张唐铁路燕山隧道风险评估浅析

高树峰

(铁道第三勘察设计院集团有限公司，天津 300251)

1 工程概况

燕山隧道是张唐铁路最长的越岭隧道，隧道地处河北省宣化县李家堡乡李家堡村与赤城县龙关镇八里庄村之间。隧道左线进口里程为改DK52+940，出口里程为改DK74+118，隧道左线全长21 178 m;隧道右线进口里程为改YDK52+948，出口里程为改YDK74+126，隧道右线全长21 178 m，隧道最大埋深为轿顶山主峰南侧557 m，最小埋深不足20 m。本隧道为双洞单线隧道，线间距为40.0 m。隧道内净空满足“隧限-2A”要求，隧道轨面以上内净空面积30.42 m2。因篇幅有限，本文仅介绍燕山隧道左线施工图阶段的风险评估。

2 工程地质及水文地质

燕山隧道洞身主要穿越晚太古界水地庄岩组(Ar3s)片麻岩、变粒岩及花岗片麻岩，上侏罗统张家口组(J3z)凝灰岩、安山岩，长城系常州沟组(Chc)石英砂岩，燕山期二长花岗岩(ηγ52-2)，燕山期正长斑岩(ξπ5

2-2)、石英正长斑岩(ξOπ52-2)。进出口部位穿越第四系上更新统坡洪积(Q3dl+pl)新黄土、粉质黏土、细圆砾土、卵石土。

隧道区地下水按赋存条件的不同，分为以下三种类型:孔隙水、裂隙水及构造裂隙水。以左线为例，隧道正常涌水量69 501.18 m3/d，最大涌水量148 522.08 m3/d。左线隧道各级围岩级别及所占比例见图1。

3 风险评估程序和评估方法

3.1 评估对象及目标

图1 左线隧道各级围岩级别及所占比例

风险评估对象主要为隧道施工过程中的安全、环境、投资及工期，并侧重于安全风险。通过风险评估工作，识别所有潜在的风险因素，确定风险等级，提出风险处理措施，将各类风险降至可接受水平，以达到确保安全、环境保护、投资合理、保障工期、提高效益的目的。

不同的目标风险会造成相同或不同的后果过，对应关系见表1。

表1 隧道风险评估目标与后果或损失

3.2 评估方法及流程

燕山风险评估以定性、半定量为主，结合现有统计数据及现行规范、规定，通过工程类比进行。评估方法以专家调查法为主，根据已掌握的勘测、设计资料分析确定各风险因素可能导致的风险事件的概率大小和后果严重程度，评估流程见图2。

3.3 风险等级的确定及对不同风险等级的接收准则和处理措施

根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》(铁建设［2007］200号)将风险等级指数分为极高(Ⅰ级)、高度(Ⅱ级)、中度(Ⅲ级)、低度(Ⅳ级)4个等级，该等级是结合风险事件发生的概率和严重程度来确定的，见表2。

图2 风险评估流程

表2 隧道风险等级标准

在综合考虑了地形地质条件、勘测、设计有关资料后，根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》，将各种风险因素导致相应事故发生的概率及后果分别用1～5五个数值来表示，其中，概率等级1～5分别代表“很不可能”、“不可能”、“偶然”、“可能”、“很可能”，后果等级1～5分别代表“轻微的”、“较大的”、“严重的”、“很严重的”、“灾难性的”;并定义概率及后果的估值的和为风险指数，风险分级标准将风险指数分为“极高(Ⅰ级)、高度(Ⅱ级)、中度(Ⅲ级)、低度(Ⅳ级)”4个等级。对于不同的风险等级的接受准则和处理措施见表3。

表3 隧道不同风险等级接受准则和处理措施

4 燕山隧道风险评估情况

4.1 燕山隧道主要风险分析

根据本阶段地质勘测资料，隧道主要风险为塌方、突水突泥、岩爆、地下水流失和工期等风险，全隧各段落中存在的风险和可能发生的典型风险事件分析如下。

4.1.1 塌方风险

本隧道的岩层倾角一般多数为30°～60°，部分达70°～89°，属陡倾岩层，其部分地段地表片麻岩倾角近于直立。岩层层理较发育，层理结合面强度较低，在断层、节理的切割下，施工中拱部的岩层容易形成大小不同的岩块或沿层理面发生滑落，而产生坍方掉块现象;调查结果显示，隧道出入口及洞身围岩的节理，部分地段为节理发育～很发育，岩体较破碎，开挖如不及时支护、衬砌，有失稳滑塌的危险。

