巖溶隧道施工全過程風險管控措施

汪黎黎　黃夢昌

摘要：巖溶隧道是高速公路建設工程中的難點。巖溶地質災害嚴重影響隧道施工工期、施工質量，并極大地增加了施工安全風險。文章提出了巖溶隧道施工全過程風險管控的理念，并針對當前隧道施工安全管理存在的一些問題與不足，結合實際工程案例，從施工前、施工中、施工后三個階段對巖溶隧道風險管控措施進行了探討，以期為同類工程提供參考。

關鍵詞：巖溶;隧道;施工安全;風險管理

0 引言

巖溶隧道為高速公路建設中常見的重難點工程，巖溶地質災害嚴重制約著公路隧道施工周期，影響施工質量，為公路建設重大安全事故易發、高發部位。隨著交通強國戰略的逐步實施，高速公路網建設將更快更密。而我國又是世界上巖溶分布最廣的國家，可溶巖層分布面積超過344萬 km 2，約占1/3的國土面積，其中又以廣西、云南、貴州等地區的巖溶最為發育。因此，巖溶隧道施工安全管理將成為我國公路建設領域的一個重要議題。

本文依托在建柳州經合山至南寧高速公路吾排隧道的工程實踐，結合隧道建設安全管理常見問題，對巖溶隧道施工全過程（施工前、施工中、施工后三個階段）風險管控進行了探討，以期為同類巖溶隧道安全生產提供經驗借鑒。

1 當前隧道施工安全管理常見問題與不足

1.1 隧道洞身現場揭露地質條件與事前判別不一致的矛盾

隧道工程主體一般深埋于山體內，而目前的勘察技術手段較難完全查清隧道深部復雜的地質問題（國內外皆如此），隧道建設始終存在“地面勘察難以探明深部，而隧道深部施工安全、工程處理又要求盡量探明”這一對矛盾。為解決這對矛盾，只能在前期勘察的基礎上，強化隧道施工過程的超前地質預報工作[1]。

1.2 施工安全風險評估工作深度不足

隧道工程施工環境條件復雜，施工組織實施困難，作業安全風險高居不下，一直以來都是行業安全監管的重點環節。為提高施工現場安全預控的有效性，交通運輸部自2011年開始逐步施行施工階段隧道工程施工安全風險評估制度。

根據當前風險評估制度施行情況，常見問題有：（1）部分施工安全風險評估報告針對性不強、深度不足，對下階段工作的指導有限;（2）項目建設過程中未能將施工安全風險評估報告作為制度性指導文件執行落地，僅僅只是作為前期工作和竣工文件的必備資料進行歸檔備查，未充分發揮其技術指導作用。

1.3 超前地質預報工作不科學

超前地質預報工作是隧道工程安全施工的重要判別依據，而部分項目對超前地質預報工作依然重視不夠，常見問題有：（1）隧道工程項目監控量測未納入工序管理，未列入工程成本;（2）超前預報方案不科學，監測水平不足;（3）監測資料弄虛作假，對監測數據不進行分析，未起到預報、預警的作用。

1.4 施工質量控制不足

在軟弱地層中打隧洞就“如同在豆腐塊中挖洞”，隧道開挖方法和支護形式必須安全可靠。常見施工質量問題有：（1）未嚴格執行隧道安全專項施工方案，存在方案與實施“兩張皮”的現象，如“為了施工方便，擅自改變施工工法”“長臺階、超步距開挖”“仰拱、二襯施作滯后”等;（2）工法運用不當導致圍巖強烈擾動，巖層位移和變形嚴重超限;（3）隱蔽工程質量缺陷，主要體現為支護結構偷工減料、背后脫空問題，超挖部位采用石棉瓦、土工布等遮擋后噴射混凝土，致使初支背后存在較大空洞等質量安全隱患;（4）防水工程重視度不夠，施工質量不高。

