隧道改擴建工程施工風險評估研究

　　要 為研究既有隧道原位改擴建工程施工過程中的風險，以山東淄博淄川區黑峪隧道改擴建工程為例，建立新的隧道改擴建工程施工安全總體風險評估表，評估該工程總體風險屬于Ⅳ級極高風險。綜合核對表法和專家調查法進行危險源普查，識別出六項重大危險源，并對重大風險進行專項評估。以塌方風險為例，結合隧道改擴建項目施工難度和支護方法，從超前管棚支護、既有隧道洞口加固、新舊隧道交叉處圍巖級別、新舊隧道交叉處施工支護方法等多個因子考慮，對塌方風險源進行指標體系法評估。并從支護、爆破、加固、其它施工措施四個方面制定風險消減措施，預防隧道塌方事故。

　　本文源自王春河; 朱福強; 羅興; 張傳奎; 田軍令; 李賀朋; 郭翼飛， 現代隧道技術 發表時間：2021-04-15 《現代隧道技術》(雙月刊)創刊于1964年，由中鐵西南科學研究院有限公司 和中國土木工程學會隧道及地下工程分會共同主辦。創刊40多年來，《現代隧道技術》雜志緊緊圍繞辦刊宗旨，積極推動我國隧道及地下工程專業技術進步，深受國內隧道及地下工程專業人員的喜愛，是國內影響最大的隧道及地下工程專業期刊之一。報道內容：國內外隧道及地下工程專業理論研究、設計、施工、運營維修方面的新技術、新材料、新設備等。

　　關鍵詞 公路隧道 改擴建施工 風險評估 指標體系法 塌方事故

　　1 引 言

　　隨著國家公路隧道建設的快速發展，東部地區交通量急劇增加，一些年代久遠的隧道由于設計標準較低，通行能力不能滿足日益增長的交通需求[1] 。這些既有隧道存在平縱指標較低、結構安全隱患較為突出、通行能力不足等問題。但是國家目前沒有出臺針對既有公路隧道改擴建風險研究的指南或規范[2] ，并且既有隧道改擴建風險的學術研究較為缺乏。李 健等[3] 基于既有隧道改擴建工程，采用數值模擬與理論分析等手段，對隧道改擴建工程施工結構安全性進行研究;陳瀟洋[4] 對城市大跨度、小凈距隧道的改擴建施工方法、圍巖和支護結構力學特性進行分析;金 波等[5] 定性總結了隧道在改建施工中涉及的整治方案、施工安全和運營安全等問題的解決方案;王建明、柏雨芹[6] 定性總結了隧道設計風險識別的分析過程和管理對策;丘仁科等[7] 從事故成因入手量化估測隧道改擴建施工中的風險問題;臧萬軍、王猛[8] 對既有隧道改擴建工程基于熵權物元可拓理論建立風險評估流程、評價指標和評價標準;李曉光等[9] 采用事故樹分析法識別既有隧道中存在的危險因素，利用層次分析法確定其權重，構建了隧道的綜合評價體系。以上學者對隧道改擴建項目的力學特性進行了分析，針對施工過程中的風險問題集中于定性分析，但對風險指標的定量系統性分析較為缺乏。

　　目前隧道安全風險評估的方法主要有貝葉斯概率法、層次分析法、模糊風險綜合評價法、事故樹分析法等[10] 。但與擬建隧道不同，既有隧道改擴建由于運營期間出現各種病害，隧道整體應力狀態發生變化，大大增加了隧道改擴建施工時的安全風險，且評估方法的選擇必須以最少的時間、資金和人力支出獲得最大效用為目標，以評估方法和風險指標易于獲得統一的標準為條件。因此，文章采用指標體系法，對建立隧道改擴建施工風險評估體系有較強的操作性、系統性和可比性。

　　參照2011年頒布的《公路橋梁和隧道工程施工安全風險評估指南》和《公路橋梁和隧道工程設計風險評估指南》(下稱《指南》)，以黑峪隧道改擴建項目為例，對可能產生的風險進行評估。

　　2 工程概況

　　黑峪隧道(以下簡稱既有隧道)位于淄博市淄川區趙家嶺村黑峪山下淄中路中心樁號K17+993處，為單洞雙向兩車道隧道。為提升公路安全服務水平，擬對黑峪隧道在原位處進行改擴建(以下簡稱擬建隧道)，如圖1所示。

