李海波

(龍瑯高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司， 湖南 婁底 417000)

安平隧道為龍瑯(漣源市龍?zhí)伶?zhèn)—新化縣瑯塘鎮(zhèn))高速公路上一條分離式特長隧道，長3 655 m，設(shè)計荷載為公路-Ⅰ級，設(shè)計速度100 km/h。沿線坡積體、軟巖大變形、巖溶、采空區(qū)及瓦斯分布，且鄰近車田江水庫，建設(shè)規(guī)模大，地質(zhì)條件復(fù)雜，一旦出現(xiàn)安全風(fēng)險事故，將造成極大經(jīng)濟(jì)損失和社會影響。該文根據(jù)交公路發(fā)[2010]175號《關(guān)于在初步設(shè)計階段實行公路橋梁和隧道工程安全風(fēng)險評估制度的通知》，對該隧道初步設(shè)計展開風(fēng)險評估。

1 工程地質(zhì)概況

安平隧道穿越煤層采空區(qū)、富水?dāng)鄬拥炔涣嫉刭|(zhì)(見圖1)。地層為第四系全新統(tǒng)、更新統(tǒng)覆蓋層，下三疊系灰?guī)r，二疊系上統(tǒng)硅質(zhì)頁巖、頁巖、灰?guī)r夾煤層，二疊系下統(tǒng)灰?guī)r(見圖2)。隧道區(qū)有3條斷層，發(fā)育2條切割隧道洞身斷層，1條離隧道進(jìn)口約500 m。3條斷層對隧道影響地段有限，F(xiàn)5壓性逆斷層主要影響隧道圍巖的完整性，F(xiàn)5-1壓扭性逆斷層影響圍巖的穩(wěn)定，對隧道施工有較大影響。路線走廊帶褶皺構(gòu)造較發(fā)育,受褶皺作用，隧道區(qū)巖層具層間錯動，順層巖溶較發(fā)育。區(qū)內(nèi)新構(gòu)造運(yùn)動不明顯，局部表現(xiàn)為北東、北北東向斷裂，以差異抬升為主。

隧道區(qū)巖溶發(fā)育，地下水豐富，屬于中低山地貌裂隙巖溶水強(qiáng)烈發(fā)育區(qū)。地下水補(bǔ)給主要來源于大氣降水及沿南北向斷層與巖溶帶的縱向遠(yuǎn)距離補(bǔ)給。暴雨后出水量為常水量的20倍以上。隧道開挖可能引發(fā)水害，也存在影響隧道地表居民正常生產(chǎn)、生活的可能。隧道通過巖溶發(fā)育區(qū)易產(chǎn)生涌水和突泥現(xiàn)象。

圖1 安平隧道平面示意圖

圖2 安平隧道縱斷面示意圖

該隧道于K14+980附近通過二疊系龍?zhí)督M煤系地層2#煤層，該煤層厚約0.50 m，為可采煙煤，厚度較穩(wěn)定，原長沖煤礦及附近的長勝煤礦等均采集該煤層。煤礦資料顯示：1#煤層的揮發(fā)性指數(shù)達(dá)21.31%，固定碳含量為72.1%，據(jù)有關(guān)經(jīng)驗公式計算，煤塵爆炸指數(shù)達(dá)22.8%；2#煤層為具爆炸性危險煤層，開采時需加強(qiáng)防塵措施；3#煤層的全硫含量達(dá)2.71%，為中高硫煤，如通風(fēng)條件不好，會導(dǎo)致采空區(qū)殘留煤氧化而發(fā)生煤層自燃。由此可知，該隧道所穿煤層瓦斯絕對涌出量為0.53 m3/min，根據(jù)JTG/T D70-2010《公路隧道設(shè)計細(xì)則》，為高瓦斯隧道工區(qū)，所經(jīng)煤層易產(chǎn)生爆炸和自燃。

2 安平隧道風(fēng)險評估

2.1 隧道特點(diǎn)與難點(diǎn)

(1) 隧道穿越發(fā)育區(qū)域性斷層，影響帶總寬80～140 m，地下水量豐富，活動強(qiáng)烈，對隧道圍巖的定級及施工影響大。

(2) 隧道局部路段通過長沖煤礦采空區(qū)，采空區(qū)地段成為地下水的匯集通道和主要徑流通道，易產(chǎn)生涌水和突泥現(xiàn)象。

(3) 該隧道屬于瓦斯隧道，所經(jīng)煤層易產(chǎn)生爆炸和自燃。

(4) 隧道區(qū)地面有大量村莊分布，隧道開挖后可能因為地下水的疏干引起地面村民用水困難。

2.2 風(fēng)險源檢查

根據(jù)該隧道工程的特點(diǎn)與難點(diǎn)，類比西山隧道和米倉山隧道專家風(fēng)險事件等級矩陣，得到該隧道專家風(fēng)險事件等級矩陣(見表1)。

