汪家菁隧道初步设计风险综合评价研究

苏交科集团股份有限公司 杨奎

上海同岩土木工程科技股份有限公司 刘华莉

随着我国交通基础设施建设的快速发展、隧道工程数量的快速增加，到2018年末，全国已建成通车公路隧道17738处，总长度1723.61万米，目前中国已成为世界上隧道和地下工程最多、最复杂、发展最快的国家[1]。由于隧道施工地质条件复杂、技术难度大、大量的风险和不确定因素，近年来，我国隧道工程建设发生的宜万铁路高阳寨隧道、都汶公路董家山隧道、上海地铁黄浦江隧道等安全事故，大多与是施工方或管理方的风险意识薄弱、风险管理水平低下等有关，也使得参建各方认识到项目成败与风险受控与否息息相关。因此，隧道建设安全风险评估显得尤为重要。目前，在工程领域经常使用的风险评估和决策方法有专家调查法、层次分析法（AHP）、模糊综合评价法、灰色评价法、蒙特卡洛法、神经网络评价法等，其中，层次分析法和模糊综合评价法应用较多且被广泛接受[2]-[4]。

近年来，许多专家、学者对公路隧道施工风险展开了广泛探讨与研究，并取得了一些重要成果。方碧滨[5]以建设中的寨仔山隧道为对象，采用指标体系法进行安全风险总体评估与专项评估。在确定重大风险源后，以矩阵法对重大风险源进行动态估测，并提出加强实时监控量测、超前地质预报、采用合适的施工方法及安全专项方案风险等防范对策。张广敏[6]通过对在役隧道从土建结构风险、管理风险及环境风险3个方面选取15项风险影响因素，构建结构安全风险评估指标体系和层次结构。基于层次分析法和模糊综合评价法，建立了在役隧道结构安全风险评估模型，并依托在役隧道工程对该模型进行了验证。杨凯、吴昊、杨晓华等[7]针对高速公路隧道安全风险评价体系，提出了一种基于模糊神经网络方法的隧道施工安全风险评估模型。通过风险指标体系量化表，解决了神经网络模型缺乏处理定性指标能力的问题。将该模型应用于成武高速公路太石隧道坍方风险事件施工安全风险评估中，评价结果与实际施工情况完全相符。

根据交通运输部颁布的《关于在初步设计阶段实行公路桥梁和隧道工程安全风险评估制度的通知》（交公路发[2010]175号）的规定，因汪家箐隧道存在偏压问题，总体安全对隧道稳定不利，需进行初步设计阶段安全风险评估工作。本文根据汪家菁隧道地质、建设、及施工等条件，采用工程类比、专家调查及核查表法对隧道风险源进行辨识，并对重大风险事件进行分析，基于模糊综合评价法原理，对隧道安全风险事件进行评估，并制定风险控制措施，为隧道施工安全风险管理提供依据。

1.工程概况

汪家菁隧道为双向四车道隧道，左线起讫桩号为ZK35+935～ZK36+435，长500.909m；右线起讫桩号为YK35+955～YK36+468，长516.395m，属小净距中隧道。隧址区总体地势呈中部高、两端低，略有起伏，进口端地形陡峭，坡度角30°～35°，出口端地形相对平缓，坡度角20°～25°，洞口有植被发育。隧道上覆土层主要以第四系崩积 （Qcol）碎石夹块石、角砾层为主，局部夹薄层黏性土，下伏基岩为二叠系上统玄武岩组 （P2β）玄武岩及二叠系下统茅口组 （P1m）白云质灰岩。地下水主要为第四系孔隙潜水及基岩 （溶蚀）裂隙水。隧道进口发育泥石流，隧道洞口与泥石流沟槽底部高差约10.00m～12.00m；K36+100～出口段为白云质灰岩，局部存在岩溶的可能。（表1、图1-图2）

图1 汪家菁隧道平面图

图2 汪家菁隧道左线地质纵断面图

表1 隧道围岩分级表

采用短台阶留核心土法施工，衬砌为复合式衬砌，围岩稳定性差、存在偏压，因此，有必要对其进行风险评估。

2.风险评估方法

风险具有不确定性，但其本身还是有一定的规律，是可被认识的。通过分析可采取恰当的方法降低风险。本文通过工程类比法、核查表及专家调查法对风险源进行辨识，确定隧道风险事件，进行风险分析，并基于模糊综合评判方法，对汪家菁隧道进行安全风险评估，确定隧道风险等级。

