朱曉寧 ,黃 俊,2 ,董 飛,2,? ,李 奧,2 ,楊 奎,2

(1.蘇交科集團(tuán)股份有限公司,南京 210019;2.江蘇省水下隧道綠色智慧技術(shù)工程研究中心,南京 210019)

隧道工程是交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要組成部分,我國交通運(yùn)輸網(wǎng)絡(luò)整體運(yùn)營能力的提高,對(duì)隧道線路長度和斷面尺寸提出了更高要求。目前根據(jù)國際隧道協(xié)會(huì)的劃分標(biāo)準(zhǔn),雙線鐵路隧道或兩車道以上的公路隧道當(dāng)開挖面積超過100 m2時(shí),均可被稱為超大斷面隧道[1]。超大斷面隧道建設(shè)引發(fā)了一系列難題,主要表現(xiàn)為隧道開挖步驟繁多,空間效應(yīng)顯著,圍巖-支護(hù)相互作用復(fù)雜,變形控制難度大[2];圍巖擾動(dòng)大、自穩(wěn)能力差,施工安全風(fēng)險(xiǎn)高,安全保障難度大[3-4]。因此須對(duì)超大斷面隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入研究,辨識(shí)施工風(fēng)險(xiǎn)源,開展施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,并制定應(yīng)對(duì)策略以減少風(fēng)險(xiǎn)因素的不良影響,為隧道工程建設(shè)安全提供保障。

針對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的辨識(shí)和評(píng)估,相關(guān)學(xué)者已開展大量研究。李海波[5]構(gòu)建了多因素隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,開展隧道風(fēng)險(xiǎn)源識(shí)別和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定研究。陽逸勛[6]提煉隧道初步設(shè)計(jì)階段的風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)事件,評(píng)價(jià)各種風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)事件并提出相應(yīng)的控制措施。李毅[7]基于模糊層次分析法,開展公路隧道施工坍塌事故評(píng)估。張錦等[8]基于組合權(quán)模糊物元可拓的評(píng)價(jià)方法,開展川藏鐵路雅林段重點(diǎn)隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。黃健陵等[9]基于社會(huì)網(wǎng)絡(luò)分析法,識(shí)別隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)傳導(dǎo)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素及關(guān)鍵鏈路,進(jìn)一步提出安全風(fēng)險(xiǎn)管理策略。吳賢國等[10]基于模糊貝葉斯理論和證據(jù)理論,構(gòu)建了盾構(gòu)隧道下穿既有隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。

本研究依托中開高速公路大常山超大斷面隧道項(xiàng)目,揭示隧道安全事故與風(fēng)險(xiǎn)源之間的關(guān)系,開展施工階段隧道風(fēng)險(xiǎn)源辨析和評(píng)估。隨后制定科學(xué)有效的控制對(duì)策,為隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的有效預(yù)防和評(píng)估提供依據(jù),從而有效避免隧道施工安全事故的發(fā)生。

1 工程概況

1.1 建設(shè)條件

大常山1 號(hào)隧道工程是中山至開平高速公路的控制性工程,為超大斷面深埋(洞口段除外)偏壓中隧道,采用雙洞單向分離式設(shè)計(jì)方案。由于建設(shè)過程中建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)和要求的更改,須進(jìn)行部分?jǐn)U挖作業(yè)施工,將已建成的三車道隧道改為四車道隧道,以便銜接深中通道。隧道內(nèi)輪廓為18.54 m ×11.69 m,隧道凈空斷面如圖1 所示。起訖里程樁號(hào)左線為LK9 +933～LK10 +595,全長為662 m,縱坡為2.6%,最大埋深約為140 m;右線為RK9 +925～ RK10 +549,全長為624 m,縱坡為2.6%,最大埋深約為140 m。

隧道所穿越山體屬于低山區(qū),高程為10.5～196 m,地形坡度一般為20°～35°。隧道進(jìn)口地形坡度一般為20°～25°,分布較厚的第四系松散堆積層。隧道出口段地形坡度為基巖陡坎,地形坡度一般為65°～70°。隧道出口處下穿一座220 kV 的高壓電塔和一座110 kV 的高壓電塔,高壓電塔位置示意如圖2 所示。電塔位于左線隧道外邊緣的外側(cè),水平投影距離約為15 m。隧道埋深約為15 m,圍巖為中～微風(fēng)化花崗巖。

