超大断面隧道施工安全风险分析及控制研究

2022-07-21朱晓宁

现代交通技术 2022年3期

朱晓宁 ,黄俊,2 ,董飞,2,∗ ,李奥,2 ,杨奎,2

(1.苏交科集团股份有限公司,南京 210019;2.江苏省水下隧道绿色智慧技术工程研究中心,南京 210019)

隧道工程是交通基础设施建设的重要组成部分,我国交通运输网络整体运营能力的提高,对隧道线路长度和断面尺寸提出了更高要求。目前根据国际隧道协会的划分标准,双线铁路隧道或两车道以上的公路隧道当开挖面积超过100 m2时,均可被称为超大断面隧道[1]。超大断面隧道建设引发了一系列难题,主要表现为隧道开挖步骤繁多,空间效应显著,围岩-支护相互作用复杂,变形控制难度大[2];围岩扰动大、自稳能力差,施工安全风险高,安全保障难度大[3-4]。因此须对超大断面隧道施工安全风险进行深入研究,辨识施工风险源,开展施工风险评估,并制定应对策略以减少风险因素的不良影响,为隧道工程建设安全提供保障。

针对隧道施工风险的辨识和评估,相关学者已开展大量研究。李海波[5]构建了多因素隧道风险评估模型,开展隧道风险源识别和风险等级评定研究。阳逸勋[6]提炼隧道初步设计阶段的风险源和风险事件,评价各种风险源和风险事件并提出相应的控制措施。李毅[7]基于模糊层次分析法,开展公路隧道施工坍塌事故评估。张锦等[8]基于组合权模糊物元可拓的评价方法,开展川藏铁路雅林段重点隧道工程施工安全风险评价。黄健陵等[9]基于社会网络分析法,识别隧道施工安全风险传导网络中的关键风险因素及关键链路,进一步提出安全风险管理策略。吴贤国等[10]基于模糊贝叶斯理论和证据理论,构建了盾构隧道下穿既有隧道安全风险评估体系及评价标准。

本研究依托中开高速公路大常山超大断面隧道项目,揭示隧道安全事故与风险源之间的关系,开展施工阶段隧道风险源辨析和评估。随后制定科学有效的控制对策,为隧道施工风险的有效预防和评估提供依据,从而有效避免隧道施工安全事故的发生。

1 工程概况

1.1 建设条件

大常山1 号隧道工程是中山至开平高速公路的控制性工程,为超大断面深埋(洞口段除外)偏压中隧道,采用双洞单向分离式设计方案。由于建设过程中建设标准和要求的更改,须进行部分扩挖作业施工,将已建成的三车道隧道改为四车道隧道,以便衔接深中通道。隧道内轮廓为18.54 m ×11.69 m,隧道净空断面如图1 所示。起讫里程桩号左线为LK9 +933～LK10 +595,全长为662 m,纵坡为2.6%,最大埋深约为140 m;右线为RK9 +925～ RK10 +549,全长为624 m,纵坡为2.6%,最大埋深约为140 m。

隧道所穿越山体属于低山区,高程为10.5～196 m,地形坡度一般为20°～35°。隧道进口地形坡度一般为20°～25°,分布较厚的第四系松散堆积层。隧道出口段地形坡度为基岩陡坎,地形坡度一般为65°～70°。隧道出口处下穿一座220 kV 的高压电塔和一座110 kV 的高压电塔,高压电塔位置示意如图2 所示。电塔位于左线隧道外边缘的外侧,水平投影距离约为15 m。隧道埋深约为15 m,围岩为中～微风化花岗岩。

1.2 地层岩性与构造节理

隧道所处地区从上至下依次为第四系全新统崩坡积层、第四系残坡积层、第四系人工堆积层燕山四期花岗斑岩、中粗粒黑云母花岗斑岩以及印支期细粒黑云母花岗岩。隧道围岩级别以Ⅲ级为主,占隧道总长的68.7%～80.0%,主要分布于隧道中部,少部分Ⅳ级和Ⅴ级围岩分布于隧道两侧。Ⅲ级围岩节理裂隙发育一般,岩体较完整,稳定性较好;Ⅳ级和Ⅴ级围岩受区域地质构造影响,围岩节理裂隙发育,岩体较破碎,完整性和稳定性较差。