2.1 模糊综合评价法

根据综合评价的目标，对客观事物的影响因素进行分解，以构造不同层次的统计指标体系，然后对这些指标进行指标赋值并确定其权重系数，最后采用综合评价模型得到综合评价值，以此进行排序和评价。

在确定评价因素、因子的评价等级标准和权重的基础上，运用模糊集合变换原理，以隶属度描述各因素及因子的模糊界限，构造模糊评判矩阵，通过多层的复合运算，确定评价对象的可靠度。具体的步骤如下：

（1）建立评价因素集，是影响评价对象的各种元素的一个普通集合：

（2）建立评价集，是评价者对评价对象可能作出的各种评价结果组成的集合：

（3）找出评价矩阵：

（4）建立因素权重集。由于各个因素的重要程度不同，为了反映各因素的重要程度，对各个因素应给予一个相应的权数，建立权重集如下：

（5）模糊综合评判：

2.2 风险等级及接受准则

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Ⅰ级（低度风险）、Ⅱ级（中度风险）、Ⅲ级（高度风险）、Ⅳ级（极高风险）7。（表2）

表2 风险等级标准

公路隧道风险接受准则与采取的风险处置措施如表3所示：

表3 风险接受准则及处置措施

3.风险评估

3.1 风险源辨识

根据汪家箐隧道的地质情况、设计施工资料及风险指南，采用工程类比法、专家调查法及核查表法，对汪家箐隧道存在的重大风险事件以及与之相关的风险源进行检查和初步辨识。结果表明：汪家箐隧道存在的主要风险事件为大变形、塌方、洞口失稳及突水涌泥。

3.2 风险事件分析

分析时根据地质情况，将隧道分为若干区段，先评估某一风险事件在隧道沿线某一区段的风险等级，得出了不同区段的风险等级，然后评估某一区段风险事件的风险等级，最后综合评估多个风险事件情况下的隧道总体风险评估。

3.2.1 大变形风险

围岩级别均为Ⅴ级，稳定性差，大变形风险分析时将隧道分为洞口段（进口段、出口段）、洞口Ⅴ级围岩浅埋段及洞身Ⅴ级围岩其他段。

（1）洞口段

隧道进出口段埋深较小，埋深2.51m～19.25m，岩性主要为残坡积粉质黏土、碎石土，钙质胶结成块，呈中密状。进、出口段地面自然坡度分别为30°～35°、20°～24°。

进出口段岩体松散，抗雨水冲刷能力差；岩体破碎，隧道开挖后围岩自稳能力差。隧道开挖后地应力重分布，在地下水的作用下或雨季降雨地表水下渗，岩体软化发生塑性流动，隧道拱顶部位围岩沿全、强、中分化岩体的岩层分界面向洞内滑移，使围岩产生较大的收敛位移，易发生大变形风险。（图3、图4）

（2）洞身Ⅴ级围岩浅埋段

围岩为碎石、角砾强风化玄武岩，节理裂隙发育，岩体破碎，围岩稳定性差且埋深浅，隧道开挖岩体自稳能力较差，在应力作用下可能向临空面滑移挤出大变形，在掘进过程中易发生大变形。

（3）洞身Ⅴ级围岩其他段

围岩为中风化白云质灰岩，局部存在岩溶发育，易富水软化岩体，隧道开挖易发生大变形。

3.2.2 塌方风险

（1）洞口段

汪家箐隧道进出口段埋深较小，岩体稳定性差、透水强，施工过程中易产生拱部及侧壁支护、注浆不及时、施工操作不当等，尤其雨季进口段施工，地表水对地表冲刷及下渗作用，围岩强度降低，稳定性差，开挖极易发生坍塌事故。同时，进口处为汪家箐泥石流沟，泥石流冲积层松散，在地表水冲刷作用下，隧道开挖易发生塌方事故。

图3 进口段纵断面图

图4 出口段纵断面图

（2）洞身Ⅴ级围岩浅埋段

隧道埋深较小，碎石、角砾强风化玄武岩，岩体破碎，围岩稳定性差，隧道开挖易造成塌方。

（3）洞身Ⅴ级围岩其他段

围岩为中风化白云质灰岩，风化程度强烈，岩体破碎且局部存在岩溶发育，易富水软化岩体，隧道开挖易发生塌方。

3.2.3 洞口失稳风险

（1）进口段

隧道进口地段位于较陡斜坡地段，边仰坡岩层产状为289°∠85°，坡面朝向119°，地形坡度为30°～35°。坡面由残坡积粉质黏土和碎石土组成。

利用同济曙光边坡稳定性分析软件计算进口仰坡稳定性，采用简化毕肖普法，考虑该地区地震类型为9度，取水平地震系数为0.32，得到安全系数F=1.06，安全系数较低，潜在滑动面沿着残坡积粉质黏土层。

