山岭隧道塌方风险评价理论与方法及工程应用

袁永才，李术才，李利平，雷霆，王升，孙柏林(.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南，5006；.湖北省保康至宜昌高速公路建设指挥部，湖北 宜昌，44400)

山岭隧道塌方风险评价理论与方法及工程应用

袁永才1，李术才1，李利平1，雷霆1，王升1，孙柏林2
(1.山东大学 岩土与结构工程研究中心，山东 济南，250061；
2.湖北省保康至宜昌高速公路建设指挥部，湖北 宜昌，444200)

为确保隧道施工安全，基于突变理论建立隧道塌方风险评价的突变理论模型。基于我国近300例隧道塌方资料的分析，结合隧道的地质因素、勘察设计因素以及施工因素，选取围岩级别、地下水、偏压、埋深、地质勘查、开挖跨度、施工技术水平和施工管理水平这8个主要因素作为山岭隧道塌方风险评价指标，并对这8个评价指标分别进行定量描述；在对红岩寺隧道孕险环境及风险诱因分析基础之上，运用突变理论模型对红岩寺隧道进行塌方风险评价。研究结果表明：结果与实际施工情况一致；但由于施工单位未采取积极的风险规避及控制措施，且连续强降雨，导致发生“关门”式塌方灾害；针对发生的“关门”式塌方采用超前小导管与管棚相结合的注浆法处治方案，施工中遵循了“先加固、防扩展、后处理、稳通过”的处理原则，成功完成塌方段治理，且效果显著。

山岭隧道；风险评价；突变理论；塌方治理；孕险环境

塌方是山岭隧道工程建设过程中最为常见的一种地质灾害，其出现概率约占所有隧道地质灾害的90%以上[1]。随着我国西部山区高速公路、铁路的修建，将会涌现出更多更复杂地质条件下隧道工程，从而增加了塌方发生概率，造成人员伤亡、设备损毁以及工期的延误等不良后果。由于隧道塌方事故不断涌现，塌方危害时有发生，严重危及施工人员安全，亟需针对塌方险情对隧道施工进行塌方风险评估研究，针对可能出现的塌方灾害进行预处治。许多学者在塌方风险的多目标评价决策分析中采用模糊层次分析法[2]、层次分析法[3]、粗糙集重心法[4]、属性数学法[5]、集对分析方法[6]等，由于评价目标之间关系复杂，难以准确界定各目标之间的权重。权重取值受主观因素影响明显，从而难以真实评价塌方风险。基于突变原理的隧道塌方风险评价模型是通过对导致塌方产生的因素进行归一化处理，计算得出不同塌方的安全数值(SD)指标。在进行隧道塌方影响因素的风险评价时，只需要对诸影响因素按照重要性排序，无需主观确定任何权重[7]。本文作者通过构建塌方风险评价指标体系，建立山岭隧道塌方风险评价的突变理论模型。针对在建红岩寺隧道进行塌方风险评价，结合孕灾环境及风险诱因的分析，得出评价里程范围内塌方发生的危险度较高。最后，采取超前小导管与管棚相结合的注浆法处理塌方的施工方案。评价过程去除了主观权重对评价结果的影响，为准确预测山岭隧道塌方提供一种新的分析方法，该方法对山岭隧道塌方事故的预防具有重要借鉴意义。

1　隧道塌方评价理论

1.1塌方评价的突变模型

20世纪60年代中期，THOM[8]创立了突变理论。通过突变理论描述和预测事物发展过程中发生陡然质变过程。突变理论研究的是平衡点之间的相互转化问题，同时考虑多个参数变化时平衡点附近分叉情况的全面图像，特别是其中可能出现的突然变化[8]。

通过研究代表系统各构成单元彼此联系的系统势能函数，形成状态变量在控制空间的轨迹-分叉集合，而处于分叉集合中的控制变量使势函数发生突变，出现不连续的性态，这正是突变评价法的基本原理。据此构建由分叉集合内的控制变量引发系统突变的评价模型。分析分叉集合的性态，可以达到控制系统自身行为的目的。

