黃土與泥巖復(fù)合巖層公路隧道安全風(fēng)險防控研究

摘要：濕陷性黃土和膨脹性泥巖組成的復(fù)合巖層中隧道安全風(fēng)險存在于隧道規(guī)劃、設(shè)計、施工及使用全過程。圍巖變形、塌方等災(zāi)害是常見的自然風(fēng)險類型、其不僅取決于復(fù)合巖層的工程地質(zhì)特性，也與巖層的物質(zhì)成分、當(dāng)?shù)氐臍夂?、水文地質(zhì)條件、新構(gòu)造運動等因素密切相關(guān)。文章通過對天秀橋隧道巖土體工程地質(zhì)特性研究，結(jié)合隧道具體地質(zhì)條件、水文條件、實際建設(shè)情況等因素，對黃土和泥巖復(fù)合巖層公路隧道安全風(fēng)險因素分析、構(gòu)建風(fēng)險評價體系，提出合理的安全風(fēng)險防控措施，為今后濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層公路隧道建設(shè)提供借鑒。

關(guān)鍵詞：濕陷性黃土；膨脹性泥巖；隧道安全；風(fēng)險；防控

中圖分類號：TB"""""""文獻標(biāo)識碼：A""""""doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2025.06.077

0"引言

隨著我國西部經(jīng)濟的快速發(fā)展，隧道建設(shè)在道路“提速”中起著重要作用。西部地區(qū)濕陷性黃土與膨脹性泥巖組成的復(fù)合巖層的工程地質(zhì)性質(zhì)是公路隧道建設(shè)全過程以及安全風(fēng)險防控體系建設(shè)的決定性因素，構(gòu)建完整、全面的安全風(fēng)險評價體系，對于有效降低安全風(fēng)險及相關(guān)防控措施的提出，具有重要作用。

1"天水市天秀隧道概況

1.1"隧道工程概況

天秀隧道位于天水市天秀橋北側(cè)，隧道主體為分離式雙洞隧道，施工以雙向一級公路技術(shù)為標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計時速60km/h，隧道長4.02公里，左幅長3973米、右幅長4010米，整體式路基寬度27米，單向路基寬度為13.5米。隧道主體所處的地質(zhì)條件復(fù)雜，圍巖以水平泥巖為主，上覆節(jié)理發(fā)育的黃土，二者接觸帶軟弱破碎，部分破碎帶富水，存在安全風(fēng)險。

1.2"隧道工自然地理概況

天秀隧道隧址位于天水市花牛鎮(zhèn)北山。天水市屬于典型的溫帶大陸季風(fēng)氣候，通過對2020—2023年氣象數(shù)據(jù)統(tǒng)計，平均氣溫為11.3℃，年平均降水量為513.0mm（見圖1，2020—2023年天水市降水量統(tǒng)計圖），80%的降水集中于5—9月，雨季降水具有雨量大、時間集中的特點。

天秀隧道所處的天水市北山海拔在1100m以上，地形變化大，為大型黃土墚，墚頂及山坡基本被黃土覆蓋，坡面沖溝發(fā)育，下伏泥巖部分出露，風(fēng)化嚴(yán)重，同時山坡上發(fā)育崩塌、滑坡等地質(zhì)災(zāi)害，墚下為藉河河谷階地地貌。

1.3"地質(zhì)環(huán)境

1.3.1"地層巖性及新構(gòu)造運動

隧道圍巖巖性特征是控制隧道巖層力學(xué)變形機制及圍巖穩(wěn)定性的基礎(chǔ)。天秀隧道沿線及附近區(qū)域地層較為單一，隧址山體基本被第四系地層覆蓋，局部區(qū)域在洪流的沖蝕作用下，出露下伏新近系地層（見圖2，天秀隧道周圍地層分布圖）。隧道主體位于新進層泥巖中，洞頂表層及進、出口段由第四系黃土和松散的沖洪積物、倒石堆等組成。

Q-第四系；N-新近系；K-白堊系；Pt1q-下元古秦嶺群

第四系（Q）廣泛部分于天水市北山墚，墚頂覆蓋晚更新世馬蘭黃土，主要成分以顆粒較小的粉土、粉質(zhì)黏土為主，疏松多孔，孔隙度大，垂直節(jié)理發(fā)育[1]，滲透性能強。大氣降水滲入黃土，溶解其水溶鹽，大大降低土粒間的聯(lián)結(jié)力，導(dǎo)致土體濕陷，崩解，形成黃土的濕陷性，促進發(fā)生黃土潛蝕作用。黃土的潛蝕作用，會導(dǎo)致黃土的空隙增加，小顆粒物質(zhì)更易被流水帶走，加重黃土的濕陷性。馬蘭黃土下伏中更新統(tǒng)離石黃土，主要成分為粉砂，在上覆黃土壓力的作用下，結(jié)構(gòu)較為密實，層理不明顯，在水流沖刷作用下，易于坡中部出露。北山墚下分布第四系沖、洪積物、倒石堆和滑坡堆積物，巖性與黃土、泥巖母巖成分一致。