隧道进口段围岩主要为崩坡积碎石土及强风化花岗斑岩,出口段地层岩性为残坡积的粉质黏土和全～强风化花岗斑岩,大常山1 号隧道工程地质平面如图3 所示。在天然状态下隧道所处地区土体呈可塑-硬可塑状或碎块状,遇水软化,力学性质较差,稳定性差,成洞条件比较差,开挖后易发生坍塌及冒顶事故。

隧道所处地区山体完整,褶皱和断层发育不明显,大常山1 号隧道物探图如图4 所示。在隧道进出口以及洞身段测得3 组相互交错的裂隙将岩体分割,使岩体较为破碎。

大常山隧道围岩整体以Ⅲ级围岩为主,围岩完整性和稳定性较好,但隧道界限(宽× 高)为18.0 m ×5.0 m,隧道断面属于超大断面,超大断面隧道对围岩的扰动较大,围岩失稳风险较大,Ⅲ级围岩条件下超大断面隧道施工风险不可轻视。

1.3 水文地质条件

隧道所在区域属于南亚热带季风气候,雨量充沛,区域内降水量较高,多年平均降水量为1 645～2 013 mm,雨季为4 月至9 月,其间降雨量占全年的80%左右,且雨季低洼地带易遭水浸,出现短暂洪涝现象,主要会出现台风、水毁以及塌方等自然灾害。地质勘探钻孔中未见稳定的地下水水位。由于拟建隧道位于低山地貌区,隧道进出口处于斜坡中下部,高出谷底15～45 m,地形坡度陡,大气降雨地表径流迅速,不利于大气降雨入渗补给,地下水的补给、径流和排泄迅速,贮存条件差,隧道区含水层富水性差,总体地下水贫乏。

2 施工阶段风险辨识

基于现场条件分析,大常山1 号隧道施工阶段风险事件包含洞口失稳、塌方、突水涌泥、环境污染以及高压电塔扰动等。相应的风险源从开挖施工、支护及衬砌和环保措施3 个方面加以分析。

2.1 开挖施工

2.1.1 开挖方法

隧道采用新奥法施工,开挖方法包含全断面开挖法、台阶法、导洞法以及分部开挖法等。不同的开挖方法适用于不同的地质情况,所造成的围岩扰动、工作面大小以及洞室变形程度等均不一样。

大常山1 号隧道主要包含扩挖段与开挖段,其中开挖段里程为LK9+933～LK10+325 和RK9+925～RK10+023,施工方法主要为:Ⅲa 型衬砌采用CD法(中隔壁法);Ⅲb 型、Ⅳa 型和Ⅳb 型衬砌采用CD法加竖向临时支撑;Ⅴa 型衬砌采用双侧壁导坑法。施工过程中应加强对隧道施工影响的控制,严格控制爆破,左右线施工掌子面应错开至少2 倍洞径。扩挖段里程为LK10 +325～LK10 +595 和RK10 +023～RK10 +549。扩挖段施工方法如表1 所示。

表1 扩挖段施工方法

扩挖段拆除施工前应排查已开挖段支护的空洞情况;Ⅴ级围岩段临时支撑应在二衬浇筑前拆除,Ⅳ级围岩段临时支撑可在拱顶沉降及周边收敛后进行拆除;每拆除三榀后须继续监控量测,洞室稳定后进行拆除。沙袋考虑回填纵向20 m 范围,扩挖断面与二衬安全步距:Ⅴ级围岩小于21 m,Ⅳ级围岩小于42 m,Ⅲ级围岩小于90 m。扩挖施工后应立即施作初支方可进行下一循环的衬砌拆除与围岩扩挖工作。

