隧道安全风险分析探讨
(中铁六局集团公司，北京 100036)
摘 要：文章通过对大包电气化改造六座新建双线铁路隧道工程的安全风险包括：隧道安全风险识别、风险评价和风险处理的分析，探讨了优化组合各种风险的管理技术，达到有效控制和妥善处理铁路隧道工程安全风险的目的，保证隧道工程的顺利完成。
关键词：隧道；风险；分析
中图分类号：U458 文献标识码：A 文章编号：1007—6921(2008)06—0284—04
铁路隧道工程的建设具有投资规模大、建设周期长、技术复杂等特点，同其他一般性建设项目相比，受地质条件不确定性、社会环境、施工技术、经济发展的程度等多方面因素影响。铁路隧道风险评估与管理工作尚属起步时期，因而对铁路隧道项目进行全面系统的安全风险分析探讨的意义极其重大。
大包电气化改造工程六座新建双线铁路隧道工程具有投资规模大、建设周期短、围岩级别高(Ⅴ、Ⅵ级占45%)、浅埋段长度长、制约大包电气化改造工程总体工期等特点，必须对该隧道施工安全风险进行分析,以制定风险对策，达到有效控制和妥善处理安全风险的目的，从而保证隧道工程的顺利完成。
1 隧道工程概况
1.1 概述京包线大同至包头段位于我国华北地区的内蒙古西部及晋北地区，属京包线西段。东起山西省大同市，西至内蒙古自治区包头市。途经大同、集宁、呼和浩特、包头四市及丰镇市、察哈尔右翼前旗、卓资县、土默特左旗、土默特右旗等五个旗（县）。沿线可分为三个地貌单元，中间为中低山区，两侧为山前冲洪积倾斜平原及盆地。隧道主要位于中低山区。
1.2 隧道分布情况六座新建隧道分布情况为：孤山至堡子湾区间两座（御河隧道和靳圪塔梁隧道）；丰镇至新安庄区间一座（阮家窑隧道）；新安庄至永王庄区间一座（饮马河隧道）；卓资山至福生庄区间两座（卓资山隧道和福生庄隧道）。
1.3 隧道设计标准及要求
1.3.1 隧道建筑限界采用“隧限—2B”，速度目标值120km/h。
1.3.2 按喷锚构筑法技术要求设计，隧道均采用复合式衬砌，除Ⅱ级围岩采用曲墙无仰拱衬砌外，其余地段均采用曲墙有仰拱衬砌。初期支护采用喷、锚、网支护。
1.3.3 御河隧道、靳圪塔梁隧道、阮家窑隧道、饮马河隧道洞内设双侧保温水沟，洞外设保温暗沟及保温出水口。靳圪塔梁隧道、卓资山隧道、福生庄隧道洞内设置深埋中心水沟，洞外设深埋保温暗沟排离洞口，采用圆包头式出水口。
1.3.4 隧道采用钢筋砼轨枕碎石道床，铺设60kg/m钢轨，隧道路肩设计高程至内轨顶面高程差为111cm。
1.3.5 靳圪塔梁隧道设置固定电力照明，其余隧道设置移动式电力照明。
1.3.6 本地区地震动峰值加速度0.10～0.15g，Ⅶ度。
1.4 隧道地形地貌、地质情况
1.4.1 御河隧道。本隧道位于山西省大同市兴荣区境内。地貌单元为低山丘陵区,地形起伏，冲沟发育。隧道进口处自然坡度约30°～41°，出口处约45°～60°。DK388+509～DK388+524处为一冲沟，冲沟内基岩裸露,沟底宽约1m，沟心距路肩约16m，且沟内坡度较缓,隧道埋深小于7m。隧道最大埋深48m。
隧道穿越的地层主要为太古界片麻岩，强风化-弱风化，节理、裂隙发育，岩体呈碎石、块石状，中粗粒状结构，片麻状构造。
1.4.2 靳圪塔梁隧道：本隧道位于山西省大同市兴荣区堡子湾乡祁皇墓村境内，地貌单元为低山区,地形起伏,冲沟发育。隧道进口处自然坡度约35°,出口处约22°。进出口均位于山腰部位,出口处鸡爪型冲沟发育,沟深一般10～20m。