4.1.2 突泥突水风险

隧道区在节理裂隙发育带、断裂构造带、岩层接触带等部位地下水富集时存在着突水地质灾害的可能，应引起高度的重视，并采取可靠的防治措施。隧道通过断裂带时，断层内岩体破碎，地下水较丰富，易发生突水突泥，施工时应加强排水和支撑防护，及时衬砌。在地下水位以下挖掘由贫水地段进入破碎带时，应防止突水，做好止排水工作。

4.1.3 岩爆风险

岩爆发生的条件是岩体中有较高的地应力，并且超过了岩石本身的强度，同时岩石具有较高的脆性和弹性，在这种条件下，一旦由于地下工程活动破坏了岩体原有的平衡状态，岩体中积聚的能量导致岩石破坏，并将破碎岩石抛出。燕山隧道在埋深较大、完整性的片麻岩、二长花岗岩、安山岩、正长斑岩、石英砂岩及凝灰岩地层中，均有发生岩爆的可能。

4.1.4 地下水流失风险

燕山隧道在梁家窑～二庄沟一带，高程为935～975 m，明显低于该段潜水面高程1 040～1 400 m，尽管隧道在第四系下面片麻岩中通过，隧道距第四系垂直距离最近有40 m左右，但该段泉眼比较发育(泉眼多无流水)，说明该地段构造裂隙比较发育，隧道工程可能导致梁家窑～二庄沟一带地下水位下降，甚至全部流失;隧道在辛窑村北西(出口)高程为1 010 m，辛窑村西泉眼高程为1 120 m，隧道位置略低于地下水潜水面，隧道工程可能导致辛窑村一带地下水位轻微下降。施工中断层水极有可能顺隧道下泄，对施工造成极大危险。

4.1.5 工期风险

隧道洞身地质条件较复杂，勘测资料无法准确反映隧道区的地层岩性情况，隧道的围岩级别、水量情况有可能发生变化，进而影响施工进度。

4.2 隧道初始风险评估

经评估，左线隧道中的主要典型风险事件类型为塌方、突水突泥及岩爆风险;初始风险为高度及以上的共有52处。具体情况如下:(1)塌方风险:塌方风险为极高的段落共有17处，高度的段落共有5处。(2)突水突泥风险:突水突泥风险等级为极高的段落共15段，高度的段落共4段。(3)岩爆风险:岩爆风险等级为极高的段落共4段，高度的段落共7段。

其余地段各类初始风险均为中度及其以下。燕山左线隧道初始风险统计见图3。

图3 燕山隧道左线初始风险统计

4.3 隧道采取的风险控制措施

4.3.1 塌方风险控制措施

隧道采取的塌方风险控制措施主要有:(1)强化超前支护。进洞环节拱部设置1环超前大管棚。Ⅳ、Ⅴ级围岩拱部设置超前小导管预注浆加固;根据不同的围岩情况及构造特征，采取预注浆加固围岩;(2)加强初期支护。节理裂隙发育或地下水丰富地段的Ⅴ级围岩采用型钢钢架，并适当缩短钢架间距;(3)严格控制开挖进尺，遵循“管超前、弱爆破、强支护、早封闭、勤量测、及时衬砌”的施工原则，确保不出现塌方;(4)加强监控量测。通过监控量测成果分析，及早掌握围岩及支护的动态状况，以便采取有效措施，并及时调整设计参数;(5)对于软弱围岩段，及时施做二次衬砌，确保安全;(6)隧道洞身断层破碎带地段，水量不大处采用密排长导管加强支护，水量较大处采用帷幕注浆加强支护，隧道洞身浅埋角砾土段采用密排长导管加强支护。

4.3.2 突水突泥风险控制措施

隧道采取的突水突泥风险控制措施主要有:(1)加强地质超前预报预测，以超前钻孔为主加地质素描，其他物探手段为辅。主要预测断层破碎带的岩性、断层破碎带的性质以及地下水情况，包括水量以及水压;(2)根据地下水情况采取措施，衬砌采用加强型衬砌。(3)Ⅳ、Ⅴ围岩均采用超前小导管。在围岩不整合接触带采用密排长导管加固支护;(4)加强施工管理，推行标准化管理。

4.3.3 岩爆风险控制措施

在埋深较大、完整性硬岩地层中，均有发生岩爆的可能，在可能存在岩爆地段采取加强超前预报和地应力监测，掌子面撒水，释放应力。

4.3.4 地下水流失风险控制措施

为防止隧道的开挖导致水资源的流失，对隧道穿越的村庄范围采用帷幕注浆、超前周边注浆或径向注浆堵水的措施，保护地下水资源。

4.3.5 工期风险控制措施

隧道洞身所处地层岩性较为复杂，隧道地质条件有可能发生较大变化。为保证施工工期，施工中应加强施工管理，注意各工序间的衔接。施工中如发现围岩情况与设计有所出入或其他异常情况应及时反馈，采取相应措施，防止由于发生突水突泥、塌方等事故而延误隧道工期的情况发生。

