汪家菁隧道初步設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)價(jià)研究

蘇交科集團(tuán)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(guó)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(guó)已建成通車(chē)公路隧道17738處，總長(zhǎng)度1723.61萬(wàn)米，目前中國(guó)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(guó)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(xiǎn)和不確定因素，近年來(lái)，我國(guó)隧道工程建設(shè)發(fā)生的宜萬(wàn)鐵路高陽(yáng)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(xiǎn)意識(shí)薄弱、風(fēng)險(xiǎn)管理水平低下等有關(guān)，也使得參建各方認(rèn)識(shí)到項(xiàng)目成敗與風(fēng)險(xiǎn)受控與否息息相關(guān)。因此，隧道建設(shè)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估顯得尤為重要。目前，在工程領(lǐng)域經(jīng)常使用的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和決策方法有專(zhuān)家調(diào)查法、層次分析法（AHP）、模糊綜合評(píng)價(jià)法、灰色評(píng)價(jià)法、蒙特卡洛法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評(píng)價(jià)法等，其中，層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法應(yīng)用較多且被廣泛接受[2]-[4]。

近年來(lái)，許多專(zhuān)家、學(xué)者對(duì)公路隧道施工風(fēng)險(xiǎn)展開(kāi)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(duì)象，采用指標(biāo)體系法進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)總體評(píng)估與專(zhuān)項(xiàng)評(píng)估。在確定重大風(fēng)險(xiǎn)源后，以矩陣法對(duì)重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行動(dòng)態(tài)估測(cè)，并提出加強(qiáng)實(shí)時(shí)監(jiān)控量測(cè)、超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、采用合適的施工方法及安全專(zhuān)項(xiàng)方案風(fēng)險(xiǎn)等防范對(duì)策。張廣敏[6]通過(guò)對(duì)在役隧道從土建結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)、管理風(fēng)險(xiǎn)及環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)3個(gè)方面選取15項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)影響因素，構(gòu)建結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系和層次結(jié)構(gòu)。基于層次分析法和模糊綜合評(píng)價(jià)法，建立了在役隧道結(jié)構(gòu)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并依托在役隧道工程對(duì)該模型進(jìn)行了驗(yàn)證。楊凱、吳昊、楊曉華等[7]針對(duì)高速公路隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)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(xiǎn)評(píng)估模型。通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)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(biāo)能力的問(wèn)題。將該模型應(yīng)用于成武高速公路太石隧道坍方風(fēng)險(xiǎn)事件施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中，評(píng)價(jià)結(jié)果與實(shí)際施工情況完全相符。

根據(jù)交通運(yùn)輸部頒布的《關(guān)于在初步設(shè)計(jì)階段實(shí)行公路橋梁和隧道工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估制度的通知》（交公路發(fā)[2010]175號(hào)）的規(guī)定，因汪家箐隧道存在偏壓?jiǎn)栴}，總體安全對(duì)隧道穩(wěn)定不利，需進(jìn)行初步設(shè)計(jì)階段安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(lèi)比、專(zhuān)家調(diào)查及核查表法對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，并對(duì)重大風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行分析，基于模糊綜合評(píng)價(jià)法原理，對(duì)隧道安全風(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行評(píng)估，并制定風(fēng)險(xiǎn)控制措施，為隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)管理提供依據(jù)。

1.工程概況

汪家菁隧道為雙向四車(chē)道隧道，左線(xiàn)起訖樁號(hào)為ZK35+935～ZK36+435，長(zhǎng)500.909m；右線(xiàn)起訖樁號(hào)為YK35+955～YK36+468，長(zhǎng)516.395m，屬小凈距中隧道。隧址區(qū)總體地勢(shì)呈中部高、兩端低，略有起伏，進(jìn)口端地形陡峭，坡度角30°～35°，出口端地形相對(duì)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(jìn)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(xiàn)地質(zhì)縱斷面圖

表1 隧道圍巖分級(jí)表

采用短臺(tái)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(duì)其進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

2.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法

風(fēng)險(xiǎn)具有不確定性，但其本身還是有一定的規(guī)律，是可被認(rèn)識(shí)的。通過(guò)分析可采取恰當(dāng)?shù)姆椒ń档惋L(fēng)險(xiǎn)。本文通過(guò)工程類(lèi)比法、核查表及專(zhuān)家調(diào)查法對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)，確定隧道風(fēng)險(xiǎn)事件，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，并基于模糊綜合評(píng)判方法，對(duì)汪家菁隧道進(jìn)行安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，確定隧道風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

