淺埋偏壓隧道施工風(fēng)險源分析及其識別方法

劉文杰

(重慶交通大學(xué)土木工程學(xué)院，重慶 400074)

1 隧道施工風(fēng)險源分析

根據(jù)交通運輸部統(tǒng)計數(shù)據(jù)，截至2018年末，全國公路隧道1 723.61×104m，較去年增加195.10×104m，隧道建設(shè)發(fā)展迅猛。我國山脈縱橫，地質(zhì)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，為了減輕“大開挖”對環(huán)境產(chǎn)生不利影響，提出隧道應(yīng)該“宜長不宜短”，這就需要在在覆蓋層較淺的地方延長隧道長度，容易形成淺埋隧道。深淺埋隧道的判據(jù)是隧道上方是否形成穩(wěn)定的壓力拱[1]。同時，在復(fù)雜地質(zhì)條件下，對稱的隧道結(jié)構(gòu)左右兩側(cè)受到不同的圍巖壓力使得其結(jié)構(gòu)內(nèi)力在左右兩側(cè)不對稱，此時就形成了偏壓隧道。偏壓隧道的形成[2]主要受地形和地質(zhì)影響，其中地形因素主要有：隧道傍山、洞頂覆蓋層較薄、地表傾斜度大等；地質(zhì)因素有：隧道圍巖巖層產(chǎn)狀傾斜、節(jié)理裂隙發(fā)育，圍巖自穩(wěn)能力差，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)圍巖壓力不均勻。另外，還有施工原因?qū)е缕珘核淼赖男纬伞?/p>

在隧道施工過程中，由于地質(zhì)情況復(fù)雜，各種風(fēng)險和有害因素交織，工傷事故的發(fā)生率居高不下。工程風(fēng)險[3]是指在工程建設(shè)過程中，由于情況的不確定因素對施工方造成的各種損失。風(fēng)險一般包括風(fēng)險因子、風(fēng)險事故和風(fēng)險損失，其中風(fēng)險因子的相互交織構(gòu)成了風(fēng)險源。在隧道施工過程中常見的施工風(fēng)險源主要是圍巖失穩(wěn)和施工環(huán)境造成的事故[4]。為了減輕施工風(fēng)險事故造成的損失，應(yīng)該對施工風(fēng)險源進行提早辨識。而在現(xiàn)階段我國的隧道建設(shè)中，“事故處理”仍然是隧道施工安全風(fēng)險管理的工作重心，現(xiàn)存的施工安全管理系統(tǒng)并沒有很好的解決施工安全問題。簡而言之，目前的施工風(fēng)險管理大部分仍停留在“事故發(fā)生—事故處理—事故總結(jié)”階段，而并沒有延伸到事故發(fā)生的前序階段，即“風(fēng)險源識別與預(yù)測”。所以，應(yīng)完成由“事故處理型”到“事故預(yù)測型”的轉(zhuǎn)變。

本文將重點針對復(fù)雜地質(zhì)條件下淺埋偏壓隧道進行研究，分析此類隧道施工風(fēng)險源的主要來源及其識別方法，對一般性隧道的風(fēng)險辨識流程僅作簡單介紹。依托既有工程，通過展示計算機對淺埋偏壓隧道應(yīng)力應(yīng)變的模擬結(jié)果，揭露復(fù)雜地質(zhì)條件下的淺埋偏壓隧道存在的重大風(fēng)險源，然后針對此類風(fēng)險源提出識別與預(yù)測方法。為后續(xù)的風(fēng)險辨識及評估工作做準(zhǔn)備，為安全施工打下基礎(chǔ)。

2 復(fù)雜地質(zhì)條件下的淺埋偏壓隧道主要施工風(fēng)險源分析

2.1 淺埋偏壓隧道施工風(fēng)險來源

一般隧道在施工過程中的主要風(fēng)險事故有圍巖失穩(wěn)和外界施工環(huán)境事故。其中圍巖失穩(wěn)包括塌方、大變形[5]、突泥突水[6]和巖爆[7]。這里主要針對淺埋偏壓隧道極易出現(xiàn)的塌方事故作分析研究。

淺埋偏壓隧道由于其特殊的地形地貌、地質(zhì)條件，圍巖條件往往為軟弱、破碎、富水，且其左右兩側(cè)圍巖壓力不對稱，故開挖施工過程中極易引發(fā)塌坍和變形破裂等失穩(wěn)破壞的次生地質(zhì)災(zāi)害；如果不及時采取管控措施，就會形成鏈?zhǔn)綖?zāi)變演化發(fā)展[8]，產(chǎn)生圍巖破裂與坍塌、隧道結(jié)構(gòu)裂損、隧道滲漏水、冒頂[9]、洞口邊仰坡失穩(wěn)、地面塌陷與開裂破壞等嚴(yán)重安全事故和人員生命、財產(chǎn)的極大損失，并產(chǎn)生不良的社會影響。