天水地區(qū)新近系泥巖（N）下伏于第四系黃土，天秀隧道隧址處泥巖為內(nèi)陸盆地河湖相沉積灰綠色水平泥巖，具有泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，主要由石英、斜長石、鉀長石等穩(wěn)定礦物和蒙脫石、伊利石等不穩(wěn)定礦物組成，其中不穩(wěn)定黏土礦物占50%以上，結(jié)構(gòu)較為致密。黏土礦物中蒙脫石、伊利石的三層晶胞結(jié)構(gòu)，水分子易滲透到晶胞內(nèi)部，使其黏結(jié)力急劇減弱，親水性強，巖體易被風(fēng)化、變得破碎。雨季集中的強降水，不僅讓黃土中小顆粒粉土、粉砂被面流、洪流沿著坡面沖溝迅速帶走，形成水土流失，同時也讓坡面遭受沖刷，致使下部泥巖出露，發(fā)育風(fēng)化裂隙。雨水易沿風(fēng)化裂隙滲入泥巖，同時部分降水從上覆黃土的孔隙和垂直節(jié)理迅速下滲至泥巖，導(dǎo)致泥巖發(fā)生泥化、軟化、膨脹、崩解，而失水后收縮、開裂變形，反復(fù)作用，形成大量的次生空隙，加劇泥巖的膨脹性。

1.3.2"水文地質(zhì)條件

隧道圍巖中的地下水會影響圍巖的工程地質(zhì)性質(zhì)。天秀隧道所在區(qū)域地下水類型為第四系松散巖類孔隙潛水和泥巖孔隙裂隙水，以降水滲入和沿黃土垂直節(jié)理灌入補給為主。當(dāng)?shù)叵滤聺B至離石黃土與泥巖的接觸面上，遇到下伏透水性差的泥巖，使黃土和泥巖的接觸帶上形成滯水軟化層[2]，隨著地下水側(cè)向徑流帶走粉砂及方解石，接觸面上黏土礦物含量相對增高（見表1，天水市黃土及黃土泥巖接觸面礦物成分平均含量），此時強風(fēng)化泥巖不僅發(fā)生軟化、泥化，土體的抗剪強度下降，同時地下水位升高，坡體內(nèi)部孔隙水壓力增高，斜坡穩(wěn)定性變差。

2"濕陷性黃土與膨脹性泥巖復(fù)合巖層隧道安全風(fēng)險體系構(gòu)建

濕陷性黃土與膨脹性泥巖其工程性質(zhì)復(fù)雜，尤其是復(fù)合巖層的接觸面上的巖層具有的崩解性、膨脹性、易擾動性等性質(zhì)，易受降水、新構(gòu)造運動等環(huán)境因素影響，導(dǎo)致公路隧道項目建設(shè)及使用管理與原規(guī)劃目標(biāo)出現(xiàn)偏差，造成一定的經(jīng)濟損失，甚至人員傷亡。從風(fēng)險源普查入手，識別、預(yù)判安全風(fēng)險類型，采用合適的安全風(fēng)險估測方法，以降低安全風(fēng)險為目標(biāo)，從研究安全風(fēng)險因素角度研究合理、可行的安全風(fēng)險防范措施，是構(gòu)建濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層安全風(fēng)險防控體系的基本過程（見圖3，濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層安全風(fēng)險防控體系）。

2.1"風(fēng)險源普查

天秀隧道所處復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境為濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層，隧道主體圍巖Ⅳ、Ⅴ級泥巖達3km以上，隧道穿越特殊地段有砂夾礫石坡積物堆積區(qū)和黃土、泥巖接觸帶，巖性軟弱破碎，在高地應(yīng)力下，易發(fā)生擠壓變形。左幅隧道進口段土體比較疏松，圍巖自穩(wěn)能力較差，出口端圍巖為花崗片麻巖，風(fēng)化嚴(yán)重，洞頂有大型沖溝。隧道圍巖在長期西秦嶺北緣構(gòu)造斷裂帶的影響下，節(jié)理發(fā)育，降水、面流易沿圍巖裂隙滲透，使其工程地質(zhì)性質(zhì)變差，同時天秀隧道下穿靖天公路、天巉公路等工程，隧道施工和使用存在潛在安全風(fēng)險。

