吳超凡

(福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院有限公司，福州 350004)

1 引言

某隧道為雙向四車道連拱隧道，長(zhǎng)140m，由于不能滿足日益增長(zhǎng)的交通需求， 擬采用單洞保通原位擴(kuò)建方案，由連拱四車道擴(kuò)建為連拱八車道。 而目前，連拱隧道的原位擴(kuò)建極其罕見， 國(guó)內(nèi)僅有福州市象山四連拱隧道擬采用原位擴(kuò)建方案[1]，臧萬(wàn)軍等[1]和陳七林[2]對(duì)象山隧道拓寬改造的工程方案和關(guān)鍵技術(shù)方案進(jìn)行了研究。目前，國(guó)內(nèi)在隧道原位擴(kuò)建的研究多針對(duì)分離式隧道或單洞、小凈距隧道，胡居義等[3-4]以泉廈高速大帽山隧道右洞原位擴(kuò)挖工程為例， 分析了原位擴(kuò)挖工法對(duì)圍巖穩(wěn)定性的影響。 林從謀等[5-6]、孫興山等[7]對(duì)隧道原位擴(kuò)建過程中隧道結(jié)構(gòu)的變形及應(yīng)力規(guī)律展開了研究。

我國(guó)連拱隧道在近30 年的發(fā)展歷史中， 遍布四川、貴州、云南、廣東、福建、湖南等省，并且已建、在建和擬建的連拱隧道多為雙連拱隧道， 而我國(guó)早期修建的雙連拱隧道又以雙向四車道居多，在日益增加的交通壓力下，將逐漸難以滿足交通量的需求， 雙連拱隧道改擴(kuò)建將勢(shì)在必行。 而連拱隧道由于隧道間距小、斷面跨度大，改擴(kuò)建工程對(duì)圍巖、 既有隧道結(jié)構(gòu)或新建隧道結(jié)構(gòu)以及中隔墻造成的擾動(dòng)相較于分離式隧道或單洞隧道、 小凈距隧道更為嚴(yán)重，施工難度更大，風(fēng)險(xiǎn)更高。 而國(guó)內(nèi)針對(duì)擴(kuò)建過程中風(fēng)險(xiǎn)研究的案例較少，王猛[8]針對(duì)擴(kuò)建過程中的塌方風(fēng)險(xiǎn)展開了分析， 其他擴(kuò)建過程中的風(fēng)險(xiǎn)分析尚未見報(bào)道。

為明確連拱隧道原位擴(kuò)建方案下易發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)事件，明確相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)源，及時(shí)采取有效應(yīng)對(duì)措施降低施工風(fēng)險(xiǎn)， 本文依托某雙連拱隧道四車道擴(kuò)建八車道的原位擴(kuò)建方案，展開風(fēng)險(xiǎn)分析。

2 工程背景

某隧道洞身穿越地層巖性為殘積土、全風(fēng)化－砂土狀強(qiáng)風(fēng)化花崗閃長(zhǎng)巖，結(jié)構(gòu)松散，巖體風(fēng)化強(qiáng)烈，且泡水易軟化，為極軟巖，為Ⅴ級(jí)圍巖；隧道進(jìn)出口圍巖主要為松散堆積土層，結(jié)構(gòu)松散，穩(wěn)定性差，坡度為20～40°，降雨作用下， 沖刷作用及軟化作用， 使開挖后邊坡穩(wěn)定性變差?；谒淼浪巼鷰r條件及施工方案，該隧道擴(kuò)挖工程具有以下重難點(diǎn)：

（1）隧道擴(kuò)建斷面跨度大，結(jié)構(gòu)承受松散壓力大

鈣隧道施工斷面大，寬度21.16m，凈空高度13.74m，扁平率低，隧道最大埋深為29m，暗挖段均為淺埋，成拱效應(yīng)差，所受的圍巖松散壓力比較大，自穩(wěn)定差。 原有連拱隧道修建時(shí)，已經(jīng)對(duì)周邊圍巖進(jìn)行了多次擾動(dòng)，而擴(kuò)建過程中，圍巖受到二次擾動(dòng)，容易發(fā)生大變形、塌方、洞口邊仰坡失穩(wěn)等風(fēng)險(xiǎn)事故。

