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1、第 3 6 卷第 2期 2 0 1 0年 6月 湖南交通科技 HUNAN COMMUNI CATI ON S CI ENCE AND T ECHNOL OGY Vo 1 36 No 2 J u n 2 01 0 文章编号：1 0 0 8 8 4 4 X(2 0 1 0)0 2 0 1 5 8 0 5 公 路 山岭隧道洞 口施工风 险分析与评估 傅金阳，黄达，易强，阳军生(1 中南大学 土木建筑学 院，湖南 长沙4 1 0 0 7 5；2 湖南 汝郴高速公路建设 开发有 限公司，湖南 郴州4 2 3 0 0 0)摘 要：隧道洞 口施 工关系到 隧道能否顺利进洞，因此隧道洞 口施工风险是隧道施 工
2、风 险管理的重点。从安全与环境两个方面综合分析 了公路 山岭隧道洞 口施工潜在 的风险事件，并以湖南汝郴 高速公路河源洞隧道洞口施工为例，在定性与定量结合的层面上，采用专家调查 法和考虑递阶层次结构依存性的模糊层次风 险评估方法对河源洞隧道洞 口施 工风险进行评 价，然后根据风险评价结果及风险监控动态反馈提 出了相应的风险处理措施，保证 了隧道洞口 施 工安全。关键 词：隧道 洞 1：2；施 工风 险；风 险评估；风 险跟 踪 处理 中图分类号：U 4 5 6 3 文献标识码：B 0 引言 山岭隧道工程因其隐蔽性、施工复杂性、地质条 件和周围环境的不确定性等因素，在施工过程中易 出现各种各样的
3、风险事故，这已引起 了广泛关注，目 前国内外对于长大隧道、水下隧道和地铁盾构施工 风险评价已经进行 了不少工作，并采用各种方法从 多角度对隧道施工风险进行了评价研究。S t u r k等给出了实用 的风险分析技术并将其应 用于斯德哥尔摩环形公路隧道 ，N i l s e n等对复杂 地层条 件海 底 隧道 的风险进 行 了 比较 深入 的研 究 j，国际隧协为隧道及地下工程的风险管理提供 了一整套参 照标 准和方法。姚浩、周红波、陈龙 等人对地铁盾构施工期掘进风险进行了评估，取得 了一些实用的成果 I 5 J。目前针对山岭 隧道施工进 行风险评估 的研究较少，主要有陈洁金、周峰等人对 山岭隧道
4、塌方风险进行 了模糊层 次分析-o J。由于 山岭隧道洞 口的施工安全关系到隧道能否顺利进洞 并进行洞身的施工，因此进行隧道洞 口施工风险研 究是隧道施工风险评估工作的一个重要方面，而这 方面工作尚少见。本文结合湖南省汝郴 高速公路河源洞隧道工 程，对隧道洞 口施工存在的风险进行综合分析，得 出 了隧道洞 口施工在安全与环境两个方面可能存在的 风险事件，根据风险分析评价结果及现场风险监控 反馈提出了相应风 险应对措施，保证隧道洞 口施工 安全，为以后类似隧道洞口施工和风险评估提供参 考依据。1 风 险辨识 和分析 隧道洞 口段地质情况一般较差，且多为偏压、浅 埋，在开挖过程 中容易产生各种风险
5、事故。根据一 般隧道洞 口处工程与地质特征及工程实例的调查分 析，在安全和环境方面，公路山岭隧道洞口施工潜在 风险主要有以下几方面。1 1 地表下沉、开裂变形 隧道洞 口段一般位于 围岩软弱段，在开挖过程 中洞 口山体地表极易下沉、开裂变形，如未及时采取 措施，雨季雨水容易沿裂缝侵入，使围岩强度降低，甚至造成洞 口段坍塌。1 2洞口段坍塌、冒顶 隧道洞 口由于覆盖层很薄，围岩软弱松散，开挖 时岩土很难形成 自承体系，施工过程 中如果对变形 控制不当，围岩会产生松弛破坏，导致直达地表面的 塌陷。1 3 边仰坡失稳 隧道洞 口边仰坡开挖时，破坏了边仰坡岩土体 原始应力平衡状态，在受到开挖、爆破振动
