郑万高铁湖北段隧道风险评估与控制对策综述

喻 渝， 李老三

(中铁二院工程集团有限责任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

在工程建设中，风险通常是指潜在的不利事件的概率和后果的组合[1]。风险无处不在，其发生具有随机性与偶然性。隧道施工风险控制应将可能发生的各类风险降至合理、可接受的水平，为实现隧道工程安全、稳定、质量、环境、工期、投资等目标提供技术保障[2]。

随着我国高速铁路建设的迅速发展，铁路建设项目逐渐由中东部平原地区向西部山区转移，建设在复杂环境、不良地质条件下的隧道越来越多，建设难度和风险也越来越高。郑万高铁纵连豫、鄂、渝3省(市)，是我国高速铁路网中的骨干线路，其中，湖北段线路穿行于崇山峻岭之间，工程条件异常艰险，地质环境极其复杂，长大深埋隧道多，隧线比高，已成为在建高铁安全风险最高的铁路线路之一。在如此困难的环境条件下大规模地建设高标准特大断面双线铁路隧道，风险能否得到有效控制成为了建设成败的关键。

为了减少隧道建设期间风险事故带来的人员伤亡、财产损失和环境变差等不良后果，针对郑万高铁湖北段，对隧道工程实施过程中可能遇到的自然风险、社会风险、地质风险和技术风险等各种风险因素进行了系统地辨识和评估，全面开展了贯穿勘察、设计和施工整个建设流程的风险管理和控制工作。

1 沿线隧道概况

郑万高铁线路自河南省郑州东站引出，途径开封市、许昌市、邓州市后进入湖北省境内，并经襄阳市、南漳县、保康县、神农架林区、兴山县、巴东县后进入重庆市境内，经巫山县、奉节县、云阳县至万州区连接渝万高铁。全线正线建设长度为818 km，湖北境内正线建设长度为287 km。

湖北省境内共有双线隧道33座，全长167.619 km，约占湖北段线路总长的58%。其中，长度大于10 km的隧道共7座，分别为保康隧道(14 574 m)、罗家山隧道(10 640 m)、新华隧道(18 770 m)、兴山隧道(10 085 m)、香炉坪隧道(15 154 m)、巴东隧道(13 553 m)和香树湾隧道(12 475 m，跨省界)。郑万高铁湖北段隧道分布情况见表1。

表1 郑万高铁湖北段隧道分布情况

2 隧道风险评估与风险等级评定

风险评估是铁路建设工程必需开展的工作之一。通过风险评估工作，识别潜在的风险因素，确定风险等级，提出风险处理措施，将各类风险降到可接受水平，以达到确保安全、保护环境、投资合理、保障工期、提高效益的目的。

2.1 风险评估的基本程序

郑万高铁隧道工程严格按照以下基本程序开展风险评估工作： 1)对初始风险进行识别，形成风险清单表； 2)对初始风险进行评价，确定各个风险因素针对目标风险发生的概率和后果等级，并最终确定初始风险的等级； 3)依据风险评价结果和风险接受准则，制定相应的方案和措施； 4)对风险进行再评估，提出残留风险等级。

2.2 隧道的主要风险因素辨识

郑万高铁侧重于安全风险的管理和控制，同时兼顾工期等其他各种风险。安全风险的风险因素主要来自2个方面： 一是地质风险因素；二是环境风险因素。

2.2.1 地质风险因素辨识

郑万高铁线路沿线地势总体北低南高，施工段内奇峰异岭、层峦叠嶂、山高谷深。郑万高铁沿线地形地貌如图1所示。区域地层发育较完整，自元古界至新生界地层皆有分布。据统计，第四系覆盖层总长度约为62.1 km，占线路总长度的21.6%；可溶岩总长度约为64.4 km，占线路总长度的22.3%。非可溶岩情况为： 志留系页岩总长度约为82.0 km，占线路总长度的28.5%；红层总长度约为62.6 km，占线路总长度的21.7%；其他非可溶岩总长度约为16.9 km，占线路总长度的5.9%。隧道洞身以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ级围岩为主，各级围岩占比见表2。