1.2 地層巖性與構(gòu)造節(jié)理

隧道所處地區(qū)從上至下依次為第四系全新統(tǒng)崩坡積層、第四系殘坡積層、第四系人工堆積層燕山四期花崗斑巖、中粗粒黑云母花崗斑巖以及印支期細(xì)粒黑云母花崗巖。隧道圍巖級(jí)別以Ⅲ級(jí)為主,占隧道總長的68.7%～80.0%,主要分布于隧道中部,少部分Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖分布于隧道兩側(cè)。Ⅲ級(jí)圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育一般,巖體較完整,穩(wěn)定性較好;Ⅳ級(jí)和Ⅴ級(jí)圍巖受區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造影響,圍巖節(jié)理裂隙發(fā)育,巖體較破碎,完整性和穩(wěn)定性較差。

隧道進(jìn)口段圍巖主要為崩坡積碎石土及強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖,出口段地層巖性為殘坡積的粉質(zhì)黏土和全～強(qiáng)風(fēng)化花崗斑巖,大常山1 號(hào)隧道工程地質(zhì)平面如圖3 所示。在天然狀態(tài)下隧道所處地區(qū)土體呈可塑-硬可塑狀或碎塊狀,遇水軟化,力學(xué)性質(zhì)較差,穩(wěn)定性差,成洞條件比較差,開挖后易發(fā)生坍塌及冒頂事故。

隧道所處地區(qū)山體完整,褶皺和斷層發(fā)育不明顯,大常山1 號(hào)隧道物探圖如圖4 所示。在隧道進(jìn)出口以及洞身段測得3 組相互交錯(cuò)的裂隙將巖體分割,使巖體較為破碎。

大常山隧道圍巖整體以Ⅲ級(jí)圍巖為主,圍巖完整性和穩(wěn)定性較好,但隧道界限(寬× 高)為18.0 m ×5.0 m,隧道斷面屬于超大斷面,超大斷面隧道對(duì)圍巖的擾動(dòng)較大,圍巖失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)較大,Ⅲ級(jí)圍巖條件下超大斷面隧道施工風(fēng)險(xiǎn)不可輕視。

1.3 水文地質(zhì)條件

隧道所在區(qū)域?qū)儆谀蟻啛釒Ъ撅L(fēng)氣候,雨量充沛,區(qū)域內(nèi)降水量較高,多年平均降水量為1 645～2 013 mm,雨季為4 月至9 月,其間降雨量占全年的80%左右,且雨季低洼地帶易遭水浸,出現(xiàn)短暫洪澇現(xiàn)象,主要會(huì)出現(xiàn)臺(tái)風(fēng)、水毀以及塌方等自然災(zāi)害。地質(zhì)勘探鉆孔中未見穩(wěn)定的地下水水位。由于擬建隧道位于低山地貌區(qū),隧道進(jìn)出口處于斜坡中下部,高出谷底15～45 m,地形坡度陡,大氣降雨地表徑流迅速,不利于大氣降雨入滲補(bǔ)給,地下水的補(bǔ)給、徑流和排泄迅速,貯存條件差,隧道區(qū)含水層富水性差,總體地下水貧乏。

2 施工階段風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

基于現(xiàn)場條件分析,大常山1 號(hào)隧道施工階段風(fēng)險(xiǎn)事件包含洞口失穩(wěn)、塌方、突水涌泥、環(huán)境污染以及高壓電塔擾動(dòng)等。相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)源從開挖施工、支護(hù)及襯砌和環(huán)保措施3 個(gè)方面加以分析。

2.1 開挖施工

2.1.1 開挖方法

隧道采用新奧法施工,開挖方法包含全斷面開挖法、臺(tái)階法、導(dǎo)洞法以及分部開挖法等。不同的開挖方法適用于不同的地質(zhì)情況,所造成的圍巖擾動(dòng)、工作面大小以及洞室變形程度等均不一樣。