隧道范围内地层为第四系上更新统新黄土、上白垩统砂岩、太古界片麻岩。不良地质：①DK392+087- DK392+605范围内，上部为上白垩统砂岩、泥岩，与下伏的太古界片麻岩呈角度不整合接触。接触带在洞身范围内。接触带部位为古风化壳，裂隙很发育，岩体破碎，为储水构造。②在DK392+822－DK392+863，地表有一处废弃露天矿坑，线位处深11.5～12.5m，最深处20m，1995年废弃，开采石墨矿，沟壁直立，出露片麻岩，以褐红色为主，夹杂灰绿色、灰黑色，强风化，节理、裂隙很发育，岩体破碎。矿坑位于隧道洞顶之上47m，矿坑内的地表积水沿岩体裂隙渗入地下，可形成少量裂隙水。
1.4.3 阮家窑隧道。本隧道位于内蒙古丰镇市境内，地貌单元为玄武岩低山丘陵区,地形起伏，山体多呈平顶型、圆锥形。隧道最大埋深60m。
隧道范围内地层为：第四系全新统冲洪积层粉土、第四系上更系统坡洪积层块石土、第三系始新统粉质黏土、细砂、黏土、玄武岩。玄武岩裂隙很发育，岩体破碎－极破碎，呈角砾状、碎块状、块状，隐晶质结构，块状、气孔状构造，局部含黏土夹层及团块。岩层产状以层状为主。玄武岩多期喷发特征较明显，气孔状与致密状互层分布。
不良地质：隧道进出口坡洪积土稳定性较差。隧道出口有少量的危石、落石。
1.4.4 饮马河隧道。本隧道位于内蒙古丰镇市境内，地貌单元为玄武岩低山丘陵。灰黑色夹褐红色,强风化,节理、裂隙很发育，极破碎，碎石角砾状结构，多期喷发特征较明显，气孔状与致密状互层，夹黏土夹层。
隧道范围内地层为：第四系上更新统新黄土湿陷等级Ⅰ，分布于隧道进口附近。第四系上更新统粗圆砾土，第四系上更新统碎石土，第三系始新统玄武岩，气孔状与致密状互层，强风化，节理、裂隙很发育－发育，岩体呈碎块状、块状，多期喷发特征明显，夹黏土夹层及团块状黏土。出口处分布有坡积碎石土，稳定性较差。隧道最大埋深31m。
1.4.5 卓资山隧道。本隧道穿越大黑河右岸的卓资山山体中前部，山体陡峻，地形起伏较大，地面高程1420～1635m。相对高差80～110m，隧道进出口自然坡度30°～45°，植被不发育。最大埋深215m。隧道所通过的地层主要为第四系全新统坡积碎石土，上第三系砾岩及太古界大理岩，隧道进出口分布有碎石土，洞身主要岩性为大理岩，砾岩夹泥岩。
不良地质及特殊岩土：隧道进口端岩性主要为大理岩，因岩体破碎，裂隙发育而伴生一定岩溶，以溶孔、溶隙为主，施工中易掉块、坍塌，注意及时支护，地下水不丰富，多呈滴状、股状渗流，对围岩可造成微弱水动力作用，影响稳定性，应超前观测防护。DK567+295～DK567+361段，隧道洞身通过砾岩夹泥岩，根据附近同一套地层推断，泥岩具有膨胀性，易崩解，按膨胀岩处理。
1.4.6 福生庄隧道。隧道穿越大黑河右岸的山体，山体较为平缓，地形起伏不大，地面高程1 405～1 458m。进出口自然坡度为30°～40°，隧道最大埋深46m。
洞身主要穿越主要地层为第三系上新统砾岩及第四系上更新统冲积粉土、细圆砾土。隧道围岩均为Ⅴ、Ⅳ级，岩体破碎、裂隙发育，地质较差，DK572+520～DK573+070段通过砾岩地层，泥质胶结，碎屑结构，具弱膨胀性。
1.5 水文地质情况
