公路隧道安全风险分析与设计研究

刘 志

（山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

公路隧道属风险较大的地下岩土工程，且往往是公路工程全线施工的控制性工程，公路隧道风险因素多，风险影响大，如若风险控制不当，极易引发风险事件。加强风险控制管理，对保证隧道工程安全实施尤为重要。

目前公路隧道工程风险分析研究，针对施工准备及施工阶段的较多，在设计阶段的研究内容相对较少[1]。隧道设计是隧道施工的主要依据，合理进行风险管理和控制能够大大提高隧道工程施工的安全性，从这一点来说，有必要在设计准备阶段重视风险分析并有针对性地进行应对设计。

1 风险控制概述

工程项目风险控制主要包括风险辨识、风险分析与评估、风险应对3 个步骤。在设计阶段对隧道施工进行风险的预防和控制时，首先，应当对隧道工程进行风险源辨识，建立初步识别清单和确定风险事故；然后，通过一种或多种风险分析和评估方法，对风险因素进行综合评估并考虑相应的应对设计措施；最后，根据评估结果选择相应的设计措施[2]。对于可能发生较大风险事故的风险项，还要考虑进行专项设计。

2 风险评估方法

本文主要从初步设计阶段进行风险评估，采用的评估方法主要为专家调查法，即采用函询的方法征求专家意见，进行风险评估并确定设计方案。该方法虽然分析结果受组织者和专家主观因素影响大，但能够广泛采取大多数人的意见，在设计阶段使用时较为方便和实用，也是现行规范和标准推荐使用的主要方法。

专家调查法的一般步骤：a）将项目设计前期基本信息（含地质资料、外业调查资料、路线布置情况等）和设计问题提交给专家；b）请专家匿名对风险源情况、风险分析和评估、风险控制措施等提出意见；c）对专家意见进行归纳总结，形成设计方案；d）将总结的评估结果和设计方案交专家审定，请各专家再提出匿名意见；e）以上过程循环多次后，最终形成的评估结果和设计方案为设计依据。

3 工程概况

拟建公路为次要干线公路，公路等级为一级，设计速度80 km/h，路基宽度25.5 m。拟建隧道设计为左右线分离式两车道公路隧道。隧道进口段平面线型为曲线，曲线长度满足3 s 设计速度行程长度范围的平面线型，其他平面线型为直线；隧道左右线纵面坡度均为0.2%。隧道围岩等级主要为Ⅳ级和Ⅴ级。隧道两洞中轴线间距约30 m。左线洞体全长1 094 m，右线洞体全长1 075 m；洞体冲沟浅埋段最小埋深约3 m，洞体最大埋深约112 m。隧址区为典型的黄土高原梁峁残垣沟壑区。洞内围岩主要为灰岩局部夹灰黄色薄层泥灰岩构成，泥晶质结构，层状分布。围岩风化程度强- 中等风化。

4 隧道风险分析与设计

隧道工程风险种类多，风险辨识任务大，在不同施工或场地环境段落，遇到的风险状况往往不同。在设计前期按照分段设计的方法，能够做到有重点地对风险事项进行预防和控制设计。本文进行隧道工程设计时，将风险段落主要划分为隧道进出口段、洞身冲沟浅埋段、下穿构筑物段、特殊地质段4 个段落进行风险分析和设计，并结合评估专家意见进行有针对性的工程设计。

4.1 隧道进出口段设计

4.1.1 进出口段风险源辨识

隧道进出口段埋深浅，地质、地形条件差，当存在偏压时，偏压侧地层多出现风化破碎、堆积等形成的松软岩体等不利情况，是隧道工程施工的薄弱环节，易发生风险事故。进出口段主要风险点包括：洞口边仰坡失稳、开挖面坍塌、洞口结构或地表大变形、洞口地基沉降失稳等。本次设计隧道进口段地形情况如图1。

图1 隧道进口段地形分布图

4.1.2 进出口段风险控制措施

隧道洞口段风险的主要控制措施包括：滑坡等地质灾害处理、边仰坡加固、长管棚或小导管等超前支护、地基换填或加固处理等。

4.1.3 进出口段方案设计

图2 进出口段主要方案设计图（单位：m）

结合拟建某隧道的设计阶段资料和专家审定意见，隧道进出口段进口左洞施工属风险较大部分，主要风险原因为地形浅埋偏压，易发生大变形、坍塌的风险事故。经方案比选，洞口段开挖采用长管棚超前加固进行预支护，并采用偏压式明洞衬砌抵抗地形偏压应力，主要方案示意图见图2。