大常山1 號(hào)隧道主要包含擴(kuò)挖段與開挖段,其中開挖段里程為LK9+933～LK10+325 和RK9+925～RK10+023,施工方法主要為:Ⅲa 型襯砌采用CD法(中隔壁法);Ⅲb 型、Ⅳa 型和Ⅳb 型襯砌采用CD法加豎向臨時(shí)支撐;Ⅴa 型襯砌采用雙側(cè)壁導(dǎo)坑法。施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)隧道施工影響的控制,嚴(yán)格控制爆破,左右線施工掌子面應(yīng)錯(cuò)開至少2 倍洞徑。擴(kuò)挖段里程為LK10 +325～LK10 +595 和RK10 +023～RK10 +549。擴(kuò)挖段施工方法如表1 所示。

表1 擴(kuò)挖段施工方法

擴(kuò)挖段拆除施工前應(yīng)排查已開挖段支護(hù)的空洞情況;Ⅴ級(jí)圍巖段臨時(shí)支撐應(yīng)在二襯澆筑前拆除,Ⅳ級(jí)圍巖段臨時(shí)支撐可在拱頂沉降及周邊收斂后進(jìn)行拆除;每拆除三榀后須繼續(xù)監(jiān)控量測,洞室穩(wěn)定后進(jìn)行拆除。沙袋考慮回填縱向20 m 范圍,擴(kuò)挖斷面與二襯安全步距:Ⅴ級(jí)圍巖小于21 m,Ⅳ級(jí)圍巖小于42 m,Ⅲ級(jí)圍巖小于90 m。擴(kuò)挖施工后應(yīng)立即施作初支方可進(jìn)行下一循環(huán)的襯砌拆除與圍巖擴(kuò)挖工作。

綜上分析,擴(kuò)挖段施工方案比較合理,但考慮擴(kuò)挖施工中諸多不確定因素,施工風(fēng)險(xiǎn)依然較大,須重點(diǎn)評(píng)估并制定完備的應(yīng)對(duì)措施以及應(yīng)急預(yù)案。開挖段隧道施工方案合理,施工風(fēng)險(xiǎn)相較于擴(kuò)挖段較小。

2.1.2 地下水處理

大常山1 號(hào)隧道所處地區(qū)山高坡陡且溝谷切割較深,大氣降水迅速進(jìn)入地下。隧道所處地區(qū)地下水主要受巖體性質(zhì)、構(gòu)造特點(diǎn)和地形地貌等因素控制,地下水的補(bǔ)給又與降雨和地表水等密切相關(guān),在地下水處理中既要適當(dāng)排水和降水,減少突水涌泥、洞口失穩(wěn)和塌方發(fā)生的可能性,又要防止地勢形成漏斗狀,避免附近生態(tài)環(huán)境遭到破壞。

2.1.3 工法轉(zhuǎn)換與臺(tái)階間距

隧道擴(kuò)挖段與開挖段存在施工方法的變更,導(dǎo)致開挖順序變化,這對(duì)洞室趨于穩(wěn)定的過程將產(chǎn)生顯著影響,塌方可能性各不相同,對(duì)其他風(fēng)險(xiǎn)事件也有不同程度影響。采用臺(tái)階法開挖時(shí),臺(tái)階間距過小會(huì)影響工程進(jìn)度和施工質(zhì)量;臺(tái)階間距過大會(huì)引起工作面或巖石暴露面的增大,不利于圍巖穩(wěn)定,也會(huì)增加洞口發(fā)生失穩(wěn)和塌方的風(fēng)險(xiǎn)。

2.1.4 爆破方法

不同爆破方法所引起的爆破震動(dòng)、圍巖擾動(dòng)以及巖石暴露面的大小各不相同,這些因素對(duì)洞口失穩(wěn)、塌方和崩塌等事件的影響十分明顯。

2.2 支護(hù)及襯砌

對(duì)于條件較差的圍巖,超前支護(hù)可增加圍巖的穩(wěn)定性和整體性,降低洞口失穩(wěn)、塌方和突水涌泥的風(fēng)險(xiǎn)。該工程針對(duì)不同圍巖條件,分別設(shè)計(jì)了洞口大管棚、超前小導(dǎo)管和超前錨桿等施工輔助措施,在降低開挖風(fēng)險(xiǎn)的同時(shí)節(jié)約工程造價(jià)。