　　根據相關地勘報告可知：擬建隧道起點里程標號為K17+722，全長548 m。隧址區域起點段坡度較緩，埋深較淺，終點段坡度陡，埋深較大，整體地形起伏變化較大，隧道洞口段軟弱圍巖淺埋偏壓;隧址區域屬碳酸鹽巖巖溶裂隙含水區，隧道洞身段滲水點較多，局部出現股狀涌水;擬建隧道圍巖級別比例為：Ⅴ級圍巖占全隧道 16.5%，Ⅳ級圍巖占全隧道 29.4%，Ⅲ級圍巖占全隧道54.1%。擬建隧道與既有隧道接近段及相交段的爆破屬于Ⅴ級圍巖爆破段;既有隧道開挖后溶洞段的施工有可能存在啞炮等，這些是黑峪隧道改擴建重難點。

　　3 風險源研究

　　為了確保擬建隧道施工過程中既有隧道的穩固和施工安全，綜合核對表法和專家調查法識別該項目風險，明確風險因素及可能對隧道施工產生的影響。由于隧址區地質復雜、施工技術水平有限，加之新舊隧道接近段及相交段的施工工法極為復雜。為防范這些風險,采用指標體系法對重大風險的影響因子進行識別、歸類和整理排序，確定主要的風險因子，并制定風險消減措施。

　　3.1 總體風險量化評估

　　參照《指南》，黑峪隧道改擴建施工工程增加了洞口施工難度、擬建隧道與既有隧道支護難度、既有隧道加固難度、事故救援的可開展性等因素，建立新的隧道改擴建工程施工安全總體風險評估表，見表1。

　　總體風險評估分數為24分，屬于Ⅵ級，極高風險。根據《指南》和《細則》，需要進行隧道專項風險評估。將隧道施工工序分解，對分解的工序進行危險源普查、辨識和分析，識別重大風險源。

　　3.2 風險源普查分析

　　在隧道工程中，根據隧道改擴建施工進度，可以將工程分解為洞口段明洞及洞門開挖工程、洞身掘進、洞身襯砌以及施工配套工程[12，13] 。采用核對表法和專家調查法相結合的方法，查找關于公路隧道的主要風險事故資料，訪問研究隧道施工領域的專家、實施該項目的項目經理等人。通過現場事故調查，結合工程地質、圍巖等級、水文地質等基本信息和施工方法，具體分析本隧道可能發生的典型事故類型，見表2。

　　通過對洞口工程、洞身開挖、洞身襯砌、臨時工程等單位工程作業內容潛在事故的分析，經過最終確認可得隧道改擴建工程主要存在塌方、路基邊坡失穩、洞口失穩、機械傷害、物體打擊、高處墜落六項重大危險源。

　　4 重大風險專項評估

　　重大事故風險應包含工程事故和其引起的損失兩部分，一般用事故發生概率及其損失的函數表示[14] ： R = f ( P,C ) (1)式中：R為隧道工程施工階段風險;P為風險事故發生的概率;C 為風險事故造成的損失，包括經濟損失、人員傷亡、工期延誤及環境影響等。

　　重大風險評估主要考慮物的狀態、人的狀態和施工管理缺陷。其中，物的狀態主要考慮水文地質、項目地形地貌及施工難度等客觀條件;人的因素和施工管理缺陷主要考慮總包及專業分包企業資質、歷史事故、作業人經驗、安全投入情況等。其中，人的因素及施工管理對公路隧道工程施工安全影響較大，可作為風險抵消的因素。重大風險發生可能性表示為： p = Q·γ (2)式中：Q為該風險事故可能性的計算分值;γ為安全管理評估指標分值對應的折減系數;p 為該風險事故經過加入折減系數后發生可能性的計算分值。

　　4.1 人為因素事故可能性評估

　　人的因素及施工管理引發的事故可能性的評價系數值可作為重大風險事故評估的折減系數。根據黑峪隧道總承包企業管理資質以及施工組織應急方案等考慮，該項目總包企業為中國建筑第八工程局有限公司，具有房屋建筑工程施工特級總承包資質;項目專業及勞務分包企業有資歷;項目部主要管理人員曾在項目上發生過一般事故;作業人員經驗豐富;安全管理人員及安全投入、機械設備配置符合合同要求。經評估，安全管理評估指標分值對應的折減系數為0.9。

　　4.2 塌方事故可能性評估

　　在隧道工程施工過程中，塌方是最為常見的事故之一。塌方發生的后果嚴重、危害巨大，不僅對現場施工人員和機械造成威脅，還會延誤工期、增加施工難度、造成嚴重的經濟損失，甚至影響隧道運營期的使用壽命與安全[15] 。從六項重大危險源中選擇隧道塌方風險事故，對其可能性進行詳細評估。結合項目特點，采用現場考察、專家調查等方式，整理篩選出與項目直接相關的風險因素，剔除與項目無關或影響極小的風險因素，從交叉處施工區段的圍巖級別、斷層破碎帶、滲水狀態、地質符合性、施工方法、施工步距等多個因子考慮，建立了黑峪隧道塌方風險指標體系，見表3。

