公路隧道洞口段施工风险评估与控制研究

邓祥辉，高书通

(1.长安大学公路学院，陕西西安 710064;2.西安工业大学建工学院，陕西西安 710032)

随着我国交通建设的快速发展，山岭隧道的数量越来越多。山岭隧道地形和地质条件通常较复杂，施工中不确定因素较多，在施工过程中容易出现影响安全的风险事件[1]。尤其是在隧道进出口，围岩风化严重，地层埋深较浅且受降雨影响较大，在隧道施工扰动下极易发生坍塌、冒顶等风险事件[2]。因此，隧道洞口段施工一直是隧道施工的难点[3]，有必要对洞口段施工安全风险进行评估[4]。为此，交通运输部于2011年5月颁布实施了《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》(试行)[5]，以加强隧道施工过程中潜在风险的评估工作。

从风险评估的研究方法来看，主要分为两类:①采用数学方法对整个工程或分项工程进行评估，定量计算风险值，得出风险影响并排序，如风险矩阵法、层次分析法、模糊评价法、蒙特卡罗模拟法等[6-8]。②采用专家调查法，对具体的工程组成专家小组，进行实地勘察、并对设计和地质资料进行分析，专家根据自身的知识和经验，对工程风险进行判断、评估和预测[9-10]。

对隧道的风险评估主要针对设计和施工两个阶段，本文主要进行施工阶段风险评估研究。根据宝汉高速公路梁山2号隧道的洞口段设计资料、工程地质情况以及施工方法等技术资料，采用层次分析法进行风险源重要性排序，并结合专家调查法对洞口段风险进行等级评估。在此基础上，提出针对性的风险控制措施。

1 工程概况

梁山2号隧道属于宝汉高速(汉中到陕川界)项目HC-03合同段，位于南郑县郭滩乡查家沟，为双洞单向三车道大跨隧道。隧道设计为分离式，左线里程ZK317+770.5—ZK318+021.0，长250.5 m，右线里程YK317+750—YK317+992，长242 m。

该公路隧道进口位于山坡下部，坡度较缓。隧道进口上部为全风化的白云岩和残坡积土，下部为强风化白云岩，原岩结构部分破坏，溶蚀较发育，岩质较差。隧道出口为全风化的白云岩和残坡积土。出口坡度约70°左右，坡面植被发育，覆盖层厚约50 cm，出露基岩主要为强风化白云岩，节理裂隙发育，溶蚀发育。隧道左线进口埋深18.7 m;隧道右线进口埋深18.5 m。隧道左线Ⅴ级围岩段长134.5 m，其中洞口段为Ⅴ级浅埋A型围岩，如图1所示。隧道右线Ⅴ级围岩段长142 m，洞口段亦为Ⅴ级浅埋A型围岩。

图1 隧道左线地质纵断面

洞口部位地下水富水性一般，无集中富水区。岩溶裂隙发育，围岩渗透性很高，水量和水位受季节制约，雨季时水量相对较大。

2 隧道设计与施工方法

2.1 隧道设计参数

隧道设计建筑限界为14.5 m×5.2 m，内轮廓结构断面为三圆心，如图2所示，拱顶半径为8.60 m，拱肩半径5.50 m，仰拱半径为 21.10 m，隧道宽15.148 m，高12.09 m。左、右线隧道洞门横向间距20.65 m，属于小净距隧道。隧道纵坡为－2.7%，隧道内路面横向坡为2%。

图2 隧道内轮廓设计图(单位:cm)

2.2 洞口边仰坡设计参数

洞口段围岩初期支护喷28 cm厚的C25聚合纤维早强混凝土，钢拱架为I22b型，φ8钢筋网，长为4.0 m，纵向为间距0.7 m的φ22早强砂浆锚杆。施工过程中进行围岩监控量测。在初期支护稳定后，全断面施作模筑衬砌混凝土，并在衬砌混凝土拱脚处，采用加厚直边墙，以控制隧道沉降。

隧道进口右线右侧边坡较高，共分为3级，从下至上第 1级坡比 1∶0.5，高度为 10 m;第 2级坡比1∶0.75，高度为10 m;第3 级坡比 1∶1，高度为 6.4 m。第1、第2级支护参数:厚8 cm C20喷射混凝土，间距20 cm×20 cm的φ6钢筋网，长3.5 m间距1.2 m×1.2 m的φ22砂浆锚杆。第3级设计无支护。

隧道进口仰坡左右线均较高，共分2级，从下至上仰坡参数:第1级坡比1∶0.75，高度为3 m;第2级坡比1∶1，高度为9.5 m。两级支护参数相同:厚10 cm C20喷射混凝土，间距20 cm×20 cm的φ6钢筋网，长3.5 m间距1.2 m×1.2 m的φ22砂浆锚杆。

