隧道改扩建工程施工风险评估研究

　　要 为研究既有隧道原位改扩建工程施工过程中的风险，以山东淄博淄川区黑峪隧道改扩建工程为例，建立新的隧道改扩建工程施工安全总体风险评估表，评估该工程总体风险属于Ⅳ级极高风险。综合核对表法和专家调查法进行危险源普查，识别出六项重大危险源，并对重大风险进行专项评估。以塌方风险为例，结合隧道改扩建项目施工难度和支护方法，从超前管棚支护、既有隧道洞口加固、新旧隧道交叉处围岩级别、新旧隧道交叉处施工支护方法等多个因子考虑，对塌方风险源进行指标体系法评估。并从支护、爆破、加固、其它施工措施四个方面制定风险消减措施，预防隧道塌方事故。

　　本文源自王春河; 朱福强; 罗兴; 张传奎; 田军令; 李贺朋; 郭翼飞， 现代隧道技术 发表时间：2021-04-15 《现代隧道技术》(双月刊)创刊于1964年，由中铁西南科学研究院有限公司 和中国土木工程学会隧道及地下工程分会共同主办。创刊40多年来，《现代隧道技术》杂志紧紧围绕办刊宗旨，积极推动我国隧道及地下工程专业技术进步，深受国内隧道及地下工程专业人员的喜爱，是国内影响最大的隧道及地下工程专业期刊之一。报道内容：国内外隧道及地下工程专业理论研究、设计、施工、运营维修方面的新技术、新材料、新设备等。

　　关键词 公路隧道 改扩建施工 风险评估 指标体系法 塌方事故

　　1 引 言

　　随着国家公路隧道建设的快速发展，东部地区交通量急剧增加，一些年代久远的隧道由于设计标准较低，通行能力不能满足日益增长的交通需求[1] 。这些既有隧道存在平纵指标较低、结构安全隐患较为突出、通行能力不足等问题。但是国家目前没有出台针对既有公路隧道改扩建风险研究的指南或规范[2] ，并且既有隧道改扩建风险的学术研究较为缺乏。李 健等[3] 基于既有隧道改扩建工程，采用数值模拟与理论分析等手段，对隧道改扩建工程施工结构安全性进行研究;陈潇洋[4] 对城市大跨度、小净距隧道的改扩建施工方法、围岩和支护结构力学特性进行分析;金 波等[5] 定性总结了隧道在改建施工中涉及的整治方案、施工安全和运营安全等问题的解决方案;王建明、柏雨芹[6] 定性总结了隧道设计风险识别的分析过程和管理对策;丘仁科等[7] 从事故成因入手量化估测隧道改扩建施工中的风险问题;臧万军、王猛[8] 对既有隧道改扩建工程基于熵权物元可拓理论建立风险评估流程、评价指标和评价标准;李晓光等[9] 采用事故树分析法识别既有隧道中存在的危险因素，利用层次分析法确定其权重，构建了隧道的综合评价体系。以上学者对隧道改扩建项目的力学特性进行了分析，针对施工过程中的风险问题集中于定性分析，但对风险指标的定量系统性分析较为缺乏。

　　目前隧道安全风险评估的方法主要有贝叶斯概率法、层次分析法、模糊风险综合评价法、事故树分析法等[10] 。但与拟建隧道不同，既有隧道改扩建由于运营期间出现各种病害，隧道整体应力状态发生变化，大大增加了隧道改扩建施工时的安全风险，且评估方法的选择必须以最少的时间、资金和人力支出获得最大效用为目标，以评估方法和风险指标易于获得统一的标准为条件。因此，文章采用指标体系法，对建立隧道改扩建施工风险评估体系有较强的操作性、系统性和可比性。

　　参照2011年颁布的《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》和《公路桥梁和隧道工程设计风险评估指南》(下称《指南》)，以黑峪隧道改扩建项目为例，对可能产生的风险进行评估。

　　2 工程概况

　　黑峪隧道(以下简称既有隧道)位于淄博市淄川区赵家岭村黑峪山下淄中路中心桩号K17+993处，为单洞双向两车道隧道。为提升公路安全服务水平，拟对黑峪隧道在原位处进行改扩建(以下简称拟建隧道)，如图1所示。