表1所示为常见突变模型及其势函数。表1中：V(x)和x为状态变量；a，b，c和d为控制变量。同时，a，b，c和d也是导致系统突变的影响因子，只需对影响因子的重要程度进行排序，当其满足分叉集合方程时，表征系统从一种状态突变为另一种状态。当待评价系统包含2个评价指标时，可构建尖点评价模型，从而计算得到待评价系统发生突变时的状态变量值，即评价目标值。同理，可推得3个或更多指标时，对应的突变理论模型，从而计算评价目标值。

表1　常见突变模型及其势函数Table 1　Catastrophe theory model and its potential function

通过联立)(xVˊ 和)(xVˊˊ ，消去x，可以计算得到构建的4种突变评价模型的系统分叉集方程。

折叠突变为

尖点突变为

燕尾突变为

蝴蝶突变为

需要利用归一化公式对分叉集方程进行变换、推导，得出突变模型归一公式。

折叠突变模型归一公式为

尖点突变模型归一公式为

燕尾突变模型归一公式为

蝴蝶突变模型归一公式为

突变评价模型归一公式将控制变量的不同质态转化为状态变量的同一质态。若系统的各控制变量之间不可以相互弥补不足，则从各控制变量a，b，c和d相对应的值xa，xb，xc和xd中选取最小的1个值作为整个系统的值，即“大中取小”。只有这样，才能满足分叉集合方程，达到质变。当系统的各个控制变量之间可以相互弥补不足时，为使其值达到较高的平均值，则采取控制变量a，b，c和d相对应的xa，xb，xc和xd的平均值。

1.2塌方风险评价过程

隧道塌方影响因素指标体系见图1。根据突变理论可知，山岭隧道塌方风险评价的突变理论模型评价过程为：

1)根据山岭隧道塌方发生的影响因素(通过对我国近300例隧道塌方资料的详细分析得出[9])，构建多层次的隧道塌方综合评价指标体系。

2)按照塌方影响因素的重要程度，对各层次指标进行排序。根据每一级状态变量个数选择不同的突变理论评价模型，最终得到控制变量状态情况。每一个状态变量也可能是下一级状态变量的控制变量，根据状态变量的个数将评价模型分为：折叠突变模型(1个下级指标)、尖点突变模型(2个下级指标)、燕尾突变模型(3个下级指标)、蝴蝶突变模型(4个下级指标)。当控制变量的下级指标个数多于4个时，应根据成分分析方法进行合并，使指标个数控制在4个以内。

3)由突变模型归一公式，按照“大中取小”或“互补”原则计算出各层状态变量评价目标值。最顶层状态变量为最终控制变量，即最终评价目标(隧道塌方风险因素评价指标SD)。计算时，只需知道最底层状态变量(评价指标)的原始数据即可[10]。

图1　隧道塌方影响因素指标体系Fig.1　Effect factors of tunnel collapse indicator system

4)结合隧道塌方影响因素评价指标SD，根据隧道塌方危险度等级标准(如表2所示)，确定塌方风险等级状态。

1.3隧道塌方危险度等级划分

依据常规安全等级划分标准将隧道塌方危险等级划分为4个等级，依次是危险度极高、危险度较高、危险度一般和危险度较低。其中，危险度较低可忽略，保持正常施工及日常管理；危险度一般则属于可接受状态，实施预防措施，并加强支护提升安全性；危险度较高及危险度极高状态应停止施工，采取方案整改及风险专题论证，进行风险规避及控制[11]。

表2　隧道塌方SD指标危险度分级标准Table 2　Grade division of SDfor tunnel collapse

2　塌方风险评价的指标体系

在进行塌方风险评价时，对每个因素进行分析是难以实现的，应选择最重要、影响力最大的一些因素[2]。隧道塌方的影响因素多且复杂，但总体上可概化为地质因素、勘察设计因素和施工因素。本文参考有关文献[12]选取围岩级别、地下水、偏压角度、隧道埋深、地质勘查、开挖跨度、施工技术水平和施工管理水平8个主要因素作为隧道塌方风险评价指标。

2.1隧道围岩级别

隧道围岩级别受围岩强度与完整性影响，可通过解译后的超前探测地震波的纵波波速评判隧道围岩级别，且通过软件分析可获得岩石弹性模量、密度以及泊松比等信息[12]，围岩等级划分如表3所示。