2.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

根據(jù)綜合評(píng)價(jià)的目標(biāo)，對(duì)客觀事物的影響因素進(jìn)行分解，以構(gòu)造不同層次的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)體系，然后對(duì)這些指標(biāo)進(jìn)行指標(biāo)賦值并確定其權(quán)重系數(shù)，最后采用綜合評(píng)價(jià)模型得到綜合評(píng)價(jià)值，以此進(jìn)行排序和評(píng)價(jià)。

在確定評(píng)價(jià)因素、因子的評(píng)價(jià)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)和權(quán)重的基礎(chǔ)上，運(yùn)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(píng)判矩陣，通過(guò)多層的復(fù)合運(yùn)算，確定評(píng)價(jià)對(duì)象的可靠度。具體的步驟如下：

（1）建立評(píng)價(jià)因素集，是影響評(píng)價(jià)對(duì)象的各種元素的一個(gè)普通集合：

（2）建立評(píng)價(jià)集，是評(píng)價(jià)者對(duì)評(píng)價(jià)對(duì)象可能作出的各種評(píng)價(jià)結(jié)果組成的集合：

（3）找出評(píng)價(jià)矩陣：

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

（5）模糊綜合評(píng)判：

2.2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)及接受準(zhǔn)則

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Ⅰ級(jí)（低度風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅱ級(jí)（中度風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅲ級(jí)（高度風(fēng)險(xiǎn)）、Ⅳ級(jí)（極高風(fēng)險(xiǎn)）7。（表2）

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

公路隧道風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則與采取的風(fēng)險(xiǎn)處置措施如表3所示：

表3 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則及處置措施

3.風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.1 風(fēng)險(xiǎn)源辨識(shí)

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

3.2 風(fēng)險(xiǎn)事件分析

分析時(shí)根據(jù)地質(zhì)情況，將隧道分為若干區(qū)段，先評(píng)估某一風(fēng)險(xiǎn)事件在隧道沿線(xiàn)某一區(qū)段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，得出了不同區(qū)段的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，然后評(píng)估某一區(qū)段風(fēng)險(xiǎn)事件的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，最后綜合評(píng)估多個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件情況下的隧道總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。

3.2.1 大變形風(fēng)險(xiǎn)

圍巖級(jí)別均為Ⅴ級(jí)，穩(wěn)定性差，大變形風(fēng)險(xiǎn)分析時(shí)將隧道分為洞口段（進(jìn)口段、出口段）、洞口Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段及洞身Ⅴ級(jí)圍巖其他段。

（1）洞口段

隧道進(jìn)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(jìn)、出口段地面自然坡度分別為30°～35°、20°～24°。

進(jìn)出口段巖體松散，抗雨水沖刷能力差；巖體破碎，隧道開(kāi)挖后圍巖自穩(wěn)能力差。隧道開(kāi)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(dòng)，隧道拱頂部位圍巖沿全、強(qiáng)、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(xiǎn)。（圖3、圖4）

（2）洞身Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段

圍巖為碎石、角礫強(qiáng)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(kāi)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(jìn)過(guò)程中易發(fā)生大變形。

（3）洞身Ⅴ級(jí)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(kāi)挖易發(fā)生大變形。

3.2.2 塌方風(fēng)險(xiǎn)

（1）洞口段

汪家箐隧道進(jìn)出口段埋深較小，巖體穩(wěn)定性差、透水強(qiáng)，施工過(guò)程中易產(chǎn)生拱部及側(cè)壁支護(hù)、注漿不及時(shí)、施工操作不當(dāng)?shù)?，尤其雨季進(jìn)口段施工，地表水對(duì)地表沖刷及下滲作用，圍巖強(qiáng)度降低，穩(wěn)定性差，開(kāi)挖極易發(fā)生坍塌事故。同時(shí)，進(jìn)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(kāi)挖易發(fā)生塌方事故。

