山岭隧道钻爆法施工坍塌风险及围岩稳定性分析研究

黄华杰

（中交一公局厦门工程有限公司，福建 厦门 361000）

1 引言

钻爆法施工在我国地铁建设、山岭隧道开挖中应用较为广泛。在隧道施工中，通过风险管理方法、风险因素管理、监控风险可能发生的地段，从建设工程现场采用新控制方法以提高风险控制水平，降低事故发生概率是目前需要解决的问题。隧道开挖风险因素中最重要的就是隧道围岩稳定性和爆破后影响开挖面稳定的因素。本文采用故障树对坍塌风险进行分析[1]。

2 坍塌风险因素及影响围岩稳定性的因素

2.1 坍塌风险因素分析

隧道施工过程中地质条件起着关键性的作用。施工方法的选择需要适应地质条件的变化特点。影响隧道坍塌的因素很多，对风险精准识别和有效的评价是控制隧道坍塌风险的先决条件。在隧道施工中，隧道坍塌风险因素的控制贯穿隧道施工的全过程，只是在不同阶段所控制坍塌的风险因素不同。通过对不同类型隧道事故发生的原因和可能造成的危害进行分类研究，找出相关事故共性及相似性,采用定性、定量的分析体系，通过大量的实践数据，采用理论的分析方法进行研究分析来指导施工。坍塌事故分类目前常用的有如下几种[2]：

1）坍塌规模、形式：帽顶塌方、塌方高大于3 m、开挖小塌方、洞顶落块；

2）塌方速度的快慢：蠕动式坍塌、崩解式坍塌；

3）坍塌产生原因：地下水系较发达、地质条件较差、地质受力分布不好、设计勘探不准确、施工方法不当等因素；

4）塌方的形态：岩爆、不规则塌方、拱弧形塌方、大变形类塌方、局部塌落型塌方；

5）塌方坍塌部位：掌子面发生塌方、洞口塌方、拉中槽塌方、开马口位置塌方、蔓延性型塌方；

6）作用机理、破坏的形式：重力作用坍塌类型、围岩裂缝松动类型、张力裂缝坍塌型、开挖面弯折内鼓类型、剪切破坏滑移类型。

2.2 围岩稳定性影响因素

围岩的破坏形式在多种因素影响的作用下，围岩变形作用机理各不相同。根据隧道破坏类型及影响因素把地质影响因素分为3类，第一类为地质条件因素：岩体结构构造、岩体本身性质、在地下水作用影响等；第二类工程规模因素：隧道埋置深度、洞体的断面的尺寸和高跨比等；第三类为施工过程影响因素：所采用的施工技术方案方法、支护型式和方式、支护时间等。围岩稳定性是影响隧道开挖稳定的最主要因素。

2.2.1 地质条件影响因素

山岭隧道变形和强度最重要的决定因素是山体岩石本身的性质和岩体结构。围岩从坚硬性来分为分脆性围岩和塑性围岩。塑性围岩特点是力学性能差、遇水易破坏、易风化等，属于不利于隧道开挖的围岩结构；脆性围岩主要特点是岩体比较坚硬、整体性较好，岩体本身影响不明显。根据围岩结构类型分类，把岩体结构划分为散体结构、破碎结构、块状整体结构、层理状结构。这些结构中层理状结构稳定性最好，散体状结构最差[4]。

2.2.2 开挖地应力影响

山岭区隧道开挖引起围岩破坏和变形的主要是地应力的作用。地应力也是主要影响隧道开挖后应力分布的重要因素。通常情况下，隧道内岩体稳定性取决于最大应力和最小应力的差值，差值越大围岩受地应力分布越不均匀，受力越差。根据受力状态分析，隧道开挖走向和水平主应力垂直的情况下隧道围岩受力可以得到改善。

2.2.3 地下水丰富的影响

围岩稳定性受地下水活动影响较大，水对塑性围岩稳定性影响较大，水会使塑性岩石软化、围岩强度降低等，使得隧道围岩受力平衡遭到破坏降低围岩稳定性。根据以往调查资料显示，隧道围岩在水的作用下稳定性也有着不同的差别。Ⅰ～Ⅲ级围岩是由坚硬岩组成的，通常情况下受水影响较小，在实际工程应用中一般忽略对此类岩石稳定性的影响；Ⅳ～Ⅴ级围岩受水作用岩石稳定性下降较大，在理论计算及考虑支护方案时应降低1～2级考虑围岩级别，以降低工程的风险等级。