2.2"風(fēng)險分析

根據(jù)天秀隧道的設(shè)計、施工情況，結(jié)合天水市北山地質(zhì)環(huán)境情況和現(xiàn)場調(diào)研，濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層隧道的安全風(fēng)險包括：地基變形、塌方、滑坡、泥石流、涌水突泥和施工事故等，其中泥石流、滑坡、塌方風(fēng)險易出現(xiàn)在第四紀(jì)黃土中，黃土與泥巖的接觸面上易發(fā)生涌水突泥、圍巖變形等風(fēng)險，在新近紀(jì)泥巖中，巖體變形為主要的風(fēng)險類型，施工事故易發(fā)生于施工階段，并且這些風(fēng)險更易發(fā)生于夏秋降水豐富的季節(jié)。經(jīng)過分析、研究，產(chǎn)生安全風(fēng)險因素包括自然風(fēng)險因素和人為風(fēng)險因素兩大類。自然風(fēng)險因素包括自然地理、地層巖性特征、水文地質(zhì)條件、新構(gòu)造運動等，人為因素包括隧道的設(shè)計、施工人員技術(shù)水平、施工方法設(shè)備及隧道安全監(jiān)測等。

2.3"風(fēng)險評價方法選擇

濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層公路隧道風(fēng)險估測方法可以采用定量評價與定性評價相結(jié)合。對于具有較大不可預(yù)見性的重大風(fēng)險源，由于風(fēng)險發(fā)生后果嚴(yán)重，應(yīng)結(jié)合自然地理、地層等環(huán)境因素，以及巖土勘查、隧道施工設(shè)計、施工方法等因素多角度、多方面進行研究，進行準(zhǔn)確估測。在施工過程中風(fēng)險估測可采用LEC"法，計算風(fēng)險峰值（D）[3]。

D=L×E×C

其中：L"——發(fā)生事故的可能性大?。?/p>

E"——人體暴露在這種危險環(huán)境中的頻繁程度；

C——一旦發(fā)生事故會造成的損失后果。

D"——風(fēng)險分值，值越大，危險性越大，值越小，危險性小。

LEC法可采取半定量計值法進行量化分值。根據(jù)實際情況，按照等級標(biāo)準(zhǔn)（表2、3、4，等級劃分級賦值），分別對L、E、C進行定級，并賦值，算出風(fēng)險分值，根據(jù)風(fēng)險分值，確定評估結(jié)果（表5，評估結(jié)果分級），確定風(fēng)險級別。

對于風(fēng)險的級別，可以通過對施工工藝、施工人員等方面采取相關(guān)措施控制L、E、C值，實現(xiàn)降低D值，將危險級別降低，為隧道安全風(fēng)險控制指明了方向。

3"濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層隧道安全風(fēng)險防控的對策

3.1"重視公路隧道地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察，夯實隧道設(shè)計基礎(chǔ)

地質(zhì)、水文地質(zhì)勘察是確保隧道安全建造和使用的重要前提。地下水是影響濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層巖土工程特性的關(guān)鍵因素，并直接影響公路隧道的合理設(shè)計和安全施工。進行全面細致的地質(zhì)勘察和水文地質(zhì)勘察，可有效降低公路隧道施工中的地質(zhì)風(fēng)險，確保工程安全和質(zhì)量?？辈橹徐`活應(yīng)用鉆探、試驗等方法，查明地層巖性、地形地貌等地質(zhì)背景影響下濕陷性黃土和膨脹性泥巖的工程地質(zhì)特性和水文地質(zhì)條件，為隧道施工地下水超前預(yù)報提供依據(jù)。根據(jù)水文地質(zhì)勘察結(jié)果可制定詳細的預(yù)案，包括緊急排水系統(tǒng)的設(shè)計、安裝和使用，以及必要的緊急撤離通道。在未來的工程實踐中，應(yīng)進一步加強隧道的選址和勘查工作，繼續(xù)優(yōu)化勘察技術(shù)，結(jié)合實際情況靈活應(yīng)用勘察方法，不斷提升公路隧道安全施工水平。