6、等施工活 动和地表水、潜在结构面综合影响时，极易使边仰坡 岩体松弛引起表层剥落或滑坡。1 4 洞口山体整体滑移 隧道洞 口段 围岩一般存 在土层 和岩层 的交界 收稿 日期：2 0 0 9 1 2-1 0 作者简介：傅金 阳(1 9 8 5 一)，男，硕士研 究生，主要从事隧道及地下工程研究。2期 傅金 阳，等：公路山岭隧道洞 口施工风险分析与评估 1 5 9 面，受隧道开挖、爆破及雨季地表水等影 响时，土层 与岩层的沉降变形量不一致，易在掌子面前方沿土 层与岩层交界面产生张拉裂缝，随着裂缝 的横 向发 展，在整个坡体上形成椭圆弧线圈滑移。1 5 支护结构开裂变形 隧道洞 口段 围岩 自稳性差
7、，在支护承载力不足 或施工质量不合格 的情况 下，支 护极 易开裂 变形。特别是由于有些洞 口偏压甚至一侧临空，易造成进 洞时该段 围岩外扩，造成初支开裂、围岩失稳。1 6 落石伤人危及施工安全 隧道洞 口一般边仰坡较陡，地表截水沟开挖后，坡顶存在松散岩体和散石，容易发生小型坍塌或落 石，危及洞 口人员 和机械进出安全。1 7 弃渣对环境影响、水 系破坏 隧道洞 口开挖不仅直接影 响该 地区 的地下径 流，开挖 出的弃渣 大部分就地堆放在附近山沟或空 地，在雨季雨水的冲刷作用下，容易堵塞灌溉水渠和 其它地表水系、破坏农 田，甚至引起泥石流。1 8 其它特殊地形与地质条件 引起 的风 险 隧道洞
8、 口施工风险涉及到多方面的因素，如水 文和地质条件、地形地貌和周 围环境、开挖方式、支 护措施及参数、施工质量与管理、设计结构形式、施 工扰动、水等影响因素，隧道洞 口施工风险是开挖时 各个因素的相互作用下产生。2 河源 洞 隧道 洞 口施 工风 险评估 2 1工程概 况 河源洞隧道为夏蓉高速公路汝城至郴州段上一 座分离 式 小 净距 隧道，左 右 洞 测设 线 问距 1 2 1 5 m，设计净高 7 0 9 m，净宽 1 0 9 0 m。隧道进出 口 均存在较大偏压，覆 盖层厚度 为 0 52 4 r n。隧道 洞 口地层为亚粘土，稳定性极差，遇水易软化，往洞 内底板逐渐转为强风化变质砂岩，
9、岩体破碎，节理裂 隙发育并夹杂土层。该 区域全年降水量多，地下水 为裂隙潜水，受大气降水补给。该隧道进出 口均设置 了 q b l 0 8超前长管棚，进 口右洞 2 4 m，其余洞 口均为 3 0 m长。洞 口均采用 了超前小导管支护，边仰坡开挖后采用锚喷支护，洞 口采用超短 台阶留核心 土施 工 J。隧道进 15右侧 山体由于修筑施工便道开挖为临空面，出口端洞 门 里程右线比左线大 1 8 m，出口右洞左侧施工时为临 空面。2 2 施 工风 险 识别 根据河源洞 隧道所处 的地质情况及 工程特征，通过专家现场调研讨论及工程类 比分析，得出该 隧 道洞口 施工主要存在以下 8 项风险：地表下沉
10、、开裂变形；洞 口段坍塌、冒顶；边仰坡失稳；洞口山体整体滑移；初支开裂变形；落石 伤人危及施工安全；弃渣对环境影响；水系 破坏。各项风险之间的层次依存关系如 图 1。el 山 体 开 裂 变 形 隧道洞 口施工风险 E 安全风险E l l 环境风险 e2 洞 口 段 坍 塌 冒 顶 e 3 边 仰 坡 失 稳 e4 洞 口 山 体 整 体 滑 移 e5 初 支 开 裂 变 形 e 6 洞 口 边 仰 坡 落 石 e7 弃 渣 对 环 境 影 响 e8 水 系 破 坏 图 1 河源 洞隧道洞 口施工风险层次结构 2 3施工风险评估 2 3 1风 险发 生概 率的确 定 首先构建施工风险 因素集