　　根据相关地勘报告可知：拟建隧道起点里程标号为K17+722，全长548 m。隧址区域起点段坡度较缓，埋深较浅，终点段坡度陡，埋深较大，整体地形起伏变化较大，隧道洞口段软弱围岩浅埋偏压;隧址区域属碳酸盐岩岩溶裂隙含水区，隧道洞身段渗水点较多，局部出现股状涌水;拟建隧道围岩级别比例为：Ⅴ级围岩占全隧道 16.5%，Ⅳ级围岩占全隧道 29.4%，Ⅲ级围岩占全隧道54.1%。拟建隧道与既有隧道接近段及相交段的爆破属于Ⅴ级围岩爆破段;既有隧道开挖后溶洞段的施工有可能存在哑炮等，这些是黑峪隧道改扩建重难点。

　　3 风险源研究

　　为了确保拟建隧道施工过程中既有隧道的稳固和施工安全，综合核对表法和专家调查法识别该项目风险，明确风险因素及可能对隧道施工产生的影响。由于隧址区地质复杂、施工技术水平有限，加之新旧隧道接近段及相交段的施工工法极为复杂。为防范这些风险,采用指标体系法对重大风险的影响因子进行识别、归类和整理排序，确定主要的风险因子，并制定风险消减措施。

　　3.1 总体风险量化评估

　　参照《指南》，黑峪隧道改扩建施工工程增加了洞口施工难度、拟建隧道与既有隧道支护难度、既有隧道加固难度、事故救援的可开展性等因素，建立新的隧道改扩建工程施工安全总体风险评估表，见表1。

　　总体风险评估分数为24分，属于Ⅵ级，极高风险。根据《指南》和《细则》，需要进行隧道专项风险评估。将隧道施工工序分解，对分解的工序进行危险源普查、辨识和分析，识别重大风险源。

　　3.2 风险源普查分析

　　在隧道工程中，根据隧道改扩建施工进度，可以将工程分解为洞口段明洞及洞门开挖工程、洞身掘进、洞身衬砌以及施工配套工程[12，13] 。采用核对表法和专家调查法相结合的方法，查找关于公路隧道的主要风险事故资料，访问研究隧道施工领域的专家、实施该项目的项目经理等人。通过现场事故调查，结合工程地质、围岩等级、水文地质等基本信息和施工方法，具体分析本隧道可能发生的典型事故类型，见表2。

　　通过对洞口工程、洞身开挖、洞身衬砌、临时工程等单位工程作业内容潜在事故的分析，经过最终确认可得隧道改扩建工程主要存在塌方、路基边坡失稳、洞口失稳、机械伤害、物体打击、高处坠落六项重大危险源。

　　4 重大风险专项评估

　　重大事故风险应包含工程事故和其引起的损失两部分，一般用事故发生概率及其损失的函数表示[14] ： R = f ( P,C ) (1)式中：R为隧道工程施工阶段风险;P为风险事故发生的概率;C 为风险事故造成的损失，包括经济损失、人员伤亡、工期延误及环境影响等。

　　重大风险评估主要考虑物的状态、人的状态和施工管理缺陷。其中，物的状态主要考虑水文地质、项目地形地貌及施工难度等客观条件;人的因素和施工管理缺陷主要考虑总包及专业分包企业资质、历史事故、作业人经验、安全投入情况等。其中，人的因素及施工管理对公路隧道工程施工安全影响较大，可作为风险抵消的因素。重大风险发生可能性表示为： p = Q·γ (2)式中：Q为该风险事故可能性的计算分值;γ为安全管理评估指标分值对应的折减系数;p 为该风险事故经过加入折减系数后发生可能性的计算分值。

　　4.1 人为因素事故可能性评估

　　人的因素及施工管理引发的事故可能性的评价系数值可作为重大风险事故评估的折减系数。根据黑峪隧道总承包企业管理资质以及施工组织应急方案等考虑，该项目总包企业为中国建筑第八工程局有限公司，具有房屋建筑工程施工特级总承包资质;项目专业及劳务分包企业有资历;项目部主要管理人员曾在项目上发生过一般事故;作业人员经验丰富;安全管理人员及安全投入、机械设备配置符合合同要求。经评估，安全管理评估指标分值对应的折减系数为0.9。

　　4.2 塌方事故可能性评估

　　在隧道工程施工过程中，塌方是最为常见的事故之一。塌方发生的后果严重、危害巨大，不仅对现场施工人员和机械造成威胁，还会延误工期、增加施工难度、造成严重的经济损失，甚至影响隧道运营期的使用寿命与安全[15] 。从六项重大危险源中选择隧道塌方风险事故，对其可能性进行详细评估。结合项目特点，采用现场考察、专家调查等方式，整理筛选出与项目直接相关的风险因素，剔除与项目无关或影响极小的风险因素，从交叉处施工区段的围岩级别、断层破碎带、渗水状态、地质符合性、施工方法、施工步距等多个因子考虑，建立了黑峪隧道塌方风险指标体系，见表3。

