呂飛 LV Fei；李榮 LI Rong

（西安長安大學工程設計研究院有限公司，西安 710061）

0 引言

公路隧道施工環(huán)境條件復雜，施工組織實施困難，作業(yè)安全風險居高不下，一直以來是行業(yè)安全管理的重點。巖爆是在工程開挖過程中，圍巖發(fā)生應力釋放而產(chǎn)生脆性破壞的一種巖體失穩(wěn)過程，具有突發(fā)性、高危害性等特點，是高地應力地區(qū)地下隧道建設過程中所面對的主要風險之一[1]。在工程實施前，開展施工安全風險估測，能夠增強安全風險意識，改進施工措施，規(guī)范預案預警預控管理，有效降低施工風險，嚴防重特大事故發(fā)生。

1 項目背景

某隧道項目位于月河與漢江之間鳳凰山區(qū)，設隧道4990m/1 座通過鳳凰山區(qū)，設計速度40km/h，隧道凈寬10m。除進出口堆積體淺埋段采用機械開挖，其余均采用鉆爆法正面進洞施工。隧道出渣均采用汽車拉運的方式，初期支護噴射混凝土采用濕噴工藝。

①對V 級圍巖段，施工開挖應先做好超前支護，隧道采用三臺階拱部留核心土環(huán)形開挖；

②對于IV 級圍巖段，施工開挖應先做好超前支護，隧道施工采用微臺階弧形導坑留核心土的方法開挖，上、下斷面間距控制在1～2 倍洞徑尺寸；

③III 級圍巖段可采用上下斷面正臺階法施工，上下臺階之間的距離應能滿足機具正常作業(yè)，當頂部圍巖破碎，施工支護需緊跟時可適當延長，減少施工干擾，上臺階可采用拉中槽分部開挖。

1.1 地應力背景

鳳凰山為斷塊山，地形地質(zhì)條件較復雜，構(gòu)造活動較強烈，區(qū)內(nèi)應力場復雜。隧道在變質(zhì)流紋斑巖、變質(zhì)石英閃長玢巖洞段埋深在820m 以上圍巖巖體應力量級為極高地應力水平，埋深360～820m 處巖體應力量級為高應力水平，埋深360m 以下巖體應力量級為一般地應力水平；隧道在花崗閃長巖洞段埋深在550m 以上圍巖巖體應力量級為極高地應力水平，埋深240～550m 處巖體應力量級為高應力水平，埋深240m 以下巖體應力量級為一般地應力水平。最大水平主應力方向集中范圍為N57°E～N80°E，平均N67°E，即NEE 向，與隧道軸線方向（約N19°E 向）夾角約48°，對隧道圍巖穩(wěn)定存在一定影響。

1.2 硬質(zhì)巖的物理力學特性

隧道穿越硬質(zhì)巖主要包括下古生代侵入巖：花崗閃長巖；上元古代震旦系下統(tǒng)：鄖西群變質(zhì)流紋斑巖、變質(zhì)石英閃長玢巖、綠泥綠簾角閃片巖等。巖體總體以堅硬巖為主。

1.3 巖爆的判別

依據(jù)《公路隧道設計規(guī)范 第一冊 土建工程》（JTG3370.1-2018）相關巖爆判別標準見表1。綜合分析地應力測試結(jié)果，硬質(zhì)圍巖巖石容重（γ）取27.0kN/m3，花崗閃長巖單軸抗壓強度（Rb）采用80MPa、變質(zhì)流紋斑巖單軸抗壓強度（Rb）采用105MPa。泊松比（μ）取0.25。對隧道不同埋深地應力量級及巖爆分級與判別見表2。

表1 巖爆等級分級

表2 某隧道不同洞段各埋深圍巖巖爆判別表

1.4 巖爆預測與綜合評價

按照前述判別標準結(jié)合隧道具體巖體工程地質(zhì)特性，并根據(jù)巖體完整性、圍巖賦水情況，并參考大地電磁視電阻率高低對巖爆可能性進一步評價。由于隧道大部分處于地下水位以下，判斷硬巖巖爆問題總體不會很突出，但部分地下水貧乏、巖體完整的深埋洞段存在中等巖爆問題。結(jié)合相關規(guī)范，經(jīng)綜合分析，主洞可能產(chǎn)生輕微巖爆洞段累計長1096m，占隧道總長的22.0%，產(chǎn)生中等巖爆的洞段累計長681m，占隧道總長的13.6%，產(chǎn)生強烈?guī)r爆的洞段累計長487m，占隧道總長的9.7%，預測結(jié)果見表3。