　　根據表3并結合實際對本隧道塌方事故進行賦值：對應A值為2分;根據既有隧道洞口強度及擬建隧道爆破強度，對應B值取2分;新舊隧道交叉處圍巖級別為Ⅴ級圍巖區段，對應C值取4分;新舊隧道交叉處施工支護時不改變支護方法也不改變支護參數，對應D值取4分;本隧道隧址區域洞口段(Ⅴ級)為崩塌堆積體，穩定性極差;洞身段大部分(Ⅴ級、Ⅳ 級)圍巖情況較好，圍巖斷層破碎情況E為2分;根據隧址區水系發育，滲水狀態分F為 1.2分;工程地質情況與設計文件基本一致，地質符合性G為1分;根據施工組織設計，施工方法基本適合水文地質條件的要求，施工方法H為1分;根據施工組織設計，二次襯砌距掌子面要求在 100 m以內，仰拱開挖長度在8 m以內，施工步距I=a+b=2+0=2分。所以黑峪隧道塌方事故可能性評估值Q=A+B+F·C+D+E+G+H+I =18.8分。

　　根據公式(1)p=Q·γ=18.8×0.9=16.92 分。按照重大風險源事故等級劃分，見表4，該隧道塌方風險等級為Ⅳ級，很有可能發生塌方。需要重點制定有效措施防止塌方事故的發生，并進行全面安全控制。

　　5 塌方事故安全控制

　　5.1 支護措施控制

　　為提高洞口段施工安全，在起點35 m范圍內設置超前大管棚支護。超前管棚支護是沿著隧道開挖斷面外輪廓，以固定的間距與隧道的軸線呈一定夾角的鉆孔，插入鋼管，再從插入的鋼管內部注入水泥砂漿，以增加鋼管本身的強度與剛度，同時加固圍巖，使得整體性提高。由于黑峪隧道為淺埋隧道，考慮該隧道埋深、圍巖條件、開挖條件以及超前支護結構的特點等多種因素，管棚預支護施工時鋼筋與襯砌中線平行以 α=5°～8°仰角打入拱部圍巖，共 32 m，環向間距40 cm，保持1.5 m的搭接長度。爆破開挖過程中，由于爆破載荷作用必然造成巖體結構發生變化，且在同一臺階邊坡附近會進行多次爆破，因此必須提前預防爆破對既有隧道洞口的振動影響，用混凝土錨噴技術對既有隧道洞口進行加固。

　　根據圍巖類別和設計參數、結合擬建隧道與既有隧道位置關系進行初期支護。洞身暗挖地段為Ⅴ 級圍巖擬建段(圖2)，按照新奧法原理組織施工，采用復合式襯砌，一側采用?42超前小導管，L=350 cm，環向間距40 cm，搭接長度1.25 m;另一側采用?25中空注漿錨桿，L=350 cm，壁厚 5 mm，間距 100 cm (環)×75 cm(縱)。接近段采用復合式襯砌，必須先進行既有隧道加固，靠近既有隧道拱頂側采用超前小導管支護，另一側采用中空注漿錨桿，支護參數和擬建段一致。K17+807~K17+967 重合段為Ⅴ級圍巖段(圖3)，采用超前錨桿支護，初期支護以錨網噴支護為主，輔以鋼拱架。

　　5.2 爆破措施控制

　　針對 K17+722～K17+808 段，擬建隧道與既有隧道的距離隨施工進度變化而減小，圍巖較破碎，對不同施工階段的爆破方案進行修正，并優化 K17+ 808～K18+270 段不同圍巖等級的爆破施工參數。 V 級圍巖擬建段上部爆破參數設計(圖 4)，孔徑 d= 42 mm，孔深L=1.5 m，周邊炮眼間距為500 mm;V級圍巖相交段上部爆破參數設計，孔徑d=42 mm，孔深 L=2.0 m，V級圍巖相交段布置掏槽眼、崩落眼、周邊眼、底眼。掏槽眼共布置兩排，與工作面夾角取 85°，炮眼底部間距取185 mm，周邊炮眼間距為600 mm，崩落眼的炮眼孔距取 800 mm。炮眼間距增大能減輕爆破振動對既有隧道的影響。

