隧道改擴建工程施工風(fēng)險評估研究

　　要 為研究既有隧道原位改擴建工程施工過程中的風(fēng)險，以山東淄博淄川區(qū)黑峪隧道改擴建工程為例，建立新的隧道改擴建工程施工安全總體風(fēng)險評估表，評估該工程總體風(fēng)險屬于Ⅳ級極高風(fēng)險。綜合核對表法和專家調(diào)查法進行危險源普查，識別出六項重大危險源，并對重大風(fēng)險進行專項評估。以塌方風(fēng)險為例，結(jié)合隧道改擴建項目施工難度和支護方法，從超前管棚支護、既有隧道洞口加固、新舊隧道交叉處圍巖級別、新舊隧道交叉處施工支護方法等多個因子考慮，對塌方風(fēng)險源進行指標體系法評估。并從支護、爆破、加固、其它施工措施四個方面制定風(fēng)險消減措施，預(yù)防隧道塌方事故。

　　本文源自王春河; 朱福強; 羅興; 張傳奎; 田軍令; 李賀朋; 郭翼飛， 現(xiàn)代隧道技術(shù) 發(fā)表時間：2021-04-15 《現(xiàn)代隧道技術(shù)》(雙月刊)創(chuàng)刊于1964年，由中鐵西南科學(xué)研究院有限公司 和中國土木工程學(xué)會隧道及地下工程分會共同主辦。創(chuàng)刊40多年來，《現(xiàn)代隧道技術(shù)》雜志緊緊圍繞辦刊宗旨，積極推動我國隧道及地下工程專業(yè)技術(shù)進步，深受國內(nèi)隧道及地下工程專業(yè)人員的喜愛，是國內(nèi)影響最大的隧道及地下工程專業(yè)期刊之一。報道內(nèi)容：國內(nèi)外隧道及地下工程專業(yè)理論研究、設(shè)計、施工、運營維修方面的新技術(shù)、新材料、新設(shè)備等。

　　關(guān)鍵詞 公路隧道 改擴建施工 風(fēng)險評估 指標體系法 塌方事故

　　1 引 言

　　隨著國家公路隧道建設(shè)的快速發(fā)展，東部地區(qū)交通量急劇增加，一些年代久遠的隧道由于設(shè)計標準較低，通行能力不能滿足日益增長的交通需求[1] 。這些既有隧道存在平縱指標較低、結(jié)構(gòu)安全隱患較為突出、通行能力不足等問題。但是國家目前沒有出臺針對既有公路隧道改擴建風(fēng)險研究的指南或規(guī)范[2] ，并且既有隧道改擴建風(fēng)險的學(xué)術(shù)研究較為缺乏。李 健等[3] 基于既有隧道改擴建工程，采用數(shù)值模擬與理論分析等手段，對隧道改擴建工程施工結(jié)構(gòu)安全性進行研究;陳瀟洋[4] 對城市大跨度、小凈距隧道的改擴建施工方法、圍巖和支護結(jié)構(gòu)力學(xué)特性進行分析;金 波等[5] 定性總結(jié)了隧道在改建施工中涉及的整治方案、施工安全和運營安全等問題的解決方案;王建明、柏雨芹[6] 定性總結(jié)了隧道設(shè)計風(fēng)險識別的分析過程和管理對策;丘仁科等[7] 從事故成因入手量化估測隧道改擴建施工中的風(fēng)險問題;臧萬軍、王猛[8] 對既有隧道改擴建工程基于熵權(quán)物元可拓理論建立風(fēng)險評估流程、評價指標和評價標準;李曉光等[9] 采用事故樹分析法識別既有隧道中存在的危險因素，利用層次分析法確定其權(quán)重，構(gòu)建了隧道的綜合評價體系。以上學(xué)者對隧道改擴建項目的力學(xué)特性進行了分析，針對施工過程中的風(fēng)險問題集中于定性分析，但對風(fēng)險指標的定量系統(tǒng)性分析較為缺乏。

　　目前隧道安全風(fēng)險評估的方法主要有貝葉斯概率法、層次分析法、模糊風(fēng)險綜合評價法、事故樹分析法等[10] 。但與擬建隧道不同，既有隧道改擴建由于運營期間出現(xiàn)各種病害，隧道整體應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化，大大增加了隧道改擴建施工時的安全風(fēng)險，且評估方法的選擇必須以最少的時間、資金和人力支出獲得最大效用為目標，以評估方法和風(fēng)險指標易于獲得統(tǒng)一的標準為條件。因此，文章采用指標體系法，對建立隧道改擴建施工風(fēng)險評估體系有較強的操作性、系統(tǒng)性和可比性。