11、e=(e ，e ，e )，然后采用专家调查 法估 计洞 口施 工风险 的发生概 率，专家根据经验和现场工程情 况判 断风险 因素的 概率区问，并填写相应 的概率取值。统计分析有效 的调查表份数 m。由于每个专家 的学识和经验 不 一，每个专家对事物 的看法也有差异，因此根据专家 现场经验 情 况将专 家分 为 4类(分别 有。，b，c，d 人)，赋予每类专家权威指数值K (分别取4 n，3 n，2 n，1 n，=4 a+3 6+2 c+)，所有专家 的权威性 指数之和 等 于 1，得 专 家 权威 性 指 数 向量 为 K=(K 1，K i)，=1，m；m=n+b+c+d。每位 专家按照很不可
12、能、不可能、偶然、可能、很可能分别 对应 A E 5个概率 等级 对施工 风险因素进行 评分，第 位专家的评分结果 向量为 P (P P 2 ，P )，组合概 率评 价结果 矩阵 P=(P ，P ，P )。然后按下式计算风险因素的概率向量：P =KP=(P ，P ，P )本次针对隧道洞 口施工风险分析评估，共 向科 研单位与施 工单位发 放调查 问卷 1 5份，有效 回收 1 2份。经统计计算得 出河源洞隧道洞 口施工风险 因素概率向量为：P =(0 0 1 6 6 7，0 0 0 2 1 7，0 0 0 5 8 3，0 0 0 0 8 3，0 0 1 3 7 5，0 0 2 9 1 7，0
13、5 2 3 3 3，0 0 0 1 2 5)，据此把隧 1 6 0 湖南交通科技 3 6卷 道洞 口施工风险因素纳入风险概率等级如表 1。表 1 隧道施工风险因素概率等级表 2 3 2风 险 后 果 定 级 风险后果的确定方法如下，采用层次分析方法 确定单一准则下各风险因素 的权重向量，再考虑多 准则下风险递阶层次的结构依存性，根据上层风险 因素对下层风险因素所支配的个数来修正权重结构 信息，进行权重合成 9 ，然后根据模糊综合评判结 果确定风险后果等级。1)各隧道洞口施工风险因素权重的确定。隧道洞 口施 工风险因素的递 阶层次结构如 图 1，采用 19标度方法构造两两 比较判断矩 阵 c、C
14、。、，然后采用特征根法计算单一准则下各个风险 因素的相对权 重 ，并进行一致性检验，可分别得 到各层次权重向量为：，=(0 8 3 3，0 1 6 7)；W =(0 0 8 1，0 2 6 1，0 4 2 4，0 1 4 3，0 0 5 1，0 0 4 0)；1 2：(0 0 8 9，0 1 2 6，0 5 2 3，0 2 6 2)。可得二级权重矩 阵为 A，层 次结构信息矩阵为 Js 1，则：I F=AS1 I=0 08 l 0 2 61 0 4 2 4 0 1 4 3 O 0 51 0 0 4 0 0 0 0 0 0 8 9 O 0 1 2 6 0 0 0 5 2 3 0 2 6 2 0
15、4。1 0 0 13673】=l l 1 1(0 0 4 0，0 1 3 6，0 2 1 2，0 0 8 0，0 0 2 5，0 0 2 0，0 0 3 5，0 0 1 8)归一化可得修正后隧道洞 口施工风险因素权重 向量为：=(0 0 7 1，0 2 4 0，0 3 7 5，0 1 4 1，0 0 4 4，0 0 3 5，0 0 6 2，0 0 3 2)隧道洞口施工风险因素权重值系统图见图 2。2)模糊综合评判确定风险后果等级。首先建立风险评语等级集合 V=(。，隧道洞 口施工风险 E 安全风险 E 1 0 0 8 1 0 2 6 1 f 0 4 2 4 0 1 4 3 0 0 5 1 厂硼
