渝利鐵路隧道工程安全風險控制研究與應用

伍帆

(渝利鐵路有限責任公司，重慶 400023)

0 引言

中國巖溶地貌分布廣泛，西南地區尤為發育，隧道施工過程中極易發生突水突泥，造成嚴重的損失和工期延誤［1］。鑒于巖溶隧道施工的高風險性，在勘察階段需重點查明巖溶發育和構造特性，在設計階段需專題研究規避或減小風險的線路優化方案［2－3］，在施工過程中要針對巖溶區段開展綜合超前地質預報等工作［4］。但由于安全風險管理機制尚不健全、管理者安全風險意識淡薄等原因，巖溶隧道施工中仍頻頻發生地質災害。國內鐵路主管部門已發布相關管理文件［5］，相關學者已經在隧道工程建設風險管理和控制領域開展了諸多工作，且取得了較多成果［6－12］，但從目前國內隧道工程建設風險管理實施情況來看，仍有較大的提升空間。渝利鐵路隧道建設過程中通過設計階段優化線路，施工階段風險計劃、辨識、評估、控制等手段，成功地將不可控的風險轉化為可控的風險，最大限度地規避或減少風險隱患，保證了項目建設的順利推進，并積累了巖溶地區設計選線和施工方面的一些有益經驗。

1 工程概況

重慶至利川鐵路(簡稱渝利鐵路)西起重慶市重慶北站，向東途經重慶市江北區、渝北區、長壽區、涪陵區、豐都縣和石柱縣，止于湖北省利川市，與宜萬鐵路在涼霧站接軌，是國家規劃建設的高速鐵路四縱四橫中“滬—漢—渝—蓉”大通道的重要組成部分。該鐵路為國鐵I級干線，旅客列車設計時速為200 km/h，正線長度264.602 km，運營長度295.958 km。本項目工程的主要特點為:1)橋隧比例高達81%;2)特殊結構橋梁(高墩大跨)多，施工難度大，技術含量較高;3)長大隧道多，橋隧相連，地質條件復雜，施工難度較大。

渝利鐵路為典型的西南山區鐵路，線路穿越明月峽背斜、茍家場背斜、方斗山背斜、齊耀山背斜，沿線地質構造復雜，巖體破碎，滑坡、巖堆、危巖落石、巖溶、順層、煤層瓦斯等不良地質發育，尤其是隧道穿越大量可溶巖地區，隧道施工風險極大。渝利鐵路全線共有隧道64座，總長182.93 km，占全線比重的61.8%，10 km以上的特長隧道有3座，4 km以上且地質復雜的隧道有18座，長度為123.9 km，占隧道總長度的67.7%，5座巖溶隧道(排花洞隧道、尖峰頂一號隧道、尖峰頂二號隧道、方斗山隧道、余家隧道)初始風險為高風險，施工難度及風險較大。渝利鐵路路線平面圖如圖1所示。

圖1 渝利鐵路路線平面圖Fig.1 Route plan of Chongqing-Lichuan railway

2 設計階段安全風險控制與管理

2.1 設計階段安全風險控制

2.1.1 強化巖溶隧道安全風險判識，提高隧道監控管理水平

根據前期地質勘察和現場調查，結合沿線工程地質情況，分門別類，加強研判工作，制定安全風險對策。加強隧道可研和初設階段的安全風險管理，組織專家和相關人員反復踏勘、多次核對和比選，并根據設計資料對安全風險進行專家評估。

2.1.2 強化技術措施，規避(降低)巖溶隧道安全風險

巖溶隧道極易與地下暗河或溶洞等地下巖溶管道相交，因此，隧道一旦發生選線不當、措施不到位，就可能出現大量涌突水，對施工和人員安全構成嚴重威脅，從而造成人員傷亡、重大財產損失、重大環境影響及工期延誤。按照“規避極高風險，采取可靠的應對措施降低高度風險，殘留風險在中度及以下”的原則，通過風險評估，對巖溶隧道的選線采用了改線、調坡等技術措施加以繞避，規避了安全風險。

2.1.3 強化超前地質預報，細化風險對策措施

開展TSP203地震波法、地質雷達、紅外探水、炮眼加深、超前水平鉆、地質素描等綜合超前地質預報，并結合掌子面所揭示的地質條件、發展規律、趨勢及前兆進行分析和評判，相互印證，相應優化調整措施，確保施工安全和結構安全。