1.5.1 御河隧道、靳圪塔梁隧道、阮家窑隧道、饮马河隧道：①孔隙潜水，赋存于第四系松散堆积物孔隙中，主要含水层为砂类土、碎石类土，埋深一般3.0～15.0m, 受大气降水和地表水补给，地下水位随季节变化，变幅2.0～4.0m。②基岩裂隙水，主要赋存于基岩岩层的节理、裂隙中，埋深一般>10.0m，水量不大，主要受大气降水补给，地下水位随季节变化，变幅3.0～5.0m，排泄方式以蒸发为主，局部有泉眼出露。③地下水一般对普通混凝土不具侵蚀性。
1.5.2 卓资山隧道、福生庄隧道：①沿线河流为大黑河向西流入黄河，属黄河一级支流。平时水量不大，雨季则河水暴涨，流量受降雨的影响明显。第四系松散岩类孔隙潜水分布于大黑河河谷区漫滩及阶地的细圆砾土、粗圆砾土及砂层中，地下水位埋深2～3m，受大气降水和地表水补给，水量丰富。②基岩裂隙水：分布于低山丘陵区各类基岩的节理、裂隙中，主要受大气降水补给，多以下降泉形式排泄，水量大小受岩性、节理、裂隙发育程度及构造控制，水位随地形起伏而变化，一般埋藏较深，水量较小。③沿线地下水对混凝土不具侵蚀性。
2 安全风险识别分析
风险识别工作以动态风险识别为主线，以静态风险识别为手段进行，在项目建设进行的每个阶段都根据本阶段所获得的信息对风险进行连续的、不断深入的识别。
风险识别是风险评估的基础，也是风险分析中重要的步骤，其目的是了解并寻找项目所有可能的风险因素。本文以静态风险识别，通过施工经验和核对表法进行识别。根据《铁路隧道风险评估指南》表4.6.3 矿山法施工风险因素核对表，对安全风险进行识别。通过分析，得出的结论是：新建六座双线隧道普遍存在埋深浅、地质条件较差等风险因素，局部坍塌的风险高。
3 风险应对措施
任何工程都有风险，需通过风险识别评价与管理的手段将风险降低至“可接受”的程度。通过系统化的风险识别评价与管理，可识别及分析风险发生概率及后果、评价风险对策的成本与效益，寻求可行的风险处理措施，达到防止损失或补偿损失的目的。
3.1 阮家窑隧道、卓资山隧道明洞边、仰坡易产生滑坍失稳，对洞内或洞口施工安全造成重大威胁，风险对策
洞口工程与洞口相邻工程统筹安排、及早完成，施工避开雨季及严寒季节。洞口施工前，应先检查边、仰坡以上的山坡稳定情况，及时清除悬石、处理危石，并应进行不间断监测。结合现场地形，洞口边、仰坡应及早做好坡面防护，确保洞口稳定。洞顶边、仰坡周围的排水系统在雨季前及边、仰坡开挖前完成。洞口土石方工程施工应自上而下分层开挖、分层防护，当地质条件不良时，应采取稳定边坡和仰坡的措施。洞口石方采用浅孔小台阶爆破，边、仰坡开挖应采用预留光爆层法或预裂爆破法。
3.2 隧道浅理段和卓资山隧道出口明洞地段，容易产生坍塌冒顶、引起地表沉陷或边坡滑坍，危及施工人员及设备安全，风险对策
卓资山隧道出口明洞段施工前应先进行地表加固，在施工图中已经有详细的加固方案。施工时根据现场实际情况，应建立完善的监控量测系统，及时进行拱顶下沉、周边位移及地表沉降量测，及时掌握围岩变化情况。当发现监测异常时，应及时采取超前小导管支护措施，并对围岩进行注浆加固处理，必要时可采取地表注浆处理措施。根据围岩条件及监控量测资料，合理确定开挖进尺，以确保开挖、支护质量及施工安全。尽早进行仰拱落底施工，及时使支护结构封闭成环，以减少围岩变形，并严格控制落底进尺。隧道浅埋段施工时，福生庄隧道采用CD法开挖，阮家窑隧道采用CRD法开挖，其他隧道Ⅴ级围岩采用短台阶留核心土的开挖方法，Ⅳ级围岩采用短台阶法。隧道开挖后，应及时架立钢架，施做锚杆及喷混凝土支护措施，必要时增设临时仰拱，并遵循“管超前、勤量策、及封闭、强支护”的施工程序。
