鄭萬高鐵湖北段隧道風險評估與控制對策綜述

喻 渝， 李老三

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 四川 成都 610031)

0 引言

在工程建設中，風險通常是指潛在的不利事件的概率和后果的組合[1]。風險無處不在，其發生具有隨機性與偶然性。隧道施工風險控制應將可能發生的各類風險降至合理、可接受的水平，為實現隧道工程安全、穩定、質量、環境、工期、投資等目標提供技術保障[2]。

隨著我國高速鐵路建設的迅速發展，鐵路建設項目逐漸由中東部平原地區向西部山區轉移，建設在復雜環境、不良地質條件下的隧道越來越多，建設難度和風險也越來越高。鄭萬高鐵縱連豫、鄂、渝3省(市)，是我國高速鐵路網中的骨干線路，其中，湖北段線路穿行于崇山峻嶺之間，工程條件異常艱險，地質環境極其復雜，長大深埋隧道多，隧線比高，已成為在建高鐵安全風險最高的鐵路線路之一。在如此困難的環境條件下大規模地建設高標準特大斷面雙線鐵路隧道，風險能否得到有效控制成為了建設成敗的關鍵。

為了減少隧道建設期間風險事故帶來的人員傷亡、財產損失和環境變差等不良后果，針對鄭萬高鐵湖北段，對隧道工程實施過程中可能遇到的自然風險、社會風險、地質風險和技術風險等各種風險因素進行了系統地辨識和評估，全面開展了貫穿勘察、設計和施工整個建設流程的風險管理和控制工作。

1 沿線隧道概況

鄭萬高鐵線路自河南省鄭州東站引出，途徑開封市、許昌市、鄧州市后進入湖北省境內，并經襄陽市、南漳縣、保康縣、神農架林區、興山縣、巴東縣后進入重慶市境內，經巫山縣、奉節縣、云陽縣至萬州區連接渝萬高鐵。全線正線建設長度為818 km，湖北境內正線建設長度為287 km。

湖北省境內共有雙線隧道33座，全長167.619 km，約占湖北段線路總長的58%。其中，長度大于10 km的隧道共7座，分別為保康隧道(14 574 m)、羅家山隧道(10 640 m)、新華隧道(18 770 m)、興山隧道(10 085 m)、香爐坪隧道(15 154 m)、巴東隧道(13 553 m)和香樹灣隧道(12 475 m，跨省界)。鄭萬高鐵湖北段隧道分布情況見表1。

表1 鄭萬高鐵湖北段隧道分布情況

2 隧道風險評估與風險等級評定

風險評估是鐵路建設工程必需開展的工作之一。通過風險評估工作，識別潛在的風險因素，確定風險等級，提出風險處理措施，將各類風險降到可接受水平，以達到確保安全、保護環境、投資合理、保障工期、提高效益的目的。

2.1 風險評估的基本程序

鄭萬高鐵隧道工程嚴格按照以下基本程序開展風險評估工作： 1)對初始風險進行識別，形成風險清單表； 2)對初始風險進行評價，確定各個風險因素針對目標風險發生的概率和后果等級，并最終確定初始風險的等級； 3)依據風險評價結果和風險接受準則，制定相應的方案和措施； 4)對風險進行再評估，提出殘留風險等級。

2.2 隧道的主要風險因素辨識

鄭萬高鐵側重于安全風險的管理和控制，同時兼顧工期等其他各種風險。安全風險的風險因素主要來自2個方面： 一是地質風險因素；二是環境風險因素。

2.2.1 地質風險因素辨識

鄭萬高鐵線路沿線地勢總體北低南高，施工段內奇峰異嶺、層巒疊嶂、山高谷深。鄭萬高鐵沿線地形地貌如圖1所示。區域地層發育較完整，自元古界至新生界地層皆有分布。據統計，第四系覆蓋層總長度約為62.1 km，占線路總長度的21.6%；可溶巖總長度約為64.4 km，占線路總長度的22.3%。非可溶巖情況為： 志留系頁巖總長度約為82.0 km，占線路總長度的28.5%；紅層總長度約為62.6 km，占線路總長度的21.7%；其他非可溶巖總長度約為16.9 km，占線路總長度的5.9%。隧道洞身以Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ級圍巖為主，各級圍巖占比見表2。