16、 T 汀 环境风险 0 O 4 O I 0 O 7 1 0 2 4 0 0 3 7 5 0 1 4 1 0 O 4 4 0 0 3 5 0 0 6 2 0 0 3 2 图 2 隧道洞 口施工风险因素 权重值 系统 图)，分别对应轻微的、较大的、严重的、很严重的、灾 难性的 15五个评语 等级_ 3 J。然后建立隧道洞 口施工风险因素评价指标集合 C=(C ，c ，c，c ，C 5，c ，C，c )，采用专家调查法对每一个指标进行评审 打分，确定各个指标对评语等级集合 的隶属度，使主观估计更趋客观化。对于 C i 对于评语等级集合 的隶属度 向量：R i (l，3，揖，r i5)，i=1，2，8
17、 其 中R 的元素是各专家评分的统计结果，设对 指标 c i 有 个 评语，=1，2，3，4，5，则 f=v ij m。以每个评价指标对于评语等级集合的隶属度向量为 行组成单 因素评判矩阵 R：(R。，2，R 3，R ，R 5，R 6，兄，)。本次调查 与前面概率调查 同时进行，得 出：R=0 6 6 7 0 2 5 0 08 3 0 0 O 0 0 8 3 0 1 6 7 0 5 0 2 5 0 0 0 8 3 0 2 5 0 5 0 1 6 7 O 0 0 2 5 0 5 8 6 0 1 6 7 0 41 7 0 3 33 0 1 6 7 0 0 8 3 0 0 1 6 7 0 3 3 3
18、 0 5 0 0 0 1 6 7 0 5 0 1 6 7 0 1 6 7 0 0 0 8 3 0 1 6 7 0 6 6 7 0 0 0 8 3 把风险 因素权 重向量 与单 因素评判 向量 合成，得到隧道洞 口施工风险因素对评语集 的隶 属向量为 R ：R =R=(0 0 8 5，0 1 3 1，0 2 3 2，0 4 0 4，0 1 4 9)由 R 与 R可得隧道洞 lZ l 施工风 险因素综合评 价结果 向量为：c s=R R =(0 1 0 9，0 2 8 9，0 2 9 6，0 3 1 8，0 1 5 1，0 1 7 4，0 1 8 6，0 1 9 6)按下式：，一C y mi n
19、c 疗 a xC S mi n 2期 傅金 阳，等：公路山岭隧道洞口施工风险分析与评估 1 6 1 归一化可得：=(0，0 8 6，0 8 9，1，0 2，0 1，0 3 7，0 4 2)根据上述综合评价值，按得分区间把隧道施 工 风险因素纳入后果评语集 的 5个级别，如表 2。表 2 隧道施工风 险因素后果等级表 2 3 3风 险定级 根据 目前各个工程领域普遍采用 的风险 PC 矩阵来评价风险等级，将前述计算所得 的隧道洞 口 施工风险因素概率等级和后果等级组合，可得隧道 洞口施工风险事件的等级，如表 3。表 3 隧道洞 口施 工风 险 P C组合分级表 通过上述分析可知，在河源洞隧道洞
20、口施工过 程中，边仰坡失稳和坍塌冒顶、山体整体滑移风险等 级高，风险发生后引起 的后果很严重，应采取有效措 施进行规避并加强监测；洞 口落石与弃渣对环境影 响发生概率很高，也属 于高度风 险，应 引起 足够重 视。2 4隧道洞口施工风险跟踪与处理 风险分析评估 的 目的是制定风险应对措施，避 免或降低风险带来 的损失。河源洞隧道在进洞过程 中风险跟踪处理如下。河源洞隧道进 口洞 口段开挖后，洞顶地表 和边 仰坡多处出现 了裂缝，右洞边坡 临空 面出现裂缝及 小规模坍塌，洞 口段 山体有向线路右侧滑动的趋势，洞顶出现了坍塌，初期支护有多处裂缝。通过风险 分析与评估，经业主同意，施工单位采取 了如
21、下措施 确保施工安全：在洞 口段对围岩进行注浆加固，增加超前注浆小导管加 固前方 围岩，用彩条布覆盖 洞 口段洞顶地表，挂网喷浆封闭裂缝。对 隧道进 口右侧山体临空面先进行 回填反压，并施作抗滑桩 挡土墙，对墙体与山体间空隙回填注浆，确保山体滑 移力有效传递至抗滑桩。修筑偏压明洞。河源洞隧道 出 口洞 口段开挖后，洞顶地表沿截 水沟出现了延伸至整座隧道横断面的裂缝，初支开 裂外扩严重，地表沉降及水平位移均较大，洞口段山 体有向线路左前方滑移的趋势，在连续降雨时段右 洞临空面出现崩塌。通 过风险分析与评估，在业主 的督促下，施工单位采取 了如下措施 并取得 了明显 效果：对洞 口山体进行挂 网喷
