晋祠隧道施工阶段风险分析与管理①

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(河南科技大学 土木工程学院，河南 洛阳　471023)

引言

隧道工程项目是一个集多个学科门类的复杂的系统工程，具有隐蔽性、复杂性、建设工期长、建筑安装实物量大、投资风险大、项目涉及面广等特点。在隧道工程项目施工过程中，面临着大量的风险和不确定因素，这些风险具有多样性、复杂性、综合性、突发性及偶然性等特点[1]。如果不考虑其风险及应对措施，很容易发生重大事故。因此，在隧道施工阶段进行施工风险评价与管理显得尤为重要[2]。

1　工程概况

晋祠隧道起讫里程为DK12+425～DK21+265，全长8 840 m，Ⅷ度地震区设防。设计为双线隧道，线间距4～5 m，最小曲线半径1 000 m；隧道开挖分四明三暗段，其中暗挖段4 570 m，明挖段4 270 m。线路纵坡呈“V”字形，最大坡度11‰。隧道衬砌采用复合式钢筋混凝土，暗挖段为曲墙拱形结构；明挖段除晋祠车站三、四线地段采用双连拱大跨结构外，其他均为单跨拱形框架结构；隧道出口段600 m采用封闭式U型槽结构与路基结构顺接，洞门采用斜切式结构，出口结合钢结构防水采用U型槽封闭结构。工程所在地冬季干冷漫长，夏季湿热多雨；隧道所经过区域为Ⅴ级和Ⅵ级黄土围岩，土质结构松散，工程性质差，结构自稳能力小。

2　风险识别

风险识别是风险管理的首要工作，即分析工程施工期所有的潜在风险因素并进行归类整理，然后进行筛选，确定风险点[3]。晋祠隧道工程量大、工期短、施工难度大、技术要求高，在施工过程中潜在风险因素多，施工风险管理难度大。

本项目由专家和施工单位、设计单位以及勘察单位等有经验的技术人员组成风险识别小组，根据勘察资料和设计数据等相关材料，结合开挖方式的特点，参考国内外类似隧道工程的施工经验，在工程开工之前以及工程进行过程中，对晋祠隧道潜在的风险因素进行分析、识别，找出施工过程中存在的潜在风险并对全线风险进行汇总(见表1)。

表1　晋祠隧道风险因素汇总1)

3　风险评估

风险评估是对风险发生的概率及其破坏性后果做出量化分析的过程，它是风险管理的基础和重要工作内容[4]。晋祠隧道风险评估采用定性与定量相结合的方法，结合现有监控数据及现行规范，通过工程类比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。

3.1　风险接受准则

风险接受准则表示在规定的时间内或项目某个阶段内可接受或管理的风险等级水平分级，它直接决定了工程中各种风险需采取的管理控制措施。

在综合考虑地形地质条件、设计图纸及设计院风险评估报告、第三方监控等有关资料后，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”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”；定义概率及后果的估值之和为风险指数，根据事故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)和低度(IV级)”四个等级，依据不同的等级确定风险接受准则[5]。

本文采用《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》中推荐的风险接受准则(见表2)。其中CS表示损失性分值；PS表示概率等级评分；N表示风险可忽略(Ⅳ级)，不需要采取防范措施；A表示风险可以接受，需引起重视(Ⅲ级)；H表示风险很高，需采取一定的控制措施(Ⅱ级)；S表示风险很严重或绝对不可接受(Ⅰ级)[6]。

表2　风险接受准则

3.2　风险评估结果

根据风险评估原理，按照制定的风险评估程序，综合考虑隧道工程地质、投资、工期和技术难度等因素，对晋祠隧道初始施工风险进行评估(结果如图1所示)，评价风险对项目的影响[1]。

图1　初始风险评估结果

4　风险应对措施

风险的存在不可避免，但可以通过工程技术措施降低风险大小[7]。因此，本文针对晋祠隧道施工中不同的风险，采取相应的、可靠的风险控制措施。

4.1　暗挖段施工技术措施

4.1.1洞口

隧道洞口边仰坡工程应自上而下逐级开挖并进行超前支护，及时完成洞口边仰坡加固、防护及防排水工程。洞口段应及时形成封闭结构，严禁采用长台阶施工。隧道洞口按设计完成超前支护后，方可开始正洞的施工。

4.1.2超前地质预报

晋祠隧道为极高风险的软弱围岩及不良地质隧道，超前地质预报工作由设计单位负责组织实施。项目部应及时做好地质素描，地质变化时及时向设计院反映，以便完善设计方案，确保施工安全及主体质量。