综上分析,扩挖段施工方案比较合理,但考虑扩挖施工中诸多不确定因素,施工风险依然较大,须重点评估并制定完备的应对措施以及应急预案。开挖段隧道施工方案合理,施工风险相较于扩挖段较小。

2.1.2 地下水处理

大常山1 号隧道所处地区山高坡陡且沟谷切割较深,大气降水迅速进入地下。隧道所处地区地下水主要受岩体性质、构造特点和地形地貌等因素控制,地下水的补给又与降雨和地表水等密切相关,在地下水处理中既要适当排水和降水,减少突水涌泥、洞口失稳和塌方发生的可能性,又要防止地势形成漏斗状,避免附近生态环境遭到破坏。

2.1.3 工法转换与台阶间距

隧道扩挖段与开挖段存在施工方法的变更,导致开挖顺序变化,这对洞室趋于稳定的过程将产生显著影响,塌方可能性各不相同,对其他风险事件也有不同程度影响。采用台阶法开挖时,台阶间距过小会影响工程进度和施工质量;台阶间距过大会引起工作面或岩石暴露面的增大,不利于围岩稳定,也会增加洞口发生失稳和塌方的风险。

2.1.4 爆破方法

不同爆破方法所引起的爆破震动、围岩扰动以及岩石暴露面的大小各不相同,这些因素对洞口失稳、塌方和崩塌等事件的影响十分明显。

2.2 支护及衬砌

对于条件较差的围岩,超前支护可增加围岩的稳定性和整体性,降低洞口失稳、塌方和突水涌泥的风险。该工程针对不同围岩条件,分别设计了洞口大管棚、超前小导管和超前锚杆等施工辅助措施,在降低开挖风险的同时节约工程造价。

隧道开挖打破了原始围岩中的初始应力平衡,随着时间的推移,围岩会发生不同程度的应力释放,最后趋于新的稳定。过早支护会导致支护结构承担较大荷载,引发衬砌结构破坏;过晚支护则会导致围岩产生过大变形,引发洞口失稳以及塌方等安全事故。为了充分利用围岩自承载能力,同时避免洞室被破坏,应当选择合适的支护时机。

闭合成环的周期对增强围岩稳定性和整体性、限制过大变形有较大影响。缩短闭合成环周期能减弱不利因素对断面的影响,降低洞口失稳以及塌方等风险。该隧道在Ⅳ级围岩地段应尽快施作仰拱,闭合成环。

2.3 环保措施

工程建设中必然产生生产和生活垃圾,废水和废渣必须合理排放或堆弃,若处理不当会污染周围生态环境并影响美观,甚至引发环境污染事故。此外工程建设过程中应注意覆盖层植被的保护,除环保层面的考虑外,良好的植被分布将会加强洞口稳定性并对洞口附近光线强弱进行更好的调节。植被层会吸收水分,减弱地表渗透,该作用在雨季十分明显,对洞室安全极为有利。

施工阶段重大安全风险源辨识如表2 所示,表2 中“★”代表该风险源对该风险事件的影响比较大;“☆”代表该风险源对该风险事件的影响一般;空白代表该风险源对该风险事件的影响可以忽略。

表2 施工阶段重大安全风险源辨识

3 施工阶段风险事件评估

3.1 风险分析与评估方法

风险分析与评估常用方法包含专家调查法、事故树分析法、概率分析法、层次分析法以及模糊综合评价法[11-12]等。

3.1.1 专家调查法

该方法是一种常用且相对简单的方法,也称为主观评分法,其步骤一般包含编制专家调查表、选择专家、风险等级调查表填写以及整理和统计调查表4 个阶段。其中专家的选择一般不少于10 人,且评估小组内行业专家应协调平衡,同时应避免选择与被评估对象有直接或间接利益关系的专家。

安全风险评估项目实施过程中,对隧道存在的主要风险事件、风险源以及各风险事件概率和损失等级等进行调查统计。调查采用寄发调查表的方式进行,共发放调查表13 份,收到有效调查表10 份。

