大断面浅埋公路隧道进口段施工风险评估及控制＊

黄 越，寇君淑，邓祥辉，2，李 鹏

（1．西安工业大学 建筑工程学院，西安710021；2．长安大学 公路学院，西安710064）

随着中国交通建设的快速发展，为了满足日益增长的交通量需求和达到交通条件的要求，山岭隧道的数量日益增多，然而随着隧道建设的不断发展，大断面浅埋的公路隧道越来越多，在大断面、大跨度公路隧道的发展趋势下，隧道施工的质量标准逐渐提高，难度也逐渐增大［1-2］．文献［3］提出受大断面公路隧道自身跨度大、形状扁平的影响，开挖过后应力集中程度是一般隧道的一到两倍．文献［4］提出隧道进出口段埋深较浅，隧道的开挖程度较大，从而导致无法形成有效的承载拱，由于开挖的影响，围岩产生较大的松动变形．文献［5］提出大断面浅埋公路隧道进出口处围岩风化严重，地层埋深较浅，且受降雨和地下水影响较大，在隧道进出口处由于施工扰动，更易发生坍塌等风险事件，故隧道施工的难点为山岭隧道进口处段的施工，因此，对隧道进出口段施工安全风险评估不可或缺．

设计阶段和施工阶段是隧道风险评估最主要的两个阶段．风险评估按照研究方法分为两种：①采用数学方法对整个项目或工程进行定量计算，得出风险值及影响并排序，如层次分析法、模糊综合评价法、蒙特卡罗法等［6-10］；②采用专家调查研究的方法，对指定工程或项目进行实地勘察、资料分析，凭借专家的知识及经验，判断、评估和预测该项目风险．根据某高速公路隧道的进口段设计资料、工程地质情况、水文及施工工法等资料，采用专家调查法进行风险源辨识，层次分析对风险因素进行等级评估［11-12］．

本文以某高速公路隧道进口段为研究对象，对进口段施工进行风险评估，通过专家调查法依据隧道进口段地质条件、施工工法及设计图纸对隧道进口段施工进行风险辨识，采用层次分析法对识别出的风险源进行风险因素重要性排序，在此基础上给出对进口段围岩进行小导管注浆及管棚加固、严格控制进口段一次开挖进尺、积极实施动态监控系列风险控制措施，为大断面浅埋公路隧道进口段施工进行有效的风险评估与管理，保障隧道进口段安全施工提供参考．

1 工程概况

1．1 地质水文条件

某公路隧道属于宝汉高速（汉中-陕川界）项目HC-09合同段，位于留坝县武关驿镇武关河村南侧，G316国道西侧．隧道按左、右线分离式设计，左线里程桩号ZK158＋598～ZK158＋788，长190 m；右线里程桩号YK158＋579～YK158＋784，长205m，均属短隧道．

该公路隧道进口位于褒河右岸谷坡坡脚，洞线与坡面基本垂直，不存在偏压情况．隧道进口段现坡面倾向357°，倾角27°，现状条件下自然坡坡面稳定，现坡面为全强风化的花岗岩，洞门开挖易引起全风化花岗岩边坡失稳．出口位于褒河右岸一岩质谷坡，坡面倾角178°，倾角42°，现状条件下自然坡坡面稳定，现坡面直接出露全风化花岗岩．隧道左右线进相距26m，两者埋深均小于36m，洞口段埋深属浅埋段．隧道左线Ⅴ级围岩段长104m，右线Ⅴ级围岩段长121m，左、右线进口段均为Ⅴ级浅埋围岩．该公路隧道纵断面如图1所示．

图1 某公路隧道纵断面图Fig．1 Profile view of a highway tunnel

隧址区地下水主要为基岩裂隙水，呈潜水状态，由于受地形限制，隧址区在强中风化基岩中裂缝发育，但没有形成储水构造，该隧址区正常涌水量为34．01m3·d-1，雨季最大涌水量为60．04m3·d-1，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．

