隧道安全風險評估與控制措施研究

周誼一

（重慶高速巫云開建設(shè)有限公司，重慶 401147）

0 引言

隧道工程施工具有隱蔽性、復雜性，施工過程中易遇到偏壓地層、巖溶、高應(yīng)力、突泥、斷層、瓦斯等不良地質(zhì)環(huán)境。由于各種因素的影響可能導致隧道土石坍塌，襯砌結(jié)構(gòu)破壞，涌水，中毒窒息等施工難題，嚴重影響安全、進度和施工質(zhì)量[1]。在施工前，科學全面的辨識隧道施工總體安全風險源，評估風險等級，制定相應(yīng)的安全措施，是控制隧道施工安全風險，避免發(fā)生安全生產(chǎn)事故的重要手段及保障。隧道工程施工前根據(jù)《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》，依據(jù)工程結(jié)構(gòu)特點和施工影響因素，建立工程總體風險評估指標體系，結(jié)合工程的地質(zhì)、開挖斷面等孕險環(huán)境與致險因子，評估工程整體風險，估測其安全風險等級并制定相應(yīng)應(yīng)對措施并根據(jù)結(jié)果為具體實施過程中開展專項風險評估提供依據(jù)，提前防范安全事故發(fā)生具有重要意義[2]。

1 工程概況

1.1 工程環(huán)境

朝陽隧道是重慶巫云開高速公路在建特長隧道設(shè)計為分離式雙洞，凈高7m、凈寬12.75m，右線K53+126—K58+236，長度 5110m；左線 ZK53+125—ZK58+257，長度為5132m；出口端右側(cè)設(shè)置斜井，與主洞連接里程分別為ZK58+131、K5+000，全長約148.535m，走向204°，設(shè)計坡度11.983%，出口地面標高約為855.50m。

1.2 工程地質(zhì)

該隧址區(qū)山脊線與構(gòu)造線基本吻合，整體呈西北-東南向展布，相間平行排列。區(qū)內(nèi)受強烈的南北向構(gòu)造擠壓下，背斜隆起成山、向斜下凹成谷，同時流水切蝕出山川河谷，形成現(xiàn)有沿路線方向的“一山二槽”地貌形態(tài)，沿線地貌成因類型主要為構(gòu)造、剝蝕、巖溶（喀斯特），為構(gòu)造溶蝕剝蝕中山、中低山地貌。隧道山脈形態(tài)主要表現(xiàn)為不對稱背斜，地形起伏大，以背斜核部為界，北側(cè)地形坡角一般20°～45°，山體頂部渾圓、溶蝕淺溝呈羽毛狀發(fā)育，南側(cè)地形坡角一般30°～60°不等，地形整體偏陡其中線路K54+750 沿東-西走向一帶，地形平緩，局部地形呈封閉、與半封閉狀態(tài)，為地表水匯集區(qū)，巖溶十分發(fā)育。根據(jù)1:20 萬區(qū)域地質(zhì)調(diào)查報告-城口幅、巫溪幅，隧址區(qū)總體以可溶性碳酸鹽為主，分布有志留系中統(tǒng)徐家壩組，二疊系中-下統(tǒng)梁山組、棲霞組、茅口組，二疊系上統(tǒng)吳家坪組、長興組、大隆組，三迭系下統(tǒng)大冶組、嘉陵江組，以及第四系全新統(tǒng)。隧址區(qū)地臺褶皺時期為印支期、喜山期，屬大巴山弧形構(gòu)造體系南段邊緣地帶。構(gòu)造單元屬揚子準地臺-大巴山臺緣坳陷-大巴山陷褶束。

1.3 水文及涌水量調(diào)查

（1）該隧道區(qū)屬長江水系，區(qū)內(nèi)水系發(fā)育，水系格局整體分布較有規(guī)律，基本都平行或垂直構(gòu)造線發(fā)育，長江為本項目一級排泄基準面。隧址區(qū)中小型季節(jié)性沖溝一般垂直于山體斜坡發(fā)育，溝道長短不一，主要接受大氣降水及周邊地表水的補給，雨季時水量較大，旱季時無水或少水。除此之外，調(diào)查區(qū)零星分布少量的魚塘或蓄水池。沿線河流及溪溝旱季流量小，水質(zhì)清澈，雨季河水暴漲、來勢洶猛。

（2）施工期間平水期平均涌水量為69034m3/d。豐水期評價涌水量207102m3/d。擬建朝陽隧道地表槽谷地帶巖溶十分發(fā)育，地下水蘊藏量大，匯水面積大、巖溶下切深度大，隧道穿越該段時圍巖自穩(wěn)性往往較差，開挖時可能遇到軟弱夾。

