蘇交科集團股份有限公司 楊奎

上海同巖土木工程科技股份有限公司 劉華莉

隨著我國交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的快速發(fā)展、隧道工程數(shù)量的快速增加，到2018年末，全國已建成通車公路隧道17738處，總長度1723.61萬米，目前中國已成為世界上隧道和地下工程最多、最復(fù)雜、發(fā)展最快的國家[1]。由于隧道施工地質(zhì)條件復(fù)雜、技術(shù)難度大、大量的風(fēng)險和不確定因素，近年來，我國隧道工程建設(shè)發(fā)生的宜萬鐵路高陽寨隧道、都汶公路董家山隧道、上海地鐵黃浦江隧道等安全事故，大多與是施工方或管理方的風(fēng)險意識薄弱、風(fēng)險管理水平低下等有關(guān)，也使得參建各方認識到項目成敗與風(fēng)險受控與否息息相關(guān)。因此，隧道建設(shè)安全風(fēng)險評估顯得尤為重要。目前，在工程領(lǐng)域經(jīng)常使用的風(fēng)險評估和決策方法有專家調(diào)查法、層次分析法（AHP）、模糊綜合評價法、灰色評價法、蒙特卡洛法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價法等，其中，層次分析法和模糊綜合評價法應(yīng)用較多且被廣泛接受[2]-[4]。

近年來，許多專家、學(xué)者對公路隧道施工風(fēng)險展開了廣泛探討與研究，并取得了一些重要成果。方碧濱[5]以建設(shè)中的寨仔山隧道為對象，采用指標體系法進行安全風(fēng)險總體評估與專項評估。在確定重大風(fēng)險源后，以矩陣法對重大風(fēng)險源進行動態(tài)估測，并提出加強實時監(jiān)控量測、超前地質(zhì)預(yù)報、采用合適的施工方法及安全專項方案風(fēng)險等防范對策。張廣敏[6]通過對在役隧道從土建結(jié)構(gòu)風(fēng)險、管理風(fēng)險及環(huán)境風(fēng)險3個方面選取15項風(fēng)險影響因素，構(gòu)建結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估指標體系和層次結(jié)構(gòu)?；趯哟畏治龇ê湍：C合評價法，建立了在役隧道結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險評估模型，并依托在役隧道工程對該模型進行了驗證。楊凱、吳昊、楊曉華等[7]針對高速公路隧道安全風(fēng)險評價體系，提出了一種基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法的隧道施工安全風(fēng)險評估模型。通過風(fēng)險指標體系量化表，解決了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型缺乏處理定性指標能力的問題。將該模型應(yīng)用于成武高速公路太石隧道坍方風(fēng)險事件施工安全風(fēng)險評估中，評價結(jié)果與實際施工情況完全相符。

根據(jù)交通運輸部頒布的《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》（交公路發(fā)[2010]175號）的規(guī)定，因汪家箐隧道存在偏壓問題，總體安全對隧道穩(wěn)定不利，需進行初步設(shè)計階段安全風(fēng)險評估工作。本文根據(jù)汪家菁隧道地質(zhì)、建設(shè)、及施工等條件，采用工程類比、專家調(diào)查及核查表法對隧道風(fēng)險源進行辨識，并對重大風(fēng)險事件進行分析，基于模糊綜合評價法原理，對隧道安全風(fēng)險事件進行評估，并制定風(fēng)險控制措施，為隧道施工安全風(fēng)險管理提供依據(jù)。

1.工程概況

汪家菁隧道為雙向四車道隧道，左線起訖樁號為ZK35+935～ZK36+435，長500.909m；右線起訖樁號為YK35+955～YK36+468，長516.395m，屬小凈距中隧道。隧址區(qū)總體地勢呈中部高、兩端低，略有起伏，進口端地形陡峭，坡度角30°～35°，出口端地形相對平緩，坡度角20°～25°，洞口有植被發(fā)育。隧道上覆土層主要以第四系崩積 （Qcol）碎石夾塊石、角礫層為主，局部夾薄層黏性土，下伏基巖為二疊系上統(tǒng)玄武巖組 （P2β）玄武巖及二疊系下統(tǒng)茅口組 （P1m）白云質(zhì)灰?guī)r。地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖 （溶蝕）裂隙水。隧道進口發(fā)育泥石流，隧道洞口與泥石流溝槽底部高差約10.00m～12.00m；K36+100～出口段為白云質(zhì)灰?guī)r，局部存在巖溶的可能。（表1、圖1-圖2）