4.1.3隧道开挖

(1)Ⅴ、Ⅵ级围岩上台阶每循环开挖支护进尺不大于1榀钢架间距。

(2)边墙每循环开挖支护不得大于2榀钢架间距。

(3)开挖仰拱前必须完成钢架锁脚锚杆，每循环开挖进尺须≯3 m。

(4)隧道开挖后及时施作初期支护并封闭成环，Ⅴ、Ⅵ级围岩封闭位置距离掌子面须≯35 m。

4.1.4初期支护

初期支护钢架工厂化制造，出厂前必须进行检验和试拼装；混凝土采用湿喷工艺。

4.1.5监控量测

隧道监控量测作为关键工序纳入现场施工组织，监控量测设置专职人员并经培训后上岗。

按TB 10121—2007《铁路隧道监控量测技术规程》的规定，建立等级管理、信息反馈和报告制度。隧道拱顶下沉和净空变化的量测，断面间距须≯5 m；隧道浅埋、下穿建筑物地段，地表必须设置监测网点并实施监测；当拱顶下沉、水平收敛速率达5 mm/d或位移累计达100 mm时，应暂停掘进并及时分析原因，采取处理措施；当采用接触量测时，测点挂钩应做成闭合三角形，保证牢固、不变形。

4.1.6二次衬砌

及时施作二次衬砌，其距掌子面的距离须≯70 m。

4.2　明挖段施工技术措施

明挖段施工遵循“先围护、后开挖，边开挖、边支护”的原则，按照“平面分区、顺坡拉槽、竖向分层、反铲接力”的方法开挖。

分层、分段、分块开挖，纵向放坡，并在坡脚和沿围护结构侧边设置排水沟、集水井，抽排基坑明水；严控工艺质量，落实预案备品，注重防排水系统，推行机械化施工；尽量避开雨季；加强监控量测，根据监控数据指导施工；详细调查环境，包括管线及地下障碍物核查，地面建筑物及周边交通状况调查，取得产权单位配合，并对地下建筑物和周边建筑物编制安全专项方案。

4.3　边坡失稳滑塌风险控制措施

4.3.1土钉支护

施工采取分层、分段开挖，每层开挖深度须≯3 m，分段开挖长度须≯20 m，开挖一层及时施作土钉，上一层支护完成后才能进行下一层的开挖，严格控制土钉的施作长度和间距，水泥浆注浆压力应达到1.0 MPa，保证土钉墙的施作质量，确保边坡稳定。

4.3.2钻孔灌注桩支护

(1)晋祠隧道DK13+800～DK13+300、DK17+718～DK17+829、DK17+867～DK18+150地段，采用钻孔灌注桩与预应力锚索相结合的支护方式，基坑双侧布置；基坑上部约3 m采用土钉护坡；基坑内下部为Φ1 000@1 500 mm的C30钢筋混凝土灌注桩；锚索采用1860级预应力钢绞线，锚索内注纯水泥浆，水泥浆强度≮20 MPa，水泥采用P·O 42.5水泥，水灰比为0.5；桩及桩间土体土石面网喷100 mm厚C25早强混凝土，Φ8@150 mm×150 mm钢筋网，同时采用Φ22 mm锚筋锚入桩间土体内以固定钢筋网，锚筋长度2 m，竖向间距1 m，横向间距同桩间距。

(2)晋祠隧道DK12+440～DK12+515、DK13+760～DK13+800、DK18+150～DK18+725、DK19+175～DK20+330地段，采用钻孔灌注桩、钢支撑与预应力锚索相结合的支护方式，钢支撑采用Φ609 mm、壁厚16 mm无缝钢管，间距3 000～6 000 mm。

(3)晋祠隧道DK17+700～DK17+718、DK17+829～K17+867地段，采用钻孔灌注桩、混凝土支撑与预应力锚索相结合的支护方式，混凝土支撑截面采用800 mm×900 mm，横向间距4 500 mm；主体结构外侧回填C15混凝土，结构构件及回填混凝土强度不低于设计值的70%。

施工时，首先施作上部3 m土钉墙，然后方可施工钻孔灌注桩。钻孔灌注桩采用旋挖钻机钻孔，严格控制钻孔桩的质量，孔位偏差控制在50 mm以内，钻孔倾斜度<1%，成桩后进行桩基低应变无破损检测，桩基检测合格后再进行冠梁施工，桩基达到设计强度时，方能开挖基坑。

