改扩建隧道施工风险的评估和预防

（中国建筑第八工程局有限公司，山东 济南 250001）

20世纪末建设的公路隧道，因年代久远，存在平纵指标较低、结构安全隐患较为突出、通行能力不足等问题。但是，国家目前没有出台针对既有公路隧道改扩建风险研究的指南或规范，并且既有隧道改扩建风险的学术研究较为缺乏。因此，对改扩建隧道项目施工过程中重大专项风险难以建立定性和定量的系统性评估。

基于现代系统安全工程角度，施工作业引发的事故风险是可以预测和预防的。参照2011年颁布的《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》和《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》（简称“《指南》”），以黑峪隧道改扩建项目为例，评估和预防可能产生的风险。由于隧址区地质复杂、施工技术水平有限，加之该隧道是在原位基础上改扩建。为防范风险，采用指标体系法，识别、归类和整理排序重大风险的影响因子，确定主要的风险因子，并制定风险消减措施，为项目施工的安全生产决策提供科学的依据。

一、工程概况

黑峪隧道（既有隧道）位于淄博市淄川区赵家岭村黑峪山下淄中路中心桩号K17+993处，单洞双向两车道隧道。为提升公路安全服务水平，拟对黑峪隧道在原位处进行改扩建（拟建隧道）。根据相关地勘报告可知，拟建隧道起点里程标号为K17+722，终点里程标号为K18+270，全长548m，属于中长隧道。

拟建隧道围岩级别比例为V级围岩占全隧道16.5%，IV级围岩占全隧道29.4%，III级围岩占全隧道54.1%。拟建隧道与既有隧道接近段及相交段（K17+722～K17+808）的爆破属于V级围岩爆破段，既有隧道开挖后溶洞段的施工有可能存在哑炮等，这些是黑峪隧道改扩建重难点，爆破开挖风险高、难度大。

二、风险源研究

（一）总体风险量化评估

参照《指南》，在评估一般隧道项目的总体风险时，主要考虑隧道的地形地貌、水文地质、建设规模等评估指标。但黑峪隧道改扩建工程，增加了洞口施工难度、拟建隧道与既有隧道支护难度、既有隧道加固难度、事故救援的可开展性等多种因素，建立新的改扩建隧道工程施工安全总体风险评估表，如表1所示。

总体风险评估分数为24分，属于IV级，风险极高。根据《指南》，需要评估隧道专项风险，将隧道施工工序分解，普查、辨识和分析分解工序的危险源，识别重大风险源。

（二）风险源普查分析

在隧道工程中，根据隧道改扩建施工进度，可以将工程分解为洞口段明洞、洞门开挖工程、洞身掘进、洞身衬砌，以及施工配套工程。采用核对表法和专家调查法相结合的方法，查找关于公路隧道的主要风险事故资料，访问研究隧道施工领域的专家、实施该项目的项目经理等人。通过现场事故调查，结合工程地质、围岩等级、水文地质等基本信息和施工方法，具体分析隧道可能发生的典型事故类型，如表2所示。

表1 隧道工程施工安全总体风险评估表

表2 隧道工程按单位作业风险源普查清单表

从人、机、料、法、环等方面分析可能导致的致险因子。在洞口工程施工时，施工人员的施工方法不符合设计要求、地质情况太差，易发生洞口失稳、路基边坡失稳、塌方等事故；在洞身开挖时，机械的操作不当、钻炮作业未严格按照相关要求、机械的带病工作、围岩情况差，易发生塌方、机械伤害等事故；在新旧隧道交叉施工时，未及时调整支护参数，容易发生既有隧道塌方、高处坠落等事故；在初期支护时，未按设计要求施工、作业人员无经验，易发生塌方、物体打击等事故；如果在二次衬砌时，未注意标准标识、不按照相关程序操作设备，易发生机械伤害、物体打击等事故。

通过以上分析可知，改扩建隧道工程主要存在塌方、路基边坡失稳、洞口失稳、爆破、机械伤害、物体打击六大危险源。

三、重大风险专项评估

重大事故风险应包含工程事故和其引起的损失两部分，一般用事故发生概率及其损失的函数表示：

式中，R表示隧道工程施工阶段风险；P表示风险事故发生的概率；C表示风险事故造成的损失，包括经济损失、人员伤亡、工期损失及环境影响等。

重大风险评估主要考虑物的状态、人的状态和施工管理缺陷。其中物的状态主要考虑水文地质、项目地形地貌及施工难度等客观条件；人的因素和施工管理缺陷，主要考虑总包及专业分包企业资质、历史事故、作业人经验、安全投入情况等。其中，人的因素及施工管理对公路隧道工程施工安全影响较大，可作为风险抵消的因素。重大风险发生可能性表示为：

式中，Q表示该风险事故可能性的计算分值；γ表示安全管理评估指标分值对应的折减系数；p表示该风险事故经过加入折减系数后发生可能性的计算分值。

（一）人为因素事故可能性评估

根据黑峪隧道总承包企业管理资质及施工组织应急方案等考虑，该项目总包企业为中国建筑第八工程局有限公司，具有房屋建筑工程施工特级总承包资质；项目专业及劳务分包企业有资历；项目部主要管理人员曾在项目上发生过一般事故；作业人员经验丰富；安全管理人员及安全投入、机械设备配置符合合同要求。经评估，安全管理评估指标分值对应的折减系数为0.9。