22、浆，防止雨水渗入 软化岩体。增加注浆小导管进行超前支护，对已 支护段进行注浆加固围岩，在钢拱架连接处及墙角 各增加 2根锁脚锚杆，增设 临时仰拱。在左右线 之 间自地表垂直向下布设 4排注浆钢管桩，深度达 到仰拱底以下 3 m，加固该处岩柱体，提高山体 的整 体性，防止山体进一步滑移。在右洞左侧临空面 打设钢管进行挂网喷浆，同时增设挡 土墙并与右洞 明洞耳墙相连。3 结论 1)公路隧道洞 口段一般 围岩条件差，埋深浅，施工期易发生多种风险事故，既直接造成风险损失，也影响隧道洞身的施工。因此有必要对隧道洞 口施 工风险进行详细的分析，依据风 险评估结果确定 风 险处理措施。2)隧道洞 口施工受工
23、程地质、开挖等诸多因素 的影响，洞 口施工风 险是在各个影响 因素的相互作 用下产生，在进行风 险分析评估与风险监控反馈 时 应考虑全面风险因素及其相互问的依存关 系，更加 客观的评价各因素的权重。3)通过对河源洞隧道洞 口施工风险进行评估，得出在施工过程 中应加强边仰坡失稳和坍塌 冒顶、山体整体滑移风险的监控，及时采取有效措施进行 规避；洞 口落石与弃渣对环境影响由于发生概率高，应引起足够重视。总之，风险评估分析是个动态的过程，在隧道洞 口施工过程中应根据监控反馈结果 和现场情况，不 断更新风险因素进行 分析评估，以便决策者根据风 险评估结果做 出正确的判断和采取有效 的风险应对 措 施 参
24、考文献：1 S t u r k R，O l s s o n L ，J o h a n s s o n JRi s k a n d d e c i s i o n a n a l y s i s f o r l a r g e u n d e r g r o u n d p r o j e c t s，a s a p p l i e d t o t h e S t o c k h o l m r i n g r o a d t u n i n g JT u n n e l l i n g a n d U n d e r gro u n d S p a c e T e c h n o l o g
25、y，1 9 9 6，1 t(2)：1 5 71 6 4 2 B N i l s e n，A p a l ms t r o m，H S t i l l e Q u a l i t y c O n t r o l o f a s u b l 6 2 湖南交通科技 3 6卷 一s e a t u n n e l p r o j e c t i n c o m p l e x g r o u n d c o n d i t i o n s J C h a l l e n g e s f o r t he 21 s t c e n t u r y，1 9 9 2：1 3 71 4 5 3 S o r e
26、 n De g n Es k e s e n，P e r T e n g b o r g，J o r g e n Ka mp ma n n，e t a 1 G u i d e l i n e s for T u n n e l i n g Ri s k Ma n a g e me n t：I n t e r n a t i o n a l T u n n e l i n g A s s o c i a t i o n Wo r k i n g G r o u p J T u n n e l l i n g a n d U n d e r gro u n d S p a c e T e c h
