陳新海 樓 建

（1.中橋安科交通科技（浙江）有限公司 2.杭州都市高速公路有限公司）

一、引言

在國(guó)民經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的大背景下，國(guó)內(nèi)的交通事業(yè)發(fā)展尤為迅速，尤其是近十年來(lái)，交通量與日俱增，原有的道路規(guī)模已不能滿足現(xiàn)有交通的需要。而相對(duì)于新建工程，對(duì)既有線路的改擴(kuò)建在經(jīng)濟(jì)和時(shí)間效益上占有較大優(yōu)勢(shì)，因此改建工程在以后的工程項(xiàng)目中將會(huì)占較大比例。盡管我國(guó)公路隧道工程在近些年取得了較為明顯的進(jìn)步，但在施工過(guò)程中依舊存在一些安全隱患，施工事故時(shí)有發(fā)生，在帶來(lái)巨大經(jīng)濟(jì)損失的同時(shí)也產(chǎn)生了不良的社會(huì)影響，因此對(duì)公路隧道改擴(kuò)建，對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析并采取相應(yīng)措施進(jìn)行控制顯得十分必要。

施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作在我國(guó)開(kāi)展較晚，無(wú)論是安全評(píng)估方法，還是安全評(píng)估的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，與國(guó)外都有很大差距。我國(guó)目前的安全評(píng)估還停留在對(duì)生產(chǎn)過(guò)程的危險(xiǎn)、有害因素的識(shí)別和分析，查找生產(chǎn)過(guò)程中的事故隱患，按照安全生產(chǎn)法律、法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)提出安全對(duì)策措施的階段，因此國(guó)內(nèi)安全評(píng)估工作還處在不斷發(fā)展階段。本文依托23省道改建工程為背景，對(duì)其開(kāi)展施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作，基于其硯嶺隧道改建工程的特殊性（因凈高不足需對(duì)拱底采取下挖措施），首先通過(guò)查閱相關(guān)外國(guó)文獻(xiàn)及規(guī)范，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行擴(kuò)充，提出一套針對(duì)改擴(kuò)建隧道的指標(biāo)體系；其次通過(guò)數(shù)值模擬手段采用有限差分軟件FLAC3D，模擬施工期間拱底下挖所引起的圍巖及襯砌狀況，從而針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)提出相應(yīng)的控制措施。

二、工程概況

S305（23省道）建德航頭至界頭段改建工程硯嶺隧道，其左洞為新建隧道，全長(zhǎng)352m，右洞為原隧道改建，全長(zhǎng)349m。因公路等級(jí)的提升（由原來(lái)的二級(jí)公路提升為一級(jí)公路），而其原行車道凈空4.5m不能滿足《公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D70—2004）一級(jí)公路隧道建筑限界高度5.0m的要求，因此對(duì)其隧道拱底進(jìn)行下挖。下挖方式采用小進(jìn)尺、左右側(cè)分段下挖的方法，下挖高度從左至右為103—119.5cm。路面下挖后，側(cè)墻基礎(chǔ)下挖后根據(jù)圍巖情況分段進(jìn)行支護(hù)，分為Ⅳ級(jí)圍巖支護(hù)和Ⅲ級(jí)圍巖支護(hù)兩種形式。側(cè)墻基礎(chǔ)加固支護(hù)以施打注漿小導(dǎo)管和注漿錨桿為主要支護(hù)手段。

1.Ⅳ級(jí)圍巖段以及斷層帶

（1）首先對(duì)隧道左側(cè)路面下挖，側(cè)墻基礎(chǔ)施打Φ42mm注漿管（成扇形布置），進(jìn)行注漿；（2）再對(duì)右側(cè)路面下挖，右側(cè)側(cè)墻基礎(chǔ)施打注漿管，進(jìn)行注漿；（3）斷層帶沿拱圈和側(cè)墻設(shè)置18號(hào)工字鋼，作為臨時(shí)支撐加固；（4）中間段路面下挖；對(duì)滲水處襯砌進(jìn)行處理后，施作溝槽路面；（5）Ⅳ級(jí)圍巖段及斷層帶縱向每段下挖工作長(zhǎng)度為5m。

圖1 Ⅳ級(jí)圍巖段及斷層帶側(cè)墻加固圖

2.Ⅲ級(jí)圍巖段

（1）首先對(duì)隧道左半幅路面下挖，側(cè)墻基礎(chǔ)施打Φ25先錨后灌式注漿錨桿（成扇形布置）；（2）再對(duì)右半幅路面下挖，側(cè)墻基礎(chǔ)錨桿支護(hù)；（3）對(duì)滲水處襯砌進(jìn)行處理后，施作溝槽路面；（4）Ⅲ級(jí)圍巖段縱向每段下挖工作長(zhǎng)度為30m。

