双连拱隧道原位扩建风险分析

吴超凡

(福建省交通规划设计院有限公司，福州 350004)

1 引言

某隧道为双向四车道连拱隧道，长140m，由于不能满足日益增长的交通需求， 拟采用单洞保通原位扩建方案，由连拱四车道扩建为连拱八车道。 而目前，连拱隧道的原位扩建极其罕见， 国内仅有福州市象山四连拱隧道拟采用原位扩建方案[1]，臧万军等[1]和陈七林[2]对象山隧道拓宽改造的工程方案和关键技术方案进行了研究。目前，国内在隧道原位扩建的研究多针对分离式隧道或单洞、小净距隧道，胡居义等[3-4]以泉厦高速大帽山隧道右洞原位扩挖工程为例， 分析了原位扩挖工法对围岩稳定性的影响。 林从谋等[5-6]、孙兴山等[7]对隧道原位扩建过程中隧道结构的变形及应力规律展开了研究。

我国连拱隧道在近30 年的发展历史中， 遍布四川、贵州、云南、广东、福建、湖南等省，并且已建、在建和拟建的连拱隧道多为双连拱隧道， 而我国早期修建的双连拱隧道又以双向四车道居多，在日益增加的交通压力下，将逐渐难以满足交通量的需求， 双连拱隧道改扩建将势在必行。 而连拱隧道由于隧道间距小、断面跨度大，改扩建工程对围岩、 既有隧道结构或新建隧道结构以及中隔墙造成的扰动相较于分离式隧道或单洞隧道、 小净距隧道更为严重，施工难度更大，风险更高。 而国内针对扩建过程中风险研究的案例较少，王猛[8]针对扩建过程中的塌方风险展开了分析， 其他扩建过程中的风险分析尚未见报道。

为明确连拱隧道原位扩建方案下易发生的风险事件，明确相应风险源，及时采取有效应对措施降低施工风险， 本文依托某双连拱隧道四车道扩建八车道的原位扩建方案，展开风险分析。

2 工程背景

某隧道洞身穿越地层岩性为残积土、全风化－砂土状强风化花岗闪长岩，结构松散，岩体风化强烈，且泡水易软化，为极软岩，为Ⅴ级围岩；隧道进出口围岩主要为松散堆积土层，结构松散，稳定性差，坡度为20～40°，降雨作用下， 冲刷作用及软化作用， 使开挖后边坡稳定性变差。基于隧道所处围岩条件及施工方案，该隧道扩挖工程具有以下重难点：

（1）隧道扩建断面跨度大，结构承受松散压力大

钙隧道施工断面大，宽度21.16m，净空高度13.74m，扁平率低，隧道最大埋深为29m，暗挖段均为浅埋，成拱效应差，所受的围岩松散压力比较大，自稳定差。 原有连拱隧道修建时，已经对周边围岩进行了多次扰动，而扩建过程中，围岩受到二次扰动，容易发生大变形、塌方、洞口边仰坡失稳等风险事故。

（2）隧道扩挖工序复杂，受力系统转换频繁

该隧道扩建采用单侧CRD 施工工法， 工序复杂，包括回填、分步开挖（包括原衬砌拆除），临时支撑封闭、临时支撑拆除等工序。工序间转换多，使得隧道结构受力体系频繁转换。 原有隧道运行多年，行车、风化及病害影响使得安全性能降低， 扩挖过程中隧道衬砌拆除时稳定性差，施工控制不当易发生大变形、塌方等风险事故。

3 连拱扩建施工风险分析

3.1 风险评估

根据安全风险事件发生的概率和损失等级， 将安全风险等级分为4 级，见表1。 其中，Ⅰ级风险可以接受；Ⅱ级风险有条件接受， 有进一步实施预防措施以提升安全性的必要；Ⅲ级风险风险水平有条件接受，必须实施削减风险的应对措施；Ⅳ级风险水平不可接受，必须采取有效应对措施，将风险等级降低到Ⅲ级及以下水平。