圖1 鄭萬高鐵沿線地形地貌

Fig. 1 Landform along Zhengzhou-Wanzhou High-speed Railway

表2 隧道各級圍巖占比

線路所在區域跨越華北地臺、秦祁褶皺系、揚子地臺，橫穿康西瓦—商南—榮成板塊縫合帶，新構造運動強烈，地震活動頻繁，地層巖性紛雜，地形起伏大，地質條件極為復雜。深大活動斷裂(層)、背(向)斜、巖溶、危巖落石、巖堆、錯落、崩塌、順層、煤層瓦斯及采空區、滑坡、泥石流、膨脹土、人工填土等不良地質和特殊巖土極其發育，這些不良地質和特殊巖土構成了本線隧道的主要地質風險因素。

2.2.1.1 斷裂、斷層、背斜和向斜構造

隧道沿線地質構造發育。對隧道施工安全影響大的深大斷裂有3條，分別是劉坪隧道南漳—荊門斷裂、保康隧道塘兒河—崔家沖斷裂和興山隧道新華富水斷裂。隧道穿越斷層25條，其中，富水斷層有保康隧道分水嶺斷層、向子棚斷層、楚烽隧道杜家坡斷層等。另外，還有12處背、向斜構造，受到背、向斜構造影響的隧道有12座。隧道通過這些構造帶時存在較大的塌方、支護變形和突水、突泥風險。

2.2.1.2 巖溶和巖溶水

湖北境內巖溶洼地、落水洞、暗河出入口、溶槽、石牙等巖溶地表形態發育，如圖2所示。湖北境內共13座隧道通過可溶巖段，總長51 km，占隧道總長度的31%。其中，巖溶強烈發育段長27 km，主要分布在高家坪、羅家山、楚烽、興山及榮家灣等隧道。隧道通過的地下巖溶水水平徑流帶長12 km，主要分布在杏橋坪、羅家山、楚烽、新華、興山及向家灣隧道，最大水頭高度為170 m。隧道通過可溶巖地段統計見表3。

隧道開挖過程中揭示大型溶洞、暗河等巖溶的概率很高，發生支護結構破壞、突水突泥的風險極大。

(a) 暗河出入口

(b) 巖溶洼地

2.2.1.3 危巖落石、巖堆、滑坡、錯落、崩塌等重力不良地質

沿線峽谷地段，地形切割強烈，山高谷深陡崖多，在陡崖上方多分布有危巖落石，下方緩坡地帶多分布有巖堆、崩塌，如圖3所示。

表3 隧道通過可溶巖地段統計

(a) 巖堆

(b) 危巖落石

本線共14座隧道存在危巖落石，典型工點有： 新華隧道進口、甘家山隧道進口、向家灣隧道、平陽1號隧道進口和香爐坪隧道出口等工點，危巖體單塊體積0.5～2 m3，最大坡高100～150 m，最大危巖體總體積約2萬m3，對隧道洞口施工和運營的安全威脅較大。另外，線路附近共分布巖堆86處，對隧道影響較大的有杏橋坪隧道進口、香耳山1號隧道進口、黃家寨隧道進口、魏家坡1號隧道進口、保康隧道出口、興山隧道進口等6處巖堆，洞口開挖時，邊仰坡地表開裂、失穩或坍塌風險高。

2.2.1.4 順層

湖北境內順層隧道共24座，隧道順層段落約81 km，占隧道總長度的48%，主要分布在蘇家巖、后灣、保康及羅家山等隧道，存在因順層偏壓引起隧道坍方或受力不均勻而發生支護結構開裂的潛在風險。

隧道經過二疊系上統(P2)炭質頁巖、煤線，下統棲霞組夾煤地層，侏羅系下統珍珠沖組(J1z)頁巖夾煤線和三疊系上統須家河組(T3xj)炭質頁巖夾煤地層。湖北境內共有4座低瓦斯隧道，分別為高家坪隧道、向家灣隧道、香爐坪隧道和巴東隧道，瓦斯段落長度共計5 km，存在瓦斯燃燒、爆炸和有害氣體中毒的風險。

2.2.2 環境風險因素辨識

鄭萬高鐵湖北段通過的區域沿線自然環境優美、歷史文化悠久，分布有眾多的自然保護區、風景名勝區、水源保護區、文物古跡保護區、國家重點保護的野生動植物區、基本農田保護區等環境敏感點。