研究表明[10]：淺埋偏壓隧道在開挖過程中破壞的主要原因是巖體在重力作用下的坍塌導(dǎo)致的塌方事故。在隧道開挖前，原有的巖體保持平衡狀態(tài)，在開挖過程中,巖體內(nèi)應(yīng)力開始重分布，不斷進行變化和調(diào)整，使巖體內(nèi)力保持動態(tài)平衡，當(dāng)隧道支護或巖體本身提供的支撐強度不足時，巖體在重力作用下發(fā)生坍塌。

本項目依托工程為貴州正習(xí)高速公路第十八合同段天鵝穴偏壓隧道，根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)勘查報告結(jié)果顯示，該隧道采用臺階法開挖，巖層條件較差，抗風(fēng)能力弱；節(jié)理裂隙發(fā)育；掌子面風(fēng)化較嚴(yán)重，破碎程度大；圍巖自穩(wěn)能力差，容易脫落，無支護時側(cè)壁、拱頂易掉塊，屬IV、V級圍巖(圖1)。

圖1 巖體整體較破碎，節(jié)理裂隙較發(fā)育

2.2 淺埋偏壓隧道應(yīng)力和位移數(shù)值模擬分析

利用MIDAS-GTS軟件建立了淺埋偏壓隧道進口段數(shù)值計算模型，分析計算了隧道在開挖時的應(yīng)力和位移分布規(guī)律。此模型分析對本項目的隧道施工風(fēng)險源識別提供了重要參考。

計算模型如圖2所示，模型參數(shù)見表1。數(shù)值模擬結(jié)果見圖3、圖4。

圖2 數(shù)值模擬模型

表1 模型參數(shù)

(a)第一主應(yīng)力

(b)第三主應(yīng)力

(a)收斂

(b)沉降

2.2.1 開挖后應(yīng)力分布

在圖3(a)為第一主應(yīng)力分布，如圖顯示了在隧道開挖后頂部出現(xiàn)了拉應(yīng)力，且分布范圍較廣。圖3(b)為第三主應(yīng)力分布，圖中結(jié)果顯示了隧道在開挖后，由于偏壓作用，圍巖應(yīng)力在左右側(cè)分布不對稱，且主壓應(yīng)力由深埋部位指向淺埋部位。且在深埋方向拱腳處和淺埋方向起拱線部位出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象。所以，在不對稱圍巖壓力(偏壓)作用下，圍巖將會產(chǎn)生不對稱不均勻變形，在集中荷載作用處容易產(chǎn)生局部破壞或失穩(wěn)。

2.2.2 開挖后隧道周圍變形

圖4為隧道開挖后周邊圍巖的位移變化特征，由圖可知，在偏壓荷載作用下，隧道結(jié)構(gòu)產(chǎn)生了明顯的不對稱變形，在拱頂?shù)纳盥褚粋?cè)沉降最明顯，在拱底淺埋側(cè)產(chǎn)生回彈變形，深埋側(cè)的隧道側(cè)壁收斂更大。同時，由于隧道屬淺埋隧道，拱頂?shù)某两底冃我呀?jīng)延伸到地面，所以，如果不采取防護措施，隧道極易發(fā)生冒頂、塌方、地表滑坡等嚴(yán)重安全事故。

3 淺埋偏壓隧道施工風(fēng)險源識別

風(fēng)險源識別和風(fēng)險辨識(Risk Identification)[11]不是同一件事情，風(fēng)險源的識別是風(fēng)險辨識里的一部分，也是最關(guān)鍵的部分。風(fēng)險辨識流程如圖5所示。

圖5 風(fēng)險辨識流程

風(fēng)險辨識是對隧道工程施工過程中的潛在風(fēng)險源的識別以及對風(fēng)險發(fā)生的原因、時間、概率的篩選評估。如引言所述，為了保證工程安全，淺埋偏壓隧道在施工過程中的風(fēng)險評估極其重要，風(fēng)險評估的基礎(chǔ)工作也是最關(guān)鍵性的一步是風(fēng)險源的識別問題，及時準(zhǔn)確的識別風(fēng)險源是預(yù)測事故發(fā)生的前提。

3.1 淺埋偏壓隧道施工風(fēng)險源初判

風(fēng)險源的初步判斷需對隧道結(jié)構(gòu)的應(yīng)力應(yīng)變進行計算機模擬或模型試驗，通過模擬或試驗結(jié)果顯示出風(fēng)險源可能存在的部位及事故發(fā)生概率。2.2小節(jié)對淺埋偏壓隧道圍巖應(yīng)力應(yīng)變分布進行了數(shù)值模擬分析，隨后根據(jù)結(jié)果進行專家咨詢，即專家調(diào)查法(Expert Investigation)[12]。專家調(diào)查法又分頭腦風(fēng)暴法和德爾菲法，其中頭腦風(fēng)暴法是指專家以會議的形式討論總結(jié)出所得結(jié)果；德爾菲法是指通過問卷調(diào)查向?qū)＜疫M行咨詢的方法。由此完成風(fēng)險源的初步判定。