表1 风险等级标准

根据该隧道地质情况、 现有病害调查及安全状况及扩挖初步设计资料，结合《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南》[9], 对该隧道扩挖存在的重大风险事件及与之相关的风险源进行检查和初步辨识（见表2）。

表2 某隧道扩挖安全风险事件与风险源检查表

由表2 可知， 该隧道扩挖存在的主要风险事件为既有隧道安全、边仰坡失稳、塌方及结构设计风险。

3.1.1 既有隧道结构安全风险

根据隧道病害检查结果， 扩建之前原隧道结构主要存在以下病害：

（1）隧道右洞进口洞顶排水沟破损，沟内淤积泥块和杂草；左右洞洞门墙身风化较严重，存在裂缝。

（2）左洞全部裂缝共计46 条，其中伴有渗水的共有8 条；右洞全部裂缝共计51 条，其中伴有渗水的共有6条。 混凝土衬砌表面只有少量局部轻微破损、 剥落情况，对衬砌质量无影响。 隧道左右洞衬砌裂缝统计见表3、表4。

表3 该隧道左洞衬砌裂缝统计

表4 该隧道右洞衬砌裂缝统计

（3）隧道左洞渗水点共有12 处，其中裂缝渗水共有8 处， 主要表现为裂缝表面流白灰，3 处渗水点衬砌表面有明显的浸渗； 右洞落渗水点共有6 处， 全部为裂缝渗水，一处衬砌表面湿润，其余都表现为衬砌表面流白灰。

（4）隧道左洞存在1 处排水沟堵塞、1 处检修道盖板破损；右洞存在3 处检修道盖板破损。左右洞均无隧道断面侵入净空、衬砌背后无空洞、衬砌强度不满足要求的病害，且二衬存在钢筋网。

根据隧道病害检测情况及技术状况评价， 确定既有隧道安全风险概率等级为2，损失等级为2。 既有隧道安全风险等级为Ⅱ级，属可接受风险，需加强监测。

3.1.2 扩建隧道边仰坡失稳风险

洞口坡体为松散堆积层，扩挖时稳定性差，既有隧道洞顶排水沟破损、堵塞，雨水渗透进入坡体中，使得岩土体强度降低，且扩挖工序复杂，工序转换较多，对边坡土体造成多次扰动， 易引起边坡支护拉裂， 原有植被被破坏，导致洞口边仰坡失稳。 结合国内外隧道施工经验，分析可能引起该隧道扩挖工程洞口边仰坡失稳的基本事件，得出风险事故树图如图1 所示。

图1 隧道洞口边仰坡失稳风险源辨识

根据对该隧道扩挖工程的洞口地质情况以及初步设计方案的分析， 结合对边仰坡失稳风险的模糊综合评价结果， 得出该隧道扩挖工程边仰坡失稳风险发生的概率等级和损失等级，见表5。

表5 边仰坡失稳风险等级表

由表5 可知， 该隧道扩挖工程初步设计阶段发生洞口边仰坡失稳的风险等级为Ⅱ级，属可接受风险，需加强监测。

3.1.3 扩建隧道塌方风险

连拱隧道改扩建过程中既有隧道结构退化， 结构断面大，扩挖工序复杂，围岩扰动频繁，受力体系转化多，锁脚锚杆和临时支撑的质量和封闭及时性要求高， 如果控制不当， 易导致隧道发生塌方。 结合国内外隧道施工经验，分析可能引起该隧道扩挖工程塌方的风险事件，得出塌方风险事故树如图2 所示。