2.2偏压

对于山岭隧道洞口浅埋段，常常会受到由于地形原因产生的偏压作用，偏压作用的产生会影响隧道围岩的稳定性，文献[13]中16%的隧道塌方灾害中都与偏压有关。从偏压倾角出发，以沿隧道纵轴方向，山体倾角即为隧道偏压情况。一般来说，山体倾角(偏压)越大，隧道发生塌方的可能性就越大[2]。偏压等级划分如表4所示。

表3　纵波波速等级划分Table 3　Grade division of longitudinal wave velocity

表4　偏压角度影响等级划分Table 4　Grade division of angle of unsymmetrical pressure

2.3地下水

在统计过的隧道塌方案例中，都会出现地下水的影子。而地下水正是诱发隧道发生塌方最为活跃，影响最大的原因。在三大作用(物理作用、化学作用及力学作用)下，产生的软化、润滑、溶解、水合、动静水压力以及机械冲刷作用导致隧道围岩的稳定性明显降低。

地下水将会溶蚀岩体中结构面的胶结物以及部分充填物，软化岩石，降低岩体强度，严重影响围岩稳定性。故应充分考虑地下水的作用[14]，地下水影响等级划分如表5所示。

表5　地下水影响等级划分Table 5　Grade division of groundwater

2.4隧道埋深

当隧道埋深较浅时，隧道开挖会波及山体表面难以形成稳定状态的自然拱，围岩自稳能力相对较弱，同时当初期支护难以提供足够的支撑力时，围岩将会产生大变形，形成塌方。一般讲，当隧道处于埋深较浅的情况中，其自稳能力相对也较弱，发生塌方灾害的概率也越高。

根据文献[15]中关于隧道埋深与塌方次数所占比例的统计结果。其中，在隧道埋深小于10 m的情况中，主要由于原始塌方数据收集中该部分的隧道塌方案例所占比例较小，同时在隧道浅埋段施工单位往往会加强初期支护的强度，避免塌方的产生。因此根据文献[15]案例统计结果，可以将隧道埋深的等级划分如表6所示。

表6　埋深影响等级划分Table 6　Grade division of tunnel depth

2.5开挖跨度

根据文献[13]得知，开挖跨度与塌方次数成正比关系，开挖跨度越大，塌方次数越多，也间接说明塌方发生概率越大，并把开挖跨度因素划分为5个等级，开挖跨度等级划分如表7所示。

表7　开挖跨度因素等级划分Table 7　Grade division of excavation span

2.6地质勘查

应根据隧道不同设计阶段的任务、目的和要求，针对公路等级、隧道的特点和规模，确定搜集、调查资料的内容和范围，并认真进行调查、测绘、勘探和试验。调查的资料应齐全、准确，满足隧道设计要求[16]。地质勘查等级划分如表8所示。

表8　地质勘查等级划分Table 8　Grade division of geological exploration

2.7施工技术水平

施工过程中，隧道开挖扰动是产生塌方的最主要原因，同时由于施工人员技术欠缺、开挖方法不当、地下水治理措施不力、支护不及时、爆破震动过大、监控量测不规范、超前地质预报滞后等原因，都将导致隧道塌方灾害的发生。因此将施工技术水平划分为5个等级，施工技术等级划分如表9所示。

2.8施工管理水平

隧道施工管理水平同施工技术水平要求相似，关乎工程顺利、竣工安全。隧道工程施工过程中进度安排、隧道施工工序不合理，隧道围岩的监控量测与超前地质预报不规范，同时工程安全技术人员对工程开展缺乏安全意识也对隧道塌方灾害的发生起一定影响。而在施工过程中由于管理不善，造成爆破时产生震动过大、初期支护暴露时间太久。同时，隧道施工中存在其他管理方面的管理因素，根据表9中施工技术水平中的参数选取标准选取施工管理水平参数。

表9　施工管理与技术水平等级划分[5]Table 9　Grade division of construction management and technical level[5]