3.3 隧道进出口临近既有线地段，隧道施工爆破或坍塌、变形影响既有线结构稳定或运营安全，风险对策
临近既有线施工时，应按“短开挖、强支护、紧封闭、勤量测、衬砌紧跟、弱爆破”的原则进行。建立完善的监控量测系统，及时进行拱顶下沉、周边位移及既有线量测，及时掌握围岩变化及既有线情况，以便采取应急措施。施工前与产权单位签订安全协议，严格按临近既有线施工安全、技术措施施工，确保既有线安全。
3.4 靳圪塔梁隧道和卓资山隧道洞身通过不整合接触带发生突然涌水对洞内人员安全造成危害，风险对策
3.4.1 开挖应符合下列要求：①采用超前地质预测预报手段，提前了解开挖工作面前方地质、地下水情况，采取有效的预防措施。②施工中宜采用注浆堵水结合超前钻孔限量排水。③宜采用正台阶预留核心土环形开挖法。④掘进循环进尺宜为0.5～1.0m。
3.4.2 支护应符合下列要求：①宜采用超前小导管注浆、钢架、钢筋网、喷射混凝土等多种支护手段，构成强支护体系。②根据支护的位移量测结果，评价支护的可靠性和围岩的稳定状态，及时调整支护参数，确保施工安全。
3.4.3 隧道施工时应采取加强防排水的技术措施。防排水系统施工应符合下列要求：①衬砌混凝土应按防水混凝土要求施工，施工缝、变形缝的防水处理必须满足质量要求。②防水层铺设前应对喷射混凝土基面作平整和清除浮碴处理。③防水层铺设应平顺，并密贴喷射混凝土基面，接缝应采用常规法、充气法或真空法检查，确保严密可靠。④必须先进行注浆并达到止水目的后，方可铺设防水层。防水层铺设后，严禁在铺设防水层范围内注浆。⑤排水盲管安装前应对岩面进行平整，纵横向排水管和水沟应在衬砌施工前完成，基底应清理干净，确保排水顺畅。
3.4.4 隧道的衬砌施工应符合下列要求：①复合式衬砌应根据监控量测结果确定施作时间。②仰拱必须及早施作，形成封闭结构。
3.5 各隧道浅埋段、地层破碎带和Ⅵ围岩段施工中易出现局部掉块现象，危及施工人员及设备安全，风险对策
施工中加强控制光面爆破，减少超挖现象，对局部掉块地段挂网喷混凝土回填密实，在局部节理发育，有基岩裂隙水渗出地段，局部设钢架进行加强，同时进一步优化施工组织，加快仰拱及二次衬砌的施做。
3.6 饮马河隧道高压电塔加强防护,确保高压电力塔的安全，风险对策DK434+050右侧距离右线30m处有一50万V高压电塔，施工时加强高压电塔的监控量测工作，隧道施工控制装药量，做好洞内超前支护工作。应按“短开挖、强支护、紧封闭、勤量测、衬砌紧跟、弱爆破”的原则进行。
4 隧道工程安全风险防范施工要点
4.1 开挖要求
4.4.1 钻爆法施工的石质隧道必须采用光面爆破技术，严格控制超欠挖。隧道不应欠挖，当围岩完整、石质坚硬时，允许岩石个别突出部分（每1m2不＞0.1m2）侵入衬砌，不应大于5cm。拱脚和墙脚以上1m范围内严禁欠挖。
4.4.2 当出现欠挖需要补炮时，应在下一循环开挖前进行。超挖部分在清碴后初喷时应喷平。
4.4.3 局部＜50cm超挖部分应采用喷混凝土喷平。当全断面均有＞30cm超挖时，可采用二次衬砌混凝土回填；当设置钢架时，钢架可以放大尺寸，以贴近岩面设置，在保证设计要求的初期支护厚度情况下，富裕部分采用二次衬砌混凝土回填。
4.2 锚杆、钢筋网施做要求
4.2.1 锚杆必须在开挖面清碴之后及时施做。
4.2.2 系统锚杆可在清碴后、岩面初喷混凝土之后施做，在爆破面稳定，危石清理干净，无掉石块危险的情况下也可在初喷之前施做。