隧道開挖打破了原始圍巖中的初始應(yīng)力平衡,隨著時(shí)間的推移,圍巖會(huì)發(fā)生不同程度的應(yīng)力釋放,最后趨于新的穩(wěn)定。過早支護(hù)會(huì)導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)承擔(dān)較大荷載,引發(fā)襯砌結(jié)構(gòu)破壞;過晚支護(hù)則會(huì)導(dǎo)致圍巖產(chǎn)生過大變形,引發(fā)洞口失穩(wěn)以及塌方等安全事故。為了充分利用圍巖自承載能力,同時(shí)避免洞室被破壞,應(yīng)當(dāng)選擇合適的支護(hù)時(shí)機(jī)。

閉合成環(huán)的周期對(duì)增強(qiáng)圍巖穩(wěn)定性和整體性、限制過大變形有較大影響?？s短閉合成環(huán)周期能減弱不利因素對(duì)斷面的影響,降低洞口失穩(wěn)以及塌方等風(fēng)險(xiǎn)。該隧道在Ⅳ級(jí)圍巖地段應(yīng)盡快施作仰拱,閉合成環(huán)。

2.3 環(huán)保措施

工程建設(shè)中必然產(chǎn)生生產(chǎn)和生活垃圾,廢水和廢渣必須合理排放或堆棄,若處理不當(dāng)會(huì)污染周圍生態(tài)環(huán)境并影響美觀,甚至引發(fā)環(huán)境污染事故。此外工程建設(shè)過程中應(yīng)注意覆蓋層植被的保護(hù),除環(huán)保層面的考慮外,良好的植被分布將會(huì)加強(qiáng)洞口穩(wěn)定性并對(duì)洞口附近光線強(qiáng)弱進(jìn)行更好的調(diào)節(jié)。植被層會(huì)吸收水分,減弱地表滲透,該作用在雨季十分明顯,對(duì)洞室安全極為有利。

施工階段重大安全風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)如表2 所示,表2 中“★”代表該風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)事件的影響比較大;“☆”代表該風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)事件的影響一般;空白代表該風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)該風(fēng)險(xiǎn)事件的影響可以忽略。

表2 施工階段重大安全風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

3 施工階段風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估

3.1 風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估方法

風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)估常用方法包含專家調(diào)查法、事故樹分析法、概率分析法、層次分析法以及模糊綜合評(píng)價(jià)法[11-12]等。

3.1.1 專家調(diào)查法

該方法是一種常用且相對(duì)簡單的方法,也稱為主觀評(píng)分法,其步驟一般包含編制專家調(diào)查表、選擇專家、風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)調(diào)查表填寫以及整理和統(tǒng)計(jì)調(diào)查表4 個(gè)階段。其中專家的選擇一般不少于10 人,且評(píng)估小組內(nèi)行業(yè)專家應(yīng)協(xié)調(diào)平衡,同時(shí)應(yīng)避免選擇與被評(píng)估對(duì)象有直接或間接利益關(guān)系的專家。

安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估項(xiàng)目實(shí)施過程中,對(duì)隧道存在的主要風(fēng)險(xiǎn)事件、風(fēng)險(xiǎn)源以及各風(fēng)險(xiǎn)事件概率和損失等級(jí)等進(jìn)行調(diào)查統(tǒng)計(jì)。調(diào)查采用寄發(fā)調(diào)查表的方式進(jìn)行,共發(fā)放調(diào)查表13 份,收到有效調(diào)查表10 份。

3.1.2 事故樹分析法

該方法用于風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)及風(fēng)險(xiǎn)概率和損失的估測,可確定每一個(gè)層次的發(fā)生概率和風(fēng)險(xiǎn)源、風(fēng)險(xiǎn)事件的重要性排序。

3.1.3 概率分析法

該方法研究各種不確定因素發(fā)生不同變動(dòng)幅度的概率分布及其對(duì)項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益指標(biāo)的影響。根據(jù)實(shí)際統(tǒng)計(jì)資料,采用概率論和數(shù)理統(tǒng)計(jì)方法求解風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率,以此衡量風(fēng)險(xiǎn)水平高低。

3.1.4 層次分析法

該方法將定性因素定量化,在一定程度上減少主觀影響。其主要思想是通過風(fēng)險(xiǎn)因素間的兩兩比較形成判斷矩陣,進(jìn)而計(jì)算同層風(fēng)險(xiǎn)因素的相對(duì)權(quán)重。