4.4 隧道残留风险评估

采取了风险控制措施以后，对本隧道中残留的各种风险进行评估，燕山左线隧道残留风险统计见图4。

图4 燕山隧道左线残留风险统计

由上述表格可以看出，隧道残留风险中已不存在极高或高度风险，隧道的各种风险等级均控制在中度以下。

4.5 评估结论

通过对燕山隧道工程条件的概述和初始风险等级的确定，部分风险因素可导致“极高”或“高度”风险等级事件。通过采取相应的风险控制措施后，能够将风险等级降为“中度”及以下。因此，燕山隧道的建设在安全、工期、环境等多个目标风险方面都是可以接受的，设计方案可行。

鉴于燕山隧道发生塌方、突泥突水和岩爆的概率较大，初始风险等级有“高度”级别和部分“极高”级别，因此将该隧道的风险等级暂定为Ⅰ级(极高风险)隧道。

5 隧道风险评估的几个问题的浅析

5.1 隧道风险等级确定问题

现阶段隧道风险评估主要以定性为主，结合现有统计数据及现行规范、规定，通过工程类比进行。评估方法以专家调查法为主，根据已掌握的勘测、设计资料分析确定各风险因素可能导致的风险事件的概率大小和后果严重程度。这样，判定隧道的风险等级没有具体的量化标准，没有统一的划分隧道风险等级的标准体系，人为因素过多，比较随意。

5.2 非高风险隧道，对于特殊段落应提高风险管理等级

隧道风险管理现阶段是以整个隧道为基本单位的。实际上，有的隧道，整条隧道风险等级并不高，但其中的某段落残余风险可能极高。按现阶段的风险管理方式，风险很大。建议这种段落也按极高风险隧道管理，防止事故的发生。

5.3 地质选线应高度重视，这是规避隧道重大风险的重要手段

隧道的最大风险就是地质方面的风险，隧道洞身的地应力大小，膨胀岩特性，深层天然气出露部位、岩溶隧道的水量和突水部位、大的地质构造等等，都是隧道风险的源头。在勘察设计时，应查明铁路隧道内的不良地质，并对风险进行评估，采用风险相对较小的方案实施。

5.4 风险管理应动态地开展

风险评估及管理应动态地开展，建立风险监控程序、信息报送程序、风险预警程序、风险处理程序。

5.5 落实风险控制措施

落实风险控制措施的关键在于根据已掌握的有关风险因素和风险事件，确定工程措施的适应性、可操作性。工程措施应针对风险事件的特性，具有一定的冗余涵盖面和施作可调性，如注浆堵水范围、瓦斯隧道通风方式和能力等。落实风险控制措施的另一要点是风险事件出现的征兆和判定指标的正确性(风险预警标准和预警分级)。判据确定的误差过大时，可能导致控制措施的效能丧失或风险的转换。如软岩变形条件下的初期支护失格判据、煤与瓦斯突出指标、涌水突水的判定标准。

5.6 要特别重视施工阶段的风险评估及管理

设计阶段风险因素相对施工阶段少，易于识别，故通过认真细致的工作，可以做到降低重大风险。施工阶段情况复杂，风险因素多，风险等级还可能会升高，应重视风险因素的识别，跟踪风险等级的变化切实开展风险管理尤为重要。

6 结论

本文仅对燕山隧道施工图阶段风险评估做了简单介绍。铁路隧道发生各类风险的概率较其他行业高，且一旦发生事故，所造成的损失较大。因此应将风险评估贯穿于整个设计及施工过程。风险评估的目的是辩识最重要的风险，并加以管理，在隧道设计的各个阶段和施工期间，有不同的最重要的风险，因此每个阶段都应该有针对性的进行风险评估，并制定相应的应急预案，将风险消灭在摇篮里，杜绝隧道事故的发生。

［1］铁建设［2007］200号 铁路隧道风险评估与管理暂行规定［S］.

［2］铁道第三勘察设计院集团有限公司.张唐铁路隧道风险评估报告［Z］.天津:铁道第三勘察设计院集团有限公司，2011.

［3］TB10003—2005 铁路隧道设计规范［S］.北京:中国铁道出版社，2005.

［4］陈赤坤，等.铁路隧道风险评估体系的研究和探讨［J］.铁道标准设计，2007(S1):12-16.

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［6］朱鹏飞，等.宜万铁路复杂隧道风险管理与控制［J］.铁道标准设计，2010(8):7-11.