图1 郑万高铁沿线地形地貌

Fig. 1 Landform along Zhengzhou-Wanzhou High-speed Railway

表2 隧道各级围岩占比

线路所在区域跨越华北地台、秦祁褶皱系、扬子地台，横穿康西瓦—商南—荣成板块缝合带，新构造运动强烈，地震活动频繁，地层岩性纷杂，地形起伏大，地质条件极为复杂。深大活动断裂(层)、背(向)斜、岩溶、危岩落石、岩堆、错落、崩塌、顺层、煤层瓦斯及采空区、滑坡、泥石流、膨胀土、人工填土等不良地质和特殊岩土极其发育，这些不良地质和特殊岩土构成了本线隧道的主要地质风险因素。

2.2.1.1 断裂、断层、背斜和向斜构造

隧道沿线地质构造发育。对隧道施工安全影响大的深大断裂有3条，分别是刘坪隧道南漳—荆门断裂、保康隧道塘儿河—崔家冲断裂和兴山隧道新华富水断裂。隧道穿越断层25条，其中，富水断层有保康隧道分水岭断层、向子棚断层、楚烽隧道杜家坡断层等。另外，还有12处背、向斜构造，受到背、向斜构造影响的隧道有12座。隧道通过这些构造带时存在较大的塌方、支护变形和突水、突泥风险。

2.2.1.2 岩溶和岩溶水

湖北境内岩溶洼地、落水洞、暗河出入口、溶槽、石牙等岩溶地表形态发育，如图2所示。湖北境内共13座隧道通过可溶岩段，总长51 km，占隧道总长度的31%。其中，岩溶强烈发育段长27 km，主要分布在高家坪、罗家山、楚烽、兴山及荣家湾等隧道。隧道通过的地下岩溶水水平径流带长12 km，主要分布在杏桥坪、罗家山、楚烽、新华、兴山及向家湾隧道，最大水头高度为170 m。隧道通过可溶岩地段统计见表3。

隧道开挖过程中揭示大型溶洞、暗河等岩溶的概率很高，发生支护结构破坏、突水突泥的风险极大。

(a) 暗河出入口

(b) 岩溶洼地

2.2.1.3 危岩落石、岩堆、滑坡、错落、崩塌等重力不良地质

沿线峡谷地段，地形切割强烈，山高谷深陡崖多，在陡崖上方多分布有危岩落石，下方缓坡地带多分布有岩堆、崩塌，如图3所示。

表3 隧道通过可溶岩地段统计

(a) 岩堆

(b) 危岩落石

本线共14座隧道存在危岩落石，典型工点有： 新华隧道进口、甘家山隧道进口、向家湾隧道、平阳1号隧道进口和香炉坪隧道出口等工点，危岩体单块体积0.5～2 m3，最大坡高100～150 m，最大危岩体总体积约2万m3，对隧道洞口施工和运营的安全威胁较大。另外，线路附近共分布岩堆86处，对隧道影响较大的有杏桥坪隧道进口、香耳山1号隧道进口、黄家寨隧道进口、魏家坡1号隧道进口、保康隧道出口、兴山隧道进口等6处岩堆，洞口开挖时，边仰坡地表开裂、失稳或坍塌风险高。

2.2.1.4 顺层

湖北境内顺层隧道共24座，隧道顺层段落约81 km，占隧道总长度的48%，主要分布在苏家岩、后湾、保康及罗家山等隧道，存在因顺层偏压引起隧道坍方或受力不均匀而发生支护结构开裂的潜在风险。

隧道经过二叠系上统(P2)炭质页岩、煤线，下统栖霞组夹煤地层，侏罗系下统珍珠冲组(J1z)页岩夹煤线和三叠系上统须家河组(T3xj)炭质页岩夹煤地层。湖北境内共有4座低瓦斯隧道，分别为高家坪隧道、向家湾隧道、香炉坪隧道和巴东隧道，瓦斯段落长度共计5 km，存在瓦斯燃烧、爆炸和有害气体中毒的风险。

2.2.2 环境风险因素辨识

郑万高铁湖北段通过的区域沿线自然环境优美、历史文化悠久，分布有众多的自然保护区、风景名胜区、水源保护区、文物古迹保护区、国家重点保护的野生动植物区、基本农田保护区等环境敏感点。