2 隧道重大風險源辨識

根據(jù)工程類比法和專家分析法對隧道進行重大風險源預(yù)測，施工過程中可能發(fā)生坍塌、涌水突泥、瓦斯、巖溶、滑坡等不良地質(zhì)影響，可能導致重大工程安全事故[3]。

2.1 洞身段坍塌

本隧道穿越朝陽-官陽背斜山體，總體以可溶性碳酸鹽為主，主要分布有志留系中統(tǒng)徐家壩組，二疊系中-下統(tǒng)梁山組、棲霞組、茅口組，二疊系上統(tǒng)吳家坪組、長興組、大隆組，三迭系下統(tǒng)大冶組、嘉陵江組，總體沿朝陽-官陽背斜兩翼對稱分布，巖性主要為灰?guī)r為主，其間大多為白云質(zhì)灰?guī)r、泥灰?guī)r，為較硬巖居多；局部穿越頁巖等軟巖地帶，巖體節(jié)理裂隙、溶孔溶隙分布不均。洞身穩(wěn)定性主要與圍巖的強度與完整性有關(guān)，同時巖溶可能引發(fā)的隧道頂板塌陷、突水突泥等問題。

2.2 涌水突泥

本隧道根據(jù)設(shè)計圖紙，采用鐵路工程水文地質(zhì)勘察規(guī)程中經(jīng)驗公式判斷隧道涌水量大小該隧道日平均最大涌水量預(yù)測207102m3/d，涌水量等級為特大涌水。

2.3 巖爆

本隧道整體穩(wěn)定及施工安全的高地應(yīng)力集中區(qū)的可能性較大，隧道施工過程中出現(xiàn)巖爆的可能性較大，主要表現(xiàn)為輕微巖爆為主、中等巖爆次之。

2.4 有毒有害氣體

本隧道根據(jù)設(shè)計文件說明，在建朝陽隧道為高～低瓦斯地層，建議按高瓦斯隧道進行設(shè)防。

2.5 巖溶

本隧道沿線出露地層為三疊系、二疊系，以灰?guī)r、白云巖為主的碳酸巖類大面積分布，為可溶性巖層，巖溶十分發(fā)育，地表形態(tài)以溶蝕洼地、落水洞、巖溶漏斗、溶溝、溶槽為主，地下形態(tài)以溶孔、溶隙、溶洞及地下暗河等為主。巖溶將引發(fā)一系列工程地質(zhì)問題，主要有地面塌陷、水源枯竭、涌水突泥、施工過程。

2.6 滑坡、危巖體

本隧道滑坡位于線路里程K58+042.75—K58+287.29，縱向長約85m、橫向?qū)捈s200m、滑體一般厚度4～6m，面積約 1.70m×10m，體積約 8.50m×10m，為一小型土質(zhì)淺層滑坡，平面形態(tài)呈半橢圓型，主滑方向191°，前緣剪出口高程920m、后緣高程960m 左右，相對高差約40m。潛在滑體主要為第四系殘坡積層紅粘土夾碎石，下伏基巖為灰?guī)r，斜坡現(xiàn)狀無地表水直接出露，水文地質(zhì)條件簡單。該滑坡變形于2014 年9 月，為暴雨型滑坡，早期滑坡裂痕已被填充、現(xiàn)狀植被茂密。根據(jù)現(xiàn)場宏觀調(diào)查判定：滑坡現(xiàn)狀處于基本穩(wěn)定狀態(tài)，在暴雨及外界其他地質(zhì)營力組合情況下，再次發(fā)生局部失穩(wěn)的可能性大。

3 隧道工程評估指標

隧道工程施工安全總體風險評估主要考慮隧道地質(zhì)條件、建設(shè)規(guī)模、氣候與地形條件等評估指標。參照《指南》要求，結(jié)合隧道工程實際情況，建立以下評估指標和賦值標準，可參見表1 和朝陽隧道工程施工安全總體風險分級標準，最終確定隧道工程施工安全總體風險評估等級為Ⅳ級（中等）[4]。

