隧道施工塌方事故致因及防控措施研究

邱效儉

(甘肅建投交通建設有限公司，甘肅 蘭州 730000)

0 引言

我國交通運輸工程建設方興未艾，隧道工程在全國各地也有著廣泛分布。復雜地質條件下的隧道工程建設面臨著越來越多的挑戰，常常發生各類安全生產事故，隧道塌方事故就是最常見的隧道安全事故[1]。

由于隧道工程的特點，一旦發生塌方事故，往往造成重大的人員傷亡及經濟損失。近年來，隧道施工塌方事故屢見報端。2019年12月30日，山西省陽城縣某隧道由于支護噴錨不及時發生掌子面塌方，造成數人死亡的較大安全事故，直接經濟損失893萬元。2020年9月10日，廣西百色市某在建隧道由于圍巖局部微地質構造組合突變與裂隙面強烈溶蝕作用疊加在施工過程中，發生洞頂巖體塌方事故，造成人員傷亡死亡，直接經濟損失1 414萬元。2021年8月30日陜西省寶雞市某在建隧道由于現場施工監控量測結果反饋不及時，圍巖強度差，加之連續降雨發生坍塌事故，10人被困，直接經濟損失359萬元。

基于此，本文將分析梳理隧道施工塌方事故的發生致因，繪制隧道事故魚骨圖，據此構建隧道施工塌方事故致因評價體系，采用AHP對隧道施工塌方事故致因進行評價分析，并提出針對性隧道施工塌方事故的防控措施。

1 構建隧道施工塌方事故魚骨圖

繪制隧道施工塌方事故魚骨圖前，需要對隧道施工塌方事故的致因進行分析。通過文獻查閱與相關案例調查，結合工作經驗，本文分析整理了引起隧道施工塌方事故發生的原因，并將其分為水文地質、勘察設計、工程特性、施工技術、現場管理5類。

1)水文地質。大部分隧道施工塌方事故的發生都與其所處的水文地質條件有著聯系，影響因素主要包括圍巖性質、偏壓、地下水及地表降水。一般而言，圍巖等級越高穩定性越差，透水性越強抗風化能力越弱，隧道施工發生塌方事故的概率也就越大。地形不對稱或者地質巖層引起隧道結構偏壓，會導致隧道所受荷載不對稱，尤其對于淺埋洞口段，很容易由于隧道偏壓導致塌方事故的發生。

地下水與隧道建設有著重要的聯系，不僅可以直接導致隧道涌水冒泥，還可能軟化敏感性圍巖、溶蝕可溶性圍巖，導致隧道的強度與承載力降低。地表降水嚴重影響著隧道洞頂的承載能力，還會使得地表壓力增大，導致塌方風險大大增加。

2)勘察設計。勘察或設計缺陷會給后續隧道施工帶來極大的安全影響。隧道工程常見的勘察或設計缺陷主要表現為地勘不詳或不實，以及支護襯砌設計不合理。地勘報告是隧道規劃、設計、施工、管理及運行的重要基礎資料，地勘不詳或不實會對隧道施工的安全可靠性、技術可能性及經濟合理性產生極大的影響。隧道支護與襯砌是保證隧道的安全關鍵結構，直接影響著隧道建設的質量與安全，不合理的支護襯砌設計極易導致隧道塌方事故的發生。

3)工程特性。隧道工程的自身結構特點與工程特性對于塌方事故的發生有著重要的影響，主要表現為隧道結構的埋深與斷面面積兩個方面。相關研究表明，埋置較深的隧道發生塌方事故占比(42.9%)要遠高于埋置較淺的隧道發生塌方事故占比(17.1%)[2]。隨著隧道開挖斷面面積的增大，隧道結構受力也越加復雜，受外部環境的影響也將越大，施工難度也將越高，也越容易由于圍巖失穩坍塌而發生塌方事故。

4)施工技術。施工技術往往是隧道施工塌方事故最直接的原因。相關研究表明，由于施工技術導致的隧道施工塌方主要表現為開挖方式不合理、支護或襯砌方式或時機不合理、施工質量存在缺陷以及監控量測不及時或不到位等[3]。