表1 安平隧道工程專家風(fēng)險事件等級矩陣

2.3 重大風(fēng)險辨識

(1) 車田江水庫蓄水倒灌。該隧道出口緊鄰車田江水庫，隧道進(jìn)口標(biāo)高比水庫溢洪道標(biāo)高低55.2 m，存在水庫蓄水通過隧道出口或巖溶通道涌入隧道的風(fēng)險(見圖3)。

(2) 煤層采空區(qū)突水。隧道存在打通礦井巷道的風(fēng)險，巷道內(nèi)大量地下水可能涌入隧道，對隧道施工、運(yùn)營安全和環(huán)境影響極其惡劣。

(3) 地下水位不可逆轉(zhuǎn)下降。隧道施工穿透所有向斜巖層，巖層中滯留的地下水將向隧道排泄，降低地下水水位；隧道開挖時地下水沿構(gòu)造帶大量涌出，暗河內(nèi)地下水沿陡節(jié)理、溶洞和溶蝕裂隙大量涌出，可能導(dǎo)致地下水水位下降；K15+820—920段溶洞和溶蝕裂隙發(fā)育，溶蝕裂隙和小型溶洞形成地下水通道，隧道通過時揭穿溶洞將出現(xiàn)涌水，導(dǎo)致地下水水位下降。當(dāng)?shù)叵滤罅颗判箷r將導(dǎo)致山體地下水水位急劇下降，嚴(yán)重影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和居民的生產(chǎn)、生活。

(4) 高水頭富水?dāng)鄬?、巖溶及地下暗河突水、突泥。該隧道通過F5-1斷層，地下水豐富，地下水位高，隧道開挖揭穿斷層時可能發(fā)生涌水、涌泥和突水、突泥，嚴(yán)重威脅隧道施工安全。斷層帶隧道開挖時以淋雨狀地下水為主，多處地帶可能出現(xiàn)涌水、突水現(xiàn)象。

圖3 安平隧道出口地質(zhì)結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

(5) 襯砌結(jié)構(gòu)失效或使用壽命降低。山體地下水水位高，將對隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生較大壓力，影響隧道結(jié)構(gòu)的安全和使用壽命，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)開裂、滲水甚至無法正常運(yùn)營。

(6) 煤礦瓦斯突出風(fēng)險。該隧道屬于高瓦斯隧道，所經(jīng)煤層易產(chǎn)生爆炸和自燃。

2.4 專家調(diào)查風(fēng)險事件等級分析

該隧道各重大風(fēng)險事件等級專家調(diào)查統(tǒng)計見圖4～9。根據(jù)專家調(diào)查結(jié)果，對各重大風(fēng)險事件的初步風(fēng)險及殘留風(fēng)險等級進(jìn)行劃分，結(jié)果見表2。

圖4 蓄水倒灌風(fēng)險等級專家調(diào)查統(tǒng)計

圖5 煤層采空區(qū)突水風(fēng)險等級專家調(diào)查統(tǒng)計

圖6 高水頭富水?dāng)鄬?、巖溶及地下暗河突水、突泥風(fēng)險等級專家調(diào)查統(tǒng)計

圖7 襯砌結(jié)構(gòu)失效或使用壽命降低風(fēng)險等級專家調(diào)查統(tǒng)計

圖8煤地層瓦斯突出和煤層爆炸、自燃風(fēng)險等級專家調(diào)查統(tǒng)計

圖9 瑯塘端長沖煤礦采空區(qū)沉降塌陷風(fēng)險等級專家調(diào)查統(tǒng)計

風(fēng)險事件風(fēng)險等級初始風(fēng)險殘留風(fēng)險車田江水庫蓄水倒灌ⅢⅡ煤層采空區(qū)突水ⅢⅡ高水頭富水?dāng)鄬?、巖溶及地下暗河突水、突泥ⅢⅡ襯砌結(jié)構(gòu)失效或使用壽命降低ⅢⅡ含煤地層瓦斯突出和煤層爆炸、自燃ⅢⅡ瑯塘端長沖煤礦采空區(qū)沉降塌陷ⅢⅡ隧道洞口失穩(wěn)ⅡⅠ地下水位不可逆轉(zhuǎn)下降ⅢⅢ