2.1.4 強化設計動態管理，落實施工過程安全監控

堅持地質選線和設計方案的不斷優化是規避風險的重要工作。通過在設計中制定可靠的工程措施，將不可控的風險轉化為可控的風險，在施工期間結合工程實際開展變更設計和觀測記錄分析，進一步消除施工中可見的安全風險，保證隧道工程及鐵路的長期運營安全。

2.2 設計階段安全風險管理

2.2.1 余家隧道可研設計階段安全風險管理

余家隧道(原齊耀山隧道)可研設計階段采用穿越齊耀山背斜、下穿白羊塘溶蝕槽谷的低線長隧方案(隧道全長8 560 m)，通過大量可溶巖地區及斷層破碎帶高壓富水區，該方案隧道最大埋深約447 m，位于白羊塘槽谷下約70 m。白羊塘槽谷處在T2b碎屑巖和T1j碳酸鹽巖的交界處，碎屑巖為阻水層，較大面積的碳酸鹽巖發育的巖溶水，向槽谷區運移受阻于阻水層而富集，易形成帶狀富水。齊耀山背斜褶皺的走向裂隙和橫張裂隙是巖溶發育的主控裂隙構造，也是巖溶水向槽谷運移的主要通道，槽谷區發育走向斷層，縱貫槽谷，上下盤斷層隙不但導水、儲水，而且有利于水動力循環，有利于巖溶向縱深發育。余家隧道可研階段巖溶特征及風險判定見表1。

根據白羊塘溶蝕槽谷及齊耀山背斜巖溶特征判定，可研設計階段余家隧道突水(泥)、地表失水初始風險等級為極高。借鑒相鄰宜萬鐵路及滬蓉西高速公路齊耀山隧道建設、設計和施工經驗，將規避和降低巖溶突水(泥)安全風險做為設計階段主要安全風險管理任務。

表1 余家隧道可研階段巖溶特征及風險判定Table 1 Karst features and risk assessment of Yujia tunnel obtained in feasibility study stage

2.2.2 余家隧道初步設計階段安全風險管理

根據初步風險分析結果，在可研階段低線長隧方案基礎上，比選抬高線路高程，以橋通過白羊塘溶蝕槽谷的高線短隧(隧道全長3 920 m)方案，使隧道主要位于垂直循環帶—季節循環帶，極大地降低了隧道開挖出現高壓突水及揭穿大規模溶洞的風險。

初步設計階段余家隧道有80 m段落突水(泥)，初始風險等級為極高，占隧道全長的2.29%，殘余風險等級為高度。評估認為雖然突水(泥)極高風險段落不長，在采取可靠技術措施的情況下安全通過的概率較大，但仍然存在著一旦發生就無法接受的風險損失，或者工期難以保證。為此，經專家論證，認為必須消除極高風險段落，以降低全隧安全風險。

2.2.3 余家隧道施工圖階段安全風險管理

根據余家隧道初步設計的審查意見并結合風險評估情況，將余家隧道進口由小人字坡(進口縱坡長850 m)調整為大人字坡(進口縱坡長1 770 m)，變坡點高程由1 424.66 m抬高到1 427.55 m，以抬高線路高程。通過取消出口淺埋段，余家隧道長度由3 920 m減至3 491 m，縮短了429 m，隧道最大埋深由370 m降至351 m。

施工圖設計階段規避了極高安全風險，只存在540 m的突水(泥)高度風險段落，占隧道全長的15.47%，可接受。余家隧道初步設計及施工圖階段風險統計見表2，可研階段線路方案比選見圖2，初步設計階段巖溶選線見圖3。

表2 余家隧道初步設計及施工圖階段風險統計Table 2 Statistics of risks of Yujia tunnel obtained in preliminary design stage and construction drawing design stage

3 實施階段安全風險控制與應用

3.1 實施階段安全風險控制

3.1.1 建設單位招標及實施階段安全風險管理

為從源頭加強隧道安全風險管理，建設單位在招標文件中結合隧道工程特點，提出隧道風險等級和管理要求，制定風險管理計劃，明確組織機構、人員要求、各方應承擔的風險管理責任，界定風險分擔的原則、風險的接受準則和費用，并要求投標文件響應招標文件，說明本企業風險管理能力，提出新發現或預測到的各種風險，明確風險監測辦法及重大風險的應急措施。

此外，在隧道建設實施階段強調狠抓落實，適時開展安全風險研判、分析和評估，通過制定合理的風險控制和處理措施，切實做好實施階段的安全風險管理。總體思路是:強化意識，加強研判，控制過程，突出應急。

