公路隧道洞口段施工風(fēng)險評估與控制研究

鄧祥輝，高書通

(1.長安大學(xué)公路學(xué)院，陜西西安 710064;2.西安工業(yè)大學(xué)建工學(xué)院，陜西西安 710032)

隨著我國交通建設(shè)的快速發(fā)展，山嶺隧道的數(shù)量越來越多。山嶺隧道地形和地質(zhì)條件通常較復(fù)雜，施工中不確定因素較多，在施工過程中容易出現(xiàn)影響安全的風(fēng)險事件[1]。尤其是在隧道進出口，圍巖風(fēng)化嚴(yán)重，地層埋深較淺且受降雨影響較大，在隧道施工擾動下極易發(fā)生坍塌、冒頂?shù)蕊L(fēng)險事件[2]。因此，隧道洞口段施工一直是隧道施工的難點[3]，有必要對洞口段施工安全風(fēng)險進行評估[4]。為此，交通運輸部于2011年5月頒布實施了《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南》(試行)[5]，以加強隧道施工過程中潛在風(fēng)險的評估工作。

從風(fēng)險評估的研究方法來看，主要分為兩類:①采用數(shù)學(xué)方法對整個工程或分項工程進行評估，定量計算風(fēng)險值，得出風(fēng)險影響并排序，如風(fēng)險矩陣法、層次分析法、模糊評價法、蒙特卡羅模擬法等[6-8]。②采用專家調(diào)查法，對具體的工程組成專家小組，進行實地勘察、并對設(shè)計和地質(zhì)資料進行分析，專家根據(jù)自身的知識和經(jīng)驗，對工程風(fēng)險進行判斷、評估和預(yù)測[9-10]。

對隧道的風(fēng)險評估主要針對設(shè)計和施工兩個階段，本文主要進行施工階段風(fēng)險評估研究。根據(jù)寶漢高速公路梁山2號隧道的洞口段設(shè)計資料、工程地質(zhì)情況以及施工方法等技術(shù)資料，采用層次分析法進行風(fēng)險源重要性排序，并結(jié)合專家調(diào)查法對洞口段風(fēng)險進行等級評估。在此基礎(chǔ)上，提出針對性的風(fēng)險控制措施。

1 工程概況

梁山2號隧道屬于寶漢高速(漢中到陜川界)項目HC-03合同段，位于南鄭縣郭灘鄉(xiāng)查家溝，為雙洞單向三車道大跨隧道。隧道設(shè)計為分離式，左線里程ZK317+770.5—ZK318+021.0，長250.5 m，右線里程YK317+750—YK317+992，長242 m。

該公路隧道進口位于山坡下部，坡度較緩。隧道進口上部為全風(fēng)化的白云巖和殘坡積土，下部為強風(fēng)化白云巖，原巖結(jié)構(gòu)部分破壞，溶蝕較發(fā)育，巖質(zhì)較差。隧道出口為全風(fēng)化的白云巖和殘坡積土。出口坡度約70°左右，坡面植被發(fā)育，覆蓋層厚約50 cm，出露基巖主要為強風(fēng)化白云巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，溶蝕發(fā)育。隧道左線進口埋深18.7 m;隧道右線進口埋深18.5 m。隧道左線Ⅴ級圍巖段長134.5 m，其中洞口段為Ⅴ級淺埋A型圍巖，如圖1所示。隧道右線Ⅴ級圍巖段長142 m，洞口段亦為Ⅴ級淺埋A型圍巖。

圖1 隧道左線地質(zhì)縱斷面

洞口部位地下水富水性一般，無集中富水區(qū)。巖溶裂隙發(fā)育，圍巖滲透性很高，水量和水位受季節(jié)制約，雨季時水量相對較大。

2 隧道設(shè)計與施工方法

2.1 隧道設(shè)計參數(shù)

隧道設(shè)計建筑限界為14.5 m×5.2 m，內(nèi)輪廓結(jié)構(gòu)斷面為三圓心，如圖2所示，拱頂半徑為8.60 m，拱肩半徑5.50 m，仰拱半徑為 21.10 m，隧道寬15.148 m，高12.09 m。左、右線隧道洞門橫向間距20.65 m，屬于小凈距隧道。隧道縱坡為－2.7%，隧道內(nèi)路面橫向坡為2%。

圖2 隧道內(nèi)輪廓設(shè)計圖(單位:cm)

2.2 洞口邊仰坡設(shè)計參數(shù)