圖1 汪家菁隧道平面圖

圖2 汪家菁隧道左線地質(zhì)縱斷面圖

表1 隧道圍巖分級表

采用短臺階留核心土法施工，襯砌為復(fù)合式襯砌，圍巖穩(wěn)定性差、存在偏壓，因此，有必要對其進行風(fēng)險評估。

2.風(fēng)險評估方法

風(fēng)險具有不確定性，但其本身還是有一定的規(guī)律，是可被認識的。通過分析可采取恰當(dāng)?shù)姆椒ń档惋L(fēng)險。本文通過工程類比法、核查表及專家調(diào)查法對風(fēng)險源進行辨識，確定隧道風(fēng)險事件，進行風(fēng)險分析，并基于模糊綜合評判方法，對汪家菁隧道進行安全風(fēng)險評估，確定隧道風(fēng)險等級。

2.1 模糊綜合評價法

根據(jù)綜合評價的目標，對客觀事物的影響因素進行分解，以構(gòu)造不同層次的統(tǒng)計指標體系，然后對這些指標進行指標賦值并確定其權(quán)重系數(shù)，最后采用綜合評價模型得到綜合評價值，以此進行排序和評價。

在確定評價因素、因子的評價等級標準和權(quán)重的基礎(chǔ)上，運用模糊集合變換原理，以隸屬度描述各因素及因子的模糊界限，構(gòu)造模糊評判矩陣，通過多層的復(fù)合運算，確定評價對象的可靠度。具體的步驟如下：

（1）建立評價因素集，是影響評價對象的各種元素的一個普通集合：

（2）建立評價集，是評價者對評價對象可能作出的各種評價結(jié)果組成的集合：

（3）找出評價矩陣：

（4）建立因素權(quán)重集。由于各個因素的重要程度不同，為了反映各因素的重要程度，對各個因素應(yīng)給予一個相應(yīng)的權(quán)數(shù)，建立權(quán)重集如下：

（5）模糊綜合評判：

2.2 風(fēng)險等級及接受準則

根據(jù)安全風(fēng)險事件發(fā)生的概率和損失等級，將安全風(fēng)險等級分為Ⅰ級（低度風(fēng)險）、Ⅱ級（中度風(fēng)險）、Ⅲ級（高度風(fēng)險）、Ⅳ級（極高風(fēng)險）7。（表2）

表2 風(fēng)險等級標準

公路隧道風(fēng)險接受準則與采取的風(fēng)險處置措施如表3所示：

表3 風(fēng)險接受準則及處置措施

3.風(fēng)險評估

3.1 風(fēng)險源辨識

根據(jù)汪家箐隧道的地質(zhì)情況、設(shè)計施工資料及風(fēng)險指南，采用工程類比法、專家調(diào)查法及核查表法，對汪家箐隧道存在的重大風(fēng)險事件以及與之相關(guān)的風(fēng)險源進行檢查和初步辨識。結(jié)果表明：汪家箐隧道存在的主要風(fēng)險事件為大變形、塌方、洞口失穩(wěn)及突水涌泥。

3.2 風(fēng)險事件分析

分析時根據(jù)地質(zhì)情況，將隧道分為若干區(qū)段，先評估某一風(fēng)險事件在隧道沿線某一區(qū)段的風(fēng)險等級，得出了不同區(qū)段的風(fēng)險等級，然后評估某一區(qū)段風(fēng)險事件的風(fēng)險等級，最后綜合評估多個風(fēng)險事件情況下的隧道總體風(fēng)險評估。