3 隧道坍塌和围岩级别的关系

隧道围岩级别综合考虑了岩体完整性、岩石坚硬性、岩石中水的存在等因素对围岩稳定性的影响。坍塌是由于开挖隧道使得岩体稳定性丧失。因此，围岩开挖后稳定性和围岩级别一定存在相关联系。根据众多施工案例分析,围岩级别越低,围岩稳定性越差,塌方主要集中在Ⅳ级和Ⅴ级围岩中,约占塌方总次数的80%以上。Ⅵ级围岩多为潮湿、饱和细砂层、呈软塑状态，由于黏性大并且一般采用加固措施，容易形成一个板体反而有较好的稳定性，相当于提高了围岩级别。

4 隧道坍塌理论分析

本文下采用故障树分析法对钻爆法施工坍塌风险因素进行分析的方法。

4.1 故障树分析法简介

故障树是通过因果关系来描述事故发生的方向，也是风险评价和安全分析常采用的方法之一。故障树分析是根据事故发生的可能影响因素，将这些可能因素逐一进行分析，寻找出所有的可能性，将这些可能性的原因进行分析。最终确定事件产生的原因。将所有事件串联起来形成逻辑关系，这种逻辑关系组成就形成故障树。

故障树分析采用以下步骤：

1）选择系统不希望发生的事故；

2）分析这一事故，找出直接或间接导致这个事故发生的原因，寻找这些原因的逻辑关系，进行关联；

3）分析所有与事故的相关事件，对相关影响事件进行逐一分解，常用的T-S故障树模糊分析法来确定隧道坍塌的可能性和重要性；

4）运用定性分析方法，确定可能引发事件所有因素的组合。

4.2 故障树重要性分析方法

4.2.1 重要性概率分析

4.2.2 重要度分析

5 案例分析

5.1 工程概述

本文以某山岭隧道开挖为例，该隧道位于山岭区，洞口位置坡度缓、围岩完整性较好。隧道洞身部分山体表面沉积残积土层，较稳定，隧道埋深大，隧道内开挖岩体的完整性好，稳定性较好围岩定位Ⅰ～Ⅲ级，Ⅰ～Ⅲ级围岩占隧道总长的92.5%，Ⅳ级、Ⅴ级围岩占隧道总长7.5%。

5.2 施工方法介绍

属于Ⅳ级、Ⅴ级围岩的路段，施工中控制原则为管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤测量，采用弱爆破或人工辅助开挖作业，稳定性好的Ⅰ～Ⅲ级围岩路段光面爆破和预裂爆破为主要施工方法。支护方案根据围岩情况进行选择，采用如下方案：

1）Ⅴ级围岩段：地质不良的风化段用双侧壁导坑+管棚或小导管超前支护；

2）Ⅳ级围岩段：超前支护+台阶法施工（台阶长度10～30 m）；

3）Ⅲ级围岩段：全断面机械开挖法开挖。

5.3 故障树模糊法应用

综合考虑底事件各个非零故障程度的T-S关键重要度，可以得到底事件xj对顶事件T为Tq的T-S关键重要度采用上述公式计算。基于底事件模糊计算方法，据式（4）计算事件隧道坍塌可能性：

假设故障程度T=0.5，T=1故障概率程度相同。工程设计不合理、施工组织不当、不利水文地质、不良工程地质对工程故障影响程度，最终得到如下可能性模糊故障树结果，分别为P(T=0)=(0.811 52，0.775 80，0.717 42，0.690 59)，P(T=0.5)=(0.014 81，0.014 61，0.013 50，0.012 22)，P(T=1)=(0.173 67，0.267 97，0.269 08，0.297 19)。

计算结果分析得知，隧道出现坍塌的模糊可能性较小，出现不坍塌模糊可能性大。

6 结语

本文根据坍塌类型及围岩稳定性进行综合比较分析，通过故障树模型的建立，分析山岭隧道坍塌事故类型特征及影响因素。故障树模型在因素分析基础上确定导致山岭隧道坍塌主要影响因素，根据工程实例运用T-S故障树模型分析判别隧道坍塌的可能性。通过分析得知，围岩稳定性是影响山岭隧道稳定性的重要因素之一。