表3 巖爆預測結(jié)果

2 施工風險評估的方法

本次高地應力隧道巖爆施工風險評估采用風險矩陣法進行評估。風險矩陣法根據(jù)系統(tǒng)層次按次序揭示系統(tǒng)、分系統(tǒng)和設備中的危險源，做到不漏任何一項，并按風險的可能性和嚴重性分類，以便分別按輕重緩急采取措施?？筛鶕?jù)使用需求對風險等級劃分進行修改，使其適用不同的分析系統(tǒng)，但需有一定的工程經(jīng)驗和數(shù)據(jù)資料；既可適用于整個系統(tǒng)，又可以適用于系統(tǒng)中某一環(huán)節(jié)，適于現(xiàn)場作業(yè)[2]。

施工風險評估的思路：建立評估風險矩陣；評估事故發(fā)生的可能和事故后果嚴重程度；參照風險矩陣，確定風險等級。

2.1 風險矩陣的建立

風險矩陣方法按照事故發(fā)生的可能性、事故后果嚴重程度建立風險矩陣表見表4，表5、表6、表7 為事故可能性和后果等級標準。

表4 風險等級標準

表5 事故可能性等級標準

表6 人員傷亡等級標準

表7 直接經(jīng)濟損失等級標準

2.2 巖爆風險可能性評估指標

相關研究成果表明，巖爆主要與高地應力環(huán)境、巖石力學性能和圍巖性質(zhì)有關[3]。巖爆風險可能性評估指標體系見表8，并根據(jù)隧道類型和資料完整性對巖爆風險可能性評估指標進行修正，指標取值見表9。隧道施工前巖爆風險事件可能性分值計算公式為：

表8 巖爆風險可能性評估指標體系

表9 隧道類型、資料完整性對風險事件可能性評估分值的修正系數(shù)

式中：

P—隧道施工前巖爆風險事件可能性評估分值；

D1—隧道類型對隧道施工前巖爆風險事件可能性的修正系數(shù)；

D2—工程資料完整性對隧道施工前巖爆風險事件可能性的修正系數(shù)；

X11—高地應力環(huán)境所賦分值；

X21—巖石力學性能所賦分值；

X31—圍巖性質(zhì)所賦分值。

計算結(jié)果應四舍五入為整數(shù)。分值大小確定后，對照表10 確定隧道巖爆風險事件可能性等級。

表10 隧道施工前巖爆風險事件可能性等級標準

根據(jù)計算后的可能性等級和預估可能造成的后果，通過風險矩陣，評估高地應力隧道巖爆施工風險等級。

3 高地應力隧道巖爆施工風險控制措施

3.1 加強組織領導

成立風險管控領導小組，負責領導、協(xié)調(diào)本項目的施工風險的管理工作。

3.2 細化前期資料收集

收集現(xiàn)行有效的法律、法規(guī)、規(guī)范及相關標準和設計資料，以及對現(xiàn)場周邊環(huán)境實地踏勘[4]以及項目周圍已完工和在建隧道工程出現(xiàn)巖爆的資料等，為編制專項施工方案提供有力支撐。

3.3 優(yōu)化施工計劃

在前期調(diào)查的基礎上，初步確定今后施工過程中哪些部位及里程容易發(fā)生巖爆現(xiàn)象，對于巖爆地段，優(yōu)化隧道形狀和方位、調(diào)整隧道施工順序。

3.4 加強巖爆的監(jiān)測和超前地質(zhì)預報

高地應力隧道施工過程中，要加強監(jiān)測和超前地質(zhì)預報工作，采用微震監(jiān)測系統(tǒng)、BEAM 及地質(zhì)雷達短距離預報、TSP 中長距離預報、宏觀地質(zhì)長距離預測多種預測方法組成巖爆的綜合預測預報體系。