3.1.5 模糊綜合評(píng)價(jià)法

該方法是以模糊數(shù)學(xué)為基礎(chǔ),將一些邊界不清且不易定量的因素定量化,從而進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)的方法。模糊綜合評(píng)價(jià)法對(duì)多種因素所影響的事物或現(xiàn)象進(jìn)行總的評(píng)價(jià),是一種以模糊性推理為主,定性和定量相結(jié)合、精確和非精確相統(tǒng)一的方法。

本研究結(jié)合具體工程和地質(zhì)條件,主要采用專家調(diào)查法和層次分析法對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估,進(jìn)一步結(jié)合分級(jí)的評(píng)估結(jié)果,采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施,并在實(shí)踐中加強(qiáng)監(jiān)測,驗(yàn)證風(fēng)險(xiǎn)控制效果。

3.2 風(fēng)險(xiǎn)水平定級(jí)方法

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率和事故損失進(jìn)行判定。《公路橋梁和隧道工程設(shè)計(jì)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南(試行)》中規(guī)定:①風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率可劃分為幾乎不可能發(fā)生、很少發(fā)生、偶然發(fā)生、可能發(fā)生以及頻繁發(fā)生5 級(jí),相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率等級(jí)為1～5 級(jí);②風(fēng)險(xiǎn)損失分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)分別從經(jīng)濟(jì)損失、人員傷亡、工期延誤以及環(huán)境危害等方面進(jìn)行衡量,相應(yīng)的定性判斷標(biāo)準(zhǔn)為輕微的、較大的、嚴(yán)重的、很嚴(yán)重的以及災(zāi)難性的,分別對(duì)應(yīng)1～ 5 級(jí)的損失等級(jí)。

風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)如表3 所示,根據(jù)事故發(fā)生概率和損失后果等級(jí),將風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分為Ⅳ級(jí)(極高)、Ⅲ級(jí)(高度)、Ⅱ級(jí)(中度)和Ⅰ級(jí)(低度)。

表3 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

對(duì)于Ⅰ級(jí)風(fēng)險(xiǎn),其風(fēng)險(xiǎn)尚可接受,只要當(dāng)前措施有效,就不必采取額外措施進(jìn)行預(yù)防。其余等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)均須根據(jù)規(guī)范要求采取相應(yīng)措施。

3.3 風(fēng)險(xiǎn)事件安全評(píng)估

3.3.1 洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

洞口段具有圍巖穩(wěn)定性差、結(jié)構(gòu)受力體系復(fù)雜、施工支護(hù)加固工程量大以及植被容易遭受破壞等特征,是隧道施工過程中工況最復(fù)雜、施工質(zhì)量和安全隱患最多的地段。

結(jié)合相關(guān)資料,隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)的風(fēng)險(xiǎn)源主要體現(xiàn)在洞口地形地貌、地質(zhì)條件、氣候植被以及施工因素等方面。依據(jù)風(fēng)險(xiǎn)源分析,隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)層次分析如圖5 所示。

采用層次分析法中所述比例標(biāo)度,反映A 層次以及B1～B5 層次中各元素的重要程度,計(jì)算各自的權(quán)重。在各自一次性比率滿足相應(yīng)要求的前提下,計(jì)算得到隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)源重要程度排序?yàn)?擴(kuò)挖段施工方法>擴(kuò)挖段支護(hù)措施>開挖段施工方法>開挖段支護(hù)措施>擴(kuò)挖段監(jiān)控量測>開挖段監(jiān)控量測>地質(zhì)構(gòu)造>地層巖性>坡體結(jié)構(gòu)>坡體坡度>降雨強(qiáng)度>水文條件>植被覆蓋。

通過上述分析與計(jì)算,結(jié)合專家調(diào)查法相應(yīng)結(jié)果,經(jīng)綜合分析評(píng)判得到該工程隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),大常山1 號(hào)隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)如表4 所示,隧道洞口失穩(wěn)總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí),風(fēng)險(xiǎn)水平有條件接受,須采取削減風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施,準(zhǔn)備應(yīng)急計(jì)劃。