（2）隧道擴(kuò)挖工序復(fù)雜，受力系統(tǒng)轉(zhuǎn)換頻繁

該隧道擴(kuò)建采用單側(cè)CRD 施工工法， 工序復(fù)雜，包括回填、分步開挖（包括原襯砌拆除），臨時(shí)支撐封閉、臨時(shí)支撐拆除等工序。工序間轉(zhuǎn)換多，使得隧道結(jié)構(gòu)受力體系頻繁轉(zhuǎn)換。 原有隧道運(yùn)行多年，行車、風(fēng)化及病害影響使得安全性能降低， 擴(kuò)挖過程中隧道襯砌拆除時(shí)穩(wěn)定性差，施工控制不當(dāng)易發(fā)生大變形、塌方等風(fēng)險(xiǎn)事故。

3 連拱擴(kuò)建施工風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生的概率和損失等級(jí)， 將安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為4 級(jí)，見表1。 其中，Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)可以接受；Ⅱ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)有條件接受， 有進(jìn)一步實(shí)施預(yù)防措施以提升安全性的必要；Ⅲ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)風(fēng)險(xiǎn)水平有條件接受，必須實(shí)施削減風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施；Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)水平不可接受，必須采取有效應(yīng)對(duì)措施，將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)降低到Ⅲ級(jí)及以下水平。

表1 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

根據(jù)該隧道地質(zhì)情況、 現(xiàn)有病害調(diào)查及安全狀況及擴(kuò)挖初步設(shè)計(jì)資料，結(jié)合《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》[9], 對(duì)該隧道擴(kuò)挖存在的重大風(fēng)險(xiǎn)事件及與之相關(guān)的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行檢查和初步辨識(shí)（見表2）。

表2 某隧道擴(kuò)挖安全風(fēng)險(xiǎn)事件與風(fēng)險(xiǎn)源檢查表

由表2 可知， 該隧道擴(kuò)挖存在的主要風(fēng)險(xiǎn)事件為既有隧道安全、邊仰坡失穩(wěn)、塌方及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

3.1.1 既有隧道結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)隧道病害檢查結(jié)果， 擴(kuò)建之前原隧道結(jié)構(gòu)主要存在以下病害：

（1）隧道右洞進(jìn)口洞頂排水溝破損，溝內(nèi)淤積泥塊和雜草；左右洞洞門墻身風(fēng)化較嚴(yán)重，存在裂縫。

（2）左洞全部裂縫共計(jì)46 條，其中伴有滲水的共有8 條；右洞全部裂縫共計(jì)51 條，其中伴有滲水的共有6條。 混凝土襯砌表面只有少量局部輕微破損、 剝落情況，對(duì)襯砌質(zhì)量無(wú)影響。 隧道左右洞襯砌裂縫統(tǒng)計(jì)見表3、表4。

表3 該隧道左洞襯砌裂縫統(tǒng)計(jì)

表4 該隧道右洞襯砌裂縫統(tǒng)計(jì)

（3）隧道左洞滲水點(diǎn)共有12 處，其中裂縫滲水共有8 處， 主要表現(xiàn)為裂縫表面流白灰，3 處滲水點(diǎn)襯砌表面有明顯的浸滲； 右洞落滲水點(diǎn)共有6 處， 全部為裂縫滲水，一處襯砌表面濕潤(rùn)，其余都表現(xiàn)為襯砌表面流白灰。

（4）隧道左洞存在1 處排水溝堵塞、1 處檢修道蓋板破損；右洞存在3 處檢修道蓋板破損。左右洞均無(wú)隧道斷面侵入凈空、襯砌背后無(wú)空洞、襯砌強(qiáng)度不滿足要求的病害，且二襯存在鋼筋網(wǎng)。

根據(jù)隧道病害檢測(cè)情況及技術(shù)狀況評(píng)價(jià)， 確定既有隧道安全風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)為2，損失等級(jí)為2。 既有隧道安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬可接受風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.1.2 擴(kuò)建隧道邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)

洞口坡體為松散堆積層，擴(kuò)挖時(shí)穩(wěn)定性差，既有隧道洞頂排水溝破損、堵塞，雨水滲透進(jìn)入坡體中，使得巖土體強(qiáng)度降低，且擴(kuò)挖工序復(fù)雜，工序轉(zhuǎn)換較多，對(duì)邊坡土體造成多次擾動(dòng)， 易引起邊坡支護(hù)拉裂， 原有植被被破壞，導(dǎo)致洞口邊仰坡失穩(wěn)。 結(jié)合國(guó)內(nèi)外隧道施工經(jīng)驗(yàn)，分析可能引起該隧道擴(kuò)挖工程洞口邊仰坡失穩(wěn)的基本事件，得出風(fēng)險(xiǎn)事故樹圖如圖1 所示。

