公路隧道施工重大风险源的分析与控制措施

胡云世

(衢州学院建筑工程系，浙江衢州324000)

1 工程概况

某高速公路全线共设置隧道10座，共长7 032m。其中长隧道2870 m 1座、中隧道1 690 m和1 260 m各一座、短隧道202 m 6座，均为石质隧道，为满足按六车道划线的要求，最大洞内断面220 m2，最大宽度21 m，最大开挖宽度23.166 m，宽度居国内同类型隧道前列。

根据岩土工程勘察，勘察区内的断裂构造为非全新活动断裂，沿线地形起伏较大，局部地段全风化层较厚，隧道通过断裂或构造影响带，因此隧道衬砌按新奥法原理设计，初期支护采用C25喷射混凝土，厚度为280 mm，钢筋网钢筋直径6 mm，间距15 cm×15 cm;临时支护为120b型钢格栅，每榀格栅脚部设2根锁脚锚杆。锚杆采用φ50无缝钢管(壁厚4 mm)，长3 m，注C30水泥浆;二次衬砌采用C30钢筋混凝土衬砌，厚度550 mm。设计要求在施工过程中必须做好重大风险源分析，采取有效的控制措施，以确保隧道安全施工。

2 重大风险源识别及风险分析

在国际及国内已统计的隧道安全事故中，发生在掘进过程中的占50%，运输过程中的占25%，其他占25%［1］，因此，本文重点就掘进过程中的风险因素进行识别。隧道施工安全控制的基本思想是识别与施工现场相关的所有风险源，评价出重大风险源，并以此为基础，制定针对性的控制措施和管理方案，明确建立风险源识别、分析、评价和控制管理与安全施工之间的联系，体现了系统的、主动的事故预防思想。

隧道施工风险主要来自于岩层性状和地下水的影响，而根据地质资料分析本地区地下水缺乏，而且施工期间为枯水期施工，因此可以不考虑突水突泥的影响。施工方法也是潜在的风险，但是只要方法得当，科学施工，就会使风险降低到最低，另外防排风，地表建筑物等对本工程都影响很小，鉴于对风险的认识及对本隧道工程施工的全盘考虑，从而将过断层破碎围岩(过节理、断层破碎带)作为本工程的重大风险源。

2.1 断层破碎围岩分析

根据以往的隧道事故分析资料表明:地下工程的塌方90%以上是由断层破碎带引起的。破碎带是地下工程施工中易于引发塌方的断层面附近的岩石破碎带，是隧道开挖过程中常见的不良地质现象。在多数情况下，断层破碎带是作为一个低强度、易变形、透水性大、抗水性差的软弱带存在，与其两侧岩体在物理力学特性上具有显著的差异，其结构松散、胶结性弱、稳定性差，施工中遭遇断层破碎带极易发生事故，若遇水则更甚，是隧道建设的控制性地段。隧道穿越断层及软弱围岩时，由于岩层的地质成因复杂，地质条件具有突变性，施工事故也具有突发性，可见，在施工过程中如遇断层破碎带，随时都可能给工程带来塌方、涌水甚至淹没等事故，造成巨大的甚至是灾难性损失。因此，对隧道断层破碎带施工风险控制措施研究具有重要意义。本工程各隧道断层破碎带的分布情况汇总见表1。

2.2 风险分析

风险一般是指对人身安全、财产、环境有潜在损害和对工程有潜在经济损失或延期的不利事件发生的频率和影响结果的综合。依据风险事故发生概率的大小，分为五级［2］(见表2)。同时根据风险等级标准(见表3)，确定风险评价矩阵和接受准则(见表4)，本工程根据隧址处勘察到的断层破碎带情况及上述断层破碎带与围岩稳定性关系，采用“信心指数法”并依据风险评价矩阵对其等级进行评定，确定本隧道断层节理破碎带施工风险评估结果(见表5)。依据风险等级的高低，指导隧道工程中施工方法的选择、施工进度的快慢和设计方案的调整变更，从而保证工程的顺利完工。

3 重大危险源的安全风险控制对策

通过以上对该工程隧道施工中存在的断层破碎围岩(过节理、断层破碎带)风险源的辨识分析与评价，从而对其已经有了基本的认识。为防范该重大危险源的发生，针对它的工程特性，制定了相应的安全风险控制对策和紧急救援预案。