表4 大常山1 號(hào)隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

通過數(shù)值模擬軟件對(duì)洞口邊仰坡安全性進(jìn)行數(shù)值分析,隧道出口左線隧道數(shù)值模擬結(jié)果如圖6所示,可以得到右側(cè)仰坡安全系數(shù)為1.228,左側(cè)仰坡安全系數(shù)為1.459,發(fā)生失穩(wěn)的可能性較低,這與隧道洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ級(jí)情況基本一致,但仍須在洞口處清除斜坡表層破碎巖體,對(duì)開挖邊坡以及隧道出口段進(jìn)行相應(yīng)的支護(hù)處理。

3.3.2 塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隧道在開挖中、開挖后、支護(hù)后甚至襯砌施作后都可能出現(xiàn)塌方。塌方的過程大致為:開挖→圍巖塑性變形→支護(hù)過大變形→支護(hù)局部破壞→支護(hù)與圍巖破壞失穩(wěn)→塌方。

導(dǎo)致塌方的原因主要包含地質(zhì)地貌、天氣水文、勘察設(shè)計(jì)、施工方法4 項(xiàng)客觀因素,此外還存在一定主觀因素。

該工程為超大斷面隧道工程,工程擴(kuò)挖段須對(duì)新建隧道二襯和初支進(jìn)行拆除后再擴(kuò)挖,危險(xiǎn)性極大;開挖段為大斷面隧道,存在塌方風(fēng)險(xiǎn)。隧道各區(qū)段圍巖特征如表5 所示。

表5 隧道各區(qū)段圍巖特征

依據(jù)大常山1 號(hào)隧道工程的地質(zhì)和水文特征,參考以往工程實(shí)例,隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)層次分析如圖7所示。

基于層次分析法基本原理,隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)源重要程度排序?yàn)?擴(kuò)挖段施工方法>開挖段施工方法>破碎巖體>超前支護(hù)>二襯支護(hù)>監(jiān)控量測>初期支護(hù)>雨季滲水>控制爆破。

通過上述分析與計(jì)算,結(jié)合專家調(diào)查法結(jié)果,經(jīng)綜合分析評(píng)判得到該工程隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí),大常山1 號(hào)隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)如表6 所示。

表6 大常山1 號(hào)隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

由表6 可知,該工程隧道塌方總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。

3.3.3 突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

突水涌泥災(zāi)害的實(shí)質(zhì)是圍巖的含水層結(jié)構(gòu)、水動(dòng)力條件和圍巖力學(xué)平衡狀態(tài)因隧道開挖發(fā)生急劇變化,存貯在地下水體中的能量瞬間釋放,并以流體形式高速向隧道內(nèi)運(yùn)移的一種動(dòng)力破壞現(xiàn)象。水流量大于0.1 m3/s 并伴隨一定壓力和流速時(shí)稱為突水;當(dāng)突出的地下水中含有的泥沙等物質(zhì)超過50%時(shí)稱為涌泥。

因隧道所處區(qū)域水文地質(zhì)條件約束,在隧道開挖施工過程中地下水以滲滴狀、線狀或小股狀出水為主,雨季時(shí)局部可能有股狀或淋雨?duì)畛鏊?不會(huì)遇到大型集中涌突水災(zāi)害?；诠こ痰刭|(zhì)和水文特征,參照以往工程實(shí)例,隧道突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)層次分析如圖8 所示。

隧道突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)源重要程度排序?yàn)?施工方法>雨季滲水>初期支護(hù)>超前支護(hù)>監(jiān)控量測>控制爆破。通過上述分析與計(jì)算,大常山1 號(hào)隧道突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)如表7 所示。

表7 大常山1 號(hào)隧道突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

由表7 可知,該工程隧道突水涌泥總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí),風(fēng)險(xiǎn)水平有條件接受,應(yīng)進(jìn)一步實(shí)施預(yù)防措施,提高安全性。

3.3.4 環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

隧道環(huán)境保護(hù)風(fēng)險(xiǎn)事件有生態(tài)環(huán)境、空氣環(huán)境、聲環(huán)境和社會(huì)環(huán)境4 個(gè)方面。其中生態(tài)環(huán)境的影響主要指地下水流失、洞口水土流失與植被破壞、隧道棄渣,此外還包含隧道施工引起的灰塵、有害氣體、車輛廢氣和噪聲污染等。