圖1 隧道洞口邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

根據(jù)對(duì)該隧道擴(kuò)挖工程的洞口地質(zhì)情況以及初步設(shè)計(jì)方案的分析， 結(jié)合對(duì)邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果， 得出該隧道擴(kuò)挖工程邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率等級(jí)和損失等級(jí)，見表5。

表5 邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

由表5 可知， 該隧道擴(kuò)挖工程初步設(shè)計(jì)階段發(fā)生洞口邊仰坡失穩(wěn)的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬可接受風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.1.3 擴(kuò)建隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)

連拱隧道改擴(kuò)建過程中既有隧道結(jié)構(gòu)退化， 結(jié)構(gòu)斷面大，擴(kuò)挖工序復(fù)雜，圍巖擾動(dòng)頻繁，受力體系轉(zhuǎn)化多，鎖腳錨桿和臨時(shí)支撐的質(zhì)量和封閉及時(shí)性要求高， 如果控制不當(dāng)， 易導(dǎo)致隧道發(fā)生塌方。 結(jié)合國(guó)內(nèi)外隧道施工經(jīng)驗(yàn)，分析可能引起該隧道擴(kuò)挖工程塌方的風(fēng)險(xiǎn)事件，得出塌方風(fēng)險(xiǎn)事故樹如圖2 所示。

根據(jù)對(duì)該隧道擴(kuò)挖工程的地質(zhì)情況以及初步設(shè)計(jì)方案的分析，結(jié)合對(duì)塌方風(fēng)險(xiǎn)的模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果，得出該隧道擴(kuò)挖工程塌方風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率等級(jí)和損失等級(jí)，見表6。

圖2 塌方風(fēng)險(xiǎn)事故樹

表6 塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

由表6 可知， 該隧道擴(kuò)挖工程初步設(shè)計(jì)階段發(fā)生塌方的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為III 級(jí)，需采取風(fēng)險(xiǎn)處理措施降低風(fēng)險(xiǎn)并加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

3.1.4 擴(kuò)建隧道結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

該隧道擴(kuò)挖工程結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)， 主要從擴(kuò)挖施工方案數(shù)值模擬和新建隧道二襯結(jié)構(gòu)安全評(píng)價(jià)兩方面進(jìn)行分析評(píng)估：

（1）右洞擴(kuò)挖過程中，左洞原有襯砌結(jié)構(gòu)變形、受力變化均較小。在不考慮爆破動(dòng)力作用下，右洞擴(kuò)挖對(duì)左洞原隧道結(jié)構(gòu)影響較小，可保持通車安全。

（2）擴(kuò)挖過程中，中隔墻、圍巖變形及受力均較小，均在可控、穩(wěn)定范圍內(nèi)，擴(kuò)挖過程中隔墻及圍巖穩(wěn)定性滿足要求。

（3）左洞擴(kuò)挖過程中，右洞初期支護(hù)變形量值不大，個(gè)別點(diǎn)混凝土拉應(yīng)力達(dá)到C25 噴射混凝土設(shè)計(jì)抗拉強(qiáng)度值，但不會(huì)產(chǎn)生大范圍的破壞，不會(huì)影響整個(gè)初期支護(hù)的穩(wěn)定性。

（4）不考慮爆破因素的影響下，設(shè)計(jì)二襯結(jié)構(gòu)安全系數(shù)均滿足規(guī)范要求，達(dá)到了安全儲(chǔ)備的要求。

綜上可知，不未考慮爆破動(dòng)力作用影響，擴(kuò)挖過程中除初襯受力略大于設(shè)計(jì)要求外，其余圍巖、二襯及中隔墻變形受力均滿足要求， 故確定該隧道擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)為3 級(jí)，風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)為2 級(jí)。

由表7 可知，該隧道擴(kuò)挖結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，在施工過程中要臨時(shí)支撐支護(hù)及時(shí)，初支及時(shí)封閉，臨時(shí)支撐拆除時(shí)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)。

表7 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

3.2 專家調(diào)查

通過對(duì)該隧道擴(kuò)挖重大安全風(fēng)險(xiǎn)事件的專家調(diào)查評(píng)估，統(tǒng)計(jì)各風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)專家調(diào)查結(jié)果，詳見表8。