　　參照2011年頒布的《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南》和《公路橋梁和隧道工程設(shè)計風(fēng)險評估指南》(下稱《指南》)，以黑峪隧道改擴建項目為例，對可能產(chǎn)生的風(fēng)險進行評估。

　　2 工程概況

　　黑峪隧道(以下簡稱既有隧道)位于淄博市淄川區(qū)趙家?guī)X村黑峪山下淄中路中心樁號K17+993處，為單洞雙向兩車道隧道。為提升公路安全服務(wù)水平，擬對黑峪隧道在原位處進行改擴建(以下簡稱擬建隧道)，如圖1所示。

　　根據(jù)相關(guān)地勘報告可知：擬建隧道起點里程標號為K17+722，全長548 m。隧址區(qū)域起點段坡度較緩，埋深較淺，終點段坡度陡，埋深較大，整體地形起伏變化較大，隧道洞口段軟弱圍巖淺埋偏壓;隧址區(qū)域?qū)偬妓猁}巖巖溶裂隙含水區(qū)，隧道洞身段滲水點較多，局部出現(xiàn)股狀涌水;擬建隧道圍巖級別比例為：Ⅴ級圍巖占全隧道 16.5%，Ⅳ級圍巖占全隧道 29.4%，Ⅲ級圍巖占全隧道54.1%。擬建隧道與既有隧道接近段及相交段的爆破屬于Ⅴ級圍巖爆破段;既有隧道開挖后溶洞段的施工有可能存在啞炮等，這些是黑峪隧道改擴建重難點。

　　3 風(fēng)險源研究

　　為了確保擬建隧道施工過程中既有隧道的穩(wěn)固和施工安全，綜合核對表法和專家調(diào)查法識別該項目風(fēng)險，明確風(fēng)險因素及可能對隧道施工產(chǎn)生的影響。由于隧址區(qū)地質(zhì)復(fù)雜、施工技術(shù)水平有限，加之新舊隧道接近段及相交段的施工工法極為復(fù)雜。為防范這些風(fēng)險,采用指標體系法對重大風(fēng)險的影響因子進行識別、歸類和整理排序，確定主要的風(fēng)險因子，并制定風(fēng)險消減措施。

　　3.1 總體風(fēng)險量化評估

　　參照《指南》，黑峪隧道改擴建施工工程增加了洞口施工難度、擬建隧道與既有隧道支護難度、既有隧道加固難度、事故救援的可開展性等因素，建立新的隧道改擴建工程施工安全總體風(fēng)險評估表，見表1。

　　總體風(fēng)險評估分數(shù)為24分，屬于Ⅵ級，極高風(fēng)險。根據(jù)《指南》和《細則》，需要進行隧道專項風(fēng)險評估。將隧道施工工序分解，對分解的工序進行危險源普查、辨識和分析，識別重大風(fēng)險源。

　　3.2 風(fēng)險源普查分析

　　在隧道工程中，根據(jù)隧道改擴建施工進度，可以將工程分解為洞口段明洞及洞門開挖工程、洞身掘進、洞身襯砌以及施工配套工程[12，13] 。采用核對表法和專家調(diào)查法相結(jié)合的方法，查找關(guān)于公路隧道的主要風(fēng)險事故資料，訪問研究隧道施工領(lǐng)域的專家、實施該項目的項目經(jīng)理等人。通過現(xiàn)場事故調(diào)查，結(jié)合工程地質(zhì)、圍巖等級、水文地質(zhì)等基本信息和施工方法，具體分析本隧道可能發(fā)生的典型事故類型，見表2。

　　通過對洞口工程、洞身開挖、洞身襯砌、臨時工程等單位工程作業(yè)內(nèi)容潛在事故的分析，經(jīng)過最終確認可得隧道改擴建工程主要存在塌方、路基邊坡失穩(wěn)、洞口失穩(wěn)、機械傷害、物體打擊、高處墜落六項重大危險源。

　　4 重大風(fēng)險專項評估

　　重大事故風(fēng)險應(yīng)包含工程事故和其引起的損失兩部分，一般用事故發(fā)生概率及其損失的函數(shù)表示[14] ： R = f ( P,C ) (1)式中：R為隧道工程施工階段風(fēng)險;P為風(fēng)險事故發(fā)生的概率;C 為風(fēng)險事故造成的損失，包括經(jīng)濟損失、人員傷亡、工期延誤及環(huán)境影響等。