1)自然保护区。线路所经区域内共有各级自然保护区29处，其中，省级自然保护区13处(例如以主要保护对象为森林生态系统及珍稀野生动植物的五道峡省级自然保护区)，市级自然保护区9处，县级自然保护区7处。

2)风景名胜区。线路所经区域内共有各级风景名胜区7处，其中，国家级风景名胜区1处，省级风景名胜区6处。

3)森林公园。线路所经区域内共有各级森林公园15处，其中，国家级森林公园3处，省级森林公园12处。

4)地质公园。线路所经区域内共有地质公园3处，其中，国家级地质公园1处(长江三峡国家地质公园)，省级地质公园2处。

5)水源保护区。线路所经区域内有城镇集中式饮用水水源保护区18处，例如汉江白家湾水厂水源保护区。

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6)国家重点保护动植物。湖北境内线路所经的荆山山脉是湖北省重点林区和野生动植物的重点分布区，分布着大量原生植被和多种国家重点保护动植物。列入国家重点保护野生动物名录的种类有48种，国家重点保护野生植物共有24种。

7)基本农田保护区。在豫、鄂省界至南漳段以盆地、冲积平原为主，农村地区土地利用以农业耕地为主，基本农田分布较为密集。

8)上跨、下穿临近既有高速公路。湖北境内线路多处与渝宜高速公路交叉，以隧道方式下穿高速公路共5处。在南漳至长坪段与麻竹高速公路隧道并行，受到影响的隧道分别为刘坪、高家坪、杨家坪、五盘山、垭子冲、香耳山1号等6座隧道，最小净距为15 m，存在隧道结构变形、开裂的风险。

2.2.3 工期风险因素辨识

郑万高铁建设工期5年，隧道土建工期4～4.5年，部分隧道建设工期接近全线施工组织关门工期，工期风险较大。高家坪、苏家岩、保康、罗家山、楚烽、甘家山、香炉坪、巴东等8座隧道存在高度工期风险，其控制工期见表4。

表4 郑万高铁隧道控制工期

2.3 风险等级评定

潜在的风险因素会带来风险事故。铁路隧道风险等级根据风险事故发生概率的等级和风险事故产生后果的严重程度确定，等级划分标准与风险接受准则参照现行规范[1]执行。郑万高铁湖北段初始风险为高风险的隧道有17座(见表5)，其余16座隧道风险等级为中度。

表5 郑万高铁湖北段高风险隧道

表5(续)

注： ★代表存在此类风险。

3 风险控制措施

风险控制始终贯穿于勘察、设计和施工阶段全过程。各个阶段风险控制的内容和侧重点有所不同。勘察设计阶段以地质风险和环境风险控制为重点，确定线路方案时已经规避了大型不良地质段落，减少了岩溶、危岩和瓦斯等高风险源，并且针对郑万高铁每座隧道具体的风险因素制定了风险控制措施；施工阶段，重点在建章立制，督促风险控制措施的有效落实，并制定风险应急预案。

3.1 勘察设计阶段

勘察设计阶段是风险控制的源头，是控制风险的关键环节。针对郑万高铁，勘察设计阶段风险控制的重点集中在隧道线位、超前地质预报、大型机械化配套和针对各种风险因素的工程对策等4个方面。

3.1.1 选择风险较低的隧道线位方案

通过选择合理的线路绕避极高风险源是控制全线隧道安全风险的重要措施之一。在勘察设计阶段，在加深地质工作并结合现场调查的基础上，为绕避大型不良地质或者环境敏感区开展了大量卓有成效的方案比选工作。以降低隧道风险为目的的典型线路绕避方案有： 1)楚烽隧道前后线路比较，主要控制隧道岩溶与岩溶水地质风险因素； 2)兴山车站前后线路方案比较，主要控制隧道危岩落石和滑坡地质风险因素； 3)香炉坪隧道前后线路方案比较，主要控制隧道岩溶和岩溶水、危岩落石、滑坡、岩堆等地质风险因素； 4)荣家湾隧道前后线路方案比较，主要控制隧道危岩落石、岩溶和岩溶水地质风险因素。