洞口段圍巖初期支護噴28 cm厚的C25聚合纖維早強混凝土，鋼拱架為I22b型，φ8鋼筋網(wǎng)，長為4.0 m，縱向為間距0.7 m的φ22早強砂漿錨桿。施工過程中進行圍巖監(jiān)控量測。在初期支護穩(wěn)定后，全斷面施作模筑襯砌混凝土，并在襯砌混凝土拱腳處，采用加厚直邊墻，以控制隧道沉降。

隧道進口右線右側(cè)邊坡較高，共分為3級，從下至上第 1級坡比 1∶0.5，高度為 10 m;第 2級坡比1∶0.75，高度為10 m;第3 級坡比 1∶1，高度為 6.4 m。第1、第2級支護參數(shù):厚8 cm C20噴射混凝土，間距20 cm×20 cm的φ6鋼筋網(wǎng)，長3.5 m間距1.2 m×1.2 m的φ22砂漿錨桿。第3級設(shè)計無支護。

隧道進口仰坡左右線均較高，共分2級，從下至上仰坡參數(shù):第1級坡比1∶0.75，高度為3 m;第2級坡比1∶1，高度為9.5 m。兩級支護參數(shù)相同:厚10 cm C20噴射混凝土，間距20 cm×20 cm的φ6鋼筋網(wǎng)，長3.5 m間距1.2 m×1.2 m的φ22砂漿錨桿。

2.3 洞口段施工方法

隧道洞口段采用CRD法施工，施工方法如圖3所示。CRD法施工工序如下:導(dǎo)洞超前支護→開挖導(dǎo)洞左上側(cè)①部，并進行初期支護→開挖導(dǎo)洞②部，進行初期支護→開挖主洞③部，進行初期支護→開挖主洞④部，進行初期支護→開挖導(dǎo)洞仰拱⑤部，在隧底周邊初噴混凝土，底部墊槽鋼，接長臨時鋼架至隧底→開挖主洞⑥部，在隧底周邊初噴混凝土，底部墊槽鋼→根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)控量測結(jié)果分析，待初支收斂后，拆除臨時支護，利用仰拱棧橋澆筑仰拱與邊墻基礎(chǔ)→利用仰拱棧橋澆筑仰拱，填充仰拱至設(shè)計高度。

圖3 CRD法施工

3 風(fēng)險評估方法和流程

風(fēng)險因素概率和后果等級是風(fēng)險評價中的兩個關(guān)鍵指標(biāo)。本文采用層次分析法和專家調(diào)查法進行定量和定性分析，確定風(fēng)險源及其重要性，判定風(fēng)險因素與后果等級。

施工階段洞口段安全風(fēng)險評估分為風(fēng)險源識別、風(fēng)險評估和風(fēng)險控制三個階段。首先根據(jù)地形、工程地質(zhì)條件、施工工法、設(shè)計圖紙等進行洞口段風(fēng)險源辨識。其次，在確定風(fēng)險源的基礎(chǔ)上，采用專家調(diào)查法確定風(fēng)險等級，采用層次分析法對風(fēng)險源的重要性進行排序。最后，根據(jù)風(fēng)險源的重要性以及風(fēng)險后果等級，采取有針對性的措施降低安全風(fēng)險。根據(jù)該公路隧道的地質(zhì)情況、施工方法、支護方案等，形成公路隧道風(fēng)險評估流程，如圖4所示。

圖4 公路隧道洞口段風(fēng)險評估流程

4 洞口段失穩(wěn)風(fēng)險分析

4.1 風(fēng)險源辨識與排序

該公路隧道進口段埋深不足20 m，屬于淺埋段。隧道頂部巖土體厚度不足，難以形成穩(wěn)定的平衡拱。原巖結(jié)構(gòu)破碎，在施工開挖擾動與降雨作用下，極易造成洞口巖體的失穩(wěn)和滑塌。結(jié)合該隧道施工階段的特點，建立施工階段洞口失穩(wěn)風(fēng)險事故樹，如圖5所示。

圖5 洞口段失穩(wěn)風(fēng)險事故樹

1)構(gòu)造層次單排序判斷矩陣

對洞口失穩(wěn)按照影響因素的重要性構(gòu)造判斷矩陣，如表1所列。

表1 洞口失穩(wěn)風(fēng)險判斷矩陣

2)風(fēng)險因素重要性排序

對排序矩陣進行一致性檢驗，可計算得到風(fēng)險因素排序矩陣的秩λmax=5.143，則一致性指標(biāo)為

一致性比率CR則為

對洞口段失穩(wěn)風(fēng)險因素按重要性排序為:地質(zhì)與地形條件→施工工法→支護參數(shù)→洞口段埋深→降雨強度。根據(jù)以上排序結(jié)果，在施工階段可根據(jù)風(fēng)險因素的重要程度，采取有針對性的控制措施。

