隧道施工风险评估关键技术研究

陆春宁

(广西长兴工程建设有限公司，广西 南宁 530023)

0 引言

隧道工程在缩短通车里程、提高交通运输效率方面的作用不言而喻，随着我国岩土道桥和机械工程等领域技术的不断发展，在地形较为复杂的区域建设隧道已不再成为难题，每年都有数量众多的隧道竣工并投入使用，为国民经济建设提供了基础支撑。我国隧道工程的施工技术在经过了数十载的积累、摸索及改进之后，现已形成具有一定广度和深度的施工技术体系，部分隧道施工技术在国际上首屈一指。隧道在施工过程中的安全风险控制技术一直以来都是业内所关注和研究的重点课题，隧道在施工中的潜在隐患和安全风险一般不易被施工人员发现，隐蔽性较高，这是由隧道工程的施工周期较长、施工现场围岩的稳定性差异较大所决定的。相关施工数据表明，隧道的施工质量风险属于共性问题，一般表现为施工过程中的安全措施落实不到位等，包括组织管理方面、人员技术方面以及施工设备等方面[1][2]。

1 隧道施工常见风险因素分析

1.1 突水涌泥

突水涌泥在隧道施工过程中比较常见，一般由于土体和地层中的水体力学平衡状态被打破所致，且在没有得到及时防护时，可引起水与土体的混合物一并涌入开挖洞室中，具体来说当水流速度>0.1 m/s时称之为突水，突水中泥沙含量超过50%时称之为涌泥。突水涌泥所引起的隧道风险实质是隧道围岩富水层结构遭到破坏，进而引起水动力学以及围岩力学状态的急剧变化，导致贮存于地下水中的能量被瞬间释放出来，并以高速流体的方式向隧道内涌入。隧道施工中的突水涌泥风险危害极大，应在具体的工程施工中予以高度重视，做好相关的安全措施，保证施工设备及施工人员的安全[3][4]。

1.2 内壁坍塌

内壁坍塌一般在隧道的施工过程中较为罕见，但仍有发生的极小概率。内壁坍塌一般由初期衬砌以及二次衬砌的方法不当，以及实际的支护措施与工程施工环境、条件不符所引起。内壁坍塌会使隧道遭到严重损毁，属于重大施工风险因素。隧道内壁一旦坍塌便会引起大范围的连锁反应，如隧道围岩的进一步破坏以及施工周边环境土质以及岩层的扰动等。这种因施工措施准备不足以及施工组织、管理不到位等而引起的隧道内壁坍塌事故一般会造成较大的经济损失[5]。因此，在施工之前一定要做好相关准备措施，对施工机械设备进行全面检查、校验，对施工现场环境的地质构造进行精准的勘测、预判，选择最适合的隧道施工方案。此外，还应对施工技术人员的资质进行核验，必要时进行安全规程以及特种作业人员的岗前培训、考试，经考试合格后方可进入现场施工。制定具体的事故应急处置预案，保障工程施工的顺利、安全、如期进行[6]。隧道施工安全控制方案如图1所示。

1.3 瓦斯爆炸

隧道瓦斯爆炸属于一种热-链式反应，通常也称之为连锁反应，爆炸混合物在吸收一定的火源所引发的能量之后，反应分子链立刻断裂，随后分解成多个游离基(自由基)，这类游离基化学活性较大，逐渐演变成连续反应的活化中心，在一定的条件下，各游离基进一步分解，再次生成多个游离基，此过程往复循环，随着游离基的逐渐增多，其化学反应的速度也变得越来越快，以至发展成最终的燃烧或爆炸等氧化反应。因此，隧道内瓦斯爆炸的本质是一定浓度的甲烷与空气的混合物中度作用下所引发的激烈氧化反应。隧道内瓦斯爆炸在我国隧道的施工史中比较罕见，如果发生此类施工事故一般都会造成重特大人身伤害或死亡事故，应在施工过程中对隧道内部的气体成分做好监测工作，对隧道内的通风设施进行检查，确保良好的作业环境，保障人身安全，避免隧道瓦斯爆炸的情况发生[7]。