3.2.1 大變形風(fēng)險

圍巖級別均為Ⅴ級，穩(wěn)定性差，大變形風(fēng)險分析時將隧道分為洞口段（進口段、出口段）、洞口Ⅴ級圍巖淺埋段及洞身Ⅴ級圍巖其他段。

（1）洞口段

隧道進出口段埋深較小，埋深2.51m～19.25m，巖性主要為殘坡積粉質(zhì)黏土、碎石土，鈣質(zhì)膠結(jié)成塊，呈中密狀。進、出口段地面自然坡度分別為30°～35°、20°～24°。

進出口段巖體松散，抗雨水沖刷能力差；巖體破碎，隧道開挖后圍巖自穩(wěn)能力差。隧道開挖后地應(yīng)力重分布，在地下水的作用下或雨季降雨地表水下滲，巖體軟化發(fā)生塑性流動，隧道拱頂部位圍巖沿全、強、中分化巖體的巖層分界面向洞內(nèi)滑移，使圍巖產(chǎn)生較大的收斂位移，易發(fā)生大變形風(fēng)險。（圖3、圖4）

（2）洞身Ⅴ級圍巖淺埋段

圍巖為碎石、角礫強風(fēng)化玄武巖，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差且埋深淺，隧道開挖巖體自穩(wěn)能力較差，在應(yīng)力作用下可能向臨空面滑移擠出大變形，在掘進過程中易發(fā)生大變形。

（3）洞身Ⅴ級圍巖其他段

圍巖為中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，局部存在巖溶發(fā)育，易富水軟化巖體，隧道開挖易發(fā)生大變形。

3.2.2 塌方風(fēng)險

（1）洞口段

汪家箐隧道進出口段埋深較小，巖體穩(wěn)定性差、透水強，施工過程中易產(chǎn)生拱部及側(cè)壁支護、注漿不及時、施工操作不當(dāng)?shù)?，尤其雨季進口段施工，地表水對地表沖刷及下滲作用，圍巖強度降低，穩(wěn)定性差，開挖極易發(fā)生坍塌事故。同時，進口處為汪家箐泥石流溝，泥石流沖積層松散，在地表水沖刷作用下，隧道開挖易發(fā)生塌方事故。

圖3 進口段縱斷面圖

圖4 出口段縱斷面圖

（2）洞身Ⅴ級圍巖淺埋段

隧道埋深較小，碎石、角礫強風(fēng)化玄武巖，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，隧道開挖易造成塌方。

（3）洞身Ⅴ級圍巖其他段

圍巖為中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，風(fēng)化程度強烈，巖體破碎且局部存在巖溶發(fā)育，易富水軟化巖體，隧道開挖易發(fā)生塌方。

3.2.3 洞口失穩(wěn)風(fēng)險

（1）進口段

隧道進口地段位于較陡斜坡地段，邊仰坡巖層產(chǎn)狀為289°∠85°，坡面朝向119°，地形坡度為30°～35°。坡面由殘坡積粉質(zhì)黏土和碎石土組成。

利用同濟曙光邊坡穩(wěn)定性分析軟件計算進口仰坡穩(wěn)定性，采用簡化畢肖普法，考慮該地區(qū)地震類型為9度，取水平地震系數(shù)為0.32，得到安全系數(shù)F=1.06，安全系數(shù)較低，潛在滑動面沿著殘坡積粉質(zhì)黏土層。

坡面自然狀態(tài)下穩(wěn)定，隧道開挖，在施工擾動作用下邊仰坡易失穩(wěn)。粉質(zhì)黏土及碎石土抗雨水沖刷能力差，巖土體較松散，隧道開挖后原有平衡被破壞，隧道的關(guān)鍵塊可能被挖除，使得上部巖塊缺少必要的支撐，再加上圍巖本身自穩(wěn)能力差，粘聚力小，不能達到自身平衡，發(fā)生滑塌。進口處為汪家箐泥石流溝，雨季強降雨誘發(fā)泥石流會對隧道進口處的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。（表4）

表4 進口仰坡計算參數(shù)取值

（2）出口段

隧道出口地段位于斜坡地段，坡面由碎石土組成，呈稍密狀，其厚度較厚，為10m～20m，分布較不均勻；坡面朝向299°，地形坡度為20°～24°。圍巖自穩(wěn)能力差。采用簡化畢肖普法，考慮該地區(qū)地震類型為9 度，取水平地震系數(shù)為0.32，得到安全系數(shù)F=1.58，坡體有一定的安全儲備，滑動圓弧范圍較大，潛在滑動面沿著殘坡積碎石土。