以规避岩溶风险为例，通过选线阶段有目的的方案比选，全段通过可溶岩的长度大幅度缩短。可研阶段线路通过可溶岩的长度为125 km，初步设计阶段减小到106 km，施工图设计阶段减小到92 km。同时，隧道岩溶水压力水头也由最高300 m降低到170 m。隧道突水、突泥的风险得到了大幅度的降低。

通过线路方案优化，数次绕避大、巨型不良地质体后，目前施工图中隧道沿线仅存在8处滑坡、14处危岩、35处岩堆对工程有一定程度的影响。

3.1.2 制定完整的综合超前地质预报方案

针对全段33座隧道及其辅助导坑全面开展综合超前地质预报工作。利用地震波法、声波反射法、地质雷达等综合物探手段和超前水平钻孔，结合常规地质素描法，预测掌子面前方岩层及岩层变化点岩体的完整性、构造、岩溶发育情况、突涌水位置、水量、水压，综合分析富水地段地下水的补、径、排特点，并评价隧道修建对生态环境产生的影响程度，同时预测煤层瓦斯等有毒、有害气体赋存状况。

3.1.3 大型机械化配套

针对本线深埋长大隧道多、设置辅助导坑困难的特点，为加强隧道施工安全，保证建设工期，对重点隧道(高家坪隧道进口、保康隧道横洞及斜井、罗家山隧道横洞等15座隧道，共24个工区)采取加强型大型机械化配套施工，正线隧道配套长度约为90 km，其余均为机械化基本配置。

3.1.4 制定可靠的风险控制措施

针对各隧道工点存在的风险因素，采取了以下减轻风险程度的控制措施。

1)危岩落石风险控制。郑万高铁湖北段共有14处危岩落石对隧道洞口造成安全隐患。采取的风险控制措施： ①贯彻“早进晚出”的原则，优先考虑接长明洞，全线共接长各类防落石明洞1 113 m； ②结合洞口危岩规模、基岩风化程度以及地形条件，采取清除、嵌补、主被动防护网等措施。

2)坍方风险控制。郑万高铁湖北段地质复杂，软弱围岩段落长，坍方是隧道可能遇到的主要风险之一。采取的风险控制措施： ①超前支护和预注浆，预先加固前方软弱围岩，提高围岩的自承能力，控制围岩变形的发展； ②积极推广应用“郑万高铁大断面隧道安全快速标准化修建关键技术研究”科研成果，开展综合机械化配套大断面开挖，提高开挖质量，减少围岩扰动，做到快挖、快支护、快封闭； ③针对本线Ⅲ级围岩隧道顺层偏压和岩层缓倾段，拱部设置格栅钢架加强，采取顺层侧锚杆加长加密、非顺层侧锚杆相应减少的不对称设置锚杆的措施； ④加强监控量测，根据监控量测结果及时调整支护参数。

3)突水、突泥风险控制。郑万高铁湖北段13座隧道通过灰岩、白云岩等岩溶地层，长达51 km，施工过程中可能产生突水、突泥现象。风险控制措施有： ①尽量实现顺坡施工条件； ②采取超前帷幕注浆、超前周边注浆、超前局部注浆、开挖后径向注浆及其组合方式堵水； ③高压富水段设置泄水平导、隧道结构配筋加强等措施； ④完善衬砌背后防排水网络系统。

4)煤层瓦斯风险控制。全段共有4座隧道洞身穿越煤层，存在瓦斯燃烧和爆炸的风险，应加强瓦斯监测和通风。

5)下穿临近既有建构筑物风险控制。强化观测和监测，必要时对既有建(构)筑物进行预加固，施工时采用控制爆破或非爆破开挖，加强初期支护和二次衬砌。

6)自然风险控制。不在自然保护区、风景名胜区等生态敏感区设置隧道及辅助导坑，全段43座渣场和施工营地的设置均避开生态敏感区。

针对每座隧道的风险因素，设计中采取了相应的处理措施。在兼顾投资和工期的前提下，针对各种风险所采用的设计措施均能有效降低隧道风险等级，残留风险等级大部分已降至中度以下，在可接受范围内。