1．2 隧道施工方法

1．2．1 隧道设计参数

隧道内轮廓结构断面为三圆心曲墙式断面，如图2所示，隧道开挖面积为124．20m2，属于大断面隧道．

图2 隧道内轮廓设计图（cm）Fig．2 Tunnel contour design（cm）

洞口段围岩初期支护为C20强度等级的喷射混凝土10cm，网格间距为20cm×20cm的∅8 mm钢筋网，施工过程中对围岩进行监控量测．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曲墙和仰拱，以控制隧道的沉降．

隧道进口左、右线进口出为确保仰坡稳定，临时防护采用锚、喷、网防护，C20混凝土10cm，挂∅8mm钢筋网，网格间距20cm×20cm，∅22mm砂浆锚杆长350cm，采用梅花形布设，间距为120cm×120cm．

1．2．2 洞口施工方法

隧道洞口段采用中隔壁（Center Diaphragm，CD）法施工，施工方法如图3所示．CD法施工工序：拱部用超前小导管注浆加固地层→开挖上部Ⅰ→左侧导坑上部初期支护，中隔墙临时支护→开挖左侧导坑下部Ⅱ→左侧导坑下部初期支护，中隔墙临时支护→开挖右侧导坑上部Ⅲ→右侧导坑上部初期支护→开挖右侧导坑下部Ⅳ→右侧导坑边墙及仰拱初期支护→拆除中隔壁，拱墙二次衬砌，各分部开挖保持3m错距．

图3 CD法施工Fig．3 CD construction method

2 风险分析及控制

2．1 风险评估过程

风险识别、风险评估和风险控制是公路隧道洞口段施工安全风险评估的三个阶段．首先根据地形地貌、工程地质条件、施工工艺等对洞口段进行风险源辨识；其次，以确定的风险源为基础，采用专家调查法和层次分析法分别确定其风险等级和风险因素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后果等级，针对本隧道采取相应的风险控制措施措施降低施工阶段的风险．

2．2 评估结果及控制对策

2．2．1 评估结果

某公路隧道进口段埋深小于36m，顶部岩土体厚度较小，属浅埋，不足以形成稳定的平衡拱，且原岩结构破碎，在施工开挖扰动与降雨作用下，极易造成洞口岩体的滑塌和失稳．通过专家调查法，分析得出在该隧道进口段施工中存在的风险有掌子面失稳、边仰坡失稳、大变形和突涌水等四类．引发上述四类风险的因素为洞口段埋深、断面大小、围岩条件、支护参数、施工方法、降雨及地下水．

运用层次分析法，建立风险层次结构，如图4所示．结合系统工程理论通过反复询问作答的方法对风险因素重要性进行比较，具体对比结果见表1．分别针对每一种风险，比较风险因素重要性，根据其重要程度进行赋值，赋值方法见表2，将赋值结果列成6阶矩阵，求得最大特征值，并对一致性指数进行验算．

1）对于施工风险C1，P3＞P5＞P2＞P4＞P1＞P6，掌子面失稳风险因素重要性两两比较赋值结果见表3．

图4 进口段施工风险层次结构Fig．4 Risk hierarchy of portal construction

表1 风险因素重要性对比表Tab．1 The importance comparison of risk factors

表2 风险因素重要性赋值表Tab．2 Scale evaluation of affect degree of risk factors

表3 掌子面失稳风险因素重要性两两比较赋值结果Tab．3 Pairwise comparison of the influence of risk factors on tunnel face

表3中赋值构成6阶矩阵，其最大特征值λmax＝6．372 0；一致性指数CI为

查表4知RI＝1．24，由式（1）～（2）得CR＝0．06＜0．1．

表4 平均随机一致性指标Tab．4 Mean random consistency index

2）对于施工风险C2，P3＞P1＞P6＞P5＞P4＞P2，边仰坡失稳风险因素重要性两两比较赋值结果见表5．

表5 边仰坡失稳风险因素重要性两两比较赋值结果Tab．5 Pairwise comparison of the influence of risk factors on slope stability