5)現場管理。除去環境及技術因素外，施工現場的管理也會對隧道施工安全起著十分重要的作用。一般而言，隧道施工塌方事故的背后，往往伴隨著現場管理混亂、安全質量檢查監督落實不到位、安全技術交底效果差、缺乏針對性防護與管理措施等管理缺陷問題。

基于以上分析，對隧道施工塌方事故進行進一步梳理，繪制隧道施工塌方事故魚骨圖(見圖1)。

圖1 隧道施工塌方事故魚骨圖

2 隧道施工塌方事故致因評價

采用AHP法對隧道施工塌方事故致因的重要性進行評價，具體步驟如下。

2.1 構建評價指標

根據圖1隧道施工塌方事故致因魚骨圖，構建隧道施工塌方事故致因指標體系。同時，為了后續AHP分析的需要，設定目標層為隧道施工塌方事故致因，準則層為水文地質、勘察設計、工程特性、施工技術、施工管理5類，指標為具體的隧道塌方致因，共15個，并對各層致因進行編碼。具體指標體系如圖2所示。

圖2 隧道施工塌方事故致因指標體系

2.2 權重計算方法

1) 構建判斷矩陣。邀請專家采用1～9標度法對同一層級的指標兩兩比較建立判斷矩陣A。

2)求解某層指標對于其上級指標權重及一致性檢驗。對判斷矩陣A進行歸一化處理，求解其對應的最大特征值λmax及特征向量W，并對判斷矩陣A進行一致性檢驗。若判斷矩陣A滿足一致性檢驗條件，則特征向量W即為判斷矩陣A對應元素權重值，若判斷矩陣A不滿足一致性檢驗條件，則應對其進行一定的調整。

2.3 計算結果

基于上述步驟，利用AHP法計算各層指標的權重，計算結果如表1所示。

表1 隧道施工塌方事故致因各層指標權重計算結果

從表1可以看出，對于隧道施工塌方事故而言，5個準則層致因按權重由大到小依次為：施工技術D(0.289 6)、水文地質A(0.237 7)、現場管理E(0.226 5)、勘察設計B(0.134 6)、工程特性C(0.111 6)。致因權重越大，表明該致因對隧道施工塌方事故的影響也就越大。因此，上述結果表明在一般塌方事故中，施工技術、水文地質及現場管理是主要的致因，而勘察設計與工程特性的影響相對較小。

對于5個準則層而言，部分指標層的致因影響顯著。在水文地質致因中，權重由大到小依次為圍巖性質差(0.389 1)、地下水豐富(0.317 0)、存在偏壓(0.172 4)、地表降水(0.121 5)；在水文地質致因中，地勘不詳或不實權重(0.666 7)要大于支護襯砌設計不合理(0.333 3)；在工程特性致因中，隧道斷面大權重(0.666 7)的要大于隧道埋置過深或過淺(0.333 3)；在施工技術致因中致因權重由大小依次為開挖方式不合理(0.330 0)、支護方式不合理(0.330 0)、監控量測不到位(0.199 6)、存在施工缺陷(0.140 4)；在現場管理致因中，權重由大到小依次為現場管理不到位(0.539 6)、檢查落實不到位(0.297 0)、交底培訓不到位(0.163 4)。對于高權重的致因，應進行重點防控。

3 防控建議

3.1 采用科學合理的隧道施工方案與技術

施工方案是隧道施工的主要依據，科學合理的隧道施工技術是隧道工程安全、順利施工的決定性因素。隧道塌方事故多發生于進出洞口段與區間穿越復雜地層段。因此，隧道工程施工所采用的開挖方式、支護方式及支護時機都要有較好的地質適應性。隧道施工方法的選擇應根據水文地質、圍巖條件、開挖斷面、埋置深淺分析論證確定，并建立針對性的風險管控措施，從而減少或避免隧道施工風險事故的發生。

近年來，我國專家學者針對隧道及地下工程軟弱圍巖隧道施工，實踐總結出一套較為完善的“一強化、二緊跟、三超前、四到位”的施工工藝。“一強化”是指強化隧道監控量測；“二緊跟”是指鋼架緊跟掌子面及初期支護仰拱封閉成環緊跟下臺階；“三超前”是指超前預報、超前加固及超前支護；“四到位”是指工法選擇到位、支護措施到位、快速封閉到位及襯砌質量到位。此套工法具有較高的普適性，隧道工程施工可參考使用[4]。

