軟弱圍巖隧道施工安全風險管理分析

方義清

（中交一公局廈門工程有限公司，福建廈門 361021）

1 引言

隨著我國高速鐵路、公路建設(shè)的不斷發(fā)展，復雜地質(zhì)條件下的深長隧道及隧道群也陸續(xù)出現(xiàn)[1]。越來越多的隧道在施工過程中會不可避免地穿越軟弱圍巖地帶。軟弱圍巖作為一種獨特的巖體，具有破碎、軟弱、松散、膠結(jié)差、流變、強風化以及高應(yīng)力的特點[2]。由于上述原因，往往會造成大規(guī)模的破壞性事故。例如，從2012 年到2016 年3 月，我國共報道了246 起隧道事故，平均每周發(fā)生事故1.44 起。2017 年2 月12 日，廈門地鐵2 號線海底段隧道施工過程中發(fā)生事故，造成3 人不幸死亡，工程延誤，造成巨大的經(jīng)濟損失。近10 年來，我國隧道基礎(chǔ)設(shè)施總投資近40 800 億元人民幣，涉及多個軟弱圍巖隧道項目建設(shè)，使軟弱圍巖隧道風險管理成為相關(guān)人員的重要研究課題[3]。目前的風險評估和管理實踐大多是基于上半斷面超前短臺階法、CD 法、CRD 法等，而基于TBM 法的隧道施工安全風險管理機制與手段尚不多見。鑒于此，本文以某公路隧道工程為例，根據(jù)實際施工中遇到的風險，結(jié)合施工過程中的管理措施，建立一套基于TBM 施工方法的風險管理機制。

2 工程概況

某公路隧道工程所在地區(qū)廣泛分布著白堊系紅層全強風化層，具有遇水崩解、軟化，局部泥質(zhì)粉砂巖具失水干裂的特點，即遇水后巖層強度會迅速降低，并且其穩(wěn)固性較差，長時間暴露失水后將產(chǎn)生干裂現(xiàn)象。隧道穿越土層參數(shù)見表1。

表1 土層參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)試驗結(jié)果，中風化紅層<8>的軟化系數(shù)為0.35～0.71，平均0.51，微風化紅層<9>的軟化系數(shù)為0.42～0.65，平均0.57，軟化系數(shù)均<0.75，屬可軟化巖石，且?guī)r層具不均勻風化現(xiàn)象，局部發(fā)育有風化硬夾層或風化軟夾層，屬于軟弱圍巖地段。根據(jù)過去的施工經(jīng)驗，最終確定采用TBM 施工法來進行隧道施工建設(shè)。

3 軟弱圍巖隧道施工困難及風險評估

3.1 軟弱圍巖隧道施工主要困難

軟弱圍巖隧道工程施工的一般原則可概括為：風險防控、施工安全、高效、科學標準化。而本項目施工管理主要面臨以下4 個難題：

1）TBM 掘進評價和鉆爆方法及分段掘進。在復雜的地質(zhì)條件下，風險控制應(yīng)作為項目的主要原則。軟弱圍巖隧道施工組織方案的首要目標是科學合理地劃分施工斷面，充分發(fā)揮鉆爆法和TBM 掘進的優(yōu)點，并制定相應(yīng)的技術(shù)策略和控制管理方法。根據(jù)巖體特征、斷層結(jié)構(gòu)分布、技術(shù)裝備能力、環(huán)境條件、施工效率、項目投資等綜合影響因素，研究TBM 對項目地質(zhì)條件的適應(yīng)性，提出技術(shù)上可行、經(jīng)濟上合理的分段施工方案。

2）TBM 進洞掘進的安全問題。大型設(shè)備穿越豎井、斜井、慢斜井等分支隧道進入深埋的地下主隧道，是一個非常具有挑戰(zhàn)性的問題。此外，隧道內(nèi)的TBM 的組裝、啟動、踏步和拆卸等一系列技術(shù)操作也帶來了進一步的挑戰(zhàn)。隧道掘進機可以通過緩斜豎井進入主隧道。主隧道采用軌道運輸，分支隧道采用無軌運輸?？紤]到該綜合運輸方案，確保施工安全高效的關(guān)鍵是進行除渣、通風、物料運輸、供電、給排水、人員、與長距離大斜度緩斜井和硐室結(jié)構(gòu)的設(shè)計相匹配。