3.2"并重隧道開挖工藝控制及防護，降低隧道安全風(fēng)險

隧道開挖工藝的嚴(yán)格控制及防護是確保隧道地基穩(wěn)定、防治軟弱圍巖沉降和變形的關(guān)鍵步驟。濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合巖層隧道施工應(yīng)根據(jù)地質(zhì)條件、巖體工程地質(zhì)性質(zhì)選擇適當(dāng)?shù)拈_挖方法，可采用“先探測、短進尺、弱爆破、嚴(yán)注漿、勤監(jiān)測”的施工原則，保證每道工序穩(wěn)步推進。在隧道施工中，遵循設(shè)計要求，控制開挖量，盡量降低對圍巖的擾動，縮短開挖進尺并盡早閉合各個分部，防止出現(xiàn)拱頂下沉、開裂，隧底鼓脹等不均勻變形現(xiàn)象。在斷層破碎帶或風(fēng)化嚴(yán)重的不穩(wěn)定地層中，可采用注漿技術(shù)來提高圍巖的穩(wěn)定性。同時，利用混凝土噴層作為初期支護，配合超前支護及鋼架，增大支護初期剛度。洞口施工時，檢查、處理洞口周圍不穩(wěn)定巖土體，預(yù)防洞口滑坡、塌方、泥石流發(fā)生。在施工期的雨季之前，需按照施工規(guī)范完成洞口、洞內(nèi)排水設(shè)施的修建工作。隧道洞口斷面可設(shè)計為圓形帶仰拱，避免突水涌泥的問題。

3.3"提升隧道工程施工人員安全意識，落實文明施工

隧道施工人員專業(yè)技術(shù)水平關(guān)系到工程的高效進行及安全性。建設(shè)單位應(yīng)定期組織最新隧道施工技術(shù)、施工方法、機械操作技能培訓(xùn)以及安全知識講座等有助于提升隧道建設(shè)人員的技能水平和安全意識的活動，安排隧道設(shè)計、施工人員學(xué)習(xí)并定期進行技能評估和考核。鼓勵隧道建設(shè)采用新技術(shù)、新材料、新設(shè)備，如隧道掘進機（TBM）、地質(zhì)雷達等，提高施工自動化和機械化水平，實現(xiàn)降低LEC風(fēng)險評價中人體暴露危險中的頻繁程度E值，有效降低隧道施工安全風(fēng)險。施工現(xiàn)場應(yīng)嚴(yán)格執(zhí)行安全、整頓、素養(yǎng)、清潔、清掃、整理于一體的施工現(xiàn)場6S管理[4]，優(yōu)化施工環(huán)境，有效提升整體施工效率和質(zhì)量，落實文明施工。

3.4"加強隧道監(jiān)控量測，保證隧道的施工安全及使用

隧道施工監(jiān)控量測是隧道施工安全及后期使用的重要保障。監(jiān)控測量應(yīng)包括隧道洞內(nèi)外與周圍環(huán)境的位移量測、洞內(nèi)拱頂沉降和地表沉降監(jiān)測、支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測等，構(gòu)建隧道圍堰和支護結(jié)構(gòu)監(jiān)測信息化管理系統(tǒng)，及時分析監(jiān)測信息并處理安全隱患，確保施工質(zhì)量及工程正常使用。給施工人員配備帶有傳感器的智能穿戴設(shè)備，實時監(jiān)測其位置和周圍環(huán)境狀況，實現(xiàn)人員安全管理信息化。在隧道入口、出口、內(nèi)部及緊急出口等關(guān)鍵位置全方位安裝監(jiān)控系統(tǒng)，能夠全天候、全方位系統(tǒng)及時地掌握隧道情況，同時設(shè)置警報裝置和危險處理預(yù)案，做到預(yù)測預(yù)警一體化，保障隧道的安全施工。尤其隧道下穿大型構(gòu)筑物如高速公路時，需加強地表沉降監(jiān)控，可運用地質(zhì)雷達、紅外線監(jiān)測等先進設(shè)備進行超前地質(zhì)預(yù)報，提前發(fā)現(xiàn)地質(zhì)隱患，并結(jié)合遠程監(jiān)控系統(tǒng)實時掌握施工現(xiàn)場情況，及時優(yōu)化施工方案。

4"結(jié)束語

濕陷性黃土和膨脹性泥巖復(fù)合性巖層中的公路隧道工程建設(shè)環(huán)境復(fù)雜，存在工程安全風(fēng)險。結(jié)合工程實際情況，構(gòu)建公路隧道的安全風(fēng)險體系，通過安全風(fēng)險估測，研究可行性高、針對性強的安全風(fēng)險防控措施，將潛在的安全風(fēng)險控制在可控的范圍內(nèi)，對于預(yù)防安全事故發(fā)生，發(fā)揮公路促進經(jīng)濟發(fā)展的意義重大。

參考文獻

［1］梅源，胡長.明濕陷性黃土高填方地基處理技術(shù)及其邊坡穩(wěn)定[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2016.

[2]田尤.甘肅天水地區(qū)黃土/泥巖接觸面（帶）工程特性及災(zāi)害意義[D].北京：中國地質(zhì)大學(xué)，2016.

[3]吳培.軟弱圍巖隧道施工安全風(fēng)險管理研究[D].石家莊：石家莊鐵道大學(xué)，2016.

[4]周建昆，吳堅.公路隧道風(fēng)險管理[J].地下空間與工程報，2015，（04）：89-90