　　根据表3并结合实际对本隧道塌方事故进行赋值：对应A值为2分;根据既有隧道洞口强度及拟建隧道爆破强度，对应B值取2分;新旧隧道交叉处围岩级别为Ⅴ级围岩区段，对应C值取4分;新旧隧道交叉处施工支护时不改变支护方法也不改变支护参数，对应D值取4分;本隧道隧址区域洞口段(Ⅴ级)为崩塌堆积体，稳定性极差;洞身段大部分(Ⅴ级、Ⅳ 级)围岩情况较好，围岩断层破碎情况E为2分;根据隧址区水系发育，渗水状态分F为 1.2分;工程地质情况与设计文件基本一致，地质符合性G为1分;根据施工组织设计，施工方法基本适合水文地质条件的要求，施工方法H为1分;根据施工组织设计，二次衬砌距掌子面要求在 100 m以内，仰拱开挖长度在8 m以内，施工步距I=a+b=2+0=2分。所以黑峪隧道塌方事故可能性评估值Q=A+B+F·C+D+E+G+H+I =18.8分。

　　根据公式(1)p=Q·γ=18.8×0.9=16.92 分。按照重大风险源事故等级划分，见表4，该隧道塌方风险等级为Ⅳ级，很有可能发生塌方。需要重点制定有效措施防止塌方事故的发生，并进行全面安全控制。

　　5 塌方事故安全控制

　　5.1 支护措施控制

　　为提高洞口段施工安全，在起点35 m范围内设置超前大管棚支护。超前管棚支护是沿着隧道开挖断面外轮廓，以固定的间距与隧道的轴线呈一定夹角的钻孔，插入钢管，再从插入的钢管内部注入水泥砂浆，以增加钢管本身的强度与刚度，同时加固围岩，使得整体性提高。由于黑峪隧道为浅埋隧道，考虑该隧道埋深、围岩条件、开挖条件以及超前支护结构的特点等多种因素，管棚预支护施工时钢筋与衬砌中线平行以 α=5°～8°仰角打入拱部围岩，共 32 m，环向间距40 cm，保持1.5 m的搭接长度。爆破开挖过程中，由于爆破载荷作用必然造成岩体结构发生变化，且在同一台阶边坡附近会进行多次爆破，因此必须提前预防爆破对既有隧道洞口的振动影响，用混凝土锚喷技术对既有隧道洞口进行加固。

　　根据围岩类别和设计参数、结合拟建隧道与既有隧道位置关系进行初期支护。洞身暗挖地段为Ⅴ 级围岩拟建段(图2)，按照新奥法原理组织施工，采用复合式衬砌，一侧采用ϕ42超前小导管，L=350 cm，环向间距40 cm，搭接长度1.25 m;另一侧采用ϕ25中空注浆锚杆，L=350 cm，壁厚 5 mm，间距 100 cm (环)×75 cm(纵)。接近段采用复合式衬砌，必须先进行既有隧道加固，靠近既有隧道拱顶侧采用超前小导管支护，另一侧采用中空注浆锚杆，支护参数和拟建段一致。K17+807~K17+967 重合段为Ⅴ级围岩段(图3)，采用超前锚杆支护，初期支护以锚网喷支护为主，辅以钢拱架。

　　5.2 爆破措施控制

　　针对 K17+722～K17+808 段，拟建隧道与既有隧道的距离随施工进度变化而减小，围岩较破碎，对不同施工阶段的爆破方案进行修正，并优化 K17+ 808～K18+270 段不同围岩等级的爆破施工参数。 V 级围岩拟建段上部爆破参数设计(图 4)，孔径 d= 42 mm，孔深L=1.5 m，周边炮眼间距为500 mm;V级围岩相交段上部爆破参数设计，孔径d=42 mm，孔深 L=2.0 m，V级围岩相交段布置掏槽眼、崩落眼、周边眼、底眼。掏槽眼共布置两排，与工作面夹角取 85°，炮眼底部间距取185 mm，周边炮眼间距为600 mm，崩落眼的炮眼孔距取 800 mm。炮眼间距增大能减轻爆破振动对既有隧道的影响。