3.2 施工阶段风险控制

规章制度是风险控制措施落实的保证，施工阶段风险控制的重点在于建章立制和各项风险控制措施的落实。建设单位武九客运专线湖北公司根据国家、行业相关法规和设计文件要求制定项目的工程风险管理办法，通过相关管理文件或办法，建立了风险管理的组织机构、责任体系，明确了各个单位和管理者的工作内容和职责范围，规定了本项目的风险管理方法和流程，建立了项目的检查和考核制度。

现场襄阳、兴山指挥部以公司管理办法为依据，结合管段工程特点，编制风险管理实施细则，编制重大危险源盯控要点。针对高风险隧道实施《高风险隧道安全施工条件评估制度》，对不同级别的高风险隧道进行首座评估，同时，还实施《高风险隧道包保制度》，对Ⅰ级、Ⅱ级高风险隧道实行指挥长风险包保责任制，以确保各项风险控制措施的落实。

此外，建设单位正在创建项目风险管理平台。该平台利用计算机技术及现代信息技术，搭建风险信息系统网络，建立涵盖资料管理、工作信息流转、风险评估、风险监控、预警及组织指挥等功能的工程安全风险远程监控信息系统，实时掌握现场重大安全风险，并对风险进行全程动态监测。

施工单位是风险控制的实施主体，在建设单位的领导下，以高风险隧道高家坪隧道为例，建立了《隧道进出人员动态管理制度》、《应急救援管理制度》、《高风险隧道带班作业制度》、《高风险隧道跟班作业制度》等一系列制度。根据标准化管理和大断面隧道安全快速标准化修建关键技术研究的需要，编制普通机械化和大断面隧道大型机械化条件下的隧道爆破、衬砌和瓦斯作业等专项技术方案以及隧道开挖、锚杆和喷射混凝土作业等20余项隧道工序作业指导书，基本达到了风险控制全覆盖不留盲区的要求。

郑万高铁湖北段开工一年多来，隧道工程已完成开挖约40%以上，设计阶段预测的各种隧道风险因素正在不断地揭示出来，各项风险控制措施实施以后已经初见成效，当前全段隧道施工安全风险处于可控的状态。1)五盘山隧道出口、保康隧道进口、罗家山隧道出口等20处存危岩落石危害的洞口，采用了“先清除、再支挡、最后防护”的处理原则，最终确保了施工的安全。2)罗家山、平阳1号、荣家湾等3座隧道已揭示存在岩溶管道，采取保留既有管道通畅或引排至泄水平导再排至洞外并设置迂回导坑、加强相应段落的基底及结构处理的方法。3)黄家沟、保康、巴东等软弱围岩隧道受构造影响，围岩极其破碎，设计采取超前注浆加固、加大预留变形量、加强支护和衬砌的措施进行处理，工程措施有效，施工安全可控。

4 结论与建议

郑万高铁湖北段是国内在建的高风险铁路工程项目。勘察设计阶段运用风险管理的理论和方法对全段隧道进行风险评估，辨识出了深大活动断裂(层)、背(向)斜、岩溶、危岩落石、岩堆、错落、崩塌、顺层、煤层瓦斯、滑坡、泥石流等主要地质风险因素。在全段33座隧道中，评估出17座初始风险为高度风险的隧道，其中，5座隧道需要按Ⅰ级风险进行管理，6座隧道需要按Ⅱ级风险进行管理。通过合理的线路方案选择了通过岩溶发育区域的最短路径，绕避了规模较大的滑坡、岩堆、危岩落石等风险源。针对不同风险因素提出了相应的风险控制措施，将风险降低到可接受的程度。目前，郑万高铁湖北段的施工已经全面展开，在工程建设中需要注意以下问题：

1)严格按照国家、行业的相关规定开展现场风险管理工作，落实设计要求的风险控制措施，加强检查和监督。

2)本段地质环境复杂，风险因素难以完全查清，要注意对新出现风险的辨识，及时调整风险控制措施，实行动态风险管理。

3)推广隧道大型机械化配套作业，减少现场作业人员数量，避免群死群伤；加快风险信息化管理平台的建设，实现对风险的实时监控和快速应急处理。