浅埋偏压高速公路隧道施工风险评估及控制研究

邹 超，徐林生

(重庆交通大学土木工程学院，重庆 400074)

浅埋偏压隧道的围岩节理裂隙较发育，且围岩岩体松散破碎，围岩体稳定性较差。由于隧道偏压严重，将对隧道衬砌结构及围岩形成不对称的压力，在施工过程中可能会导致冒顶、塌方等安全事故[1]。为了保障隧道施工安全，国内外学者对隧道施工风险评估与控制作了广泛的研究。早在2003年，国际隧道与地下空间协会就完成了隧道风险管理指南，这对控制隧道施工风险有着指导意义[2]。目前，国内对隧道施工风险评估及控制研究才刚起步不久，程远等提出了采用层次分析法和专家调查法相结合来对大跨径浅埋偏压隧道的施工过程进行风险识别[3]，刘伟通过层次分析法来分析、确定公路隧道风险因素的权重[4]，陈洁金、苏永华、范玉祥、姚浩等[5-8]就隧道施工风险评估及控制展开了研究并取得了一系列成果。本文采用模糊数学法和层次分析法相结合的方法对隧道施工风险进行评估研究，并用于实际工程隧道的风险评估及控制研究。

1 工程概述

本文主要依托贵州正习高速公路第十八合同段天鹅穴偏压隧道，天鹅穴隧道位于遵义市习水县温水镇新文村。隧道按左、右线分离式设计。左线隧道里程桩号ZK126+595～ZK126+983，长388 m，属短隧道；右线隧道里程桩号K126+585～K127+013，长428 m，属短隧道。隧道左线最大埋深80.24 m(里程ZK126+790)，右线最大埋深 85.16 m(里程 K126+850)。

该隧道属中低山地貌单元。山坡较缓，植被较发育。隧址区高程1 040.50～1 156.7 m，相对高差 116.2 m。根据工程地质调绘、钻探及工程物探等成果，隧址区地层结构简单。地层，上覆为第四系全新统(Q4el+dl)粉质黏土，下伏为三叠系下统夜郎组(T1y)钙质页岩，局部分布有强风化灰岩。

2 施工风险评估

2.1 风险源辨识

结合现场勘测数据及其施工单位编制的施工组织设计，将工程施工过程进行工序分解。了解具体的施工工序和步骤,依据现场施工经验和相关安全规程，结合现场的情况，明确可能出现的施工风险。天鹅穴隧道可能发生的风险有：冒顶、洞口失稳、渗漏水、岩爆、大变形、塌方和结构损坏等。

风险源识别，通过风险源普查和工序分解确定可能导致事故和伤害的致险因子，并对其进行分析，确定潜在事故类型和致险因子，及时地制定预防措施。风险识别是风险评估中很重要的一个组成部分，要谨慎对待。风险评估小组应由施工、监理、设计和业主各方的相关人员组成，而不是由一两个人或某一方独立完成，只有这样才能得到最贴近工程实际的辨识结果。

2.2 风险分析

在对隧道施工风险充分识别后，还应结合现场实际考察情况和设计图纸，对潜在风险因子进行分析，判断其是否为重大风险源，决定是否应对其做详细评估。在隧道施工中，一般主要从地形、地质和施工因素方面进行分析评估。采用系统安全工程的方法来分析事故的致险因子，以此来确定隧道施工过程出现的不安全因素。

2.3 风险评估

公路隧道施工安全风险评估是一个复杂的系统，影响因子和风险事故并没有直接对应的关系，评估系统是由多因素、多层次决定的。因而大部分影响施工安全的风险因素难以定量的用数字描述。而模糊数学可以将模糊、不清晰的问题用数学的语言去分析和解决，使定性的问题定量化。模糊评价法简洁适用且具有系统性，但却无法明确多因子的权重，而层次分析法却能很好的确定不同因子的权重。故充分结合模糊评价法和层次分析法优点的模糊层次分析法，是一种广泛应用于施工风险评估的决策方法(图1)。

图1 公路隧道施工安全风险评估模型

2.3.1 建立因子集和评价集

2.3.1.1 建立因子集

将对高速公路浅埋偏压隧道的产生影响的因素建立一个因素集，用U来表示：

U={u1，u2，u3，…，un}

ui=(i=1,2,…n),表示各个影响因子，n表示影响因子的数量。影响因子又具有不同的模糊性状，在应用模糊层次分析法进行评价时，可通过隶属函数来处理模糊性。将每个因子的影响程度分为m个等级。建立因子等级集合，

ui={ui1,ui2,ui3,…,uim}(i=1,2,…,n)