　　重大風(fēng)險評估主要考慮物的狀態(tài)、人的狀態(tài)和施工管理缺陷。其中，物的狀態(tài)主要考慮水文地質(zhì)、項目地形地貌及施工難度等客觀條件;人的因素和施工管理缺陷主要考慮總包及專業(yè)分包企業(yè)資質(zhì)、歷史事故、作業(yè)人經(jīng)驗、安全投入情況等。其中，人的因素及施工管理對公路隧道工程施工安全影響較大，可作為風(fēng)險抵消的因素。重大風(fēng)險發(fā)生可能性表示為： p = Q·γ (2)式中：Q為該風(fēng)險事故可能性的計算分值;γ為安全管理評估指標分值對應(yīng)的折減系數(shù);p 為該風(fēng)險事故經(jīng)過加入折減系數(shù)后發(fā)生可能性的計算分值。

　　4.1 人為因素事故可能性評估

　　人的因素及施工管理引發(fā)的事故可能性的評價系數(shù)值可作為重大風(fēng)險事故評估的折減系數(shù)。根據(jù)黑峪隧道總承包企業(yè)管理資質(zhì)以及施工組織應(yīng)急方案等考慮，該項目總包企業(yè)為中國建筑第八工程局有限公司，具有房屋建筑工程施工特級總承包資質(zhì);項目專業(yè)及勞務(wù)分包企業(yè)有資歷;項目部主要管理人員曾在項目上發(fā)生過一般事故;作業(yè)人員經(jīng)驗豐富;安全管理人員及安全投入、機械設(shè)備配置符合合同要求。經(jīng)評估，安全管理評估指標分值對應(yīng)的折減系數(shù)為0.9。

　　4.2 塌方事故可能性評估

　　在隧道工程施工過程中，塌方是最為常見的事故之一。塌方發(fā)生的后果嚴重、危害巨大，不僅對現(xiàn)場施工人員和機械造成威脅，還會延誤工期、增加施工難度、造成嚴重的經(jīng)濟損失，甚至影響隧道運營期的使用壽命與安全[15] 。從六項重大危險源中選擇隧道塌方風(fēng)險事故，對其可能性進行詳細評估。結(jié)合項目特點，采用現(xiàn)場考察、專家調(diào)查等方式，整理篩選出與項目直接相關(guān)的風(fēng)險因素，剔除與項目無關(guān)或影響極小的風(fēng)險因素，從交叉處施工區(qū)段的圍巖級別、斷層破碎帶、滲水狀態(tài)、地質(zhì)符合性、施工方法、施工步距等多個因子考慮，建立了黑峪隧道塌方風(fēng)險指標體系，見表3。

　　根據(jù)表3并結(jié)合實際對本隧道塌方事故進行賦值：對應(yīng)A值為2分;根據(jù)既有隧道洞口強度及擬建隧道爆破強度，對應(yīng)B值取2分;新舊隧道交叉處圍巖級別為Ⅴ級圍巖區(qū)段，對應(yīng)C值取4分;新舊隧道交叉處施工支護時不改變支護方法也不改變支護參數(shù)，對應(yīng)D值取4分;本隧道隧址區(qū)域洞口段(Ⅴ級)為崩塌堆積體，穩(wěn)定性極差;洞身段大部分(Ⅴ級、Ⅳ 級)圍巖情況較好，圍巖斷層破碎情況E為2分;根據(jù)隧址區(qū)水系發(fā)育，滲水狀態(tài)分F為 1.2分;工程地質(zhì)情況與設(shè)計文件基本一致，地質(zhì)符合性G為1分;根據(jù)施工組織設(shè)計，施工方法基本適合水文地質(zhì)條件的要求，施工方法H為1分;根據(jù)施工組織設(shè)計，二次襯砌距掌子面要求在 100 m以內(nèi)，仰拱開挖長度在8 m以內(nèi)，施工步距I=a+b=2+0=2分。所以黑峪隧道塌方事故可能性評估值Q=A+B+F·C+D+E+G+H+I =18.8分。

　　根據(jù)公式(1)p=Q·γ=18.8×0.9=16.92 分。按照重大風(fēng)險源事故等級劃分，見表4，該隧道塌方風(fēng)險等級為Ⅳ級，很有可能發(fā)生塌方。需要重點制定有效措施防止塌方事故的發(fā)生，并進行全面安全控制。