（二）塌方事故可能性评估

从六大危险源中选择隧道塌方风险事故，详细评估可能性。结合项目特点，采用现场考察、专家调查等方式，整理筛选出与项目直接相关的风险因素，建立了黑峪隧道塌方风险指标体系，从交叉处施工区段的围岩级别、断层破碎带、渗水状态、地质符合性、施工方法、施工步距等多个因子考虑，如表3所示。

如表3所示，黑峪隧道塌方事故可能性评估分值Q=A+B+F*C+D+E+G+H+I=20.8。

根据公式（1）p=Q*γ=20.8*0.9=18.72。按照《指南》中重大风险源事故等级划分，该隧道塌方风险等级为4级，很有可能发生。需要重点制定有效措施防止塌方事故的发生，并进行全面安全控制。

表3 黑峪隧道施工区段塌方事故可能性评估

四、塌方事故安全控制

（一）支护措施控制

为提高洞口段施工安全，起点35m范围内设置超前大管棚支护，管棚预支护施工时钢筋与衬砌中线平行以α=5°～8°仰角打入拱部围岩，环向间距40cm。爆破开挖过程中，由于爆破载荷作用必然造成岩体结构发生变化，且在同一台阶边坡附近多次爆破，因此必须提前预防爆破对既有隧道洞口的振动影响，用锚喷技术加固既有隧道洞口。

根据围岩类别和设计参数、结合新建隧道与既有隧道位置关系开展初期支护。洞身暗挖地段K17+722～K17+754为Ⅴ级围岩新建段，按照新奥法原理组织施工采用复合式衬砌：Φ42超前小导管，L=350cm，环向间距40cm，搭接长度1.25m+Φ25中空注浆锚杆，L=350cm，间距100cm（环）*75cm（纵）。接近段K17+754～K17+808采用复合式衬砌，必须先加固既有隧道，支护参数和新建段一致。K17+807～K17+967重合段为Ⅳ级围岩段，如图1所示，采用超前锚杆支护，初期支护以锚网喷支护为主，辅以钢拱架。

图1 Ⅴ级围岩相交段衬砌断面图

（二）爆破措施控制

针对K17+722～K17+808段，新建隧道与既有隧道的距离随施工进度变化而减小，围岩较破碎，修正不同施工阶段的爆破方案，并优化K17+808～K18+270段不同围岩等级的爆破施工参数。V级围岩新建段上部爆破参数设计，孔径d=42mm，孔深L=1.5m，周边炮眼间距为500mm；V级围岩相交段上部爆破参数设计，孔径d=42mm，孔深L=2.0m，V级围岩相交段布置掏槽眼、崩落眼、周边眼、底眼。掏槽眼共布置两排，与工作面夹角取85°，炮眼底部间距取185mm，周边炮眼间距为600mm，落眼的炮眼孔距取800mm。炮眼间距增大可以减轻爆破振动对既有隧道的影响。交叉隧道空间关系复杂，开挖过程中，必须控制爆破质量，尤其是新建隧道与既有隧道的接近段及相交段，需要控制爆破震速小于5cm/s。

（三）加固措施控制

新建隧道与既有隧道接近段及相交段在施工前，必须先加固既有隧道。如图2所示，隧道从K17+754～K17+808为接近段并在K17+808处完全重合。施工时需要对K17+754～K17+808共54m长的既有隧道采取加固措施。d表示开挖轮廓线至既有隧道对侧边墙距离，d≤30cm时，开挖轮廓线外侧预留10cm空间，上部喷射混凝土，下部片石回填；d＞30cm时，开挖轮廓线外侧预留10cm空间，上部喷射混凝土，下部片石回填，外侧采用浆砌片石加固既有隧道，浆砌片石墙体最大宽度100cm。

表4 典型重大风险源事故可能性等级划分

图2 K17+754处既有隧道加固示意图

（四）其他施工措施

加强现场监控量测，对该隧道洞内外观察、拱顶下沉、周边收敛、外边墙位移及地表下沉量测等4项作为施工监测项目。

用TSP超前地质预报系统预报Ⅲ、Ⅳ、V级围岩地段地质情况，在工程地质与水文地质较复杂地段，应补充超前地质钻孔采用径向钻孔。

当隧道内掌子面后方发生塌方等事故时容易造成施工人员被困洞内的情况，在隧道施工阶段应准备相关救援设备和措施，包括设置900mm*15mm逃生用钢管，设置无线电话，施工照明采用UPS供电照明、掌子面附近准备食品、紧急医用药品及相关设备，外准备临时钢架、木材、钻机、抽水机具等设施，施工单位应根据实际情况开展必要的防灾、救援演练。

五、结语

依据山东淄博淄川区黑峪隧道改扩建工程，建立山区公路隧道改扩建施工总体风险评估细则，加入新的指标项：洞口施工难度、拟建隧道与既有隧道支护难度、既有隧道加固难度、事故救援的可开展性。确定山区公路隧道改扩建施工中存在塌方、路基边坡失稳、洞口失稳、爆炸、机械伤害、物体打击六大危险源，并建立详细的塌方事故评估指标体系表，得出塌方的风险等级为IV级，风险等级极高，需要制定风险消减措施。通过支护措施指标对比、爆破措施指标对比、既有隧道加固措施指标对比和其他施工措施控制4个方面，预防隧道塌方事故。