3.2 施工現(xiàn)場監(jiān)測與分析

完成了風(fēng)險源的初步判定后，對隧道可能出現(xiàn)的風(fēng)險源有了一定的了解，開始進行現(xiàn)場實地分析?，F(xiàn)場分析是較為實用的一種方法，是指在施工過程中，具有相關(guān)經(jīng)驗的專業(yè)人員對現(xiàn)場進行勘察與分析，對已有或潛在的風(fēng)險源進行辨識。對于地質(zhì)條件復(fù)雜的淺埋偏壓隧道，專業(yè)人員應(yīng)借助相關(guān)手段和儀器進行現(xiàn)場檢測。對于重大風(fēng)險源，如塌方、大變形等，應(yīng)進行地質(zhì)超前預(yù)報、圍巖受力檢測以及圍巖變形監(jiān)測。監(jiān)控量測應(yīng)編制監(jiān)測報告，對隧道施工過程中的風(fēng)險變化進行動態(tài)評估[13]。

對于此項目中的淺埋偏壓隧道，其監(jiān)控量測測點布置應(yīng)根據(jù)相關(guān)技術(shù)文件要求；監(jiān)測頻率應(yīng)根據(jù)工程實際需要和管理等級不同來確定。隧道監(jiān)控量測測點布置圖如圖6所示。

圖6 隧道監(jiān)控量測測點布置

量測后及時進行數(shù)據(jù)處理和數(shù)據(jù)分析，采用回歸分析法繪制回歸分析曲線，在監(jiān)測過程中，若發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)異常，應(yīng)該及時分析原因，制定對策。若出現(xiàn)反常曲線(非工序變化引起位移急劇增長的現(xiàn)象)，應(yīng)立即停止開挖并進行施工處理。

3.3 數(shù)值模擬與現(xiàn)場監(jiān)測結(jié)合比較分析

將監(jiān)測測點布置圖與第2節(jié)中數(shù)值模擬的隧道變形圖結(jié)合來看，由于淺埋偏壓隧道的拱頂和側(cè)壁都產(chǎn)生不對稱變形，測點需要在兩側(cè)以一定的密度對稱布置，同時，隧道埋深較淺，覆蓋層較薄，拱頂?shù)某两底冃窝由斓降孛妫皂氃诘乇聿贾贸两当O(jiān)測點。將計算機模擬結(jié)果與監(jiān)測結(jié)果相比較，在誤差接受范圍以內(nèi)，可以最終確定風(fēng)險源，到此施工風(fēng)險源識別工作完成，辨識結(jié)果可靠，可進行風(fēng)險辨識的其他后續(xù)工作。

4 結(jié)論

通過查閱文獻初步了解淺埋偏壓隧道風(fēng)險源的出現(xiàn)原因，用計算機數(shù)值模擬的方法論證了淺埋偏壓隧道主要風(fēng)險源(圍巖失穩(wěn))的存在可能性，調(diào)取本項目背景工程貴州正習(xí)高速公路第十八合同段天鵝穴偏壓隧道地質(zhì)超前預(yù)報和施工監(jiān)測報告，通過對比分析完成了復(fù)雜地質(zhì)條件下淺埋偏壓隧道在施工過程中的風(fēng)險源識別工作。得到以下結(jié)論：①淺埋偏壓隧道在施工過程中風(fēng)險事故的出現(xiàn)包含了內(nèi)因和外因，其內(nèi)因是隧道受力不均勻不對稱導(dǎo)致的圍巖失穩(wěn)現(xiàn)象；外因是外界施工環(huán)境以及工人不規(guī)范操作造成的隧道安全事故。②淺埋偏壓隧道施工風(fēng)險源的主要致險因子是圍巖受偏壓荷載引起的不對稱變形，從而導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)的破壞和巖體的沉降，從而導(dǎo)致坍塌事故。③施工安全管理要從“事故處理型”向“事故預(yù)測型”轉(zhuǎn)變，這就需要進一步規(guī)范和提高風(fēng)險源識別技術(shù)。風(fēng)險源識別大致過程為“初判(計算機模擬和專家調(diào)查法)—施工現(xiàn)場監(jiān)測與分析—監(jiān)測與模擬結(jié)果對比分析)。④根據(jù)偏壓隧道開挖后變形特征，進行支護結(jié)構(gòu)設(shè)計時，充分考慮支護結(jié)構(gòu)是否能充分抵抗偏壓作用帶來的結(jié)構(gòu)不均勻變形。在施工時，應(yīng)加強對圍巖的變形監(jiān)測并采取防護措施。⑤要提高現(xiàn)場監(jiān)測技術(shù)，如改善監(jiān)測方法、改良升級檢測儀器、提高檢測人員的專業(yè)素質(zhì)等。