　　5 塌方事故安全控制

　　5.1 支護措施控制

　　為提高洞口段施工安全，在起點35 m范圍內(nèi)設(shè)置超前大管棚支護。超前管棚支護是沿著隧道開挖斷面外輪廓，以固定的間距與隧道的軸線呈一定夾角的鉆孔，插入鋼管，再從插入的鋼管內(nèi)部注入水泥砂漿，以增加鋼管本身的強度與剛度，同時加固圍巖，使得整體性提高。由于黑峪隧道為淺埋隧道，考慮該隧道埋深、圍巖條件、開挖條件以及超前支護結(jié)構(gòu)的特點等多種因素，管棚預(yù)支護施工時鋼筋與襯砌中線平行以 α=5°～8°仰角打入拱部圍巖，共 32 m，環(huán)向間距40 cm，保持1.5 m的搭接長度。爆破開挖過程中，由于爆破載荷作用必然造成巖體結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，且在同一臺階邊坡附近會進行多次爆破，因此必須提前預(yù)防爆破對既有隧道洞口的振動影響，用混凝土錨噴技術(shù)對既有隧道洞口進行加固。

　　根據(jù)圍巖類別和設(shè)計參數(shù)、結(jié)合擬建隧道與既有隧道位置關(guān)系進行初期支護。洞身暗挖地段為Ⅴ 級圍巖擬建段(圖2)，按照新奧法原理組織施工，采用復(fù)合式襯砌，一側(cè)采用?42超前小導(dǎo)管，L=350 cm，環(huán)向間距40 cm，搭接長度1.25 m;另一側(cè)采用?25中空注漿錨桿，L=350 cm，壁厚 5 mm，間距 100 cm (環(huán))×75 cm(縱)。接近段采用復(fù)合式襯砌，必須先進行既有隧道加固，靠近既有隧道拱頂側(cè)采用超前小導(dǎo)管支護，另一側(cè)采用中空注漿錨桿，支護參數(shù)和擬建段一致。K17+807~K17+967 重合段為Ⅴ級圍巖段(圖3)，采用超前錨桿支護，初期支護以錨網(wǎng)噴支護為主，輔以鋼拱架。

　　5.2 爆破措施控制

　　針對 K17+722～K17+808 段，擬建隧道與既有隧道的距離隨施工進度變化而減小，圍巖較破碎，對不同施工階段的爆破方案進行修正，并優(yōu)化 K17+ 808～K18+270 段不同圍巖等級的爆破施工參數(shù)。 V 級圍巖擬建段上部爆破參數(shù)設(shè)計(圖 4)，孔徑 d= 42 mm，孔深L=1.5 m，周邊炮眼間距為500 mm;V級圍巖相交段上部爆破參數(shù)設(shè)計，孔徑d=42 mm，孔深 L=2.0 m，V級圍巖相交段布置掏槽眼、崩落眼、周邊眼、底眼。掏槽眼共布置兩排，與工作面夾角取 85°，炮眼底部間距取185 mm，周邊炮眼間距為600 mm，崩落眼的炮眼孔距取 800 mm。炮眼間距增大能減輕爆破振動對既有隧道的影響。

　　交叉隧道空間關(guān)系復(fù)雜，開挖過程中必須進行爆破質(zhì)量控制，尤其是擬建隧道與既有隧道的接近段及相交段，需要控制爆破振速小于5 cm/s。爆破振動監(jiān)測能夠有效評定爆破施工對巖體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。通過溶洞段時，必須進行啞炮排查，防止安全事故的發(fā)生。

　　5.3 加固措施控制

　　擬建隧道與既有隧道接近段及相交段在施工前，必須先對既有隧道進行加固，如圖5所示。隧道從K17+754~K17+808為接近段，并在K17+808處完全重合。施工時需要對K17+754~K17+808共54 m 長的既有隧道采取加固措施。d為開挖輪廓線至既有隧道對側(cè)邊墻距離，當d≤30 cm時，開挖輪廓線外側(cè)預(yù)留 10 cm 空間，上部噴射混凝土，下部片石回填;當d>30 cm時，開挖輪廓線外側(cè)預(yù)留10 cm空間，上部噴射混凝土，下部片石回填，外側(cè)采用漿砌片石對既有隧道進行加固，漿砌片石墻體最大寬度100 cm。