1)自然保護區。線路所經區域內共有各級自然保護區29處，其中，省級自然保護區13處(例如以主要保護對象為森林生態系統及珍稀野生動植物的五道峽省級自然保護區)，市級自然保護區9處，縣級自然保護區7處。

2)風景名勝區。線路所經區域內共有各級風景名勝區7處，其中，國家級風景名勝區1處，省級風景名勝區6處。

3)森林公園。線路所經區域內共有各級森林公園15處，其中，國家級森林公園3處，省級森林公園12處。

4)地質公園。線路所經區域內共有地質公園3處，其中，國家級地質公園1處(長江三峽國家地質公園)，省級地質公園2處。

5)水源保護區。線路所經區域內有城鎮集中式飲用水水源保護區18處，例如漢江白家灣水廠水源保護區。

老北京火鍋也就是我們常說的涮羊肉，羊肉講究肉質細且無膻味，鮮嫩無比，銅鍋涮羊肉是老北京地道的火鍋吃法，它對器具和食材的選用非常講究：銅鍋、清水、涮鮮羊。吃起來就一個字兒：“純”！湯底用的是清水，頂多放蔥姜；羊肉的鮮味純，可不像吃羊肉凍卷，那可是新鮮羊肉手切片，用筷子一提溜，變色后撈出。

6)國家重點保護動植物。湖北境內線路所經的荊山山脈是湖北省重點林區和野生動植物的重點分布區，分布著大量原生植被和多種國家重點保護動植物。列入國家重點保護野生動物名錄的種類有48種，國家重點保護野生植物共有24種。

7)基本農田保護區。在豫、鄂省界至南漳段以盆地、沖積平原為主，農村地區土地利用以農業耕地為主，基本農田分布較為密集。

8)上跨、下穿臨近既有高速公路。湖北境內線路多處與渝宜高速公路交叉，以隧道方式下穿高速公路共5處。在南漳至長坪段與麻竹高速公路隧道并行，受到影響的隧道分別為劉坪、高家坪、楊家坪、五盤山、埡子沖、香耳山1號等6座隧道，最小凈距為15 m，存在隧道結構變形、開裂的風險。

2.2.3 工期風險因素辨識

鄭萬高鐵建設工期5年，隧道土建工期4～4.5年，部分隧道建設工期接近全線施工組織關門工期，工期風險較大。高家坪、蘇家巖、保康、羅家山、楚烽、甘家山、香爐坪、巴東等8座隧道存在高度工期風險，其控制工期見表4。

表4 鄭萬高鐵隧道控制工期

2.3 風險等級評定

潛在的風險因素會帶來風險事故。鐵路隧道風險等級根據風險事故發生概率的等級和風險事故產生后果的嚴重程度確定，等級劃分標準與風險接受準則參照現行規范[1]執行。鄭萬高鐵湖北段初始風險為高風險的隧道有17座(見表5)，其余16座隧道風險等級為中度。

表5 鄭萬高鐵湖北段高風險隧道

表5(續)

注： ★代表存在此類風險。

3 風險控制措施

風險控制始終貫穿于勘察、設計和施工階段全過程。各個階段風險控制的內容和側重點有所不同。勘察設計階段以地質風險和環境風險控制為重點，確定線路方案時已經規避了大型不良地質段落，減少了巖溶、危巖和瓦斯等高風險源，并且針對鄭萬高鐵每座隧道具體的風險因素制定了風險控制措施；施工階段，重點在建章立制，督促風險控制措施的有效落實，并制定風險應急預案。

3.1 勘察設計階段

勘察設計階段是風險控制的源頭，是控制風險的關鍵環節。針對鄭萬高鐵，勘察設計階段風險控制的重點集中在隧道線位、超前地質預報、大型機械化配套和針對各種風險因素的工程對策等4個方面。

3.1.1 選擇風險較低的隧道線位方案

通過選擇合理的線路繞避極高風險源是控制全線隧道安全風險的重要措施之一。在勘察設計階段，在加深地質工作并結合現場調查的基礎上，為繞避大型不良地質或者環境敏感區開展了大量卓有成效的方案比選工作。以降低隧道風險為目的的典型線路繞避方案有： 1)楚烽隧道前后線路比較，主要控制隧道巖溶與巖溶水地質風險因素； 2)興山車站前后線路方案比較，主要控制隧道危巖落石和滑坡地質風險因素； 3)香爐坪隧道前后線路方案比較，主要控制隧道巖溶和巖溶水、危巖落石、滑坡、巖堆等地質風險因素； 4)榮家灣隧道前后線路方案比較，主要控制隧道危巖落石、巖溶和巖溶水地質風險因素。