圖3 進(jìn)口段縱斷面圖

圖4 出口段縱斷面圖

（2）洞身Ⅴ級(jí)圍巖淺埋段

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

（3）洞身Ⅴ級(jí)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(qiáng)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(kāi)挖易發(fā)生塌方。

3.2.3 洞口失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)

（1）進(jìn)口段

隧道進(jìn)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(jì)曙光邊坡穩(wěn)定性分析軟件計(jì)算進(jìn)口仰坡穩(wěn)定性，采用簡(jiǎn)化畢肖普法，考慮該地區(qū)地震類(lèi)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(dòng)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(kāi)挖，在施工擾動(dòng)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(kāi)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(dá)到自身平衡，發(fā)生滑塌。進(jìn)口處為汪家箐泥石流溝，雨季強(qiáng)降雨誘發(fā)泥石流會(huì)對(duì)隧道進(jìn)口處的穩(wěn)定產(chǎn)生影響。（表4）

表4 進(jìn)口仰坡計(jì)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(jiǎn)化畢肖普法，考慮該地區(qū)地震類(lèi)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(chǔ)備，滑動(dòng)圓弧范圍較大，潛在滑動(dòng)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(kāi)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(qiáng)降水，則地表水下滲不僅會(huì)增加坡體自重，還會(huì)軟化潛在滑動(dòng)面，使其力學(xué)參數(shù)進(jìn)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(jì)算參數(shù)取值

圖5 左線(xiàn)進(jìn)口仰坡穩(wěn)定性計(jì)算

圖6 左線(xiàn)出口仰坡穩(wěn)定性計(jì)算

表6 隧道各風(fēng)險(xiǎn)事件等級(jí)評(píng)估表

3.2.4 突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)

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

（1）洞口段

隧道進(jìn)出口段埋深較淺，巖土體結(jié)構(gòu)松散，透水性強(qiáng)，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(qiáng)降雨導(dǎo)致地表水下滲，地下水增長(zhǎng)，隧道開(kāi)挖易發(fā)生滲涌水風(fēng)險(xiǎn)。

（2）洞身Ⅴ級(jí)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(kāi)挖易發(fā)生突水涌泥。

3.2.5 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

隧道大變形、塌方、突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)事件評(píng)估等級(jí)見(jiàn)表6所示。

綜上，汪家菁隧道總體安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)。必須實(shí)施削減風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施，并需要準(zhǔn)備應(yīng)急計(jì)劃。

4.風(fēng)險(xiǎn)控制措施

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、分析及評(píng)估，對(duì)概率等級(jí)為3級(jí)及以上的風(fēng)險(xiǎn)事件，制定控制措施，以降低風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。

（1）大變形風(fēng)險(xiǎn)采用加強(qiáng)圍巖量測(cè)工作、減少對(duì)圍巖的擾動(dòng)、多重支護(hù)及預(yù)留變形量增大等控制措施。

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

（3）突水涌泥風(fēng)險(xiǎn)采用加強(qiáng)施工過(guò)程中地下水的探測(cè)，將長(zhǎng)、中、短期相結(jié)合；加強(qiáng)對(duì)隧道圍巖地下水情況進(jìn)行詳細(xì)探查等控制措施。

（4）洞口失穩(wěn)采取進(jìn)口段地處泥石流溝情況，需做專(zhuān)門(mén)的調(diào)查與研究，制定專(zhuān)門(mén)防護(hù)處置等措施；洞口段坡體使用噴錨網(wǎng)支護(hù)、錨索錨桿支護(hù)等充分加固不穩(wěn)定巖體。同時(shí)在仰坡坡腳及坡頂分別埋設(shè)位移觀測(cè)點(diǎn)，嚴(yán)密監(jiān)測(cè)仰坡位移，如有異?，F(xiàn)象，采取緊急措施。

5.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)對(duì)隧道風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行辨識(shí)、重大風(fēng)險(xiǎn)事件分析及隧道安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)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(xiǎn)；

二是大變形、塌方風(fēng)險(xiǎn)事件等級(jí)為Ⅲ級(jí)，其余風(fēng)險(xiǎn)事件等級(jí)為Ⅱ級(jí)；

三是汪家菁隧道總體安全風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為Ⅲ級(jí)；

四是對(duì)概率等級(jí)為3級(jí)及以上的風(fēng)險(xiǎn)事件，制定了相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施。