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3.1 风险预测

(1)采用地质雷达超前预测、预报。

(2)当隧道设平行导坑时，平行导坑的掘进需超前隧洞一定距离，以了解掌握断层破碎带地质情况。

(3)洞内超前钻探预报，即在开挖工作面采用水平钻机向隧道前方打超前钻孔探测，以掌握前方地质资料，预防突发地质灾害，指导施工。

3.2 规避对策

(1)开挖前先施工超前锚杆或超前管棚等对围岩进行预加固。围岩破碎时应先进行预注浆，改良围岩，或者采用旋喷拱或预切槽，减少围岩变形。

(2)开挖后的施工支护应加强，视断层的围岩破碎情况，采用系统锚杆、挂钢筋网然后喷混凝土，或采用钢架(或格栅钢架)支护。

(3)按设计进行永久性混凝土衬砌支护，或采用钢筋混凝土衬砌，以及增加衬砌混凝土厚度，提高衬砌混凝土强度等级。

(4)衬砌后及早压浆。

(5)做好排水，在施工前或施工中，均应采取可行的防排水措施，尽可能将地表水引排，不渗入隧道中。

(6)选择正确的开挖方法，隧道洞口加强段和V级围岩段开挖方式采用双侧壁导洞法和新奥法开挖(见图1、图2所示)。

(7)加强围岩量测，发现围岩变形或异常情况，及时采取紧急措施处理:按设计进行永久性混凝土衬砌支护;采用钢筋混凝土衬砌;增加衬砌混凝土厚度;改变衬砌断面形式(如直墙变曲墙等);提高衬砌混凝土强度等级。

4 主要风险因素的控制措施及其应用

结合本隧道的具体重大危险源特点，主要采取的监控措施有:掌子面超前地质预报、隧道拱顶下沉、周边收敛及支护结构受力、掌子面地质素描及隧道支护情况观察。通过超前地质预报．以及加强掌握不良地质的准确信息，选择合理的施工方案和爆破参数，同时作好相应的紧急救援预案措施．可有效控制不良地质施工的安全风险。通过监控量测数据和地质素描，掌握隧道开挖揭露的围岩实际情况和隧道变形及其发展趋势情况，及时发现不良地质围岩和危险变形征兆，及时对施工方案爆破参数进行修正和调整，消除安全隐患，有效防范施工过程和出口段大跨径的安全风险。通过爆破振动波监测，掌握爆破施工对附近环境结构物的影响。根据影响程度，及时调整爆破参数，达到有效控制隧道爆破施工对周边临近构筑物的影响和破坏。通过对隧道安全风险监测和控制，确保了隧道施工安全及对环境的影响降到最小。

4.1 超前地质预报的应用

由于地勘工作受布点范围的限制，无法完全准确掌握隧道地质情况。隧道超前地质预报是探明本隧道前方地质情况的有效手段，采用超前地质预报可提前了解隧道前方突变的地质状况，提前作好施工准备，以便及时调整开挖及支护参数，有效避免施工中诸如塌方、涌水等灾害，从而达到控制隧道施工风险和快速施工的目的。

4.1.1 该隧道工程的超前地质预报流程

采用超前地质预报的施工工艺流程:布置钻孔→接受器套管埋置→爆破孔装药→现场测试→预报结果分析→与实际开挖情况对比→支护参数调整。施工过程中需严格按照上述方法执行，做到心中有数，目标明确，计划科学。

4.1.2 该隧道工程的数据分析整理及应用

(1)ZK47+652～ZK47+681(29m)范围内岩性为花岗闪长岩夹薄片灰岩，岩体强风化，易塌方，围岩强度较掌子面岩体强度有所降低，裂隙十分发育，岩体破碎，建议加强初期支护工作。

图1 双侧壁导洞法

图2 新奥法

(2)ZK47+681～ZK47+699(18m)范围内岩性为花岗闪长岩夹薄片灰岩，岩体强风化，易塌方，围岩强度较掌子面岩体强度有很大幅度降低，裂隙十分发育，岩体十分破碎，建议加强初期支护工作。

(3)ZK47+699～ZK47+747(48m)范围内岩性分析为灰岩夹花岗闪长岩，岩体弱风化～强风化，围岩强度较掌子面岩体强度高一些，裂隙发育，岩体破碎。

(4)ZK47+747～ZK47+756(9m)范围内岩性分析为灰岩，围岩强度较掌子面低一些，岩体强风化，易塌方，裂隙十分发育，岩体破碎，建议加强初期支护和防排水工作。

(5)ZK146+495～ZK146+532段围岩强度较低，节理裂隙较发育，岩体较破碎，含水，建议加强支护。

(6)ZK146+564～ZK146+607段围岩强度较低，岩体较破碎，含水，推断为F33断层，建议加强支护。

(7)ZK146+495～ZK146+607段围岩Ⅴ级，ZK146+607～ZK146+645段围岩V级。

根据掌子面的揭示情况和探测结果显示，在整个探测段ZK146+495～ZK146+607范围内围岩完整性差、稳定性差，ZK146+564～ZK146+607推断为F33断层或其影响带，含水，施工时应予以注意，做好防、排水工作。同时根据二维视图以及岩石力学参数分析，隧道掌子面前方ZK47+652～ZK47+699地段裂隙十分发育，应予以高度重视，防止隧道坍塌。