3.1.2 施工階段風險控制措施

制定風險管理實施細則。施工單位是風險控制的實施主體，根據風險評估結果、地質條件、施工條件等，逐條細化風險控制措施，編制風險管理實施細則，明確安全管理制度、管理機構及職責，落實人員、設備、材料及現場安排，制定監控、監測及預警方案，完善應急預案及演練安排。風險管理實施細則經監理單位審查、建設單位審定后，納入實施性施工組織設計。

完善專項施工方案、作業指導書和作業標準。施工單位按照風險管理實施細則編制專項施工方案，專項施工方案經施工單位技術負責人審定后報總監理工程師審查，報建設單位批準。施工單位按照批準的專項施工方案編制作業指導書和作業標準，組建專業作業隊和專業作業班組，配置相應機械設備。施工單位將有關風險控制措施、工作要求、工作標準向作業隊進行詳細的技術交底，向施工作業班組、作業人員進行詳細說明，并派專職安全風險管理人員現場監督，督促作業人員嚴格按照作業指導書和作業標準施工。

嚴格組織實施并進行動態管理，風險管理突出“四個強化，五個狠抓”。即:強化制度建設，建立健全風險管理機制;強化過程控制，抓好巡視檢查落實;強化設備配套，推行隧道機械化施工;強化監控手段，實行信息檢測分析;狠抓架子隊建設，狠抓超前地質預報及隱伏巖溶探測，狠抓隧道風險監測，狠抓各項安全措施落實，狠抓應急處置。

圖2 余家隧道可研階段線路方案比選Fig.2 Comparison and contrast between different route schemes of Yujia tunnel in feasibility study stage

圖3 余家隧道初步設計階段巖溶選線Fig.3 Comparison and contrast between different route schemes of Yujia tunnel in preliminary design stage，considering karst conditions

3.1.3 隧道超前地質預報體系

超前地質預報體系以超前水平鉆探為主，地質素描、TSP203、地質雷達、炮眼加深、紅外探水等為輔進行綜合地質預報。在一般風險段落實施超前地質預報及監控量測等地質預報工作，在巖溶或斷層破碎帶富水區采取超前探水，超前注漿，徑向注漿減緩突水、突泥風險，降低殘留風險等級，將風險由“高度”降為“中度”。超前地質預報頻次見表3。

3.2 案例應用:余家隧道馬槽洞暗河影響區風險分析

3.2.1 溶腔的查找和判識

余家隧道馬槽洞暗河影響區采用TSP物探先行，TSP預報顯示DK248+977～+984，DK249+031～+ 038和DK248+049～+069存在溶洞或巖溶管道。結合TSP物探結果，采用超前鉆孔探測，對掌子面前方溶腔規模特征、充填介質特征、水文特征、環境特征進行預測、分析，最終判定隧道在DK248+940處進入溶腔，且鉆探顯示溶腔為空腔。隧道接近溶腔時，采用風鉆鉆探對溶腔臨近界面進行區域鎖定，通過鉆進速度、排碴情況、水量大小，按區域確定溶腔巖盤厚度，根據超前鉆孔及風鉆探孔，確定溶洞在隧道拱部巖盤厚度，精確爆破隧道拱部揭示溶腔。

表3 超前地質預報頻次Table 3 Frequency of different advance geology prediction methods

3.2.2 溶腔揭示

在爆破后，揭示溶洞位于隧道拱部，在線路右側形成一溶腔大廳，縱向長50 m，橫向寬60 m，高15 m，自線路右側發育至左側，揭示里程為DK248+940～+ 980，大廳內有2處落水洞與地表相通，沿線路左側大里程方向變為平行于線路的1個狹長溶洞，斷面逐漸縮小，向大里程方向延長100 m。溶腔內常年有積水，水量大小隨地表降水變化，洞內充填碎石、塊石土及軟塑狀黏土。

其后分別發現7個溶洞，均為馬槽河暗河溶洞分支管道，溶洞內有流水，積水深2～5 m，暗河管道底板均低于隧道底板標高。

3.2.3 溶腔處治

為了揭示前方地質情況，并防止隧道棄碴堵塞暗河，施工中臨時采用圓木封堵暗河出露口，并將其作為施工通道。溶腔壁采用錨網噴射混凝土或澆筑混凝土護拱結構保護層，并通過調整相應段落的圍巖級別，以加強支護。通過對進口段溶洞1個完整水文年的連續水量觀測，發現雨季期溶洞水量增大，地下水位上漲，暗河水進入隧道。為保證巖溶水能得到有效排泄，不危及隧道結構及運營期間安全，于線路右側25 m處變更設計，設置長676 m的泄水洞，增設3處橫向排水孔，以確保左側溶洞的巖溶水可通過排水孔引入右側溶腔，進而排入泄水洞。溶洞通過段仰拱及邊墻底溶洞開挖后清除充填物，再采用C15片石混凝土回填密實。

