南峰隧道安全风险评估及病害预防措施

王春茶

(福建船政交通职业学院，福州 350007)

0 引言

南峰隧道位于福州绕城高速公路A15合同段终点处，是A15合同段的主要控制性工程之一，按双向6车道设计，设计时速为100 km/h，左洞1 409 m，右洞1 388 m，隧道合同工期18个月。

南峰隧道位于鹫峰山山脉，沿线穿越的地貌为低山—剥蚀丘陵地貌，地形起伏大，海拔50～400 m，相对高差约50～250 m，山坡植被发育，多为杂林，覆盖层较薄。山坡自然坡度约为20°～55°，天然坡体较稳定，沟谷发育，切割较深，谷底狭窄，呈“V”型。区域上位于闽东火山断拗带东北部与闽东南沿海变质岩带延伸接触部分，并以其为主导，控制区内是北东向及北西向为主东西向次之的构造格局，经历多次构造运动及火山岩浆活动造就了路段地层岩性及其构造断裂体系。

南峰隧道周边为火山岩或侵入岩等较硬岩或坚硬岩，岩质坚硬，有利于工程建设。其中侵入岩约占全线的43%，火山喷出岩占全线的57%。残坡积层一般工程地质性质尚好，可充分采用天然地基。沿线主要分布有可塑状粉质黏土及稍密以上卵石、砾石等，中低压缩性，力学性能较好，一般可采用天然地基。

南峰隧道口两侧为峡谷，场地狭小，场地布置难度较大，围岩裂隙较多，水系发育，有1 991.591 m为反坡，施工难度大。且隧道洞碴弃碴场离隧道口约2.5 km，隧道出碴的运输仅有1条沿着河谷的施工便道可用，施工干扰大，运输速度慢。

1 南峰隧道总体风险评估

南峰隧道为福州绕城高速公路东南段A15合同段的控制性工程，根据隧道本身的特点(共穿越5个断裂层、岩石较破碎等)，根据相关规定需对南峰隧道施工安全进行风险评估。

南峰隧道施工安全总体风险评估主要考虑隧道地质条件、建设规模、气候与地形条件等风险评估指标，见表1～2。

表1 隧道工程总体风险评估指标体系

表2 隧道工程施工安全总体风险分级标准

1.1 隧道地质情况

1)隧道围岩情况：南峰隧道属于A15合同段部分，共长2 797 m，施工分左洞和右洞，其中Ⅴ级、Ⅵ级围岩709 m，小于2 797 m×30%=839.1 m。综合考虑a=1。

2)瓦斯含量：据当地区域地质资料，隧道施工区域未见有矿体分布，不会产生瓦斯等有害气体。综合考虑b=0。

3)水情况：南峰隧道分布5条断层和1条岩性接触带，隧道施工区域地下水主要为风化基岩孔隙—裂隙水，构造裂隙水、地下水较发育，洞口处地下水在洞顶附近。综合考虑c=1。

综合上述因素G=a+b+c=2。

1.2 开挖断面

南峰隧道为大断面(单洞三车道隧道)，如图1。综合考虑A=3。

图1 南峰隧道断面示意图

1.3 隧道长度

因南峰隧道全长共2 848.5 m，对照风险评估指标体系表可知L=3。

1.4 洞口形式

南峰隧道有A15标和A16标负责施工，A15标从进口分左右洞单向掘进，左右洞洞口形式均采用水平洞。综合考虑S=1。如图2～3所示。

1.5 洞口特征

南峰隧道进洞口位于两山谷交汇的坡脚处，坡度大约在25°～30°，斜坡上覆盖着较薄的残积土，在其下大部分为遭受过强风化的岩层，岩层强度总体较好。在勘察时发现洞口地下水位离洞顶位置很近，不利于洞口施工。隧道右洞靠近右侧，发现有断层与隧道相交，不利于围岩表面稳定，应及时支护，综合考虑C=2。

综合前述计算得：南峰隧道风险等级分值R=G+A+L+S+C=2+3+3+1+2=11，查看风险分级标准，分值在Ⅱ级区间，判定为中度风险。

图2 南峰隧道左洞进口段洞口剖面图

2 南峰隧道施工时有可能出现的病害特征

1)南峰隧道若未支护就进行开挖，拱部可能因产生较大变形而出现开裂。

2)隧道围岩施工表面应及时采用喷射混凝土支护，否则围岩可能会迅速沿着裂隙产生破裂，施工表面会有异响，伴随围岩表面剥落，开挖掌子面轮廓渐渐出现变形等病害，随后出现较为破碎现象[1]。