2.3.1.2 建立评价集

评价集也就是影响因子发生的概率的集合，一般采用区间取值或程序语言作为评价目标，可用五个等级来表示，V={Ⅰ级，Ⅱ级，Ⅲ级，Ⅳ级，Ⅴ级}，对应的是{很不可能，不可能，偶然，可能，极有可能}。

2.3.2 建立单因子等级评价矩阵，确定隶属度

根据因子集的某一元素指标对事物进行评价，建立因子集和评价集的关系。由U中的不同因素ui与其所对应的V中的评级结果vj，建立它们之间的隶属关系，即模糊集合R={ri1,ri2,…rim},从而建立起了单因素等级评价矩阵R。

2.3.3 确定风险指标权重值

风险指标权重值是模糊综合评判法的一个重要依据，反映了各指标的重要程度。通常由层次分析法来确定向量，相对简便。同时也应满足归一化和非负性的条件。

(1)建立多级递阶结构模型(图2)。

图2 风险评估流程

(2)构建判断矩阵。

运用两两对比的方法，对影响因子进行对比，判断其重要性(表1)。

表1 层次分析法的因子判断赋值

(3)计算相对权重。

①计算判断矩阵每行所有元素的几何平均值：

计算得到CI后，可以查随机一致性指标RI(表2)，若CI/RI<0.1时，则矩阵符合要求，否则应写出新的判断矩阵，重新进行判断。

表2 随机一致性指标RI

(4)模糊综合评价。

利用单因子评价等级R及因子权重可得模糊综合评价指标：

=(b1,b2,…,bn)

(5)评价结果。

在求得评价指标bj(j=1,2,…,m)后，运用最大隶属度法来确定评价结果。

3 风险控制

3.1 洞口边坡坍塌失稳及塌方控制

在洞口施工前，应先对边坡、仰坡的稳定情况进行检测，及时清除悬石、危石，并应保持不间断的检测。在隧道开挖前，应提前对边坡进行锚锭支护，开挖时做到“早进洞、晚出洞”，避免出现边坡坡度过高，减少山体破坏，防止土体流失。

对于掌子面塌方，应对爆破进行控制，优化炮孔位置、炸药用量，爆炸方式等，降低爆破对围岩稳定性的影响。超前支护和初期支护要及时到位，严格按照设计施工，加强施工过程中的动态监测。

3.2 隧道突涌水、突泥控制

3.2.1 加强地质预报

在施工期间，根据工程水文、地质检测资料，加强地表、重点断层破碎带的超前地质预报工作，综合应用地质雷达和红外勘探等各种地质预测、预报方法，特别是采取有效的突水、突泥预报方法，提高地质预报准确性，在隧道开挖前判断发生熔岩及断层突涌水、突泥的可能性。

3.2.2 超前预加固

在施工期间，根据工程水文、地质检测资料，加强对地表、重点断层破碎带的超前地质预报工作，综合应用地质雷达和红外勘探等各种地质预测、预报方法。尤其是要采取有效的突涌水、突泥预报方法，提高地质预报准确性。并在隧道开挖前，判断发生熔岩及断层突涌水、突泥的可能性。

3.2.3 注浆封堵

对于可能会出现突涌水、突泥的地段，采用超前帷幕预注浆进行封堵，确定封堵成功之后再进行施工活动，这样能够很大程度的控制风险。

3.3 衬砌结构大变形控制

保证初期施工质量，加强临时支撑。在施工期间，可通过调整掘进参数，改良土体、注浆、对变形缝进行特殊处理等一系列措施来控制隧道结构变形量。对于运营时期，须从砂层、软土、注浆材料的配合比及抗液化特性等做更为深入的研究，从而来解决隧道结构变形的问题[9]。

4 结论

为了预防防止隧道在施工过程中出现事故，积极利用现场监控和量测数据来分析隧道围岩稳定性，及时调整支护参数，对施工方法动态调整，保证施工安全。在开挖前，应对隧道洞口进行加固，做到“先加固、后开挖”的原则。合理安排施工进度，严格控制洞口段的开挖尺寸和炸药使用量，确保围岩稳定性在可控范围内，确保安全。