3.3 余家隧道安全風險管理效果

余家隧道2009年1月開工建設，DK248+874～ DK249+540段開挖揭示出巖溶發育，揭穿多處互通溶洞群，溶洞大小不一，發育程度各異，大多數洞穴存在塊碎石、黏土充填，并常有石鐘乳、石筍等，溶洞內地下水發育。經觀察，大多數溶洞內有靜態積水或動態流水，部分地段為地下暗河通道，形成了較復雜的進口暗河系統。上述溶洞均表現為枯水季節水量較少，雨季時水量較大，可認為位于地下水垂直循環帶—季節循環帶，因此，有效地規避了水平循環帶將面臨的高水壓、大規模溶洞等不良水文地質條件，而洞身及出口段落溶洞則只是零星出現。余家隧道溶洞形態見圖4。余家隧道于2010年12月安全貫通，施工過程中未出現大的涌水及高壓巖溶水突出，未發生任何安全事故。

圖4 余家隧道溶洞形態Fig.4 Picture of karst caves of Yujia tunnel

4 全線安全風險控制應用效果

渝利鐵路隧道工程安全風險管理通過“強化意識，加強研判，控制過程，突出應急”等措施，采用設計階段優化線路，施工階段風險計劃、辨識、估計、評價及控制相綜合的方法，最大限度地消除了風險。全線所有的隧道工程在預期的工期內貫通，并有所提前。其中，5座巖溶高風險隧道平均提前7.2個月貫通，初始風險最高、難度最大的余家隧道及方斗山隧道分別提前8個月和11個月貫通，取得了良好的社會效益及經濟效益。渝利鐵路重點隧道施工情況見表4。

表4 渝利鐵路重點隧道施工情況Table 4 Statistics of construction of major tunnels on Chongqing-Lichuan railway

5 結論與建議

5.1 結論

注重提前介入，實施源頭管理。堅持嚴把設計源頭關，深度介入前期工作，參與勘察設計過程，及時發現設計中存在的問題，加強與設計部門的協調，抓住在可研、初設和施工圖設計等各個階段的風險辨識、風險控制和防范措施的優化工作，盡可能在設計階段有效規避風險，從根本上抓住安全風險防范的源頭，降低可能的風險災害損失。歸納出以下3條控制風險的選線設計原則，可供今后類似工程參考。

1)在越嶺地帶通過抬高線路高程，使線路在溶蝕槽谷頂通過或露出地面，縮短隧道長度，降低工程風險。

2)在有暗河或河流切割可溶巖構造地區，通過靠近該區地下水排泄基準面，在暗河地段使隧道靠近暗河，通過泄水洞等方式進行有效排泄，或將隧道置于相對安全的巖溶水垂直循環帶內。

3)新線應盡量靠近且高于既有或在建隧道工程。一方面，可以借鑒既有工程施工經驗，減小施工風險;另一方面，靠近既有工程形成的地下水降落漏斗，降低巖溶涌突水風險。

嚴抓過程控制，堅持安全風險的環節管理。項目前期及實施過程中充分發揮引領作用，從各個階段嚴格按要求組織開展工程風險評估工作，在此基礎上加強安全風險的評估分析，強化施工方案審查的風險控制。

狠抓現場管控，堅持按設計和施工規范落實各項措施。一是要根據風險隧道評估結果、地質條件、施工條件等，編制風險管理實施細則，細化隧道風險控制措施。二是運用超前地質預測預報技術對隧道施工風險因素進行超前預報。三是依靠風險管理制度和強有力的管理手段落實風險控制措施，嚴格執行“先探后挖”和“五不開挖”原則，嚴格落實責任追究制度。四是加強溝通，及時反饋信息。

5.2 建議

本項目的安全風險管理在工程實施中取得了極大的成功，但也存在未及時開展安全風險管理的后評估工作。建議類似項目在安全風險管理取得成績的同時，委托有關單位進行安全風險管理的后評估工作，總結安全風險管理的經驗與教訓，改進管理方法和管理手段，并形成標準化管理，以期為今后類似項目提供參考與借鑒。

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