表5中赋值构成6阶矩阵，该6阶矩阵的最大特征值λmax＝6．372 0；一致性指数CI＝0．074 4，一致性比率CR＝0．06＜0．1．

3）对于施工风险C3，P3＞P1＞P2＞P6＞P5＞P4，洞口塌方失稳风险因素重要性两两比较赋值结果见表6．

表6 洞口塌方失稳风险因素重要性两两比较赋值结果Tab．6 Pairwise comparison of the influence of risk factors on collapse

表6中赋值构成6阶矩阵，其最大特征值λmax＝6．606 5；一致性指数CI＝0．121 3；一致性比率CR＝0．098＜0．1．

4）对于施工风险C4，P3＞P6＞P5＞P1＝P2＞P4，大变形风险因素重要性两两比较赋值结果见表7．

表7 大变形风险因素重要性两两比较赋值结果Tab．7 Pairwise comparison of the influence of risk factors on deformation

表7中赋值构成6阶矩阵，其最大特征值λmax＝6．222 0；一致性指数CI＝0．044 4；一致性比率CR＝0．036＜0．1．

依据以上各施工风险相应风险因素重要性两两比较赋值结果，通过计算风险因素相对权重系数得到层次单排序结果以及总排序结果（见表8～9），从表8～9看出，大断面浅埋隧道进口段施工风险总排序，由高到低依次为掌子面失稳、大变形、边仰坡失稳和突涌水．

表8 施工风险重要性两两比较赋值结果Tab．8 Pairwise comparison of the influence of risk factors on construction

从表9看出，某公路隧道进口段施工风险因素重要性等级依次为围岩条件→施工工法→断面大小→洞口段埋深→支护方案→降雨及地下水．依据以上结果，在进口段施工阶段可依据风险因素的重要程度，采取有效的风险控制措施应对．

2．2．2 风险控制对策

针对某大断面浅埋公路隧道进口段施工风险因素重要性等级，对该隧道采取以下风险控制措施：①在该进口段对围岩进行小导管注浆及管棚加固，施工过程遵循“先加固、后开挖”的原则；②采用CD法施工时，严格控制进口段一次开挖进尺，开挖尺寸及爆破装药量；③在施工过程中，积极实施动态监控，进行隧道拱顶沉降与地表沉降监测，分析该隧道围岩稳定性，及时变更支护参数．

经该隧道开挖现场实际拱顶沉降与地表沉降监测分析及验证，证明上述风控措施可有效控制和规避风险，保证施工安全．

表9 总排序结果表Tab．9 Overall order of different excavation methods

3 结 论

以某公路隧道为工程实例，采用专家调查法和层次分析法相结合方法对洞口段施工风险进行分析，在此基础上制定针对大断面浅埋公路隧道进口段施工的风险控制措施，得出的结论为

1）大断面浅埋公路隧道进口段施工存在掌子面失稳、边仰坡失稳、大变形和突涌水四类风险；引发这四类风险的因素为洞口段埋深、断面大小、围岩条件、支护参数、施工工法、降雨及地下水．

2）运用层次分析法给出大断面浅埋公路隧道进口段施工风险层次结构，计算得到了各风险因素的综合权重，结果显示在各风险因素中围岩条件对施工风险的影响最大，其次为施工工法．

3）给出了大断面浅埋公路隧道进口段施工的风险控制措施：在该隧道进口段对围岩进行小导管注浆及管棚加固；施工过程严格控制进口段一次开挖进尺、开挖尺寸及爆破装药量；在施工过程中，积极实施动态监控，进行隧道拱顶沉降与地表沉降监测，分析该隧道围岩稳定性，及时变更支护参数．该隧道开挖现场实际验证以上风控措施有效可行．

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