圖2 Ⅲ級(jí)圍巖段側(cè)墻加固圖

三、硯嶺隧道總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

硯嶺隧道右洞為下挖隧道改建工程，現(xiàn)有《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》中的隧道工程總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系主要根據(jù)新建公路隧道工程建立總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，不能較好地反映本工程的特點(diǎn)與難點(diǎn)。評(píng)估過(guò)程中，通過(guò)咨詢有關(guān)專家，查閱相關(guān)文獻(xiàn)，根據(jù)工程實(shí)際情況，主要從隧道地質(zhì)條件、結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、隧道全長(zhǎng)、擴(kuò)建形式、設(shè)計(jì)文件完整性等五個(gè)方面對(duì)現(xiàn)有隧道工程總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系進(jìn)行修改、補(bǔ)充和完善，建立了本次改建隧道工程的施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

表1 改建隧道工程總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系表

續(xù)表

以上針對(duì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、擴(kuò)建形式和資料完整性三個(gè)指標(biāo)和風(fēng)險(xiǎn)關(guān)系做簡(jiǎn)要說(shuō)明：

1.結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀（S）

隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀主要考慮拱頂?shù)魤K和裂縫，根據(jù)《城市軌道交通設(shè)施養(yǎng)護(hù)維修技術(shù)規(guī)范》等相關(guān)規(guī)范對(duì)混凝土裂縫和表面剝離的厚度及剝離范圍進(jìn)行了分級(jí)。隧道結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀直接影響隧道改建工程的施工安全性，對(duì)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀的檢測(cè)是減小施工風(fēng)險(xiǎn)增加施工安全的必要措施。

2.擴(kuò)建形式（E）

根據(jù)擴(kuò)建隧道與原隧道的位置關(guān)系，把單洞原位擴(kuò)建隧道歸納為單側(cè)擴(kuò)建、兩側(cè)擴(kuò)建和周圍擴(kuò)建三種形式。三種隧道原位擴(kuò)建形式都可以達(dá)到擴(kuò)大斷面的目的，根據(jù)對(duì)圍巖的擾動(dòng)及其穩(wěn)定性影響和其施工工序的復(fù)雜性進(jìn)行給分。

3.資料完整性（D）

根據(jù)收集資料的完整性，主要包括原隧道資料（如竣工圖、襯砌厚度強(qiáng)度、病害情況等）、地質(zhì)、水文等基礎(chǔ)資料，平面圖、立面圖、斷面圖、結(jié)構(gòu)圖及大樣圖等技術(shù)成果。資料越完整對(duì)指導(dǎo)施工越有利。

四、硯嶺隧道數(shù)值模型建立

硯嶺右線隧道拱底下挖深度1米左右，原有隧道無(wú)仰拱結(jié)構(gòu)，二襯狀態(tài)欠佳，根據(jù)此施工特點(diǎn)，運(yùn)用三維有限差分巖土軟件建立相關(guān)模型對(duì)此改建工程進(jìn)行施工過(guò)程的模擬計(jì)算，輔助右洞施工風(fēng)險(xiǎn)分析?？紤]到計(jì)算時(shí)間及計(jì)算精度，對(duì)整個(gè)隧道采取分段模擬方式進(jìn)行模擬，分別對(duì)隧道進(jìn)口段埋深較大處、中間穿越斷層段以及出口段隧道全處在中風(fēng)化凝灰?guī)r層處進(jìn)行建模計(jì)算，土體參數(shù)以實(shí)際工程所給參數(shù)為準(zhǔn)。三維有限元模型見(jiàn)圖3。

圖3 硯嶺隧道三維數(shù)值模型

五、風(fēng)險(xiǎn)分析

（1）隧道拱底下挖，在拱腳及拱腰處會(huì)產(chǎn)生水平收斂位移，對(duì)原襯砌造成一定風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)檢查報(bào)告，原硯嶺隧道在修建時(shí)無(wú)仰拱，因此原隧道在整體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性方面較不穩(wěn)定。隧道下挖引起的洞口水平位移主要集中在拱腰及拱腳附近，隧道進(jìn)口段最大水平位移為1.58mm，隧道中間段（Ⅴ級(jí)圍巖段）最大水平位移為3.03mm，隧道出口段最大水平位移為1.08mm。計(jì)算得到水平位移如圖4所示。