棄渣的不合理堆放會(huì)使雨季時(shí)在溝內(nèi)形成泥石流,危及沖溝下方建(構(gòu))筑物安全;棄渣堆積在進(jìn)出口時(shí),由于斜坡較陡極易形成工程滑坡,危害工程安全并阻礙工程進(jìn)度。隧道建設(shè)中產(chǎn)生的地下水流失,在一定程度上造成沿線地下水水位下降,給地表植物生長與動(dòng)物飲水造成影響。施工期間的人為因素同樣會(huì)對(duì)地表產(chǎn)生破壞,主要體現(xiàn)在施工人員對(duì)植被的踐踏和亂砍濫伐等。該工程所處區(qū)域多為干溝,僅在暴雨季節(jié)有地表徑流,洞口發(fā)生水土流失的風(fēng)險(xiǎn)較小。

初步分析確定環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)源有洞口水土流失、地下水流失、隧道棄渣以及周邊環(huán)境影響4 大類,隧道環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)層次分析如圖9 所示。

隧道環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)源重要程度排序?yàn)?周邊環(huán)境>洞口水土流失>隧道棄渣>地下水流失。大常山1 號(hào)隧道環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)如表8 所示。

表8 大常山1 號(hào)隧道環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

由表8 可知,大常山1 號(hào)隧道環(huán)境污染總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí)。

3.3.5 高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

高壓電塔是輸電線路的主要受力構(gòu)件且為高聳空間結(jié)構(gòu)。高壓電塔基礎(chǔ)相互獨(dú)立,對(duì)沉降及傾斜反應(yīng)敏感?；A(chǔ)的不均勻沉降容易引起塔身變形或局部破壞,甚至整體傾覆。隧道附近高壓電塔擾動(dòng)主要受施工方法、隧道斷面尺寸、地質(zhì)條件以及水文地質(zhì)等因素影響。

基于現(xiàn)場條件并參考既有工程經(jīng)驗(yàn),隧道山頂高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)層次分析如圖10 所示。

隧道山頂高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)源重要程度排序?yàn)?洞口段破碎巖體>施工方法>監(jiān)控量測>雨季滲水>超前支護(hù)>二襯支護(hù)>初期支護(hù)>控制爆破。大常山1 號(hào)隧道山頂高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)如表9 所示。

表9 大常山1 號(hào)隧道山頂高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

由表9 可知,該工程隧道山頂高壓電塔擾動(dòng)總體風(fēng)險(xiǎn)為Ⅲ級(jí)。

4 重大風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

針對(duì)總體評(píng)估等級(jí)為Ⅲ級(jí)的洞口失穩(wěn)、塌方和高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)事件,采取如下控制措施對(duì)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行控制,從而降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

4.1 洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)

做好施工前的地質(zhì)調(diào)查,根據(jù)地形和地質(zhì)條件,首先對(duì)隧道洞口邊坡加固防護(hù),平整洞頂?shù)乇?做好洞頂防排水措施。在進(jìn)行洞口土石方工程時(shí),不能采用深眼大爆破或集中藥包爆破,以免影響邊坡穩(wěn)定。同時(shí)在對(duì)邊仰坡進(jìn)行處理時(shí),應(yīng)盡量減少邊仰坡開挖量,減少施工對(duì)邊仰坡的施工擾動(dòng)影響。盡量避免長段落深埋段及偏壓段,在設(shè)計(jì)洞口段時(shí)采用“早進(jìn)晚出”的方案;采用超前大管棚輔助進(jìn)洞,盡量保持山體穩(wěn)定性,嚴(yán)禁過度施工。

對(duì)于洞口段較差的圍巖,應(yīng)選取針對(duì)性洞口支護(hù)加固方案,包含注漿加固、超前小導(dǎo)管、管棚、錨噴混凝土、超前錨桿及自進(jìn)式預(yù)應(yīng)力錨桿。施工時(shí)根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件控制擴(kuò)挖進(jìn)尺,不得冒進(jìn)。嚴(yán)格遵循“管超前、嚴(yán)注漿、短進(jìn)尺、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測”的施工原則。盡可能采取多種手段做好地質(zhì)超前預(yù)報(bào)并制訂動(dòng)態(tài)監(jiān)控量測方案,進(jìn)行動(dòng)態(tài)信息化施工。

4.2 塌方風(fēng)險(xiǎn)