27、n o l o g y，2 0 0 4，1 9(2)：2 1 7 2 3 7 4 姚浩，周红波，蔡来炳，等 软土地区土压盾构隧道掘进施工风 险模糊评估 J 岩土力学，2 0 0 7，2 8(8)：1 7 5 31 7 5 6 5 陈龙 城市软土盾构隧道施工期风险分析与评估研究 D 上 海：同济大学，2 0 0 4 6 陈洁金，周峰，阳军生，等 山岭隧道塌方风险模糊层次分析C J 岩土力学，2 0 0 9，3 0(8)7 湖南省交通规划勘察设计院 厦门至成都国家高速公路湖南汝 城至郴州公路两阶段施工图设计 Z 2 0 0 8 8 中华人 民共和 国铁 道部 铁路 隧道风 险评 估 与管理 暂行
28、规定 s 北京：中国铁道 出版社，2 0 0 7 9 许柏树 层次分析法原理 M 天津：天津大学出版社 1 9 8 8 (上接 第 1 4 0页)混凝土的长期养护工作，包括在桥面上覆盖草垫，并 用帆布包裹桥梁及蒸汽养护等。此外，加强养护也 可减小混凝土的收缩，在寒冷地区空气湿度一般为 4 0 一 5 0 ，空气湿度较低，且风速较高，混凝土水 分蒸发快，会导致混凝土体积收缩，收缩变形由表及 里的不均匀性，助长温度变形并引起应力，用帆布包 裹桥梁可有效地降低空气流通，并起到保温、保湿的 作用。3 2 合理控制拆模时间 箱梁的模板对混凝土的养护起到明显的作用，控制拆模时间，使混凝土 内部与外表面之间
29、温差小 于 1 5，可有效 防止温度裂缝的出现。箱梁的模板 可减小空气的接触，有利于降低箱梁表面混凝土的 收缩。由于侧模及 内模使通风孔封闭，且端模降低 风对桥跨两端的影响、保持箱内温度，从而有利于箱 内混凝土的养护。从水化热温度发展曲线看，当温 降进入第 2阶 段后(约 5 d时间)拆模，可大大减小环境温度对箱 梁表面的温度冲击。3 3 改进施工工艺。加强施工质量控制 在结构配筋及混凝土灌注工艺允许的前提下，使用水化热较低 的硅酸盐水泥，避免使 用水化热高 的水泥，掺人矿物掺合料和高效减水剂。可减少用 水量，混凝土的收缩和泌水随之减少。同时由于水 泥用量的减少，水泥的水化热减少，降低 了混凝
30、土的 温升 l 5 ，而且可提高混凝 土的早期 弹性模量 和早 期抗拉强度。为了改善混凝土强度，提高其抗裂性，应加强混 凝土的振捣。尤其对于腹板与底板交界处、内横梁 及端横梁等部位应加强振捣。混凝土可采用 2次振 捣技术，以便有效地增加混凝土的密实度，减少内部 微裂和提高混凝土的强度，提高抗渗性能。一般掌 握 2次振捣的时 间间歇为 1 h左右，为了防止破坏 混凝 土内部结构，在混凝土 的初凝前必须完成第 2 次振捣。3 4改进构造设计，合理配筋 改进构造设计、合理配筋是减少温度裂缝 的有 效方法。钢筋混凝土结构不同于素混凝土结构，在 箱梁表面受拉时，钢筋可承受拉力而减少混凝土表 面受拉。因此可在容易发生温度裂缝 的区域(箱梁 的端部和位于腹板 附近 的顶板上表 面及底板 下表 面)布置较多的构造钢筋。参考文献：1 刘兴法 混凝土结构 的温度应 力分析 M 北京：人 民交 通出版 社，1 9 9 1 2 美国各州公路和运输工作者协会(A A S H T O)美国公路桥梁设 计规范 S 1 9 9 4 3 朱伯芳 水工混凝 土的温度与 温度控制 M 北京：水利 水 电出 版社，1 9 7 6 4 陈肇元，朱金铨，吴佩剐 高强混凝 土及其应用 M 北京：清华 大学出版社，1 9 9 2 5 王铁梦 建筑物的裂缝控制 M 上海：上海科学技术出版社，1 9 8 7