淺埋偏壓隧道施工風險源分析及其識別方法

劉文杰

(重慶交通大學土木工程學院，重慶 400074)

1 隧道施工風險源分析

根據交通運輸部統計數據，截至2018年末，全國公路隧道1 723.61×104m，較去年增加195.10×104m，隧道建設發展迅猛。我國山脈縱橫，地質結構復雜，為了減輕“大開挖”對環境產生不利影響，提出隧道應該“宜長不宜短”，這就需要在在覆蓋層較淺的地方延長隧道長度，容易形成淺埋隧道。深淺埋隧道的判據是隧道上方是否形成穩定的壓力拱[1]。同時，在復雜地質條件下，對稱的隧道結構左右兩側受到不同的圍巖壓力使得其結構內力在左右兩側不對稱，此時就形成了偏壓隧道。偏壓隧道的形成[2]主要受地形和地質影響，其中地形因素主要有：隧道傍山、洞頂覆蓋層較薄、地表傾斜度大等；地質因素有：隧道圍巖巖層產狀傾斜、節理裂隙發育，圍巖自穩能力差，導致隧道結構圍巖壓力不均勻。另外，還有施工原因導致偏壓隧道的形成。

在隧道施工過程中，由于地質情況復雜，各種風險和有害因素交織，工傷事故的發生率居高不下。工程風險[3]是指在工程建設過程中，由于情況的不確定因素對施工方造成的各種損失。風險一般包括風險因子、風險事故和風險損失，其中風險因子的相互交織構成了風險源。在隧道施工過程中常見的施工風險源主要是圍巖失穩和施工環境造成的事故[4]。為了減輕施工風險事故造成的損失，應該對施工風險源進行提早辨識。而在現階段我國的隧道建設中，“事故處理”仍然是隧道施工安全風險管理的工作重心，現存的施工安全管理系統并沒有很好的解決施工安全問題。簡而言之，目前的施工風險管理大部分仍停留在“事故發生—事故處理—事故總結”階段，而并沒有延伸到事故發生的前序階段，即“風險源識別與預測”。所以，應完成由“事故處理型”到“事故預測型”的轉變。

本文將重點針對復雜地質條件下淺埋偏壓隧道進行研究，分析此類隧道施工風險源的主要來源及其識別方法，對一般性隧道的風險辨識流程僅作簡單介紹。依托既有工程，通過展示計算機對淺埋偏壓隧道應力應變的模擬結果，揭露復雜地質條件下的淺埋偏壓隧道存在的重大風險源，然后針對此類風險源提出識別與預測方法。為后續的風險辨識及評估工作做準備，為安全施工打下基礎。

2 復雜地質條件下的淺埋偏壓隧道主要施工風險源分析

2.1 淺埋偏壓隧道施工風險來源

一般隧道在施工過程中的主要風險事故有圍巖失穩和外界施工環境事故。其中圍巖失穩包括塌方、大變形[5]、突泥突水[6]和巖爆[7]。這里主要針對淺埋偏壓隧道極易出現的塌方事故作分析研究。

淺埋偏壓隧道由于其特殊的地形地貌、地質條件，圍巖條件往往為軟弱、破碎、富水，且其左右兩側圍巖壓力不對稱，故開挖施工過程中極易引發塌坍和變形破裂等失穩破壞的次生地質災害；如果不及時采取管控措施，就會形成鏈式災變演化發展[8]，產生圍巖破裂與坍塌、隧道結構裂損、隧道滲漏水、冒頂[9]、洞口邊仰坡失穩、地面塌陷與開裂破壞等嚴重安全事故和人員生命、財產的極大損失，并產生不良的社會影響。

研究表明[10]：淺埋偏壓隧道在開挖過程中破壞的主要原因是巖體在重力作用下的坍塌導致的塌方事故。在隧道開挖前，原有的巖體保持平衡狀態，在開挖過程中,巖體內應力開始重分布，不斷進行變化和調整，使巖體內力保持動態平衡，當隧道支護或巖體本身提供的支撐強度不足時，巖體在重力作用下發生坍塌。

本項目依托工程為貴州正習高速公路第十八合同段天鵝穴偏壓隧道，根據現場地質勘查報告結果顯示，該隧道采用臺階法開挖，巖層條件較差，抗風能力弱；節理裂隙發育；掌子面風化較嚴重，破碎程度大；圍巖自穩能力差，容易脫落，無支護時側壁、拱頂易掉塊，屬IV、V級圍巖(圖1)。

圖1 巖體整體較破碎，節理裂隙較發育

2.2 淺埋偏壓隧道應力和位移數值模擬分析

利用MIDAS-GTS軟件建立了淺埋偏壓隧道進口段數值計算模型，分析計算了隧道在開挖時的應力和位移分布規律。此模型分析對本項目的隧道施工風險源識別提供了重要參考。

計算模型如圖2所示，模型參數見表1。數值模擬結果見圖3、圖4。

圖2 數值模擬模型

表1 模型參數

(a)第一主應力

(b)第三主應力

(a)收斂

(b)沉降

2.2.1 開挖后應力分布

在圖3(a)為第一主應力分布，如圖顯示了在隧道開挖后頂部出現了拉應力，且分布范圍較廣。圖3(b)為第三主應力分布，圖中結果顯示了隧道在開挖后，由于偏壓作用，圍巖應力在左右側分布不對稱，且主壓應力由深埋部位指向淺埋部位。且在深埋方向拱腳處和淺埋方向起拱線部位出現應力集中現象。所以，在不對稱圍巖壓力(偏壓)作用下，圍巖將會產生不對稱不均勻變形，在集中荷載作用處容易產生局部破壞或失穩。