3)随着时间推移隧道围岩应力可能突然大量释放，加速隧道的变形，使隧道产生开裂，造成危险。

4)隧道进出口附近的偏压可能不对称、不均匀，开挖施工时会产生变形，出现裂缝。

5)在隧道开挖掘进过程中如果遇到岩溶溶腔，很可能出现突水突泥病害[2]。

3 预防措施

3.1 预防坍方的对策

在施工右洞洞口偏压段时，预防坍方的主要对策：做好地质超前预报，采取相应支护措施和隧道围岩变形监测，并及时进行仰拱和二次衬砌施工[3]。若没有重视坍方预防，未随时分析数据，没有研判，没有及时采取有效措施，则容易出现初期支护混凝土裂纹，格栅钢架扭曲变形，隧道可能会发生局部坍塌，如图4所示。

图4 隧道局部坍塌

3.2 预防隧道突泥突水突石

隧道突水突泥突石病害经常发生在掌子面附近的破碎段，或是在隧道施工时掌子面附近的岩溶溶腔压力大，与隧道临界表面被压溃[4]。

图5 隧道突水突泥突石

因南峰隧道洞身有5条发育的断层和1个特大岩溶溶腔，而且有1条断层涌水量较大。为避免产生病害，应做好相关预防工作，比如超前地质预报、探水、钻孔探测等，出现状况后要及时制订相应的处治措施。

3.2.1 预防隧道洞身断层裂隙涌水的对策

在施工过程中，采用打孔注浆的封堵方法对隧道破碎带顶面的裂隙进行加固，注浆时需延伸至隧道仰拱底部。在隧道开挖掘进过程中，应先采用超前小导管注浆法加固地层，然后再采用双侧壁导坑法进行开挖，遇到大块岩石就采取微爆法进行爆破，循环进尺应在0.8 m内，并按设计加密炮眼，控制好炸药用量，按科学有序的方法对破碎带进行施工。

3.2.2 预防隧道岩溶溶腔突水突泥突石的对策

隧道岩溶溶腔突然突水突泥突石地质灾害是隧道为数不多并且危险性很大的病害。在施工中，可以采用TSP探测及根据设计单位提供的地质报告，提前判断并发现隧道洞内地下水位较高以及较易发生涌水的路段，在施工过程中可以采取以下措施预防洞内地下水位较高问题：

1)“排”即采取超前钻孔排水和辅助坑道排水来降低地下水位；

2)“堵”即采取超前小导管预注浆加固堵水或超前围岩预注浆加固堵水，预防岩溶溶腔压溃隧道临界面；

3)“降”即采用井点降水或深井降水的方法来降低地下水位。

隧道涌水的主要特点及防治方法：

1)隧道涌水面积大地段。可以在围堰表面设置树枝状软式透水管，对突水进行引排，然后再喷射混凝土。

2)隧道涌水较为集中地段。常用在喷锚前打孔或开缝的摩擦锚杆进行排水。

3)涌水较为严重地段。目前常用的防治方法是一边采用引水管排水一边喷射水泥混凝土。首先在隧道围岩表面挖引水孔，用引水管连接汇水孔等排水装置将涌水引入排水沟内，然后喷射水泥混凝土。

3.3 南峰隧道因基础沉降产生变形异常的对策

南峰隧道左洞基础的病害较为复杂且难处理，为了了解注浆前后隧道仰拱位移及初期支护仰拱轴力的变化情况，使用MIDAS-GTS 软件建二维模型[5]，在隧道基础工程布设 205个观测断面，每个观测断面埋设左侧、中间、右侧 3 个观测点，每个观测点监测频率为 7 d/次，在仰拱浇筑完工后开始监测，观测最多 73 期，观测时长最长512 d。分析不同时段隧道仰拱位移及初期支护仰拱轴力的变化情况来确定防治措施。

在LK2+120～LK4+595 段，施工方按要求提供沉降观测数据，隧道仰拱累计沉降观测值为-6.1～7.97 mm，8 d后本段沉降观测累计值为 -6.78～8.44 mm，近 40 d变化范围为-0.65～1.12 mm。隧道仰拱数据未稳定，有个别测点为隆起，大部分测点产生下沉。计算结果汇总到表3。