　　交叉隧道空間關系復雜，開挖過程中必須進行爆破質量控制，尤其是擬建隧道與既有隧道的接近段及相交段，需要控制爆破振速小于5 cm/s。爆破振動監測能夠有效評定爆破施工對巖體結構穩定性的影響。通過溶洞段時，必須進行啞炮排查，防止安全事故的發生。

　　5.3 加固措施控制

　　擬建隧道與既有隧道接近段及相交段在施工前，必須先對既有隧道進行加固，如圖5所示。隧道從K17+754~K17+808為接近段，并在K17+808處完全重合。施工時需要對K17+754~K17+808共54 m 長的既有隧道采取加固措施。d為開挖輪廓線至既有隧道對側邊墻距離，當d≤30 cm時，開挖輪廓線外側預留 10 cm 空間，上部噴射混凝土，下部片石回填;當d>30 cm時，開挖輪廓線外側預留10 cm空間，上部噴射混凝土，下部片石回填，外側采用漿砌片石對既有隧道進行加固，漿砌片石墻體最大寬度100 cm。

　　5.4 其它施工措施

　　加強現場監控量測，將該隧道洞內外觀察、拱頂下沉、周邊收斂、外邊墻位移及地表下沉量測等四項作為施工監測項目。洞內外觀察分為開挖工作面觀察和已施工區段觀察兩部分，開挖工作面觀察包括節理裂隙發育情況、工作面穩定狀態、涌水情況及底板是否隆起等。拱頂下沉、周邊收斂量測應在同一斷面進行，并采用相同的量測頻率，如果位移出現異常情況，應加大量測頻率。

　　用TSP超前地質預報系統對Ⅲ級、Ⅳ級、Ⅴ級圍巖地質情況進行預報，在工程地質與水文地質較復雜地段，應補充超前地質鉆孔，采用徑向鉆孔(探1、探3為?38孔徑，探2為?76孔徑，探孔長30~50 m)，詳見圖6。地質預報工作對TSP預報成果加以核查和確認，根據所獲得的信息調整隧道施工方案。

　　當隧道內掌子面后方發生塌方等事故時容易造成施工人員被困洞內的情況，在隧道施工階段應準備相關救援設備。如圖7所示，(1)逃生管采用900 mm×15 mm鋼管，其長度比滿足能夠將被困人員安全疏散至隧道二次襯砌澆筑完畢的安全區域;(2)洞內設置無線電話，施工照明采用 UPS 供電照明;(3)掌子面附近準備食品、緊急醫用藥品及相關設備;(4)洞外準備臨時鋼架、木材、鉆機、抽水機具等設施;(5)施工單位應根據實際情況進行必要的防災、救援演練。

　　5.5 風險管理實施效果

　　黑峪隧道風險管理從施工技術和隧道風險易發位置出發，采取支護措施、爆破措施、既有隧道加固措施和其它施工措施優化的方法降低風險因子影響程度，具體降低指標體系法中A、B、D、I的取值及降低C、E、F的影響程度，經計算p=Q·γ=6.8×0.9=6.12 分，將塌方風險從等級Ⅳ降低至等級Ⅲ，接近于等級 Ⅱ。黑峪隧道改擴建施工風險管理工作從2017年9 月份開工建設，高度重視施工中的塌方風險因素，于 2018年7月實現貫通，整個建設過程未出現塌方等安全事故，達到了既定的安全、質量、進度目標。

　　6 結 論

　　隧道改擴建工程施工工藝復雜，項目經驗及學術研究成果少，對施工過程中的風險因素難以控制，這些是山區公路隧道改擴建工程風險評估的重難點。依據山東淄博淄川區黑峪隧道改擴建工程，從總體風險評估入手進行風險源普查、專項重大風險定量評估，建立塌方風險的指標體系評估方法，并對塌方風險進行預防和控制，得到以下結論。

　　(1)建立有效的公路隧道改擴建施工風險指標體系，評價包含了工程的特殊因素，使以后的工程風險評估實踐變得簡單易行。

　　(2)建立山區公路隧道改擴建施工總體風險評估細則，加入新的指標項：洞口施工難度、擬建隧道與既有隧道支護難度、既有隧道加固難度、事故救援的可開展性。

　　(3)山區公路隧道改擴建施工中存在塌方、路基邊坡失穩、洞口失穩、機械傷害、物體打擊、高處墜落六項重大危險源。

　　(4)運用公式 R=f(P,C)和公式 p=R·γ 評估專項風險，并建立量化詳細的塌方事故評估指標體系表，得出黑峪隧道塌方的風險等級為Ⅳ級。

　　(5)通過支護措施指標對比、爆破措施指標對比、既有隧道加固措施指標對比和其它施工措施控制四個方面，有效預防隧道塌方事故。