3 隧道重大風(fēng)險分析、評估與控制

3.1 水庫蓄水倒灌風(fēng)險

隧道施工對水庫的不利影響主要為形成直通水庫的滲流通道，造成水庫水位下降。

3.2 突水、涌泥風(fēng)險

對破碎帶或涌水的地段，設(shè)計超前地質(zhì)探孔進(jìn)行探測，做好超前圍巖預(yù)注漿方案；對重點(diǎn)地段加強(qiáng)勘測，并制訂對應(yīng)工法的施工組織方案。

加強(qiáng)超前預(yù)報，采用超前泄水孔進(jìn)一步降低地下水的水頭壓力，將風(fēng)險損失等級降低至Ⅲ級。

采用超前帷幕注漿的方式超前加固圍巖，做好應(yīng)急預(yù)案。

3.3 瓦斯風(fēng)險

(1) 施工前地質(zhì)調(diào)查與試驗。收集相關(guān)煤礦的瓦斯資料，并走訪附近居民了解煤層瓦斯出露情況；進(jìn)行地表地質(zhì)調(diào)查，了解巖層分類、地下水位、瓦斯溶解量及種類、瓦斯壓力，并從地層形成歷史和地質(zhì)構(gòu)造角度判斷瓦斯存在的可能性及瓦斯的涌出量和范圍；對鉆孔內(nèi)氣體、土樣或穩(wěn)定液(泥水)進(jìn)行化驗，分析瓦斯的成分和含量；通過推算開挖巖體的體積或瓦斯在水中的溶解度進(jìn)行通風(fēng)設(shè)計。

(2) 施工中調(diào)查與試驗。對于可能蘊(yùn)藏瓦斯的隧道區(qū)段，除在已開挖隧道內(nèi)測量瓦斯?jié)舛韧猓陂_挖面前方進(jìn)行水平鉆孔探測，釋放瓦斯，防止瓦斯突出；采用便攜式瓦斯檢測器隨時檢測開挖面、廢棄土石堆積處和內(nèi)襯砌鋼模附近瓦斯滯留情況，檢測時間主要為鉆爆作業(yè)前后、工作人員換班前后。

(3) 瓦斯突出危險性預(yù)測及判別。通過超前鉆孔探煤、開挖中鉆瓦斯測壓孔進(jìn)行瓦斯突出危險性預(yù)測，若測試數(shù)據(jù)中出現(xiàn)指標(biāo)超限(臨界指標(biāo)見表3)的情況，即判定有瓦斯突出危險。

表3 瓦斯突出危險性預(yù)測臨界指標(biāo)

(4) 安全通風(fēng)措施。根據(jù)隧道出口段穿越煤層的特點(diǎn)，將ZK153+320—440和YK153+250—365段劃定為瓦斯工區(qū)，加強(qiáng)瓦斯工區(qū)的通風(fēng)系統(tǒng)，施工期間實施連續(xù)不間斷通風(fēng)。

(5) 建立瓦斯風(fēng)險實時預(yù)警體系。建立嚴(yán)格的瓦斯風(fēng)險實時預(yù)警體系，包括預(yù)警監(jiān)測體系和預(yù)警管理體系，設(shè)立專職瓦斯檢測員，并配備瓦斯檢測儀和便攜式自動報警儀，加強(qiáng)瓦斯監(jiān)測，及時提供瓦斯信息。根據(jù)洞內(nèi)有害氣體濃度情況，采取表4所示技術(shù)措施防范瓦斯風(fēng)險。

表4 瓦斯預(yù)警值

(6) 瓦斯事故應(yīng)急救援預(yù)案。為預(yù)防瓦斯突發(fā)事件發(fā)生，保證隧道內(nèi)施工人員安全，減少單位財產(chǎn)損失，制訂瓦斯風(fēng)險應(yīng)急預(yù)案，提出施工人員防范及安全應(yīng)急救助措施。

4 結(jié)語

該文結(jié)合安平隧道地質(zhì)環(huán)境和建設(shè)環(huán)境，構(gòu)建多因素的隧道風(fēng)險評估模型，識別安平隧道風(fēng)險源，分析初步設(shè)計方案的風(fēng)險等級；針對重大風(fēng)險源提出風(fēng)險控制對策，并對殘余風(fēng)險進(jìn)行評估。結(jié)果顯示，除腹水?dāng)鄬铀蛔兓癁棰蠹夛L(fēng)險外，其他風(fēng)險均為Ⅱ級及以下。其研究結(jié)果可為安平隧道建設(shè)和管理提供技術(shù)支持。