3　工程应用

3.1工程概况

红岩寺隧道为保宜高速襄阳段中长度最大和埋深最大的一座分离式隧道，隧道左线起讫桩号ZK14+962~ZK21+640，长 6 678 m，最大埋深约655.6 m；右线起讫桩号YK14+915~YK21+661，长6 746 m，最大埋深约654.5 m。红岩寺隧道是典型的深埋特长越岭隧道。隧道穿越长江与汉江的流域分水岭，该分水岭呈近东西向分布，主峰聚龙山高程1 851 m，分水岭南侧主要河流为长江一级支流沮水，北侧属汉水一级支流南河流域。

根据红岩寺隧道的工程地质勘查报告、水文地质专题研究报告及超前地质预报报告得到在隧道左线ZK15+400~ZK15+500段围岩主要为中、微风化页岩，岩体较破碎，属于Ⅳ级围岩，遇水软化、强度降低，拱部可能松动，极易发生塌方灾害。且进口洞口段有桂河经过，桂河上游有1条沟谷(谢家沟)平行隧道左线上溯，距隧道左洞轴线间距50~100 m，在ZK15+400位置沟底标高与隧道拱顶标高基本一致，随降雨增加对隧道围岩影响较大。因此，对该段隧道进行塌方灾害危险性评价。

3.2孕险环境及风险诱因

3.2.1自然气候条件

图2　红岩寺隧道工程地质剖面图Fig.2　Engineering geological profile of Hongyansi Tunnel

隧址区属亚热带大陆性季风气候，年均降雨量930 mm以上，多集中于4~9月份，占全年85%左右。降雨充沛，多为暴雨，地表汇水沿裂缝入渗补给地下水，地下水位的变化引起岩体物理参数的改变，致使隧道围岩压力增大，成为隧道塌方地质灾害风险的诱因之一。

3.2.2隧道围岩

施工至ZK15+400处时，围岩揭露为中-强风化页岩，岩体破碎，强度低，遇水软化，超前地质预报结果显示掌子面前方围岩有逐渐变差的趋势。

3.2.3地表水源

隧道左线进口段有桂河经过，桂河上游有一条沟谷(谢家沟)平行隧道左线上溯，距隧道左洞轴线间距50~100 m，在ZK15+400位置沟底标高与隧道拱顶标高基本一致。雨季谢家沟汇水面积较大，由于沟谷、地表水、裂隙水对围岩长期的渗透，导致围岩软化、强度降低。特别是ZK15+412-ZK15+432段岩体风化严重，围岩呈泥砂颗粒状，洞身稳定性极差。

3.2.4水文地质特征

隧址区地下水的补给来源为大气降水直接渗入补给，径流方式是垂直向下沿节理裂隙径流。巨厚的志留系碎屑岩构成背斜岩溶水系统的边界，地下水沿裂隙进行汇聚。由于隧道埋深浅，且围岩多处于强风化状态，破碎地带风化可能更严重，裂隙水渗漏明显，且隧道紧邻石板沟，受降雨影响，地下水位变化明显。枯水期流量为10 L/s，洪水期流量为60 L/s，在围岩破碎地段，雨季存在股状渗漏，极易发生围岩塌方。

3.3评价指标取值

根据红岩寺隧道的工程地质勘查报告、水文地质专题研究报告、隧道TSP超前地质预报报告及现场施工情况确定评价指标(围岩级别、偏压、地下水、埋深、开挖跨度、地质勘查、施工技术水平及管理水平)实际数据。构建隧道塌方风险评价突变模型，分析隧道围岩所处的状态。

针对评价指标的影响特征，采用两类计算标准对量纲不同的最底层指标初始数据进行标准化去量纲处理，使经过处理的数据在0~1内，标准化去量纲后的最底层指标数据如表10所示。

由图1可知：A1，A2和A3构成燕尾突变理论评价模型；B1，B2，B3和B4构成蝴蝶突变理论评价模型；B5和B6构成尖点突变理论评价模型；B7和B8构成尖点突变理论评价模型。Ai为第2层评价指标，Bi为底层评价指标。