2.2.2 開挖后隧道周圍變形

圖4為隧道開挖后周邊圍巖的位移變化特征，由圖可知，在偏壓荷載作用下，隧道結構產生了明顯的不對稱變形，在拱頂的深埋一側沉降最明顯，在拱底淺埋側產生回彈變形，深埋側的隧道側壁收斂更大。同時，由于隧道屬淺埋隧道，拱頂的沉降變形已經延伸到地面，所以，如果不采取防護措施，隧道極易發生冒頂、塌方、地表滑坡等嚴重安全事故。

3 淺埋偏壓隧道施工風險源識別

風險源識別和風險辨識(Risk Identification)[11]不是同一件事情，風險源的識別是風險辨識里的一部分，也是最關鍵的部分。風險辨識流程如圖5所示。

圖5 風險辨識流程

風險辨識是對隧道工程施工過程中的潛在風險源的識別以及對風險發生的原因、時間、概率的篩選評估。如引言所述，為了保證工程安全，淺埋偏壓隧道在施工過程中的風險評估極其重要，風險評估的基礎工作也是最關鍵性的一步是風險源的識別問題，及時準確的識別風險源是預測事故發生的前提。

3.1 淺埋偏壓隧道施工風險源初判

風險源的初步判斷需對隧道結構的應力應變進行計算機模擬或模型試驗，通過模擬或試驗結果顯示出風險源可能存在的部位及事故發生概率。2.2小節對淺埋偏壓隧道圍巖應力應變分布進行了數值模擬分析，隨后根據結果進行專家咨詢，即專家調查法(Expert Investigation)[12]。專家調查法又分頭腦風暴法和德爾菲法，其中頭腦風暴法是指專家以會議的形式討論總結出所得結果；德爾菲法是指通過問卷調查向專家進行咨詢的方法。由此完成風險源的初步判定。

3.2 施工現場監測與分析

完成了風險源的初步判定后，對隧道可能出現的風險源有了一定的了解，開始進行現場實地分析?，F場分析是較為實用的一種方法，是指在施工過程中，具有相關經驗的專業人員對現場進行勘察與分析，對已有或潛在的風險源進行辨識。對于地質條件復雜的淺埋偏壓隧道，專業人員應借助相關手段和儀器進行現場檢測。對于重大風險源，如塌方、大變形等，應進行地質超前預報、圍巖受力檢測以及圍巖變形監測。監控量測應編制監測報告，對隧道施工過程中的風險變化進行動態評估[13]。

對于此項目中的淺埋偏壓隧道，其監控量測測點布置應根據相關技術文件要求；監測頻率應根據工程實際需要和管理等級不同來確定。隧道監控量測測點布置圖如圖6所示。

圖6 隧道監控量測測點布置

量測后及時進行數據處理和數據分析，采用回歸分析法繪制回歸分析曲線，在監測過程中，若發現數據異常，應該及時分析原因，制定對策。若出現反常曲線(非工序變化引起位移急劇增長的現象)，應立即停止開挖并進行施工處理。

3.3 數值模擬與現場監測結合比較分析

將監測測點布置圖與第2節中數值模擬的隧道變形圖結合來看，由于淺埋偏壓隧道的拱頂和側壁都產生不對稱變形，測點需要在兩側以一定的密度對稱布置，同時，隧道埋深較淺，覆蓋層較薄，拱頂的沉降變形延伸到地面，所以須在地表布置沉降監測點。將計算機模擬結果與監測結果相比較，在誤差接受范圍以內，可以最終確定風險源，到此施工風險源識別工作完成，辨識結果可靠，可進行風險辨識的其他后續工作。

4 結論

通過查閱文獻初步了解淺埋偏壓隧道風險源的出現原因，用計算機數值模擬的方法論證了淺埋偏壓隧道主要風險源(圍巖失穩)的存在可能性，調取本項目背景工程貴州正習高速公路第十八合同段天鵝穴偏壓隧道地質超前預報和施工監測報告，通過對比分析完成了復雜地質條件下淺埋偏壓隧道在施工過程中的風險源識別工作。得到以下結論：①淺埋偏壓隧道在施工過程中風險事故的出現包含了內因和外因，其內因是隧道受力不均勻不對稱導致的圍巖失穩現象；外因是外界施工環境以及工人不規范操作造成的隧道安全事故。②淺埋偏壓隧道施工風險源的主要致險因子是圍巖受偏壓荷載引起的不對稱變形，從而導致隧道結構的破壞和巖體的沉降，從而導致坍塌事故。③施工安全管理要從“事故處理型”向“事故預測型”轉變，這就需要進一步規范和提高風險源識別技術。風險源識別大致過程為“初判(計算機模擬和專家調查法)—施工現場監測與分析—監測與模擬結果對比分析)。④根據偏壓隧道開挖后變形特征，進行支護結構設計時，充分考慮支護結構是否能充分抵抗偏壓作用帶來的結構不均勻變形。在施工時，應加強對圍巖的變形監測并采取防護措施。⑤要提高現場監測技術，如改善監測方法、改良升級檢測儀器、提高檢測人員的專業素質等。