3.1.2 事故树分析法

该方法用于风险辨识及风险概率和损失的估测,可确定每一个层次的发生概率和风险源、风险事件的重要性排序。

3.1.3 概率分析法

该方法研究各种不确定因素发生不同变动幅度的概率分布及其对项目经济效益指标的影响。根据实际统计资料,采用概率论和数理统计方法求解风险发生概率,以此衡量风险水平高低。

3.1.4 层次分析法

该方法将定性因素定量化,在一定程度上减少主观影响。其主要思想是通过风险因素间的两两比较形成判断矩阵,进而计算同层风险因素的相对权重。

3.1.5 模糊综合评价法

该方法是以模糊数学为基础,将一些边界不清且不易定量的因素定量化,从而进行综合评价的方法。模糊综合评价法对多种因素所影响的事物或现象进行总的评价,是一种以模糊性推理为主,定性和定量相结合、精确和非精确相统一的方法。

本研究结合具体工程和地质条件,主要采用专家调查法和层次分析法对隧道施工风险进行评估,进一步结合分级的评估结果,采取相应的应对措施,并在实践中加强监测,验证风险控制效果。

3.2 风险水平定级方法

风险等级依据风险事故发生的概率和事故损失进行判定。《公路桥梁和隧道工程设计安全风险评估指南(试行)》中规定:①风险发生的概率可划分为几乎不可能发生、很少发生、偶然发生、可能发生以及频繁发生5 级,相应的风险发生概率等级为1～5 级;②风险损失分级标准分别从经济损失、人员伤亡、工期延误以及环境危害等方面进行衡量,相应的定性判断标准为轻微的、较大的、严重的、很严重的以及灾难性的,分别对应1～ 5 级的损失等级。

风险等级分级标准如表3 所示,根据事故发生概率和损失后果等级,将风险等级分为Ⅳ级(极高)、Ⅲ级(高度)、Ⅱ级(中度)和Ⅰ级(低度)。

表3 风险等级分级标准

对于Ⅰ级风险,其风险尚可接受,只要当前措施有效,就不必采取额外措施进行预防。其余等级风险均须根据规范要求采取相应措施。

3.3 风险事件安全评估

3.3.1 洞口失稳风险评估

洞口段具有围岩稳定性差、结构受力体系复杂、施工支护加固工程量大以及植被容易遭受破坏等特征,是隧道施工过程中工况最复杂、施工质量和安全隐患最多的地段。

结合相关资料,隧道洞口失稳风险的风险源主要体现在洞口地形地貌、地质条件、气候植被以及施工因素等方面。依据风险源分析,隧道洞口失稳风险层次分析如图5 所示。

采用层次分析法中所述比例标度,反映A 层次以及B1～B5 层次中各元素的重要程度,计算各自的权重。在各自一次性比率满足相应要求的前提下,计算得到隧道洞口失稳风险源重要程度排序为:扩挖段施工方法>扩挖段支护措施>开挖段施工方法>开挖段支护措施>扩挖段监控量测>开挖段监控量测>地质构造>地层岩性>坡体结构>坡体坡度>降雨强度>水文条件>植被覆盖。

通过上述分析与计算,结合专家调查法相应结果,经综合分析评判得到该工程隧道洞口失稳风险等级,大常山1 号隧道洞口失稳风险等级评价如表4 所示,隧道洞口失稳总体风险等级为Ⅲ级,风险水平有条件接受,须采取削减风险的应对措施,准备应急计划。

表4 大常山1 号隧道洞口失稳风险等级评价

通过数值模拟软件对洞口边仰坡安全性进行数值分析,隧道出口左线隧道数值模拟结果如图6所示,可以得到右侧仰坡安全系数为1.228,左侧仰坡安全系数为1.459,发生失稳的可能性较低,这与隧道洞口失稳风险为Ⅲ级情况基本一致,但仍须在洞口处清除斜坡表层破碎岩体,对开挖边坡以及隧道出口段进行相应的支护处理。