3）隧道掘進機及其配套設(shè)施的安全保障。軟弱圍巖隧道機械化施工是一項大型系統(tǒng)工程。施工需要大量的設(shè)備。TBM機組及其配套系統(tǒng)的檢測診斷、維修故障恢復、施工質(zhì)量、工程進度等信息管理在現(xiàn)代隧道施工中起著重要作用。這些系統(tǒng)中都包含必須解決的主要問題。施工中面臨的問題之一是除草、通風、供電、給排水、物料運輸?shù)扰涮自O(shè)施的安全保障問題。此外，設(shè)備性能的可靠性、危險消除和搶修的及時性也是施工中的難點問題。

4）地質(zhì)勘察和風險防控。斷層裂隙帶、軟裂隙巖體、含水構(gòu)造、突水、坍塌、落石、圍巖變形、巖爆等是影響TBM 施工安全高效的主要地質(zhì)問題。TBM 隧道一般都是超長深埋隧道，地質(zhì)條件復雜，施工過程中需要進行先進的地質(zhì)勘察和勘探，還應(yīng)注意災(zāi)害監(jiān)測和預(yù)警系統(tǒng)。為了實現(xiàn)科學、安全、高效的開挖，必須進行超前加固等后續(xù)施工措施。對于某些可能由不利地質(zhì)條件引起的事故，如TBM 位姿失控或TBM 被堵塞或掩埋等，應(yīng)加以預(yù)防，并制定應(yīng)急處置方案。

3.2 軟弱圍巖隧道建設(shè)及施工風險分類

本項目的主要風險源包括地質(zhì)、設(shè)備、施工、環(huán)保、投資等。根據(jù)安全隱患爆發(fā)的可能性和嚴重程度，可將潛在風險分為4 級8 類。

一級：危險源包括重大地質(zhì)災(zāi)害、重要設(shè)備、集中作業(yè)通道、大群體人員安全。

1）區(qū)域斷層構(gòu)造帶。隧道穿越8 個區(qū)域性斷層構(gòu)造帶，可能引發(fā)突水、突泥、坍塌、機器堵塞、人員安全風險。

2）極軟巖石的大塑性變形。雙三隧道埋深，地下水位很高。此外，還有非常柔軟的洞穴部分。因此，存在大塑性變形的風險。

二級：風險源包括一般地質(zhì)災(zāi)害、主要配套設(shè)備、小團體人員安全。

3）次生斷層破碎帶。斷裂構(gòu)造帶發(fā)育的次生斷裂破碎帶有129 個。這些次級斷層破碎帶可能造成突水、大變形、坍塌、機器堵塞等。

4）TBM 的制造、操作和維護。這一過程包括TBM 的設(shè)計、制造、性能診斷以及整體性能和關(guān)鍵部件的故障修復。

三級：風險源包括生態(tài)保護安全、經(jīng)營環(huán)境安全、項目投資安全、施工質(zhì)量安全、工期安全等。

5）水土保持和生態(tài)保護。該項目途經(jīng)具有牧區(qū)和國家級有蹄類野生動物保護區(qū)的天然草原，可能對該地區(qū)的水土保持和生態(tài)環(huán)境保護造成威脅。

6）施工質(zhì)量、工期、投資控制。本項目總投資512 億元，工期84 個月。在施工質(zhì)量、工期、投資控制、貸款等方面存在較大風險。

四級：風險來源包括一般施工管理安全。

7）貫通測量和貫通測量控制。隧道分為18 個TBM 掘進斷面和34 個鉆爆斷面。地面控制網(wǎng)和隧道導線測量的準確性和可靠性的缺乏，將給隧道精確貫通帶來挑戰(zhàn)。

8）備件動態(tài)管理。TBM 及其配套設(shè)施眾多，系統(tǒng)復雜。在備品備件安全儲備的運行管理、性能匹配、保證備品備件及時供應(yīng)等方面都存在風險。

4 風險控制與機制結(jié)構(gòu)

4.1 總體思路：通過責任分配對分類風險進行分級控制

不同責任方的風險控制：設(shè)備制造、設(shè)備運行維護、工程建設(shè)、材料供應(yīng)、施工監(jiān)理、質(zhì)量檢驗、勘察設(shè)計、項目管理等單位的管理，由不同責任方負責。

分級風險控制：第一，建立5 個分中心的風險防控中心。然后根據(jù)風險等級實施分層控制。第二，分解潛在風險，降低施工難度，比如，將長隧道劃分為短段施工。這是軟弱圍巖隧道施工的基本原則。