根据对该隧道扩挖工程的地质情况以及初步设计方案的分析，结合对塌方风险的模糊综合评价结果，得出该隧道扩挖工程塌方风险发生的概率等级和损失等级，见表6。

图2 塌方风险事故树

表6 塌方风险等级表

由表6 可知， 该隧道扩挖工程初步设计阶段发生塌方的风险等级为III 级，需采取风险处理措施降低风险并加强监测。

3.1.4 扩建隧道结构设计风险

该隧道扩挖工程结构设计风险， 主要从扩挖施工方案数值模拟和新建隧道二衬结构安全评价两方面进行分析评估：

（1）右洞扩挖过程中，左洞原有衬砌结构变形、受力变化均较小。在不考虑爆破动力作用下，右洞扩挖对左洞原隧道结构影响较小，可保持通车安全。

（2）扩挖过程中，中隔墙、围岩变形及受力均较小，均在可控、稳定范围内，扩挖过程中隔墙及围岩稳定性满足要求。

（3）左洞扩挖过程中，右洞初期支护变形量值不大，个别点混凝土拉应力达到C25 喷射混凝土设计抗拉强度值，但不会产生大范围的破坏，不会影响整个初期支护的稳定性。

（4）不考虑爆破因素的影响下，设计二衬结构安全系数均满足规范要求，达到了安全储备的要求。

综上可知，不未考虑爆破动力作用影响，扩挖过程中除初衬受力略大于设计要求外，其余围岩、二衬及中隔墙变形受力均满足要求， 故确定该隧道扩挖结构设计风险概率等级为3 级，风险损失等级为2 级。

由表7 可知，该隧道扩挖结构设计风险等级为Ⅱ级，在施工过程中要临时支撑支护及时，初支及时封闭，临时支撑拆除时加强监测。

表7 结构设计风险等级表

3.2 专家调查

通过对该隧道扩挖重大安全风险事件的专家调查评估，统计各风险事件的风险等级专家调查结果，详见表8。

表8 该隧道扩挖专家调查各风险事件风险等级统计

3.3 隧道扩建总体风险

3.3.1 隧道总体风险分析

结合专家调查结果， 由各风险事件的风险概率等级和损失等级，可得出隧道总体风险概率等级为4 级、总体损失等级为2 级，进而得出隧道总体风险等级为Ⅲ级。

3.3.2 隧道风险控制措施

结合隧道扩建过程中的风险分析结果， 在初步设计方案的基础上提出针对性的风险控制措施， 可使隧道安全风险得到进一步的控制。

（1）塌方风险控制措施

①在拆除既有隧道衬砌时， 应对既有衬砌进行详细的勘察，明确其具体情况，确保其能够保证安全施工；原隧道衬砌及支护的拆除应遵循先衬砌后支护分段拆除的原则，施工缝、变形缝前后必须分段。

②洞口段开挖施工应与大管棚等超前加固及支护措施配合，必要时地面注浆，确保隧道洞口扩挖施工安全。

③注意锁脚锚杆等辅助施工措施的施作时间和施工质量。

④加强隧道施工监控量测。

⑤隧道施工中各部的超前距离及台阶长度应根据人员施工技术、机具配备综合确定，施工中根据隧道监控量测结果适当调整。

（2）结构设计风险控制措施

建议扩挖施工中临时支撑支护及时，初支及时封闭，严格控制开挖每环循环进尺及台阶高度。

3.3.3 隧道残留风险

对初始风险等级为III 级的塌方风险事件，结合初评提出的安全风险控制措施的落实情况， 进行再评估确定残留风险，见表9、表10。

表9 塌方残留风险概率、损失等级表

根据表9 可得出该隧道扩挖初步设计阶段在采取风险控制措施的基础上， 塌方风险的残留风险等级为II级，属可接受风险。

表10 该隧道扩挖重大风险事件残留风险等级表

由表10 可知，落实风险安全控制措施后，隧道的总体残留风险等级为Ⅱ级，属可接受风险。

4 结论与建议

根据对某双连拱隧道原位扩建过程中的风险分析结果可知：

(1)该隧道原位扩建过程中，主要存在既有结构安全风险、边仰坡失稳风险、塌方风险和结构设计风险四个风险事件，其风险等级分别为II 级、II 级、III 级、II 级。

(2)隧道扩挖初步设计阶段在采取风险控制措施的基础上，塌方风险的残留风险等级为Ⅱ级，隧道的总体残留风险等级为Ⅱ级，属可接受风险。

(3)隧道施工过程中应加强监测，初期支护应及早封闭成环。

(4)严格控制扩挖中各部序爆破药量，加强爆破振动监测。

(5)严格控制开挖每环循环进尺及台阶高度。