　　交叉隧道空间关系复杂，开挖过程中必须进行爆破质量控制，尤其是拟建隧道与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。爆破振动监测能够有效评定爆破施工对岩体结构稳定性的影响。通过溶洞段时，必须进行哑炮排查，防止安全事故的发生。

　　5.3 加固措施控制

　　拟建隧道与既有隧道接近段及相交段在施工前，必须先对既有隧道进行加固，如图5所示。隧道从K17+754~K17+808为接近段，并在K17+808处完全重合。施工时需要对K17+754~K17+808共54 m 长的既有隧道采取加固措施。d为开挖轮廓线至既有隧道对侧边墙距离，当d≤30 cm时，开挖轮廓线外侧预留 10 cm 空间，上部喷射混凝土，下部片石回填;当d>30 cm时，开挖轮廓线外侧预留10 cm空间，上部喷射混凝土，下部片石回填，外侧采用浆砌片石对既有隧道进行加固，浆砌片石墙体最大宽度100 cm。

　　5.4 其它施工措施

　　加强现场监控量测，将该隧道洞内外观察、拱顶下沉、周边收敛、外边墙位移及地表下沉量测等四项作为施工监测项目。洞内外观察分为开挖工作面观察和已施工区段观察两部分，开挖工作面观察包括节理裂隙发育情况、工作面稳定状态、涌水情况及底板是否隆起等。拱顶下沉、周边收敛量测应在同一断面进行，并采用相同的量测频率，如果位移出现异常情况，应加大量测频率。

　　用TSP超前地质预报系统对Ⅲ级、Ⅳ级、Ⅴ级围岩地质情况进行预报，在工程地质与水文地质较复杂地段，应补充超前地质钻孔，采用径向钻孔(探1、探3为ϕ38孔径，探2为ϕ76孔径，探孔长30~50 m)，详见图6。地质预报工作对TSP预报成果加以核查和确认，根据所获得的信息调整隧道施工方案。

　　当隧道内掌子面后方发生塌方等事故时容易造成施工人员被困洞内的情况，在隧道施工阶段应准备相关救援设备。如图7所示，(1)逃生管采用900 mm×15 mm钢管，其长度比满足能够将被困人员安全疏散至隧道二次衬砌浇筑完毕的安全区域;(2)洞内设置无线电话，施工照明采用 UPS 供电照明;(3)掌子面附近准备食品、紧急医用药品及相关设备;(4)洞外准备临时钢架、木材、钻机、抽水机具等设施;(5)施工单位应根据实际情况进行必要的防灾、救援演练。

　　5.5 风险管理实施效果

　　黑峪隧道风险管理从施工技术和隧道风险易发位置出发，采取支护措施、爆破措施、既有隧道加固措施和其它施工措施优化的方法降低风险因子影响程度，具体降低指标体系法中A、B、D、I的取值及降低C、E、F的影响程度，经计算p=Q·γ=6.8×0.9=6.12 分，将塌方风险从等级Ⅳ降低至等级Ⅲ，接近于等级 Ⅱ。黑峪隧道改扩建施工风险管理工作从2017年9 月份开工建设，高度重视施工中的塌方风险因素，于 2018年7月实现贯通，整个建设过程未出现塌方等安全事故，达到了既定的安全、质量、进度目标。

　　6 结 论

　　隧道改扩建工程施工工艺复杂，项目经验及学术研究成果少，对施工过程中的风险因素难以控制，这些是山区公路隧道改扩建工程风险评估的重难点。依据山东淄博淄川区黑峪隧道改扩建工程，从总体风险评估入手进行风险源普查、专项重大风险定量评估，建立塌方风险的指标体系评估方法，并对塌方风险进行预防和控制，得到以下结论。

　　(1)建立有效的公路隧道改扩建施工风险指标体系，评价包含了工程的特殊因素，使以后的工程风险评估实践变得简单易行。

　　(2)建立山区公路隧道改扩建施工总体风险评估细则，加入新的指标项：洞口施工难度、拟建隧道与既有隧道支护难度、既有隧道加固难度、事故救援的可开展性。

　　(3)山区公路隧道改扩建施工中存在塌方、路基边坡失稳、洞口失稳、机械伤害、物体打击、高处坠落六项重大危险源。

　　(4)运用公式 R=f(P,C)和公式 p=R·γ 评估专项风险，并建立量化详细的塌方事故评估指标体系表，得出黑峪隧道塌方的风险等级为Ⅳ级。

　　(5)通过支护措施指标对比、爆破措施指标对比、既有隧道加固措施指标对比和其它施工措施控制四个方面，有效预防隧道塌方事故。