3.4塌方风险识别分析

根据互补原则，可计算出导致塌方产生的第2层风险因素评价指标和顶层塌方风险评价因素指标SD，如表11所示。

在对隧道塌方风险评价突变原理模型与塌方灾害的主要影响因素分析的基础上，结合隧道的地质因素、勘察设计因素以及施工等因素制定了隧道塌方风险评价突变原理模型指标系数SD的等级标准(见表2)。通过表2与表11的结果可以看出：红岩寺隧道ZK15+400~ZK15+500段发生塌方的风险等级为II级，危险度较高。因此，红岩寺隧道ZK15+400~500段应停止施工，整改施工方案及进行风险专题论证，进行风险规避及控制。

3.5施工验证

2013-07-22—2013-08-11，红岩寺隧道左线施工通过ZK15+412~ZK15+490段，施工单位仅将原设计S4b复合式衬砌调整为S5b复合式衬砌施工，未进行进一步的方案整改及风险的控制。且在隧道通过该段后，隧址区连续降雨多日，围岩变形较大，通过监控量测资料显示，初期支护变形不断加大至15~35 cm，格栅钢架变形，如图3所示。此段在掘进、支护施工中围岩揭露为中—强风化页岩，岩体破碎，强度低，遇水软化。

表10　红岩寺隧道最底层评价指标Table 10　Evaluation index at bottom of Hongyansi Tunnel

表11　第2层风险因素评价指标及SD结果Table 11　Second layer of risk factors evaluation and SDresults

图3　钢拱架扭曲变形Fig.3　Deformation of steel arch centering

2013-09-26，红岩寺隧道左线开挖至桩号ZK15+500处，隧道掌子面后方ZK15+412~490段围岩变形继续增大，初支喷射混凝土表面开裂、脱落，经过持续的监控量测得到围岩变形超过预警值，施工人员快速撤离，随后ZK15+412~490段围岩发生塌方，施工人员无一危险，仅车辆设备被埋隧道内，形成“关门”之灾，如图4所示。

图4　隧道塌方示意图Fig.4　Schematic diagram of tunnel collapse

4　隧道塌方治理

4.1确定治理方案

隧道塌方的处理必须建立在对塌方正确认识的基础上，其处理原则是先巩固塌方范围后方，防止塌方扩大，以安全的后方为依托或掩护，向前处理。

治理塌方方案有锚杆法、支顶法、护拱法、注浆法[17-18]，而注浆法主要采用超前小导管与管棚。由于塌方发生地段的围岩复杂多变，往往选用两种或多种方法相互配合处治。同时，依据新奥法的思想，塌方治理后围岩趋于稳定，形成自然拱。为了给施工人员提供安全的作业环境，确保塌方处理不留质量隐患，经过对现场条件的认真调查，综合考虑塌方处理时间、工程费用投入等因素，确定了采用超前小导管与管棚相结合的注浆法处理塌方的施工方案。施工中遵循了“先加固、防扩展、后处理、稳通过”的处理原则。

4.2详细治理措施

红岩寺隧道进口左线ZK15+412~490段塌方治理措施为：

1)在ZK15+412~490段设置临时加强支护，采用Ⅰ18工字钢，纵向间距为1 m，环向间距为1 m，设直径为22 mm连接筋。钢拱架拱脚必须安放在坚硬基岩或混凝土基础上，每榀拱架拱脚每侧各设置2根直径为42 mm锁脚小导管，长为5 m。

2)ZK15+412~445全断面和ZK15+445~490上半断面采用直径为42 mm小导管注浆，长为4 m，间距为1 m，梅花型布置，采用1:1水泥浆进行注浆，注浆压力为0.5~1 MPa。

3)对ZK15+412~432采用直径为108无缝钢管大管棚注浆超前临时加固，设置25根，每根长为18 m，环向间距为40 cm。

4)对ZK15+412~432已完成初支变形格栅钢架采用I20a钢拱架替换加强，每榀间距为50 cm，环向采用Φ22钢筋连接，间距为1 m。此段置换设直径为42 mm超前注浆小导管，3.5 m，环向间距为20 cm，每2 m 1环，每环为50根。

5)ZK15+452~490在S5b复合衬砌的基础上增加二衬钢筋。二衬施工前初支净空尺寸必须符合设计、规范要求。

隧道左线ZK15+490~500，掌子面开挖围岩揭露为中-强风化页岩，围岩水平层状，节理裂隙发育，岩体破碎、裂隙渗水较严重，围岩遇水软化，拱顶易掉块。因此，将原设计的S4b复合式衬砌调整为S5b复合式衬砌施工。