4.2.3 系统锚杆长度必须满足设计要求，孔内灌浆饱满，其安装角度和间距可略微调整，锚杆间距调整范围不应大于设计间距的10％，但是每个断面的根数不应少于设计数量。
4.2.4 局部锚杆根据开挖后岩面裂隙情况设置，有裂隙的位置应施做锚杆，锚杆尽量垂直裂隙打入，每条裂隙面上应不少于2根锚杆，锚杆长度应穿过裂隙面进入稳定岩层长度不少于1.0m。
4.2.5 锚杆必须安装垫板，垫板应与喷混凝土面密帖。
4.2.6 除在砂土地层中开挖隧道外，钢筋网宜在初喷混凝土后铺挂，并与喷混凝土形成一体。
4.3 超前大管棚、小导管施作要求
4.3.1 超前大管棚、小导管的定位必须准确，仰角、环向间距和搭接长度应满足设计要求。
4.3.2 大管棚、小导管安装后应及时压浆。
4.3.3 无水地段，注浆采用纯水泥浆，水灰比1∶1.0～1.5，采用425号水泥。
4.3.4 有水地段，注浆可采用纯水泥浆或水泥—水玻璃浆双浆液，水泥浆水灰比1∶1.0，水玻璃一般采用30～40波美度。混合液水泥浆与水玻璃的体积比一般为1∶0.5～1.0，现场可根据试验确定。
4.3.5 为满足环保要求而采取的堵水注浆，注浆浆液应采用纯水泥浆，水灰比宜采用1：1.5～2.0。
4.3.6 注浆采用压力与注浆量双重控制：大管棚：单根钢管当注浆量＞0.20m3，注浆压力＞0.5MPa时可结束注浆；当注浆压力＞1.2MPa，注浆量＞0.10m3时可结束注浆。小导管：单根钢管当注浆量＞0.10m3，注浆压力＞0.5MPa时可结束注浆；当注浆压力＞1.0MPa，注浆量＞0.050m3时可结束注浆。
4.4 钢架施工要求
4.4.1 钢架应在开挖初喷混凝土后及时架设。
4.4.2 钢架与锚杆可以同时进行，为减少施工干扰，用以固定钢架的锚杆先施做，其余锚杆可以在钢架固定后施做。
4.4.3 对于围岩稳定性较好地段，也可以先施工锚杆后架设钢架，但是都必须在下一循环开挖开始之前施工完毕。
4.4.4 用以固定钢架的锁脚锚杆不能代替系统锚杆。
4.4.5 钢架安装间距以图纸要求为准，纵向允许偏差不超过设计间距的5％，竖向偏差不能侵入设计轮廓线。
4.4.6 钢架与喷混凝土形成一体，钢架与围岩间的间隙必须用喷混凝土充填密实；钢架应全部被喷射混凝土覆盖，保护层厚度不得＜40mm。
4.4.7 局部设置钢架时，隧道纵向每段设置长度不应＜5m，两榀钢架间距不应＞1.2m。
4.5 喷混凝土施工要求
4.5.1 喷射混凝土应在开挖后及时进行。
4.5.2 喷射混凝土宜采用湿喷工艺。
4.5.3 在喷射混凝土之前，应用水或高压风管将岩面的粉尘和杂物冲洗干净。二次喷混
凝土时，初喷混凝土表面的浮尘也应冲洗干净。
4.5.4 有水地段喷射混凝土时，应首先对涌水进行处理，封堵或引排后在进行施工。
4.6 二次衬砌施工要求
4.6.1 Ⅰ～Ⅲ级围岩复合式衬砌采用仰拱超前时，应根据对围岩和支护量测的变形规律，确定二次衬砌的施作时间。二次衬砌应在围岩和初期支护变形基本稳定后施作。
4.6.2 Ⅳ～Ⅵ级围岩复合式衬砌二次衬砌应根据开挖方法和开挖掌子面距离，按照设计要求及时施作。
4.6.3 二次衬砌宜采用全断面一次灌筑混凝土。
4.6.4 混凝土浇筑必须确保拱顶混凝土密实；振捣时不应破坏防水层。
4.7 防排水施工要求