2.3 洞口段施工方法

隧道洞口段采用CRD法施工，施工方法如图3所示。CRD法施工工序如下:导洞超前支护→开挖导洞左上侧①部，并进行初期支护→开挖导洞②部，进行初期支护→开挖主洞③部，进行初期支护→开挖主洞④部，进行初期支护→开挖导洞仰拱⑤部，在隧底周边初喷混凝土，底部垫槽钢，接长临时钢架至隧底→开挖主洞⑥部，在隧底周边初喷混凝土，底部垫槽钢→根据现场监控量测结果分析，待初支收敛后，拆除临时支护，利用仰拱栈桥浇筑仰拱与边墙基础→利用仰拱栈桥浇筑仰拱，填充仰拱至设计高度。

图3 CRD法施工

3 风险评估方法和流程

风险因素概率和后果等级是风险评价中的两个关键指标。本文采用层次分析法和专家调查法进行定量和定性分析，确定风险源及其重要性，判定风险因素与后果等级。

施工阶段洞口段安全风险评估分为风险源识别、风险评估和风险控制三个阶段。首先根据地形、工程地质条件、施工工法、设计图纸等进行洞口段风险源辨识。其次，在确定风险源的基础上，采用专家调查法确定风险等级，采用层次分析法对风险源的重要性进行排序。最后，根据风险源的重要性以及风险后果等级，采取有针对性的措施降低安全风险。根据该公路隧道的地质情况、施工方法、支护方案等，形成公路隧道风险评估流程，如图4所示。

图4 公路隧道洞口段风险评估流程

4 洞口段失稳风险分析

4.1 风险源辨识与排序

该公路隧道进口段埋深不足20 m，属于浅埋段。隧道顶部岩土体厚度不足，难以形成稳定的平衡拱。原岩结构破碎，在施工开挖扰动与降雨作用下，极易造成洞口岩体的失稳和滑塌。结合该隧道施工阶段的特点，建立施工阶段洞口失稳风险事故树，如图5所示。

图5 洞口段失稳风险事故树

1)构造层次单排序判断矩阵

对洞口失稳按照影响因素的重要性构造判断矩阵，如表1所列。

表1 洞口失稳风险判断矩阵

2)风险因素重要性排序

对排序矩阵进行一致性检验，可计算得到风险因素排序矩阵的秩λmax=5.143，则一致性指标为

一致性比率CR则为

对洞口段失稳风险因素按重要性排序为:地质与地形条件→施工工法→支护参数→洞口段埋深→降雨强度。根据以上排序结果，在施工阶段可根据风险因素的重要程度，采取有针对性的控制措施。

4.2 专家调查分析结果

安全风险分级是风险评估结果的重要度量指标，也是制定风险控制措施和决策的依据。本文采用专家调查法，对风险事件的概率等级和损失等级进行统计分析。洞口段失稳风险发生概率等级调查结果如图6所示，洞口段失稳风险后果等级调查结果如图7所示。隧道进、出口分段失稳风险等级如表2所示。

图6 洞口段失稳风险发生概率等级

图7 洞口段失稳风险后果等级

表2 洞口段失稳风险等级

由图6、图7以及表2可见，专家调查评估认为洞口段失稳风险发生概率为3级，损失等级为2级。参照施工阶段隧道风险等级标准，可确定隧道塌方风险等级为Ⅲ级，属高度风险。因此，洞口段失稳风险比较大，必须采取针对性措施进行控制。

5 建议控制措施

1)在施工过程中，积极开展监控量测与量测数据反分析工作，并根据监控量测数据分析围岩稳定性，及时变更支护参数，动态调整施工方法，以确保施工安全。

2)由于梁山2号隧道右侧边坡较高，建议对第3级边坡进行锚喷支护，支护参数可参照第2级。做好边、仰坡支护和排水工作，特别是雨季施工时，防止由于强降雨导致洞口段失稳事故的发生。

3)洞口边仰坡的开挖及整个进洞过程一定要严格按照施工工序进行，开挖前应对洞口段山体进行加固。加固工作一定要充分、及时，严格遵循“先加固、后开挖”的原则。

4)合理安排施工进度，严格控制洞口段的开挖进尺和爆破装药量，采用微振动控制爆破技术，确保安全。

5)隧道进口浅埋段地质情况很差，应采用管棚进洞方案，管棚长度不小于15 m。

[1]范玉祥，何亚伯，汪琴，等.隧道施工安全风险的模糊综合评判[J].华中科技大学学报:城市科学版，2010，27(1):46-50.

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[4]陈绍华.关角隧道风险评估[J].现代隧道技术，2009，46(6):17-27.

[5]中华人民共和国交通部.交质监发[2011]217号 公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南(试行)[S].北京:人民交通出版社，2011.

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