图1 隧道施工安全控制方案流程图

1.4 有毒有害气体

隧道在施工过程中会产生各类有毒有害气体，如施工的柴油机械设备等所产生的尾气等，开挖过程中大型机械设备与围岩切割、钻孔等引起物化反应，岩层中的颗粒物在高温、高压及高速机械设备的钻磨下成分发生改变，进而向隧道中释放各类有毒有害气体。部分有毒有害气体无色、无味，潜在的安全隐患较大，隧道内一旦发生有毒有害气体，便极有可能造成施工人员窒息的安全事故。因此，应加大对隧道内部通风设施、设备的检查力度，定期检测隧道内气体成分及浓度，及时排查各类施工风险因素。

1.5 触电

隧道内大型机械施工设备的作业需要敷设多条高压电缆组成动力线路，这在无形中增加了人员触电的风险，因此，在施工前期检查施工机械设备的功能特性以及电缆的绝缘情况显得尤为必要，确保各类动力机械设备无短路及漏电情况的发生。当施工人员因触电而发生晕厥时，应立即将受伤人员抬出隧道，在空旷且通风良好的地方进行心肺复苏，并同时拨打急救电话，争取第一时间对受伤人员及时抢救。触电事故在隧道施工过程中发生的概率极低，一般多发生在人员误操作或走错间隔等情况下，应在施工过程中对现场环境充分了解，并做好防触电措施。心肺复苏法流程如图2所示。

图2 心肺复苏法流程图

2 基于多维预警机制的隧道施工风险评估体系

2.1 需求分析

隧道施工过程中所引起的各类事故均具有一定的破坏特性，如何在施工前或在施工过程中通过技术手段来准确预判施工风险指数，并及时采取相应的应急处置措施，是工程技术界一直以来所研究的重点内容。从已有的文献来看，多数隧道施工风险评估体系遵循高精度、大数据、深覆盖的预测特点，隧道施工风险评估体系的搭建应以具体的施工环境和施工设备为出发点，综合状态监测、信息处理等技术措施来实现[8][9]。各类施工监控及风险评估体系的功能需求及所需技术架构如表1所示。

表1 施工监控及风险评估体系的

2.2 评估体系搭建

针对隧道在施工过程中所有可能遇到的各类安全事故，本文提出了基于多维预警机制的隧道施工风险评估体系，该体系以Spark平台实时在线工程施工数据分析为主要架构，通过施工现场的多维数据(包括时间、坐标、围岩成分、强度、施工机械设备的数量、型号等)来对施工过程中的风险因素进行综合预判，并通过Spark数据分析平台对历史数据进行对比分析，得到当前施工的安全风险系数，为施工人员采取对策提供支持[10]。基于多维预警机制的隧道施工风险评估体系如图3所示。

图3 基于多维预警机制的隧道施工风险评估体系示例图

3 工程实例验证与结果分析

为进一步验证所提出的基于多维预警机制的隧道施工风险评估体系的实际工程应用效果，以广西河池桂山隧道的整体维修工程为例，将所搭建的基于多维预警机制的隧道施工风险评估体系应用于隧道检修作业中，通过综合分析施工现场的地质环境、自然条件因素以及施工机械设备的运转情况，来对隧道施工过程中的风险因素进行预判，取得了预期的成效。工程试验相关数据如表2所示。

表2 施工内容及风险评估结果表

4 结语

本文通过对隧道在施工过程中容易发生的安全事故进行了阐述，总结了在隧道施工过程中常见的风险因素及控制措施，通过对基于多维预警机制的隧道施工风险评估体系的搭建，来研究隧道在施工过程中风险评估、事故预警及应对策略，通过工程实例来验证所提出的隧道施工风险评估体系的正确性与可行性。本文旨在通过对隧道施工风险的评估体系进行深入研究，来寻找保证安全施工的通用性措施，为国内类似工程施工提供一定的理论依据。