出口邊仰坡在自然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，開挖不當(dāng)，巖體松散破碎、自穩(wěn)能力差可產(chǎn)生崩塌破壞。若施工期間遭遇強降水，則地表水下滲不僅會增加坡體自重，還會軟化潛在滑動面，使其力學(xué)參數(shù)進一步降低，從而可能誘發(fā)滑坡。（表5、圖5-圖6）

表5 出口仰坡計算參數(shù)取值

圖5 左線進口仰坡穩(wěn)定性計算

圖6 左線出口仰坡穩(wěn)定性計算

表6 隧道各風(fēng)險事件等級評估表

3.2.4 突水涌泥風(fēng)險

突水涌泥風(fēng)險段分為洞口段、洞口Ⅴ級圍巖淺埋段及洞身Ⅴ級圍巖其他段。

（1）洞口段

隧道進出口段埋深較淺，巖土體結(jié)構(gòu)松散，透水性強，為地表水下滲的主要通道，具有良好的透水性和含水性，抗雨水沖刷能力差，雨季強降雨導(dǎo)致地表水下滲，地下水增長，隧道開挖易發(fā)生滲涌水風(fēng)險。

（2）洞身Ⅴ級圍巖其他段

隧道圍巖為中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r，風(fēng)化作用致使節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體破碎，為地表水下滲和基巖裂隙水涌入隧道提供了良好的導(dǎo)水通道，具有良好的透水性和含水性，且局部存在巖溶，易富集地下水，隧道開挖易發(fā)生突水涌泥。

3.2.5 風(fēng)險等級

隧道大變形、塌方、突水涌泥風(fēng)險事件評估等級見表6所示。

綜上，汪家菁隧道總體安全風(fēng)險等級為Ⅲ級。必須實施削減風(fēng)險的應(yīng)對措施，并需要準備應(yīng)急計劃。

4.風(fēng)險控制措施

通過風(fēng)險辨識、分析及評估，對概率等級為3級及以上的風(fēng)險事件，制定控制措施，以降低風(fēng)險等級。

（1）大變形風(fēng)險采用加強圍巖量測工作、減少對圍巖的擾動、多重支護及預(yù)留變形量增大等控制措施。

（2）塌方風(fēng)險采用進出口淺埋段應(yīng)以剛性支護為主。初期支護宜及時封閉，應(yīng)考慮提前模筑襯砌，即二次襯砌及時施做；施工中注意加強圍巖量測工作、嚴格控制爆破裝藥量、保證施工質(zhì)量、嚴格控制開挖工序及洞口應(yīng)常備一定數(shù)量的塌方搶險材料，如方木、型鋼鋼架等控制措施。

（3）突水涌泥風(fēng)險采用加強施工過程中地下水的探測，將長、中、短期相結(jié)合；加強對隧道圍巖地下水情況進行詳細探查等控制措施。

（4）洞口失穩(wěn)采取進口段地處泥石流溝情況，需做專門的調(diào)查與研究，制定專門防護處置等措施；洞口段坡體使用噴錨網(wǎng)支護、錨索錨桿支護等充分加固不穩(wěn)定巖體。同時在仰坡坡腳及坡頂分別埋設(shè)位移觀測點，嚴密監(jiān)測仰坡位移，如有異?，F(xiàn)象，采取緊急措施。

5.結(jié)語

通過對隧道風(fēng)險源進行辨識、重大風(fēng)險事件分析及隧道安全風(fēng)險評估得出以下結(jié)論：

一是汪家菁隧道主要存在大變形、塌方、洞口失穩(wěn)及突水涌泥等風(fēng)險；

二是大變形、塌方風(fēng)險事件等級為Ⅲ級，其余風(fēng)險事件等級為Ⅱ級；

三是汪家菁隧道總體安全風(fēng)險等級為Ⅲ級；

四是對概率等級為3級及以上的風(fēng)險事件，制定了相應(yīng)的風(fēng)險控制措施。