4.1.3 相应的施工措施

针对“构造裂隙发育段”的施工措施:对爆破循环进尺减小到1.5m，爆破开挖后立即进行初期支护施作，初期支护紧跟掌子面，支护施工完成后方可进行下一轮掘进施工。对K0+600～K0+615和K0+625～K0+758段，因岩体较完整，可继续照常施工。

同时，将左线里程K0+200处测得的数据与设计文件相对比，结合实际需要，对支护参数进行调整。对构造与裂隙发育段采取措施:K0+254～K0+272、K0+308一K0+320段开挖后，其实际揭露岩层与预报资料相符，采取“开挖后立即对岩层初喷一层5cm厚的混凝土．避免因岩层构造裂隙发育，或岩层软弱而产生的拱顶下沉和边墙两侧塑性变形”。K0+338～K0+345、K0+360～K0+370开挖后为砂岩岩层，未见不良地质，可采取正常施工程序施工。

4.2 隧道监控量测的应用

隧道监控量测是隧道施工安全必不可少的重要工作。根据JTJ042—94《公路隧道施工技术规范》的规定和要求，结合本隧道围岩实际情况，确定隧道监控的必测项目和选测项目。其中必测项目包括:围岩与支护状态观察;周边位移监测;拱顶下沉监测。选测项目包括:围岩与喷层接触压力监测;钢支撑内力监测;锚杆轴力监测。

一般地段隧道围岩收敛监测内容。

(1)监测断面的布置。根据《公路隧道施工技术规范》要求和隧道围岩实际状况，在隧道左右线共布设83个监测断面，其中左线41个，右线42个。

(2)测桩埋设与测线的布置。隧道开挖采用台阶法进行。测点布置:先在上台阶埋设l#、2#、3#测桩，对A、B、C，3条测线进行量测;当下台阶开挖到达相应的监测断面位置时，再埋设4#、5#测桩，对下部D线进行量测(图3)。

(3)监测频度。监测频度根据《公路隧道施工技术规范》，第9.2.1条和第9.2.6条规定，即根据开挖时间、距开挖面距离和变形速率确定监测频度。取其三者之高值。

(4)监测成果分析。综合各监测断面测线的变形情况，从分析所得的有关数据可以看出:①拱顶下沉的变形速率随时间和距开挖面距离增大而逐渐降低，拱顶下沉量随时间呈递减趋势，变形逐渐趋于收敛。水平收敛变形的变形速率与时间的关系呈明显的收敛趋势;②隧道围岩的净空收敛呈现典型三个阶段:第一阶段为急剧变形期，10～15 d;第二阶段为缓慢变形期，约35 d;第三阶段为基本稳定期，约40 d;③隧道洞身段为Ⅲ级和级Ⅳ围岩:以围岩变形速率小于0.1 mm/d作为围岩稳定的判定准则是合理的，与实际情况相符。在保阜隧道所有收敛监测数据中，未出现持续收敛或者不收敛值等异常情况。亦未出现拱顶掉块或初期支护开裂等情况，说明初期支护是安全的。同时根据收敛发展状况，及时确定了二次衬砌施作时间。

图3 测桩、测线布置

5 结束语

在该隧道施工全过程中，通过对隧道施工重大安全风险源的辨识与分析评价，制定了风险监控措施和安全预案。通过监测手段及时发现施工中的安全风险，并采取相应的安全风险控制措施，避免了隧道施工过程中的风险恶化，在工程初始阶段取得了良好的经济和安全效益:隧道初期支护无一开裂、掉块、坍塌事件发生，隧道施工安全处于可控状态。在本次风险控制应用中得到如下体会:

(1)隧道施工安全风险源识别是隧道施工安全的重要步骤，决定了安全工作能否抓住工程施工中的主要矛盾。

(2)隧道安全风险监控必须贯穿施工全过程，根据工程进度和实际情况采取有效的手段进行风险监测、分析，并及时反馈，才能够指导安全施工。

(3)隧道安全风险管理必须要有良好的组织措施和制度措施，从而使得安全风险的评估、监控和管理的职责能够得到有效落实。

［1］杨峰．嘉华隧道施工安全风险控制应用［J］．现代隧道技术，2009(6)

［2］陈龙，黄宏伟．岩石隧道工程风险浅析［J］．岩石力学与工程学报，2005，24(1):110—115