故，必須將事故向縣級及以上政府主管部門上報。同時，為確保報告內(nèi)容的全面性和規(guī)范性，報告內(nèi)容應(yīng)經(jīng)項目經(jīng)理部應(yīng)急領(lǐng)導(dǎo)小組審核后上報。

4 結(jié)論

文章研究了隧道施工風(fēng)險的產(chǎn)生機(jī)理、風(fēng)險事故類型、風(fēng)險評估方法等，并依托某高速公路項目，探討了隧道風(fēng)險現(xiàn)場管理措施，主要得到以下結(jié)論：①隧道施工會破壞圍巖應(yīng)力平衡而產(chǎn)生風(fēng)險，且施工風(fēng)險是處于動態(tài)變化的；②隧道施工風(fēng)險包括塌方、瓦斯、涌水突泥、大變形等，與不良地形、地質(zhì)、地下水、設(shè)計、開挖、施工、監(jiān)控等因素密切相關(guān)；③在確定隧道施工風(fēng)險控制措施前，可用LEC法、德爾菲法、灰色關(guān)聯(lián)分析法等對風(fēng)險等級進(jìn)行評估；④為了避免隧道施工期間產(chǎn)生事故，應(yīng)做好地質(zhì)調(diào)查、加強(qiáng)防排工作、加強(qiáng)支護(hù)、加強(qiáng)動態(tài)化管理，并建立三級安全組織體系和風(fēng)險信息傳遞體系。