4.2 專家調(diào)查分析結(jié)果

安全風(fēng)險分級是風(fēng)險評估結(jié)果的重要度量指標(biāo)，也是制定風(fēng)險控制措施和決策的依據(jù)。本文采用專家調(diào)查法，對風(fēng)險事件的概率等級和損失等級進行統(tǒng)計分析。洞口段失穩(wěn)風(fēng)險發(fā)生概率等級調(diào)查結(jié)果如圖6所示，洞口段失穩(wěn)風(fēng)險后果等級調(diào)查結(jié)果如圖7所示。隧道進、出口分段失穩(wěn)風(fēng)險等級如表2所示。

圖6 洞口段失穩(wěn)風(fēng)險發(fā)生概率等級

圖7 洞口段失穩(wěn)風(fēng)險后果等級

表2 洞口段失穩(wěn)風(fēng)險等級

由圖6、圖7以及表2可見，專家調(diào)查評估認(rèn)為洞口段失穩(wěn)風(fēng)險發(fā)生概率為3級，損失等級為2級。參照施工階段隧道風(fēng)險等級標(biāo)準(zhǔn)，可確定隧道塌方風(fēng)險等級為Ⅲ級，屬高度風(fēng)險。因此，洞口段失穩(wěn)風(fēng)險比較大，必須采取針對性措施進行控制。

5 建議控制措施

1)在施工過程中，積極開展監(jiān)控量測與量測數(shù)據(jù)反分析工作，并根據(jù)監(jiān)控量測數(shù)據(jù)分析圍巖穩(wěn)定性，及時變更支護參數(shù)，動態(tài)調(diào)整施工方法，以確保施工安全。

2)由于梁山2號隧道右側(cè)邊坡較高，建議對第3級邊坡進行錨噴支護，支護參數(shù)可參照第2級。做好邊、仰坡支護和排水工作，特別是雨季施工時，防止由于強降雨導(dǎo)致洞口段失穩(wěn)事故的發(fā)生。

3)洞口邊仰坡的開挖及整個進洞過程一定要嚴(yán)格按照施工工序進行，開挖前應(yīng)對洞口段山體進行加固。加固工作一定要充分、及時，嚴(yán)格遵循“先加固、后開挖”的原則。

4)合理安排施工進度，嚴(yán)格控制洞口段的開挖進尺和爆破裝藥量，采用微振動控制爆破技術(shù)，確保安全。

5)隧道進口淺埋段地質(zhì)情況很差，應(yīng)采用管棚進洞方案，管棚長度不小于15 m。

[1]范玉祥，何亞伯，汪琴，等.隧道施工安全風(fēng)險的模糊綜合評判[J].華中科技大學(xué)學(xué)報:城市科學(xué)版，2010，27(1):46-50.

[2]王燕，黃宏偉，李術(shù)才.海底隧道施工風(fēng)險辨識及其控制[J].地下空間與工程學(xué)報，2007，3(7):1261-1264.

[3]鄧祥輝.大斷面軟弱圍巖隧道洞口段施工工法比較分析[J].西安工業(yè)大學(xué)學(xué)報，2013，33(12):974-981.

[4]陳紹華.關(guān)角隧道風(fēng)險評估[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2009，46(6):17-27.

[5]中華人民共和國交通部.交質(zhì)監(jiān)發(fā)[2011]217號 公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南(試行)[S].北京:人民交通出版社，2011.

[6]王崢崢，張哲，高波，等.山嶺隧道洞口震害因素分析與抗震風(fēng)險模糊綜合評價[J].中南大學(xué)學(xué)報:自然科學(xué)版，2012，43(3):1122-1130.

[7]路美麗，劉維寧，羅富榮，等.隧道與地下工程風(fēng)險評估方法研究進展[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2006，14(4):464-468.

[8]陳潔金，周峰，陽軍生.山嶺隧道塌方風(fēng)險模糊層次分析[J].巖土力學(xué)，2009，30(8):2365-2370.

[9]歐爾峰，嚴(yán)松宏，梁慶國.巖體隧道施工安全風(fēng)險模糊綜合評判研究[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報，2011，30(4):38-43.

[10]許崇幫，田海寧，周寧.鰲峰山隧道洞口段風(fēng)險源辨識與風(fēng)險評估分析[J].公路交通科技，2012，29(10):96-101.