坡面自然状态下稳定，隧道开挖，在施工扰动作用下边仰坡易失稳。粉质黏土及碎石土抗雨水冲刷能力差，岩土体较松散，隧道开挖后原有平衡被破坏，隧道的关键块可能被挖除，使得上部岩块缺少必要的支撑，再加上围岩本身自稳能力差，粘聚力小，不能达到自身平衡，发生滑塌。进口处为汪家箐泥石流沟，雨季强降雨诱发泥石流会对隧道进口处的稳定产生影响。（表4）

表4 进口仰坡计算参数取值

（2）出口段

隧道出口地段位于斜坡地段，坡面由碎石土组成，呈稍密状，其厚度较厚，为10m～20m，分布较不均匀；坡面朝向299°，地形坡度为20°～24°。围岩自稳能力差。采用简化毕肖普法，考虑该地区地震类型为9 度，取水平地震系数为0.32，得到安全系数F=1.58，坡体有一定的安全储备，滑动圆弧范围较大，潜在滑动面沿着残坡积碎石土。

出口边仰坡在自然状态下处于稳定状态，开挖不当，岩体松散破碎、自稳能力差可产生崩塌破坏。若施工期间遭遇强降水，则地表水下渗不仅会增加坡体自重，还会软化潜在滑动面，使其力学参数进一步降低，从而可能诱发滑坡。（表5、图5-图6）

表5 出口仰坡计算参数取值

图5 左线进口仰坡稳定性计算

图6 左线出口仰坡稳定性计算

表6 隧道各风险事件等级评估表

3.2.4 突水涌泥风险

突水涌泥风险段分为洞口段、洞口Ⅴ级围岩浅埋段及洞身Ⅴ级围岩其他段。

（1）洞口段

隧道进出口段埋深较浅，岩土体结构松散，透水性强，为地表水下渗的主要通道，具有良好的透水性和含水性，抗雨水冲刷能力差，雨季强降雨导致地表水下渗，地下水增长，隧道开挖易发生渗涌水风险。

（2）洞身Ⅴ级围岩其他段

隧道围岩为中风化白云质灰岩，风化作用致使节理裂隙发育，岩体破碎，为地表水下渗和基岩裂隙水涌入隧道提供了良好的导水通道，具有良好的透水性和含水性，且局部存在岩溶，易富集地下水，隧道开挖易发生突水涌泥。

3.2.5 风险等级

隧道大变形、塌方、突水涌泥风险事件评估等级见表6所示。

综上，汪家菁隧道总体安全风险等级为Ⅲ级。必须实施削减风险的应对措施，并需要准备应急计划。

4.风险控制措施

通过风险辨识、分析及评估，对概率等级为3级及以上的风险事件，制定控制措施，以降低风险等级。

（1）大变形风险采用加强围岩量测工作、减少对围岩的扰动、多重支护及预留变形量增大等控制措施。

（2）塌方风险采用进出口浅埋段应以刚性支护为主。初期支护宜及时封闭，应考虑提前模筑衬砌，即二次衬砌及时施做；施工中注意加强围岩量测工作、严格控制爆破装药量、保证施工质量、严格控制开挖工序及洞口应常备一定数量的塌方抢险材料，如方木、型钢钢架等控制措施。

（3）突水涌泥风险采用加强施工过程中地下水的探测，将长、中、短期相结合；加强对隧道围岩地下水情况进行详细探查等控制措施。

（4）洞口失稳采取进口段地处泥石流沟情况，需做专门的调查与研究，制定专门防护处置等措施；洞口段坡体使用喷锚网支护、锚索锚杆支护等充分加固不稳定岩体。同时在仰坡坡脚及坡顶分别埋设位移观测点，严密监测仰坡位移，如有异常现象，采取紧急措施。

5.结语

通过对隧道风险源进行辨识、重大风险事件分析及隧道安全风险评估得出以下结论：

一是汪家菁隧道主要存在大变形、塌方、洞口失稳及突水涌泥等风险；

二是大变形、塌方风险事件等级为Ⅲ级，其余风险事件等级为Ⅱ级；

三是汪家菁隧道总体安全风险等级为Ⅲ级；

四是对概率等级为3级及以上的风险事件，制定了相应的风险控制措施。