3.5 加強施工作業(yè)期間的技術(shù)管理工作

①改善圍巖應力狀態(tài)：高地應力隧道開挖時采用減少每循環(huán)進尺并采用光面爆破技術(shù)。采用光面爆破技術(shù)可以使爆破后的圍巖界面光滑圓順，緩解圍巖表面應力集中狀態(tài)；嚴格控制開挖進尺的進度，從而盡量減小發(fā)生巖爆的尺寸效應，輕微巖爆和中等巖爆區(qū)域，一般進尺控制在1.5～2.5m。在洞身邊、頂拱呈輻射狀斜向進行鉆孔，孔內(nèi)灌筑高壓水，一定程度上軟化圍巖，加快釋放圍巖內(nèi)部集中應力，改善圍巖應力狀態(tài)。②爆破控制：微差起爆，嚴格控制最大單響藥量，減小藥量和減少爆破頻率，提高光爆效果，減小應力集中。③應力釋放：對于以壓應力為主、掌子面發(fā)生巖爆較多的地段，應結(jié)合巖爆規(guī)律及地應力測試結(jié)果在掌子面上有針對性地施作應力釋放孔。當巖爆主要發(fā)生在周邊圍巖時，需對隧道最大切向應力位置進行分析，結(jié)合現(xiàn)場巖爆發(fā)生位置，在隧道周邊拱腰等位置處鉆應力釋放孔[5]。④圍巖灑水：洞壁噴水沖洗，洞壁沖洗一則可軟化巖體，降低巖爆強度，二則可清洗巖面，便于及時發(fā)現(xiàn)巖爆裂隙，采取加固措施。⑤圍巖支護：為抵抗巖爆的沖擊破壞，支護體系應有一定的伸展性和抗沖擊性，能夠抵消巖爆帶來的沖擊。現(xiàn)場實踐證明，支護的及時性和系統(tǒng)性是預防巖爆的重要因素。迅速形成由錨桿、鋼筋網(wǎng)、噴砼組成的完整支護結(jié)構(gòu)，提升圍巖內(nèi)部和表面的整體受力性能，能夠有效提升圍巖整體穩(wěn)定性和施工安全[6]。⑥測量管理：表象觀測，利用人的肉眼和耳朵去觀測作業(yè)區(qū)異?，F(xiàn)象，做到一聽響聲、二看位置、三看方向，找出巖爆發(fā)生的前兆，如邊幫開裂、脫片或出現(xiàn)異常的響聲等，做到及時發(fā)現(xiàn)險情及時處理。儀器監(jiān)測，可結(jié)合現(xiàn)場實際利用兩維收斂以及錨桿測力計、多點位移計等監(jiān)測儀器進行監(jiān)測。⑦信息溝通機制：明確測量結(jié)果的聯(lián)絡及報告機制，建立完善的交接班制度。⑧記錄及保存：記錄并整理施工中的各項測量結(jié)果，根據(jù)數(shù)據(jù)把握巖爆的危險度。

3.6 開展安全檢查

開展日常安全生產(chǎn)檢查、經(jīng)常性安全生產(chǎn)檢查、定期安全生產(chǎn)檢查、特殊安全生產(chǎn)檢查。對現(xiàn)場發(fā)現(xiàn)的一般隱患問題，及時督促相關人員迅速行動、整改到位；對查出的重大隱患，建立重大隱患問題專項臺賬，制定專項整治方案，做到整改責任、措施、資金、時限、預案“五落實”；不能及時消除的，按照規(guī)定暫停施工或停止使用相關設備設施，直至整治銷號[7]。

3.7 應急措施

編制項目綜合應急預案、專項應急預案及現(xiàn)場處置方案。項目綜合應急預案應從總體上闡述項目應急領導機構(gòu)、預警預防、應急聯(lián)動、現(xiàn)場救援、應急資源調(diào)配等要求。專項應急預案重點規(guī)范應急組織機構(gòu)以及應急救援處置程序和措施?，F(xiàn)場處置方案針對具體部位、作業(yè)環(huán)節(jié)和設施設備等制定的應急處置措施，重點分析風險事件，規(guī)范應急工作職責、處置措施和注意事項，應突出班組自救互救與先期處置的特點。并備好應急搶險物資，定期組織應急演練。

3.8 巖爆防護培訓

圍繞巖爆的危險性、防止巖爆發(fā)生的措施及注意事項、檢查方法、發(fā)生緊急情況時的對策，開展三級安全教育、安全技術(shù)交底、班前會等安全教育、防護培訓工作。

4 結(jié)語

施工風險評估為風險等級較高的工程僅說明其發(fā)生施工安全事故的可能性高、危害性大，但并不說明和代表風險等級較低的工程就一定不會發(fā)生施工安全事故。所以在安全生產(chǎn)管理中，需要全面扎實的推進安全生產(chǎn)管理，在突出對關鍵工程、重點工序、危險地段進行強化管理過程中，不要疏忽一般性工程施工作業(yè)及附屬設施的安全管理。

施工安全風險管理是一項動態(tài)管理的過程，持續(xù)在施工的全周期管理中。在施工過程中稍有失誤或違規(guī)操作都可能導致不同程度的安全事故。施工中安全事故往往是由于項目各參建方人員的因素、物的因素、環(huán)境因素和管理因素綜合作用的結(jié)果。所以，項目工程在施工過程中發(fā)現(xiàn)水文地質(zhì)條件變化較大、施工工藝發(fā)生實質(zhì)性改變，需重新進行施工安全風險評估。在施工安全管理中充分重視施工安全風險評估工作，將風險管控措施落實在生產(chǎn)管理中，這樣才能使施工安全風險評估工作達到真正目的和效果。