3.2 建立安全風險管理體系

現場安全與質量管理不到位是隧道塌方事故的根本原因。現場管理作為工程項目管理的關鍵部分，是保證隧道安全施工的核心途徑之一。隧道塌方事故的防控堅持以防為主。根據國家、行業與地方的規范、標準、指導文件及相關要求，從安全管理的共性出發，將計劃原則、效果原則、反饋原則、系統性原則作為指導隧道安全施工防控的基本原則，對隧道施工中地質條件、作業環境、施工工藝、設備機具、技術水平進行分析，找出各個環節的薄弱環節，識別施工過程中的各種風險，系統研判評估風險等級，逐級形成隧道施工安全生產風險防控清單，依次建立安全生產策劃、風險管控、隱患排查、應急救援、事故分析等多道隧道施工安全防線[4]。從組織、制度、技術、應急等方面對隧道施工的安全風險進行管控，及時排查治理施工過程的隱患，嚴防隱患整改責任不落實而升級為事故，構建以風險動態管控與隱患排查治理為核心的隧道施工多重預防安全管理體系，最大程度減少因安全事故引發的人員傷亡、經濟損失和環境影響。

3.3 落實監控量測

監控量測可以獲取隧道結構的位移變形以及周邊圍巖、初期支護的穩定性，不僅可以用來判斷施工現場的安全性，還可為后續施工時機確定、施工工法調整提供依據[5]。隧道監控量測應嚴格依照國家、行業及地方的相關標準執行，根據圍巖條件、隧道規模、施工工藝及支護類型等選擇適宜檢測項目與監測方法，及時、準確地進行監控量測，做到“不量測不進洞、不安全不進洞”。初期階段位移及下沉量大或地質變化顯著時，量測斷面間距可取較小值并適當增加量測頻率。同時，隧道的監控量測是一個動態的過程，應本著準確、及時的原則，將監測數據、時間變形曲線及對結果的評估及時報送相關人員，及時分析并反饋到施工作業上。對于存在安全隱患及時消除，最大限度地發揮隧道監控量測的作用，達到輔助施工的目的，確保施工安全、質量的效果。此外，近年來物聯網、智慧工地、智能監測技術發展迅速，在隧道監控量測時可引入這些信息化技術，對潛在的水文地質或環境風險進行自動化監測、控制和預警，提升隧道施工風險管控、隱患排查治理和應急預警響應的信息化水平。

3.4 提升勘察設計質量

勘察設計是隧道工程建設的基礎，也是保證隧道工程施工安全與質量的源頭。勘察與設計單位在進行隧道工程的勘測與設計工作時，應樹立牢固的質量服務意識，提高勘測與設計工作質量，確保所形成的勘察設計報告與設計文件符合相關規范標準與后續工程檢測需要，避免不必要的設計變更。首先，應強化前期基礎工作，確保正常的勘察設計工程資金、技術力量及時間投入，將基礎資料收集、地質勘察、地形測量、環境監測和調查等基礎執行到位，充分調查隧道的水文地質條件，保證地質勘測前期工作深度與質量。

其次，完善落實勘測設計質量保證體系，堅持設計原則，強化安全意識與設計文件的質量管理，嚴格相關工程強制性標準，充分論證分析設計方案，落實“一校、二審”三級審核，避免設計錯誤及缺項、漏項[6]。同時，各專業勘察設計技術人員及參建各方要做到全面對接、充分討論，保證隧洞支護襯砌的設計與勘察資料相匹配適應且滿足后續施工，減少各專業、各方因對接不充分產生的勘察設計問題，全面提升勘察設計質量。

4 結語

經分析，發現采用魚骨圖與AHP對隧道塌方事故的致因進行分析梳理，明確了隧道塌方事故的致因體系，確定了隧道塌方事故的關鍵致因。施工技術因素與水文地質條件是引起隧道塌方事故的最主要致因，在進行隧道塌方事故防控時，應進行重點關注與管理。可通過采用科學合理的隧道施工方案與技術建立安全風險管理體系，落實監控量測，提升勘察設計質量，防控隧道塌方事故發生。