圖4 隧道下挖水平位移云圖（單位：m）

由于原襯砌和臨時(shí)鋼拱架的共同支撐，隧洞水平收斂得到了較大程度的約束。隧道最大水平位移都小于規(guī)范中規(guī)定的復(fù)合式襯砌初期支護(hù)的允許洞周水平相對(duì)收斂值。但隧道中間段的水平位移相對(duì)較大，因此在中間段尤其是斷裂帶處進(jìn)行施工時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)以及加固。

（2）隧道拱底下挖，拱底失去原有結(jié)構(gòu)，會(huì)造成拱頂及周邊的一定沉降，也會(huì)造成拱底的一定隆起，對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)造成一定影響。隧道進(jìn)出洞口及隧道洞身三處豎向位移如圖5所示。

圖5 隧道下挖后豎向位移云圖（單位：m）

隧道拱底下挖導(dǎo)致了隧洞四周不同程度的沉降及隆起，由于原隧道襯砌和臨時(shí)鋼拱架的共同支撐，拱頂?shù)某两岛苄?，但隧道在拱腳及拱腰附近沉降較大。拱底下挖導(dǎo)致拱底及其以下圍巖區(qū)域出現(xiàn)一定程度的隆起。拱頂、拱腳和拱底豎向位移匯總?cè)绫?所示。

表2 豎向位移匯總表

由此可見(jiàn)，隧洞四周沉降在原襯砌和臨時(shí)鋼拱架共同支護(hù)的情況下都比較小。隧道拱底下挖拱底隆起的位移要比拱頂及拱腳附近引起的沉降要大，且隧道中間段尤其是斷層處拱底隆起位移相對(duì)較大。同時(shí)下挖破壞了原有隧道結(jié)構(gòu)，地層傳來(lái)的反力得到了較大的釋放，從而引起隧道底部上抬變形，整體下沉，進(jìn)一步對(duì)原隧道襯砌以及其他結(jié)構(gòu)造成一定風(fēng)險(xiǎn)。

圖6 隧道拱底下挖后小主應(yīng)力云圖（單位：Pa）

（3）隧道拱底下挖，由于底部原有結(jié)構(gòu)的破壞，一方面釋放了來(lái)自地層的反力，使拱底圍巖受拉趨勢(shì)增大，拱底底部區(qū)域圍巖有可能因受拉達(dá)到極限強(qiáng)度而破壞，造成一定風(fēng)險(xiǎn)；另一方面，原隧道拱腳位置的圍巖處于受拉狀態(tài)，在隧道拱底下挖過(guò)程中，原拱腳位置的圍巖應(yīng)力變化過(guò)大（具體結(jié)構(gòu)受力變化可參考臺(tái)階法下臺(tái)階開(kāi)挖引起的結(jié)構(gòu)內(nèi)力的變化圖），易造成隧道邊墻中部圍巖失穩(wěn)、支護(hù)結(jié)構(gòu)破壞。

由小主應(yīng)力云圖可以得出（圖中負(fù)號(hào)表示壓應(yīng)力，正號(hào)表示正應(yīng)力）：隧道拱底下挖在洞口處產(chǎn)生了應(yīng)力集中現(xiàn)象，在隧道底部產(chǎn)生較大的拉應(yīng)力，進(jìn)洞口段、洞身段和出口段小主應(yīng)力即拉應(yīng)力為0.48MPa、0.76MPa、0.19MPa，均小于圍巖的極限抗拉強(qiáng)度。因此隧道下挖后，在引起圍巖應(yīng)力上都滿足要求，但是施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)隧道四周圍巖應(yīng)力的監(jiān)測(cè)，并按施工方案及時(shí)做好支護(hù)，規(guī)范施工確保安全。

六、結(jié)論

現(xiàn)有公路隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系不滿足23省道硯嶺隧道改建工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的要求，故基于原有的公路工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度，查閱國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀及相關(guān)規(guī)范、文獻(xiàn)，并結(jié)合以往工程經(jīng)驗(yàn)，對(duì)其指標(biāo)體系進(jìn)行擴(kuò)充，主要提出了符合此次改建隧道工程的結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀、擴(kuò)建形式和資料完整性三個(gè)指標(biāo)。

運(yùn)用三維有限差分巖土軟件建立相關(guān)模型對(duì)此改建工程進(jìn)行施工過(guò)程的模擬計(jì)算，輔助右洞施工風(fēng)險(xiǎn)分析，可以得出：隧道拱底下挖，在拱腳及拱腰處會(huì)產(chǎn)生水平收斂位移，對(duì)原襯砌造成一定風(fēng)險(xiǎn)。拱底失去原有結(jié)構(gòu)，會(huì)造成拱頂及周邊的一定沉降，也會(huì)造成拱底的一定隆起，對(duì)隧道整體結(jié)構(gòu)造成一定影響。