表8 該隧道擴(kuò)挖專家調(diào)查各風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)統(tǒng)計(jì)

3.3 隧道擴(kuò)建總體風(fēng)險(xiǎn)

3.3.1 隧道總體風(fēng)險(xiǎn)分析

結(jié)合專家調(diào)查結(jié)果， 由各風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)和損失等級(jí)，可得出隧道總體風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)為4 級(jí)、總體損失等級(jí)為2 級(jí)，進(jìn)而得出隧道總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

3.3.2 隧道風(fēng)險(xiǎn)控制措施

結(jié)合隧道擴(kuò)建過程中的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果， 在初步設(shè)計(jì)方案的基礎(chǔ)上提出針對(duì)性的風(fēng)險(xiǎn)控制措施， 可使隧道安全風(fēng)險(xiǎn)得到進(jìn)一步的控制。

（1）塌方風(fēng)險(xiǎn)控制措施

①在拆除既有隧道襯砌時(shí)， 應(yīng)對(duì)既有襯砌進(jìn)行詳細(xì)的勘察，明確其具體情況，確保其能夠保證安全施工；原隧道襯砌及支護(hù)的拆除應(yīng)遵循先襯砌后支護(hù)分段拆除的原則，施工縫、變形縫前后必須分段。

②洞口段開挖施工應(yīng)與大管棚等超前加固及支護(hù)措施配合，必要時(shí)地面注漿，確保隧道洞口擴(kuò)挖施工安全。

③注意鎖腳錨桿等輔助施工措施的施作時(shí)間和施工質(zhì)量。

④加強(qiáng)隧道施工監(jiān)控量測(cè)。

⑤隧道施工中各部的超前距離及臺(tái)階長(zhǎng)度應(yīng)根據(jù)人員施工技術(shù)、機(jī)具配備綜合確定，施工中根據(jù)隧道監(jiān)控量測(cè)結(jié)果適當(dāng)調(diào)整。

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)控制措施

建議擴(kuò)挖施工中臨時(shí)支撐支護(hù)及時(shí)，初支及時(shí)封閉，嚴(yán)格控制開挖每環(huán)循環(huán)進(jìn)尺及臺(tái)階高度。

3.3.3 隧道殘留風(fēng)險(xiǎn)

對(duì)初始風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為III 級(jí)的塌方風(fēng)險(xiǎn)事件，結(jié)合初評(píng)提出的安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施的落實(shí)情況， 進(jìn)行再評(píng)估確定殘留風(fēng)險(xiǎn)，見表9、表10。

表9 塌方殘留風(fēng)險(xiǎn)概率、損失等級(jí)表

根據(jù)表9 可得出該隧道擴(kuò)挖初步設(shè)計(jì)階段在采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施的基礎(chǔ)上， 塌方風(fēng)險(xiǎn)的殘留風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為II級(jí)，屬可接受風(fēng)險(xiǎn)。

表10 該隧道擴(kuò)挖重大風(fēng)險(xiǎn)事件殘留風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)表

由表10 可知，落實(shí)風(fēng)險(xiǎn)安全控制措施后，隧道的總體殘留風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬可接受風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論與建議

根據(jù)對(duì)某雙連拱隧道原位擴(kuò)建過程中的風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果可知：

(1)該隧道原位擴(kuò)建過程中，主要存在既有結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)、邊仰坡失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)、塌方風(fēng)險(xiǎn)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件，其風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分別為II 級(jí)、II 級(jí)、III 級(jí)、II 級(jí)。

(2)隧道擴(kuò)挖初步設(shè)計(jì)階段在采取風(fēng)險(xiǎn)控制措施的基礎(chǔ)上，塌方風(fēng)險(xiǎn)的殘留風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，隧道的總體殘留風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)，屬可接受風(fēng)險(xiǎn)。

(3)隧道施工過程中應(yīng)加強(qiáng)監(jiān)測(cè)，初期支護(hù)應(yīng)及早封閉成環(huán)。

(4)嚴(yán)格控制擴(kuò)挖中各部序爆破藥量，加強(qiáng)爆破振動(dòng)監(jiān)測(cè)。

(5)嚴(yán)格控制開挖每環(huán)循環(huán)進(jìn)尺及臺(tái)階高度。