4.3治理效果检查

为检查治理方案施工的实施效果，保证隧道后续安全，按照要求增设监控量测断面，分别测量隧道拱顶沉降和水平收敛变形，监控量测点布设如图5所示，各拱顶沉降及水平收敛变化趋势如图6和图7所示。

从围岩变形监测及现场施工情况可知：塌方治理效果较好，隧道处于稳定状态。

图5　监控量测点布设Fig.5　Distribution of monitoring measurement points

图6　累计水平收敛与拱顶沉降曲线图Fig.6　Curve of horizontal convergence and crown settlement

图7　水平收敛与拱顶沉降速率曲线图Fig.7　Rate curve of horizontal convergence and crown settlement

5　结论

1)将突变理论引入隧道塌方风险评价中，构建了山岭隧道塌方风险评价的突变理论模型，应用在红岩寺隧道塌方风险评价中，得到评估结果与隧道实际开挖揭露一致，可以作为隧道塌方风险评价新方法。

2)通过搜集查阅资料的方式，对我国近300例隧道塌方资料进行详细分析，结合隧道的地质因素、勘察设计因素以及施工等因素选取围岩级别、地下水、偏压、埋深、地质勘查、开挖跨度、施工技术和施工管理等8个主要因素作为山岭隧道塌方风险的评价指标，并对各指标进行了定量化描述及等级划分，构建隧道塌方突变理论模型评价指标体系，使得评价结果客观真实。

3)施工单位未按照风险评价结果整改施工方案及进行风险专题论证，未采取积极的风险规避及控制措施，最终导致发生“关门”式塌方灾害。

4)针对已发生的塌方灾害采用超前小导管与管棚相结合的注浆法处理方案。施工中遵循了“先加固、防扩展、后处理、稳通过”的处理原则完成塌方治理，效果明显。

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(编辑罗金花)

Risk evaluation theory and method of collapse in mountain tunnel and its engineering applications

YUAN Yongcai1,LI Shucai1,LI Liping1,LEI Ting1,WANG Sheng1,SUN Bolin2
(1.Geotechnical and Structural Engineering Research Center,Shandong University,Jinan 250061,China;
2.Baokang-Yichang Expressway Construction Headquarters of Hubei Province,Yichang 444200,China)

In order to ensure the safety of tunnel construction,a tunnel collapse risk assessment model was established based on catastrophe theory.The surrounding rock grade,groundwater,tunnel depth,angle of unsymmetrical pressure, geological exploration,excavation span,construction technology and construction management were selected as the indexes for the risk assessment of the mountain tunnel collapse through analyzing nearly 300 cases of tunnel collapse.All the evaluation indexes can be divided into three categories i.e.,geological factors,survey and design factors,and construction factors.The quantitative analysis and the criteria of indexes were determined.Exemplification of Hongyansi Tunnel was evaluated by the catastrophe theory.The evaluation result obtained from the proposed method agrees well with practical situation.In the process of construction,an active precautions are not considered by the construction unit. Meanwhile,Heavy rains have fallen on Hongyansi Tunnel.They are important reasons for causing collapse disaster.On the spot,using leading conduit and pipe-shed to deal with the tunnel collapse in arch is successful.Fundamental and method disposing tunnel collapse have been stated in this paper and marked effect is obtained in the engineering practice.

mountain tunnel;risk assessment;catastrophe theory;collapse governance;environment of dangerous source

袁永才，博士研究生，从事地下工程地质灾害风险评估与控制研究；E-mail:yuanyc924@163.com

TU457

A

1672-7207(2016)07-2406-09

10.11817/j.issn.1672-7207.2016.07.031

2015-07-28；

2015-09-28

国家重点基础研究发展计划(973计划)(2013CB036000)；国家自然科学基金重点资助项目(51139004)(Project (2013CB036000)supported by the National Basic Research Development Program(973 Program)of China;Project(51139004)supported by the Key Project of the National Natural Science Foundation of China)