由表3可知，隧道Ⅴ级围岩仰拱处位移与轴力均大于Ⅵ级围岩仰拱处的位移与轴力。在隧道Ⅴ级围岩仰拱经过打孔注浆和打设钻孔灌注桩后，初期支护仰拱处轴力仍较大，因此隧道Ⅴ级围岩的仰拱加固一般可以在先注浆的基础上再打设钻孔灌注桩；如果隧道Ⅴ级围岩在注浆后仰拱隆起尺寸状态能保持在安全允许的标准范围内，可以不用再打设钻孔桩。

表3 注浆前后仰拱位移与轴力变化

3.3.1 隧道边坡溜坡坍塌预防方法

隧道在开挖过程中可能引起边坡溜坡坍塌、危岩落石，可以采用逐层清理、台阶法施工、锚网喷支护3种方法。

1)逐层清理。若隧道边坡有比较大且可能下滑的岩层，可以采用逐层清理的方法，从上到下一层一层地进行清理，同时进行锚喷网支护。

2)分台阶刷坡施工。南峰隧道进口边坡高且陡峭，为防止边坡溜坡坍塌，经多方研究讨论确定采用分台阶刷坡方法进行防护，每级台阶高度约为2 m。每级台阶刷坡完成后应注意及时支护，避免因为刷坡表面长时间暴露在外发生风化或雨水冲刷而引起溜坡坍塌。

3)锚网喷支护。锚网喷支护能够有效地防止边坡溜坡坍塌。在开挖边坡台阶的过程中，应尽量做到隧道开挖一小段后马上采取锚网喷支护[6]。为了确保边坡不会因滑动面出现而整体滑动，锚杆应打入边坡滑动面的有效深度。

3.3.2 危岩落石的预防方法

危岩落石的预防可以采取主动清除、锚网喷防护、挂安全网防护3种方法。

1)主动清除。对于南峰隧道进出口边坡上较大且可能会落下的孤石，可以采取措施将其清除，避免其滚动滑落后产生危险破坏。

2)锚网喷防护。如果隧道表面危岩落石很多，体积小，占用面积较大，适合采用锚网喷方法进行处理。

3)挂安全网防护。有些危岩落石不方便采用主动清除或锚网喷防护，可在其下方的适当位置挂安全网进行防护。

4 结语

南峰隧道是福州绕城高速公路东南段A15合同段的重难点工程及控制工程，难度系数大，需要注意的事项较多，最重要的是要做好安全和预防措施。

南峰隧道采用安全风险评估内容：采用创新分析方法，通过隧道设计文件及现场施工情况，依据隧道的地质情况、开挖断面、隧道长度、洞口形式及特征计算相应分值，计算得总分值R=11分，分值在Ⅱ级区间，为中度风险，为制订隧道安全施工的预防措施提供了可行依据。

保证南峰隧道安全的主要预防措施及效果：

1)南峰隧道采用地质超前预报、初期支护和围岩变形监测等安全预防措施，做到及时分析数据、研判，发现问题及时采取正确措施，有效地预防坍塌，未出现混凝土裂纹、格栅钢架扭曲变形或局部坍塌等病害现象。

2)在隧道岩溶溶腔处采用TSP探测及设计单位提供的地质报告，提前判断并发现隧道洞内地下水位较高以及较易发生涌水的路段，在施工过程中采用“排”“堵”“降”的方法有效降低洞内地下水位和防止隧道岩溶溶腔产生突水突泥突石地质灾害。

3)对南峰隧道左洞使用MIDAS-GTS软件建二维模型分析不同时段隧道仰拱位移及初期支护仰拱轴力的变化情况，找到防治措施，有效地防止基础沉降产生变形病害现象。

4)对南峰隧道岩层采用逐层清理、台阶法施工、锚网喷支护3种方法，基本上未出现隧道边坡溜坡坍塌现象。采取主动清除、锚网喷防护、挂安全网防护3种方法有效地防止危岩落石现象。

在施工过程中应注意对隧道安全风险进行动态监测，高效降低隧道安全风险[7]。隧道风险一般不会完全消除，应评估隧道残留风险。

根据评估南峰隧道施工安全性，并针对风险采用病害预防措施后，病害少且处理效果好，为今后隧道施工的安全风险评估与预防措施提供了参考。