設(shè)置合理的施工工序,加強(qiáng)超前支護(hù),嚴(yán)格控制超前支護(hù)施工質(zhì)量。初期支護(hù)要及時(shí)封閉成環(huán),二襯的支護(hù)時(shí)機(jī)根據(jù)初襯監(jiān)測數(shù)據(jù)的穩(wěn)定趨勢判定。

施工過程中應(yīng)加強(qiáng)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)工作,確保地質(zhì)資料的準(zhǔn)確性,并根據(jù)地質(zhì)調(diào)查的結(jié)果及時(shí)修正隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果。斷面超前地質(zhì)預(yù)報(bào)結(jié)果顯示反射界面較少,縱橫波速度、泊松比及動(dòng)態(tài)楊氏模量變化較小,圍巖呈弱風(fēng)化狀態(tài),圍巖較完整,圍巖穩(wěn)定性較好,局部掉塊,與施工圖所描述的地質(zhì)情況基本一致。

對(duì)隧道支護(hù)結(jié)構(gòu)的拆除作業(yè)進(jìn)行嚴(yán)格要求和把控,隧道擴(kuò)挖段拆除擴(kuò)建過程如圖11 所示。拆除作業(yè)前,首先對(duì)拆除范圍及影響區(qū)域內(nèi)的隧道既有結(jié)構(gòu)進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)或防護(hù);其次根據(jù)隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全、穩(wěn)定性以及受力狀態(tài)等合理設(shè)計(jì)拆除范圍,再對(duì)每一個(gè)拆除循環(huán)作業(yè)邊界進(jìn)行切割處理,及時(shí)解除拆除范圍內(nèi)支護(hù)結(jié)構(gòu)與周圍支護(hù)結(jié)構(gòu)的關(guān)聯(lián)和牽制;最后在拆除過程中應(yīng)實(shí)時(shí)分析判斷監(jiān)控量測數(shù)據(jù),確保無異常再進(jìn)行下一步施工操作。

4.3 高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)高壓電塔技術(shù)規(guī)范和相關(guān)規(guī)定,制定嚴(yán)格的控制標(biāo)準(zhǔn),當(dāng)隧道施工到高壓電塔影響范圍時(shí),對(duì)高壓電塔進(jìn)行預(yù)加固,采用長度為3.6～6.0 m、鉆孔間距為1.2～1.5 m 的Φ42 鋼花管,在高壓電塔影響范圍內(nèi)進(jìn)行洞內(nèi)注漿加固(注漿壓力為1.0～1.5 MPa),以此保障施工過程中高壓電塔安全,并加強(qiáng)高壓電塔基礎(chǔ)沉降和震動(dòng)速度的監(jiān)測頻率,一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常應(yīng)立即停止施工,查找原因并及時(shí)處理,確保高壓電塔的基礎(chǔ)沉降和震動(dòng)速度均小于規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)的限值。注漿加固后測量110 kV高壓電塔和220 kV 高壓電塔地表處沉降,沉降分別為3.8 mm 和1.7 mm。

5 結(jié)論

依托大常山1 號(hào)超大斷面隧道,通過專家調(diào)查法和層次分析法等手段識(shí)別隧道風(fēng)險(xiǎn)源,針對(duì)各主要風(fēng)險(xiǎn)事件開展評(píng)估并提出應(yīng)對(duì)措施。主要結(jié)論如下。

(1) 大常山隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)事件包含洞口失穩(wěn)、塌方、突水涌泥、環(huán)境污染和洞口附近高壓電塔擾動(dòng),相應(yīng)影響因素為開挖施工、支護(hù)及襯砌以及環(huán)保措施等。

(2) 洞口失穩(wěn)、塌方以及高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí),隧道突水涌泥和環(huán)境污染風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅱ級(jí),該隧道施工過程無Ⅰ級(jí)和Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

(3) 針對(duì)評(píng)估等級(jí)為Ⅲ級(jí)的洞口失穩(wěn)、塌方和高壓電塔擾動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)事件,均采取相應(yīng)控制措施,并在施工過程中加強(qiáng)監(jiān)測,降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

(4) 隧道施工中未出現(xiàn)安全風(fēng)險(xiǎn)事故,表明風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果和應(yīng)對(duì)措施建議為隧道施工的安全風(fēng)險(xiǎn)控制提供了有效指導(dǎo)。