龍瑯高速公路安平隧道初步設計階段風險分析*

李海波

(龍瑯高速公路建設開發(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，設計荷載為公路-Ⅰ級，設計速度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，建設規(guī)模大，地質條件復雜，一旦出現安全風險事故，將造成極大經濟損失和社會影響。該文根據交公路發(fā)[2010]175號《關于在初步設計階段實行公路橋梁和隧道工程安全風險評估制度的通知》，對該隧道初步設計展開風險評估。

1 工程地質概況

安平隧道穿越煤層采空區(qū)、富水斷層等不良地質(見圖1)。地層為第四系全新統、更新統覆蓋層，下三疊系灰?guī)r，二疊系上統硅質頁巖、頁巖、灰?guī)r夾煤層，二疊系下統灰?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條離隧道進口約500 m。3條斷層對隧道影響地段有限，F5壓性逆斷層主要影響隧道圍巖的完整性，F5-1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)內新構造運動不明顯，局部表現為北東、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烈發(fā)育區(qū)。地下水補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距離補給。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、生活的可能。隧道通過巖溶發(fā)育區(qū)易產生涌水和突泥現象。

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)性指數達21.31%，固定碳含量為72.1%，據有關經驗公式計算，煤塵爆炸指數達22.8%；2#煤層為具爆炸性危險煤層，開采時需加強防塵措施；3#煤層的全硫含量達2.71%，為中高硫煤，如通風條件不好，會導致采空區(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JTG/T D70-2010《公路隧道設計細則》，為高瓦斯隧道工區(qū)，所經煤層易產生爆炸和自燃。

2 安平隧道風險評估

2.1 隧道特點與難點

(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，易產生涌水和突泥現象。

(3) 該隧道屬于瓦斯隧道，所經煤層易產生爆炸和自燃。

(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 風險源檢查

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

表1 安平隧道工程專家風險事件等級矩陣

2.3 重大風險辨識

(1) 車田江水庫蓄水倒灌。該隧道出口緊鄰車田江水庫，隧道進口標高比水庫溢洪道標高低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險，巷道內大量地下水可能涌入隧道，對隧道施工、運營安全和環(huán)境影響極其惡劣。

(3) 地下水位不可逆轉下降。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造帶大量涌出，暗河內地下水沿陡節(jié)理、溶洞和溶蝕裂隙大量涌出，可能導致地下水水位下降；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涌水，導致地下水水位下降。當地下水大量排泄時將導致山體地下水水位急劇下降，嚴重影響區(qū)域的生態(tài)環(huán)境和居民的生產、生活。

(4) 高水頭富水斷層、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，多處地帶可能出現涌水、突水現象。

圖3 安平隧道出口地質結構示意圖(單位：m)

(5) 襯砌結構失效或使用壽命降低。山體地下水水位高，將對隧道結構產生較大壓力，影響隧道結構的安全和使用壽命，導致隧道結構開裂、滲水甚至無法正常運營。

(6) 煤礦瓦斯突出風險。該隧道屬于高瓦斯隧道，所經煤層易產生爆炸和自燃。

2.4 專家調查風險事件等級分析

該隧道各重大風險事件等級專家調查統計見圖4～9。根據專家調查結果，對各重大風險事件的初步風險及殘留風險等級進行劃分，結果見表2。

圖4 蓄水倒灌風險等級專家調查統計

圖5 煤層采空區(qū)突水風險等級專家調查統計

圖6 高水頭富水斷層、巖溶及地下暗河突水、突泥風險等級專家調查統計

圖7 襯砌結構失效或使用壽命降低風險等級專家調查統計

圖8煤地層瓦斯突出和煤層爆炸、自燃風險等級專家調查統計

圖9 瑯塘端長沖煤礦采空區(qū)沉降塌陷風險等級專家調查統計

風險事件風險等級初始風險殘留風險車田江水庫蓄水倒灌ⅢⅡ煤層采空區(qū)突水ⅢⅡ高水頭富水斷層、巖溶及地下暗河突水、突泥ⅢⅡ襯砌結構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地下水位不可逆轉下降ⅢⅢ

3 隧道重大風險分析、評估與控制

3.1 水庫蓄水倒灌風險

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、涌泥風險

對破碎帶或涌水的地段，設計超前地質探孔進行探測，做好超前圍巖預注漿方案；對重點地段加強勘測，并制訂對應工法的施工組織方案。

加強超前預報，采用超前泄水孔進一步降低地下水的水頭壓力，將風險損失等級降低至Ⅲ級。

采用超前帷幕注漿的方式超前加固圍巖，做好應急預案。

3.3 瓦斯風險

(1) 施工前地質調查與試驗。收集相關煤礦的瓦斯資料，并走訪附近居民了解煤層瓦斯出露情況；進行地表地質調查，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構造角度判斷瓦斯存在的可能性及瓦斯的涌出量和范圍；對鉆孔內氣體、土樣或穩(wěn)定液(泥水)進行化驗，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行通風設計。

(2) 施工中調查與試驗。對于可能蘊藏瓦斯的隧道區(qū)段，除在已開挖隧道內測量瓦斯?jié)舛韧?，在開挖面前方進行水平鉆孔探測，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) 瓦斯突出危險性預測及判別。通過超前鉆孔探煤、開挖中鉆瓦斯測壓孔進行瓦斯突出危險性預測，若測試數據中出現指標超限(臨界指標見表3)的情況，即判定有瓦斯突出危險。

表3 瓦斯突出危險性預測臨界指標

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

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

表4 瓦斯預警值

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

4 結語

該文結合安平隧道地質環(huán)境和建設環(huán)境，構建多因素的隧道風險評估模型，識別安平隧道風險源，分析初步設計方案的風險等級；針對重大風險源提出風險控制對策，并對殘余風險進行評估。結果顯示，除腹水斷層水位變化為Ⅲ級風險外，其他風險均為Ⅱ級及以下。其研究結果可為安平隧道建設和管理提供技術支持。