3.3.2 塌方风险评估

隧道在开挖中、开挖后、支护后甚至衬砌施作后都可能出现塌方。塌方的过程大致为:开挖→围岩塑性变形→支护过大变形→支护局部破坏→支护与围岩破坏失稳→塌方。

导致塌方的原因主要包含地质地貌、天气水文、勘察设计、施工方法4 项客观因素,此外还存在一定主观因素。

该工程为超大断面隧道工程,工程扩挖段须对新建隧道二衬和初支进行拆除后再扩挖,危险性极大;开挖段为大断面隧道,存在塌方风险。隧道各区段围岩特征如表5 所示。

表5 隧道各区段围岩特征

依据大常山1 号隧道工程的地质和水文特征,参考以往工程实例,隧道塌方风险层次分析如图7所示。

基于层次分析法基本原理,隧道塌方风险源重要程度排序为:扩挖段施工方法>开挖段施工方法>破碎岩体>超前支护>二衬支护>监控量测>初期支护>雨季渗水>控制爆破。

通过上述分析与计算,结合专家调查法结果,经综合分析评判得到该工程隧道塌方风险等级,大常山1 号隧道塌方风险等级评价如表6 所示。

表6 大常山1 号隧道塌方风险等级评价

由表6 可知,该工程隧道塌方总体风险等级为Ⅲ级。

3.3.3 突水涌泥风险评估

突水涌泥灾害的实质是围岩的含水层结构、水动力条件和围岩力学平衡状态因隧道开挖发生急剧变化,存贮在地下水体中的能量瞬间释放,并以流体形式高速向隧道内运移的一种动力破坏现象。水流量大于0.1 m3/s 并伴随一定压力和流速时称为突水;当突出的地下水中含有的泥沙等物质超过50%时称为涌泥。

因隧道所处区域水文地质条件约束,在隧道开挖施工过程中地下水以渗滴状、线状或小股状出水为主,雨季时局部可能有股状或淋雨状出水,不会遇到大型集中涌突水灾害。基于工程地质和水文特征,参照以往工程实例,隧道突水涌泥风险层次分析如图8 所示。

隧道突水涌泥风险源重要程度排序为:施工方法>雨季渗水>初期支护>超前支护>监控量测>控制爆破。通过上述分析与计算,大常山1 号隧道突水涌泥风险等级评价如表7 所示。

表7 大常山1 号隧道突水涌泥风险等级评价

由表7 可知,该工程隧道突水涌泥总体风险等级为Ⅱ级,风险水平有条件接受,应进一步实施预防措施,提高安全性。

3.3.4 环境污染风险评估

隧道环境保护风险事件有生态环境、空气环境、声环境和社会环境4 个方面。其中生态环境的影响主要指地下水流失、洞口水土流失与植被破坏、隧道弃渣,此外还包含隧道施工引起的灰尘、有害气体、车辆废气和噪声污染等。

弃渣的不合理堆放会使雨季时在沟内形成泥石流,危及冲沟下方建(构)筑物安全;弃渣堆积在进出口时,由于斜坡较陡极易形成工程滑坡,危害工程安全并阻碍工程进度。隧道建设中产生的地下水流失,在一定程度上造成沿线地下水水位下降,给地表植物生长与动物饮水造成影响。施工期间的人为因素同样会对地表产生破坏,主要体现在施工人员对植被的践踏和乱砍滥伐等。该工程所处区域多为干沟,仅在暴雨季节有地表径流,洞口发生水土流失的风险较小。

初步分析确定环境污染风险源有洞口水土流失、地下水流失、隧道弃渣以及周边环境影响4 大类,隧道环境污染风险层次分析如图9 所示。

隧道环境污染风险源重要程度排序为:周边环境>洞口水土流失>隧道弃渣>地下水流失。大常山1 号隧道环境污染风险等级评价如表8 所示。

表8 大常山1 号隧道环境污染风险等级评价

由表8 可知,大常山1 号隧道环境污染总体风险等级为Ⅱ级。

3.3.5 高压电塔扰动风险评估

高压电塔是输电线路的主要受力构件且为高耸空间结构。高压电塔基础相互独立,对沉降及倾斜反应敏感。基础的不均匀沉降容易引起塔身变形或局部破坏,甚至整体倾覆。隧道附近高压电塔扰动主要受施工方法、隧道断面尺寸、地质条件以及水文地质等因素影响。