4.4　地面沉降、开裂风险控制措施

对于沉降要求比较高的暗挖地段采用CRD工法施工，上半断面采用玻纤锚杆稳定掌子面，小导管超前支护；对于下穿一般结构物的暗挖地段，采用台阶法与临时仰拱相结合的开挖方法，控制地表沉降；对于地面沉降要求较高的明挖地段，严格控制降水规模及强度，采用水泥搅拌桩或者高压旋喷桩进行止水，以钢筋混凝土或Φ609 mm钢管支撑基坑，控制基坑变位；加强监控量测，根据监控数据调整施工工艺；地表出现裂缝时，及时采取水泥浆灌浆、三七灰土换填、沥青灌注等措施进行妥善处理，防止雨水灌入而加剧沉降。

4.5　建筑物开裂风险控制措施

对于穿越一般结构物的暗挖地段，采用台阶法与临时仰拱法施工，HW型钢钢架间距0.6 m/榀；采用Φ42 mm，壁厚3.5 mm的超前小导管支护，环向3根/m，长度4 m，搭接2 m，施工外插角10°～15°。上半断面均采用玻纤锚杆稳定掌子面，玻纤锚杆垂直于掌子面打入，锚杆长度12 m，锚杆每环间距60 cm，环间距80 cm。同时加强支护和监控量测，及时根据监测数据调整支护参数。对于明挖段，严格控制降水规模及强度，采用水泥搅拌桩进行止水，并及时支撑基坑。

4.6　塌方风险控制措施

晋祠隧道明暗分界处采用CRD工法施工；拱部140°范围内采用Φ108 mm大管棚，长度30 m，壁厚5 mm；环向3根/m；管棚内填充水泥砂浆；管棚间打设Φ42 mm、壁厚3.5 mm的小导管并注浆，环向3根/m，长度4 m，搭接2 m，施工外插角10°；上半断面采用玻纤锚杆稳定掌子面，玻纤锚杆垂直于掌子面打入，锚杆长度12 m，锚杆每列间距60 cm，行间距80 cm；HW175型钢间距0.5 m/榀。

其他地段采用小导管超前支护。小导管采用Φ42 mm、壁厚3.5 mm的热轧钢管，环向3根/m，纵向两榀格栅一环，施工外插角10°～15°。

施工时严格控制开挖进尺，遵循“管超前、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。

5　残留风险评估

针对初始风险，在及时采取以上多项施工技术措施后，隧道施工的风险会相应地降低，但不可能完全消除，故在结合初始风险评估结果和制定对策措施的基础上，对隧道残留风险进行评估，结果如图2所示。

图2　残留风险评估结果

由图2可以看出，通过采取相应的风险控制措施后，残留风险中已经不存在高度风险，风险等级均已降至中度或低度，为可以接受的风险。

6　结语

隧道工程施工具有其特殊性，施工过程中暗藏着诸多风险[8]，如果在施工前对危及安全施工的可能风险进行预先识别和分析，制定并落实相应的风险控制措施，就可以降低风险等级，避免事故的发生，确保工程建设的顺利进行。

参考文献：

[1] 徐珂，金豪.高速公路穿越铁路顶进施工风险评价及控制[J].地下空间与工程学报，2013，9(3)：680-685.

[2] 王晶，谭跃虎，王鹏飞，等.地铁隧道施工过程中风险分析与控制[J].解放军理工大学学报：自然科学版，2009，10(4)：379-383.

[3] 潘学政，陈国强，彭铭.钱江特大隧道盾构推进段施工风险评估[J].地下空间与工程学报，2007，3(7)：1245-1253.

[4] 王晶，王鹏飞，谭跃虎.地铁隧道工程施工过程中风险管理研究[J].地下空间与工程学报，2009，5(2)：385-389.

[5] 中国中铁二院工程集团有限责任公司.铁路隧道风险评估与管理暂行规定[S].北京：中国铁道出版社，2008.

[6] 刘波，张洪杰，刘念，等.北京地铁双连拱隧道施工风险评价与控制实例研究[J].安全与环境学报，2012，12(6)：228-232.

[7] 蒋根谋，孙康，代选顺.基于AHP法的冲击钻孔桩施工风险评估[J].施工技术，2012，41(13):55-61.

[8] 刘孙武.青岛胶州湾海底隧道施工项目的风险管理[J].贵州工业大学学报：社会科学版，2008，10(2)：15-17.