以規避巖溶風險為例，通過選線階段有目的的方案比選，全段通過可溶巖的長度大幅度縮短。可研階段線路通過可溶巖的長度為125 km，初步設計階段減小到106 km，施工圖設計階段減小到92 km。同時，隧道巖溶水壓力水頭也由最高300 m降低到170 m。隧道突水、突泥的風險得到了大幅度的降低。

通過線路方案優化，數次繞避大、巨型不良地質體后，目前施工圖中隧道沿線僅存在8處滑坡、14處危巖、35處巖堆對工程有一定程度的影響。

3.1.2 制定完整的綜合超前地質預報方案

針對全段33座隧道及其輔助導坑全面開展綜合超前地質預報工作。利用地震波法、聲波反射法、地質雷達等綜合物探手段和超前水平鉆孔，結合常規地質素描法，預測掌子面前方巖層及巖層變化點巖體的完整性、構造、巖溶發育情況、突涌水位置、水量、水壓，綜合分析富水地段地下水的補、徑、排特點，并評價隧道修建對生態環境產生的影響程度，同時預測煤層瓦斯等有毒、有害氣體賦存狀況。

3.1.3 大型機械化配套

針對本線深埋長大隧道多、設置輔助導坑困難的特點，為加強隧道施工安全，保證建設工期，對重點隧道(高家坪隧道進口、保康隧道橫洞及斜井、羅家山隧道橫洞等15座隧道，共24個工區)采取加強型大型機械化配套施工，正線隧道配套長度約為90 km，其余均為機械化基本配置。

3.1.4 制定可靠的風險控制措施

針對各隧道工點存在的風險因素，采取了以下減輕風險程度的控制措施。

1)危巖落石風險控制。鄭萬高鐵湖北段共有14處危巖落石對隧道洞口造成安全隱患。采取的風險控制措施： ①貫徹“早進晚出”的原則，優先考慮接長明洞，全線共接長各類防落石明洞1 113 m； ②結合洞口危巖規模、基巖風化程度以及地形條件，采取清除、嵌補、主被動防護網等措施。

2)坍方風險控制。鄭萬高鐵湖北段地質復雜，軟弱圍巖段落長，坍方是隧道可能遇到的主要風險之一。采取的風險控制措施： ①超前支護和預注漿，預先加固前方軟弱圍巖，提高圍巖的自承能力，控制圍巖變形的發展； ②積極推廣應用“鄭萬高鐵大斷面隧道安全快速標準化修建關鍵技術研究”科研成果，開展綜合機械化配套大斷面開挖，提高開挖質量，減少圍巖擾動，做到快挖、快支護、快封閉； ③針對本線Ⅲ級圍巖隧道順層偏壓和巖層緩傾段，拱部設置格柵鋼架加強，采取順層側錨桿加長加密、非順層側錨桿相應減少的不對稱設置錨桿的措施； ④加強監控量測，根據監控量測結果及時調整支護參數。

3)突水、突泥風險控制。鄭萬高鐵湖北段13座隧道通過灰巖、白云巖等巖溶地層，長達51 km，施工過程中可能產生突水、突泥現象。風險控制措施有： ①盡量實現順坡施工條件； ②采取超前帷幕注漿、超前周邊注漿、超前局部注漿、開挖后徑向注漿及其組合方式堵水； ③高壓富水段設置泄水平導、隧道結構配筋加強等措施； ④完善襯砌背后防排水網絡系統。

4)煤層瓦斯風險控制。全段共有4座隧道洞身穿越煤層，存在瓦斯燃燒和爆炸的風險，應加強瓦斯監測和通風。

5)下穿臨近既有建構筑物風險控制。強化觀測和監測，必要時對既有建(構)筑物進行預加固，施工時采用控制爆破或非爆破開挖，加強初期支護和二次襯砌。

6)自然風險控制。不在自然保護區、風景名勝區等生態敏感區設置隧道及輔助導坑，全段43座渣場和施工營地的設置均避開生態敏感區。

針對每座隧道的風險因素，設計中采取了相應的處理措施。在兼顧投資和工期的前提下，針對各種風險所采用的設計措施均能有效降低隧道風險等級，殘留風險等級大部分已降至中度以下，在可接受范圍內。