基于现场条件并参考既有工程经验,隧道山顶高压电塔扰动风险层次分析如图10 所示。

隧道山顶高压电塔扰动风险源重要程度排序为:洞口段破碎岩体>施工方法>监控量测>雨季渗水>超前支护>二衬支护>初期支护>控制爆破。大常山1 号隧道山顶高压电塔扰动风险等级评价如表9 所示。

表9 大常山1 号隧道山顶高压电塔扰动风险等级评价

由表9 可知,该工程隧道山顶高压电塔扰动总体风险为Ⅲ级。

4 重大风险应对措施

针对总体评估等级为Ⅲ级的洞口失稳、塌方和高压电塔扰动风险事件,采取如下控制措施对风险进行控制,从而降低风险等级。

4.1 洞口失稳风险

做好施工前的地质调查,根据地形和地质条件,首先对隧道洞口边坡加固防护,平整洞顶地表,做好洞顶防排水措施。在进行洞口土石方工程时,不能采用深眼大爆破或集中药包爆破,以免影响边坡稳定。同时在对边仰坡进行处理时,应尽量减少边仰坡开挖量,减少施工对边仰坡的施工扰动影响。尽量避免长段落深埋段及偏压段,在设计洞口段时采用“早进晚出”的方案;采用超前大管棚辅助进洞,尽量保持山体稳定性,严禁过度施工。

对于洞口段较差的围岩,应选取针对性洞口支护加固方案,包含注浆加固、超前小导管、管棚、锚喷混凝土、超前锚杆及自进式预应力锚杆。施工时根据实际地质条件控制扩挖进尺,不得冒进。严格遵循“管超前、严注浆、短进尺、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则。尽可能采取多种手段做好地质超前预报并制订动态监控量测方案,进行动态信息化施工。

4.2 塌方风险

设置合理的施工工序,加强超前支护,严格控制超前支护施工质量。初期支护要及时封闭成环,二衬的支护时机根据初衬监测数据的稳定趋势判定。

施工过程中应加强超前地质预报工作,确保地质资料的准确性,并根据地质调查的结果及时修正隧道施工的风险评估结果。断面超前地质预报结果显示反射界面较少,纵横波速度、泊松比及动态杨氏模量变化较小,围岩呈弱风化状态,围岩较完整,围岩稳定性较好,局部掉块,与施工图所描述的地质情况基本一致。

对隧道支护结构的拆除作业进行严格要求和把控,隧道扩挖段拆除扩建过程如图11 所示。拆除作业前,首先对拆除范围及影响区域内的隧道既有结构进行临时支护或防护;其次根据隧道衬砌结构安全、稳定性以及受力状态等合理设计拆除范围,再对每一个拆除循环作业边界进行切割处理,及时解除拆除范围内支护结构与周围支护结构的关联和牵制;最后在拆除过程中应实时分析判断监控量测数据,确保无异常再进行下一步施工操作。

4.3 高压电塔扰动风险

根据高压电塔技术规范和相关规定,制定严格的控制标准,当隧道施工到高压电塔影响范围时,对高压电塔进行预加固,采用长度为3.6～6.0 m、钻孔间距为1.2～1.5 m 的Φ42 钢花管,在高压电塔影响范围内进行洞内注浆加固(注浆压力为1.0～1.5 MPa),以此保障施工过程中高压电塔安全,并加强高压电塔基础沉降和震动速度的监测频率,一旦发现数据异常应立即停止施工,查找原因并及时处理,确保高压电塔的基础沉降和震动速度均小于规范标准的限值。注浆加固后测量110 kV高压电塔和220 kV 高压电塔地表处沉降,沉降分别为3.8 mm 和1.7 mm。