4.7.1 防水板铺设之前，对初期支护表面渗漏水点必须注浆封堵，出水量较大处可预埋引水管引至排水沟。4.7.2 环、纵向盲沟质量必须可靠，有足够的抗压能力，环向盲沟与纵向盲沟应可靠连接，保证施工后排水通畅。
4.7.3 排水盲沟应安放在初期支护与防水层之间，盲沟应固定牢靠。
4.7.4 防水层铺设之前，应仔细检查并消除初期支护表面和盲沟周围凸露的尖钉和钢筋，以防扎破防水层。
4.7.5 防水层铺设应留有余量，避免凸露处在二次衬砌浇筑时撕破。
4.7.6 橡胶止水带厚度尺寸必须符合设计要求，位置安装必须准确，有可靠的固定措施，严禁止水带在混凝土内卷曲、弯折。
4.7.7 遇水膨胀橡胶止水条必须安装在先施工混凝土预留槽内，预留槽内壁应平整，止水条与壁面应密贴。
4.8 洞口施工要求
4.8.1 洞口施工前应首先做好洞口周围排水设施。
4.8.2 隧道暗挖进洞之前必须处理好边仰坡，保证边仰坡稳定，清除边仰坡上部危石，防止爆破震动时危石滑落。
4.8.3 设有明洞的洞口，在暗洞开挖之前应完成明洞施工；无接长明洞洞口，暗洞开挖之前应完成洞门及挡墙施工。
4.9 断层破碎带施工要求
4.9.1 在施工到设计图纸标明或超前地质预报显示的断层破碎带之前，应采用超前钻探明断层破碎带是否含水及水压大小，然后确定合理的施工方案。
4.9.2 如果探明的断层破碎带地质及地下水情况与设计不符，应停止开挖，及时与设计人员联系，按照设计确认的施工方案开挖。
4.10 施工方法及要求
4.10.1 Ⅱ～Ⅲ级围岩采用全断面法、台阶法施工。①全断面法施工一个循环进尺一般控制在2.5m～3.5m，Ⅱ级围岩喷混凝土可以在距离掌子面20m时施做，有必要设置局部锚杆时，必须在清碴之后及时施做。②Ⅱ～Ⅲ级围岩，采用台阶法施工时，台阶长度可根据施工组织需要确定。喷混凝土和锚杆必须在清碴之后及时施做。二次衬砌可根据监测情况，位移收敛后施做。
4.10.2 Ⅳ、Ⅴ级围岩采用台阶法施工。①Ⅳ级围岩地段采用台阶法施工时，上、下台阶距离不应超过50m，在没有超前支护措施情况下，每循环进尺应控制在1.0m～1.5m，并且在下一循环开挖之前必须完成设计要求的初期支护；下台阶开挖后应及时施作边墙初期支护和永久仰拱。②二次衬砌应及时跟进，二次衬砌与下台阶开挖面的距离不应超过50m。③Ⅴ级围岩采用2台阶法施工时，上、下台阶距离不应超过15m，在设有超前支护措施情况下，每循环进尺不应＞1.0m，并且在下一循环开挖之前必须完成设计要求的初期支护；下台阶开挖后应及时施作边墙初期支护和仰拱，永久仰拱与下台阶开挖面距离不应＞20m。二次衬砌应及时跟进，二次衬砌与下台阶开挖面的距离不应超过40m。④Ⅴ级围岩采用3台阶法施工时，各相邻台阶距离不应超过10m，在设有超前支护措施情况下，上、中台阶每循环进尺不应＞1.5m，下台阶每循环进尺不应＞2.0m，并且在下一循环开挖之前必须完成设计要求的初期支护；下台阶开挖后应及时施作边墙初期支护和仰拱，永久仰拱与下台阶开挖面距离不应＞20m。二次衬砌应及时跟进，二次衬砌与下台阶开挖面的距离不应超过40m。
4.10.3 Ⅵ级围岩采用CRD工法施工。开挖顺序为左侧上下台阶、右侧上下台阶。各相邻台阶距离不应超过5m，上台阶每循环进尺不应＞1.0m，下台阶每循环进尺不应＞1.5m，并且在下一循环开挖之前必须完成设计要求的初期支护并封闭临时仰拱；下台阶开挖后应及时施作边墙初期支护和仰拱，永久仰拱与下台阶开挖面距离不应＞5m。二次衬砌应及时跟进，二次衬砌与下台阶开挖面的距离不应超过10m。