　　5.4 其它施工措施

　　加強現(xiàn)場監(jiān)控量測，將該隧道洞內(nèi)外觀察、拱頂下沉、周邊收斂、外邊墻位移及地表下沉量測等四項作為施工監(jiān)測項目。洞內(nèi)外觀察分為開挖工作面觀察和已施工區(qū)段觀察兩部分，開挖工作面觀察包括節(jié)理裂隙發(fā)育情況、工作面穩(wěn)定狀態(tài)、涌水情況及底板是否隆起等。拱頂下沉、周邊收斂量測應(yīng)在同一斷面進行，并采用相同的量測頻率，如果位移出現(xiàn)異常情況，應(yīng)加大量測頻率。

　　用TSP超前地質(zhì)預(yù)報系統(tǒng)對Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地質(zhì)情況進行預(yù)報，在工程地質(zhì)與水文地質(zhì)較復(fù)雜地段，應(yīng)補充超前地質(zhì)鉆孔，采用徑向鉆孔(探1、探3為?38孔徑，探2為?76孔徑，探孔長30~50 m)，詳見圖6。地質(zhì)預(yù)報工作對TSP預(yù)報成果加以核查和確認，根據(jù)所獲得的信息調(diào)整隧道施工方案。

　　當隧道內(nèi)掌子面后方發(fā)生塌方等事故時容易造成施工人員被困洞內(nèi)的情況，在隧道施工階段應(yīng)準備相關(guān)救援設(shè)備。如圖7所示，(1)逃生管采用900 mm×15 mm鋼管，其長度比滿足能夠?qū)⒈焕藛T安全疏散至隧道二次襯砌澆筑完畢的安全區(qū)域;(2)洞內(nèi)設(shè)置無線電話，施工照明采用 UPS 供電照明;(3)掌子面附近準備食品、緊急醫(yī)用藥品及相關(guān)設(shè)備;(4)洞外準備臨時鋼架、木材、鉆機、抽水機具等設(shè)施;(5)施工單位應(yīng)根據(jù)實際情況進行必要的防災(zāi)、救援演練。

　　5.5 風(fēng)險管理實施效果

　　黑峪隧道風(fēng)險管理從施工技術(shù)和隧道風(fēng)險易發(fā)位置出發(fā)，采取支護措施、爆破措施、既有隧道加固措施和其它施工措施優(yōu)化的方法降低風(fēng)險因子影響程度，具體降低指標體系法中A、B、D、I的取值及降低C、E、F的影響程度，經(jīng)計算p=Q·γ=6.8×0.9=6.12 分，將塌方風(fēng)險從等級Ⅳ降低至等級Ⅲ，接近于等級 Ⅱ。黑峪隧道改擴建施工風(fēng)險管理工作從2017年9 月份開工建設(shè)，高度重視施工中的塌方風(fēng)險因素，于 2018年7月實現(xiàn)貫通，整個建設(shè)過程未出現(xiàn)塌方等安全事故，達到了既定的安全、質(zhì)量、進度目標。

　　6 結(jié) 論

　　隧道改擴建工程施工工藝復(fù)雜，項目經(jīng)驗及學(xué)術(shù)研究成果少，對施工過程中的風(fēng)險因素難以控制，這些是山區(qū)公路隧道改擴建工程風(fēng)險評估的重難點。依據(jù)山東淄博淄川區(qū)黑峪隧道改擴建工程，從總體風(fēng)險評估入手進行風(fēng)險源普查、專項重大風(fēng)險定量評估，建立塌方風(fēng)險的指標體系評估方法，并對塌方風(fēng)險進行預(yù)防和控制，得到以下結(jié)論。

　　(1)建立有效的公路隧道改擴建施工風(fēng)險指標體系，評價包含了工程的特殊因素，使以后的工程風(fēng)險評估實踐變得簡單易行。

　　(2)建立山區(qū)公路隧道改擴建施工總體風(fēng)險評估細則，加入新的指標項：洞口施工難度、擬建隧道與既有隧道支護難度、既有隧道加固難度、事故救援的可開展性。

　　(3)山區(qū)公路隧道改擴建施工中存在塌方、路基邊坡失穩(wěn)、洞口失穩(wěn)、機械傷害、物體打擊、高處墜落六項重大危險源。

　　(4)運用公式 R=f(P,C)和公式 p=R·γ 評估專項風(fēng)險，并建立量化詳細的塌方事故評估指標體系表，得出黑峪隧道塌方的風(fēng)險等級為Ⅳ級。

　　(5)通過支護措施指標對比、爆破措施指標對比、既有隧道加固措施指標對比和其它施工措施控制四個方面，有效預(yù)防隧道塌方事故。