表1 朝陽隧道總體安全風險評估

4 隧道風險控制措施

4.1 洞身段坍塌控制措施

根據(jù)設(shè)計、實際揭露地質(zhì)情況，制定開挖、支護專項施工方案；按照經(jīng)審批通過的專項施工方案規(guī)范組織施工。按照設(shè)計、規(guī)范要求進行超前地質(zhì)預(yù)報、超前鉆孔工作，提前、科學判定前方地質(zhì)；進行監(jiān)控量測工作。按照規(guī)范、設(shè)計要求嚴格施工，如各工序銜接不緊密；安全步距超標等。編制應(yīng)急預(yù)案；儲備應(yīng)急搶險物資、設(shè)備等；設(shè)置可靠的門禁系統(tǒng)、視頻監(jiān)控系統(tǒng)、人員識別定位系統(tǒng)[5]。

4.2 涌水突泥控制措施

按照審批通過的專項施工方案規(guī)范組織施工。按照設(shè)計、規(guī)范要求進行超前地質(zhì)預(yù)報、超前鉆孔工作，提前、科學判定前方地質(zhì)。施工中與氣象臺建立聯(lián)動機制，及時獲得降水情況，在雨季和斷裂帶位置監(jiān)測孔隙水壓力。涌突水處理根據(jù)地下水的形態(tài)，堅持“超前預(yù)報、堵排結(jié)合、因地制宜、綜合治理”的原則。洞內(nèi)有積水，根據(jù)距離、坡度、水量、設(shè)備和施工資質(zhì)布置管路，一次或分段接力將水排出洞外。針對涌水突泥事故編制專項應(yīng)急預(yù)案和設(shè)立專用應(yīng)急物資。

4.3 巖爆控制措施

事前應(yīng)進行巖爆的預(yù)測預(yù)報，針對開挖面前方可能發(fā)生的巖爆，及時采取施工對策；事后仔細研究巖爆規(guī)律，制訂出后續(xù)施工的對策并逐步改進。施工中應(yīng)加強圍巖特性、巖爆強度等級、水文地質(zhì)情況等的預(yù)報、預(yù)測和分析。隧道進尺根據(jù)施工方案施工，采用合理的爆破方式，減少開挖爆破作業(yè)對圍巖的擾動。向掌子面及附近洞壁噴灑高壓水或利用炮眼及錨桿孔向巖體深部注水，降低圍巖強度，增強其塑性，減弱其脆性，最終降低巖爆的劇烈程度。施工過程中密切觀察巖面剝落、監(jiān)聽巖體內(nèi)部聲響情況，出現(xiàn)巖爆跡象，作業(yè)人員及時撤離。

4.4 有毒有害氣體控制措施

按照方案要求進行超前地質(zhì)預(yù)報。建立進洞登記與進洞人員安檢制度；安裝安全檢查報警系統(tǒng)。若施工過程中檢測到瓦斯，應(yīng)按《公路瓦斯隧道設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范》（JTG/T 3374—2020）、設(shè)計要求及專項施工方案開展瓦斯隧道有毒有害氣體監(jiān)測、電器設(shè)備改造、動火作業(yè)管理、瓦斯隧道通風管理、瓦斯檢測人員管理等。編制詳細的應(yīng)急預(yù)案，并組織工人進行突發(fā)事件應(yīng)急演練。

4.5 巖溶控制措施

按照要求進行超前地質(zhì)預(yù)報，探明前方圍巖巖溶情況；制定巖溶的處治方案；發(fā)現(xiàn)較大溶洞，按要求進行專項設(shè)計處治。

4.6 滑坡、危巖體控制措施

施工前，先清理洞口上方及側(cè)方可能滑塌的危巖體。洞口先實施截、排水系統(tǒng)。施工時，設(shè)置觀測點，特別在為當?shù)赜昙?，加強地表沉降觀察。安排專人觀察，做好每日觀察記錄，若沉降過大，及時停止施工，排查險情，解決問題。采用合理的爆破方式，減少開挖爆破作業(yè)對圍巖的擾動。洞口開挖先支護后開挖，自上而下分層開挖、分層支護，開挖時掏底開挖或上下重疊開挖，陡峭的洞口根據(jù)設(shè)計和現(xiàn)場需要設(shè)安全棚、防護欄桿或安全網(wǎng)等措施。

5 結(jié)語

隧道施工總體安全風險評估是隧道建設(shè)的重要環(huán)節(jié)，進行風險評估的目的是預(yù)防隧道施工過程中發(fā)生安全生產(chǎn)事故，有效降低施工安全風險。作者以重慶巫云開高速朝陽隧道為例，采用《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》為依據(jù)，結(jié)合工程地質(zhì)詳細勘察報告、施工圖設(shè)計文件等科學合理的確立總體施工安全評估指標和賦值，為下階段專項風險評估及有效提高隧道施工安全具有重要意義，其危險源辨識、指導性控制措施值得在其他項目中借鑒運用。