4.2 穿越冲沟浅埋段设计

4.2.1 穿越冲沟浅埋段风险源辨识

隧道洞身开挖过程中，当穿越冲沟或其他地段，易形成洞身施工埋深较浅的情况，往往地质条件差，地下水丰富，且伴随着施工场地狭小等不利因素。洞身浅埋段的主要风险事件一般有洞内坍塌、冒顶、涌水等。本次设计隧道冲沟段主要地形如图3 和图4。

图3 穿越冲沟段地形分布图（平面）

图4 穿越冲沟段地形分布图（纵断面）

4.2.2 穿越冲沟浅埋段风险控制措施

隧道穿越冲沟段的主要处理措施包括：采用明挖法先出洞再进洞，在洞外地表预加固、洞内超前支护等措施。

4.2.3 穿越冲沟浅埋段方案设计

本次设计隧道右线靠近出口段隧道穿越一小型冲沟，隧道洞身埋深变浅，设计洞顶最小埋深仅3 m，主要影响段落为右线K48+670—48+710 段，长度约40 m。隧道围岩主要为薄层状泥灰岩，开挖易造成坍塌、冒顶风险。经论证分析，设计采用洞外地表加固和洞内超前支护相结合的方案。其中，地表注浆采用直径50 mm 的钢花管，加固范围为沿洞身两侧并外扩约4.5 m，钢花管呈梅花型布置，间距1.5 m，注浆材料为水泥浆，水灰比1∶1。洞内超前支护采用φ42 双排小导管预加固，导管上下两排交错布置，下排倾角约15°，上排倾角约25°。小导管纵向间距3 m，环向间距0.3 m，注浆材料采用水泥水玻璃双液浆。主要方案示意图见图5。

图5 穿越冲沟段洞内施工方案图（单位：m）

4.3 下穿构筑物段设计

4.3.1 下穿构筑物段风险源辨识

隧道路线确定过程中，不可避免地会出现隧道洞身上方存在构筑物的情况。下穿构筑物段的主要风险在于，隧道开挖引起的地表变形造成建筑物的倾斜、破坏等。常见受影响的建筑物有：重要树木、林地；自然遗迹或历史文化遗址；电力、通信、运输管道等行业设施等。本次设计隧道穿越构筑物段主要分布情况见图6。

图6 隧道下穿高压电塔位置图

4.3.2 下穿构筑物段风险控制措施

当隧道洞身下穿构筑物时，应综合评估工程开挖造成的变形等其他影响，向有关部门报告并取得许可后确定方案。下穿建筑物时，主要的处理措施有：路线改线避让、构筑物地基加固、构筑物迁址重建等。

4.3.3 下穿构筑物段方案设计

本次设计隧道在左线ZK47+859 和右线K47+895 两处附近隧道路线存在下穿电塔情况，该段距洞口较近，埋深相对较浅，开挖过程会造成一定的变形。考虑到电塔设置的重要性，结合专家和电力部门的方案和意见，对两处电塔进行迁址重建，隧道按正常段进行设计。

4.4 穿越特殊地质段设计

4.4.1 穿越特殊地质段风险源辨识

隧道工程属岩土地下工程，在进行岩土开挖时，就不可避免地遇到特殊地质情况。常见的隧道特殊地质主要包括：岩溶和土洞、滑坡和崩塌、地震、泥石流、采空区等；对于隧道工程，还要注意瓦斯等有毒有害气体、断层等其他构造形成的破碎带或风化带等对工程开挖的不利影响。本次隧道设计主要涉及特殊地质为落水洞，典型分布图见图7。

图7 隧道落水洞典型分布图

4.4.2 穿越特殊地质段风险控制措施

穿越特殊地质段隧道施工一般难度大，风险事故多发，在进行设计时，首选方案应当考虑进行避让。如不能避开，应根据不同的地质情况，结合对隧道开挖的影响，选用相应的特殊地质处理措施。

4.4.3 穿越特殊地质段方案设计

本次设计隧道在洞身路线上方存在多处落水洞，经地质调查并结合专家意见，隧道落水洞规模多较小，设计采用回填方案，对落水洞进行处理。

4.5 隧道设计安全风险清单

通过对该隧道设计阶段的风险分析与设计，最终形成该隧道的风险源控制清单。清单主要包括风险地段、风险事项、风险措施和设计对策4 个部分，清单以表格的形式在设计文件中体现，用以指导后续施工过程。主要安全风险清单与设计方案见表1。

表1 某隧道工程设计主要安全风险清单与设计方案表

5 结语

本文将公路隧道的初步设计阶段作为一个风险项目，通过划分不同段落的方式，对隧道结构施工过程的主要风险进行了研究和分析，并根据不同的风险后果提出有针对性的设计方案，为隧道工程安全设计和施工提供有效保障。