3.2 施工階段風險控制

規章制度是風險控制措施落實的保證，施工階段風險控制的重點在于建章立制和各項風險控制措施的落實。建設單位武九客運專線湖北公司根據國家、行業相關法規和設計文件要求制定項目的工程風險管理辦法，通過相關管理文件或辦法，建立了風險管理的組織機構、責任體系，明確了各個單位和管理者的工作內容和職責范圍，規定了本項目的風險管理方法和流程，建立了項目的檢查和考核制度。

現場襄陽、興山指揮部以公司管理辦法為依據，結合管段工程特點，編制風險管理實施細則，編制重大危險源盯控要點。針對高風險隧道實施《高風險隧道安全施工條件評估制度》，對不同級別的高風險隧道進行首座評估，同時，還實施《高風險隧道包保制度》，對Ⅰ級、Ⅱ級高風險隧道實行指揮長風險包保責任制，以確保各項風險控制措施的落實。

此外，建設單位正在創建項目風險管理平臺。該平臺利用計算機技術及現代信息技術，搭建風險信息系統網絡，建立涵蓋資料管理、工作信息流轉、風險評估、風險監控、預警及組織指揮等功能的工程安全風險遠程監控信息系統，實時掌握現場重大安全風險，并對風險進行全程動態監測。

施工單位是風險控制的實施主體，在建設單位的領導下，以高風險隧道高家坪隧道為例，建立了《隧道進出人員動態管理制度》、《應急救援管理制度》、《高風險隧道帶班作業制度》、《高風險隧道跟班作業制度》等一系列制度。根據標準化管理和大斷面隧道安全快速標準化修建關鍵技術研究的需要，編制普通機械化和大斷面隧道大型機械化條件下的隧道爆破、襯砌和瓦斯作業等專項技術方案以及隧道開挖、錨桿和噴射混凝土作業等20余項隧道工序作業指導書，基本達到了風險控制全覆蓋不留盲區的要求。

鄭萬高鐵湖北段開工一年多來，隧道工程已完成開挖約40%以上，設計階段預測的各種隧道風險因素正在不斷地揭示出來，各項風險控制措施實施以后已經初見成效，當前全段隧道施工安全風險處于可控的狀態。1)五盤山隧道出口、保康隧道進口、羅家山隧道出口等20處存危巖落石危害的洞口，采用了“先清除、再支擋、最后防護”的處理原則，最終確保了施工的安全。2)羅家山、平陽1號、榮家灣等3座隧道已揭示存在巖溶管道，采取保留既有管道通暢或引排至泄水平導再排至洞外并設置迂回導坑、加強相應段落的基底及結構處理的方法。3)黃家溝、保康、巴東等軟弱圍巖隧道受構造影響，圍巖極其破碎，設計采取超前注漿加固、加大預留變形量、加強支護和襯砌的措施進行處理，工程措施有效，施工安全可控。

4 結論與建議

鄭萬高鐵湖北段是國內在建的高風險鐵路工程項目。勘察設計階段運用風險管理的理論和方法對全段隧道進行風險評估，辨識出了深大活動斷裂(層)、背(向)斜、巖溶、危巖落石、巖堆、錯落、崩塌、順層、煤層瓦斯、滑坡、泥石流等主要地質風險因素。在全段33座隧道中，評估出17座初始風險為高度風險的隧道，其中，5座隧道需要按Ⅰ級風險進行管理，6座隧道需要按Ⅱ級風險進行管理。通過合理的線路方案選擇了通過巖溶發育區域的最短路徑，繞避了規模較大的滑坡、巖堆、危巖落石等風險源。針對不同風險因素提出了相應的風險控制措施，將風險降低到可接受的程度。目前，鄭萬高鐵湖北段的施工已經全面展開，在工程建設中需要注意以下問題：

1)嚴格按照國家、行業的相關規定開展現場風險管理工作，落實設計要求的風險控制措施，加強檢查和監督。

2)本段地質環境復雜，風險因素難以完全查清，要注意對新出現風險的辨識，及時調整風險控制措施，實行動態風險管理。

3)推廣隧道大型機械化配套作業，減少現場作業人員數量，避免群死群傷；加快風險信息化管理平臺的建設，實現對風險的實時監控和快速應急處理。