4.2 機制框架

風險控制機制如圖1 所示，其主要特點如下：

圖1 風險控制機制

1）明確3 個主要責任方。地質(zhì)調(diào)查小組是一個專業(yè)的組織，負責災(zāi)害定位和預(yù)警。該組織主要負責地質(zhì)分析和災(zāi)害評估。項目業(yè)主負責鉆爆施工、TBM 掘進安全、輔助設(shè)備的維護和操作、風險防范程序的制定和風險控制。最后，項目管理團隊負責建立信息平臺，進行綜合決策管理。

2）建立預(yù)防控制中心。依托工作TBM 集團信息化、云計算、互聯(lián)網(wǎng)大數(shù)據(jù)分析平臺，建立先進勘探與災(zāi)害防控中心。依托項目管理部，成立5 個分中心，組建專家決策咨詢團隊，實現(xiàn)現(xiàn)場分析決策，建立基于云的解決方案。

3）組建搶修隊伍。制訂應(yīng)急救援方案，組建專業(yè)的施工隊和維修隊，以應(yīng)對各種地質(zhì)災(zāi)害、TBM 故障、輔助設(shè)備的運行維護、人員救援的準備工作。這包括建立針對可能問題的預(yù)防措施，并在項目開始時消除潛在風險。每個救援隊都由承包商建立和單獨管理，一旦發(fā)生事故，將由災(zāi)難控制中心部署。

4）依靠先進技術(shù)。研究、開發(fā)和應(yīng)用先進的科學技術(shù)是降低風險的重要手段。有價值的技術(shù)包括先進的地質(zhì)勘探技術(shù)和精確的識別；基于人-機-巖感知的智能掘進技術(shù)實時快速預(yù)警技術(shù)；現(xiàn)代信息技術(shù)；可靠和高效的通風、清除淤泥和降塵技術(shù)；以及快速有效的堵水技術(shù)。

5 信息技術(shù)加持下的風險控制

信息技術(shù)的發(fā)展大大提高了信息處理的存儲容量、計算速度和質(zhì)量，人工智能得到了廣泛的應(yīng)用?；赥BM 信息感知與交互的智能掘進是安全高效掘進的發(fā)展趨勢。鑒于此，本項目建立了智能風險管控策略，并將其應(yīng)用到實際項目中。

1）智能掘進。TBM 施工主要受復雜因素和目標的影響。智能掘進策略應(yīng)充分考慮各目標之間的沖突性，采用基于精確的巖機交互模型的多目標動態(tài)規(guī)劃方法，綜合優(yōu)化各因素，實現(xiàn)高效、經(jīng)濟、和節(jié)能。

2）經(jīng)濟掘進。基于刀盤損傷監(jiān)測數(shù)據(jù)，研究了刀盤損傷程度與掘進參數(shù)的相關(guān)性，建立了刀盤損傷預(yù)測模型。以最小切削齒損傷值、最小切削齒更換時間和最大鉆進進尺為目標，優(yōu)化了鉆進參數(shù)。

3）節(jié)能掘進。根據(jù)室內(nèi)掏槽試驗和現(xiàn)場掘進數(shù)據(jù)，研究了不同掏槽參數(shù)下掏槽能量消耗規(guī)律。確定了破巖所需的最小比能及其優(yōu)化參數(shù)。

6 結(jié)論

1）軟弱圍巖隧道施工涉及地質(zhì)災(zāi)害控制與響應(yīng)、設(shè)備運行與維護、施工安全、質(zhì)量保證、投資控制、環(huán)境保護等多個方面。在責任分離、事件分級、分級控制的總原則基礎(chǔ)上，建立科學有效的風險控制機制是控制風險、組織建設(shè)的關(guān)鍵。

2）先進地勘技術(shù)開發(fā)應(yīng)用取得顯著進展，為風險防控提供了良好的技術(shù)手段。但對于軟弱圍巖隧道施工，仍需將地質(zhì)調(diào)查、超前預(yù)測和巖石感知相結(jié)合，建立適合TBM 掘進的綜合地質(zhì)找礦系統(tǒng)，從而實現(xiàn)安全高效施工。針對重大地質(zhì)災(zāi)害，建立了能夠?qū)崿F(xiàn)實時跟蹤探測的TBM 地質(zhì)勘探系統(tǒng)；如果有必要，先進的地質(zhì)鉆探可以驗證地質(zhì)情況，并有助于建立應(yīng)急響應(yīng)計劃。

3）基于技術(shù)信息化、物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)可以提高感知和信息交互，操作狀態(tài)和隧道適應(yīng)性的評價體系建立，和智能控制軟件可以開發(fā)以掘進機中安裝一個“大腦”。這將使建設(shè)信息化、智能化成為軟弱圍巖隧道建設(shè)風險控制進入新階段的重要舉措。