1.5 隧道洞內安全逃生系統設施缺乏

巖溶區隧道施工掌子面前方可能存在富水溶腔、巖溶破碎帶，施工過程稍有不慎可能導致瞬間突水、涌泥及冒頂塌方的災害[2]，災害的發生快速、迅猛。

當前隧道施工普遍存在洞內安全逃生系統設施缺乏或設置不當的問題，且疏于日常安全教育和逃生演習。一旦發生安全事故，難以為應急救援爭取寶貴時間。

2 全過程風險管控思路

巖溶隧道安全生產涉及建設單位、設計單位、施工單位、監理單位四方，根據以往巖溶隧道施工的經驗與教訓，巖溶隧道安全生產應具備六個要素：安全設計、安全評估、安全管理、安全預報、安全施工、安全逃生與搶險，涉及公路隧道工程建設全過程。

巖溶隧道施工安全管理應貫穿于施工前、施工中、施工后三個階段，即隧道施工全過程均應開展風險管控，依次為：施工安全風險評估（施工前階段）、安全預報（施工前）、安全施工（施工中）、安全逃生與搶險（施工后）。

3 巖溶隧道施工安全全過程風險管控

3.1 工程案例

吾排隧道位于忻城縣果隧鄉古抗村吾排屯，為分離式+小凈距隧道，設計長度為1 600 m，屬長隧道。隧道凈空為11.65 m×5 m。隧道洞身有斷層破碎帶，溶洞強發育。以YK72+645～YK73+000段為例，根據勘察設計資料，隧道地質情況如圖1所示。

3.2 施工安全風險評估

施工前階段，依據風險評估指南要求嚴格執行施工安全風險評估制度，主要措施如下：（1）總體風險評估，應對Ⅲ級（高度風險）隧道主要風險源進行分析與辨識，用以指導隧道施工組織設計及下階段專項風險評估工作;（2）專項風險評估，應就隧道存在的洞口失穩、塌方、突水涌泥、大變形等風險進行分區段評估其風險等級，制定相應的風險控制措施，指導下階段隧道專項施工方案的編制工作。

3.3 安全預報

掌子面施工前，吾排隧道采用超前地質預報與超前水平鉆相結合的方式進行鉆探，同時對前方地質條件復雜、較大可能性存有溶洞的施工段落進行TGP物探，有效地掌握掌子面前方的地質條件情況。同時項目采取隱伏巖溶綜合物探對支護過后的溶洞段進行探測，進一步掌控頂部情況，降低事故發生的可能性。

超前地質預報：采用地質雷達進行了超前地質預報工作，主要探測隧道掌子面前方30 m范圍內巖土體的含水、空洞、破碎及巖溶發育情況。儀器設備主要采用SIR-4000型探地雷達系統（美國），該系統包括儀器主機和100 MHz天線兩部分。

超前地質鉆探：采用不取芯水平沖擊鉆進行超前預報作業，在富水軟弱斷層破碎帶、富水巖溶發育區、重大物探異常區等地質條件復雜地段必須施作[3]。

施工監測：洞內監測布點根據圍巖等級及現場開挖方式，于監控量測斷面拱頂、拱腰、側墻處布置埋設;地表監測布點根據地表開裂處布設。

3.4 安全施工

3.4.1 洞口施工管理

隧道洞口嚴格按照生產安全標準化管理，設置值班室及應急倉庫，完備應急救援物資。采用人臉識別人行通道系統及藍牙自動化門閘系統，嚴格人員、車輛進出洞管理。

3.4.2 洞內施工管理

洞內施工項目使用新型逃生管道，配套逃生屋，設置一鍵式應急警報器，做好應急救援管理。布線嚴格按照規范要求“動力在上，照明在下”的原則，同時使用投影技術對“限速”“警示標語”進行投影警示。

3.5 安全逃生與搶險

施工后遇到險情時安全逃生系統直接關系到施工人員人身安全。吾排隧道開展了隧道洞內逃生系統設施的標準化建設，洞內施工時，在隧道掌子面附近安裝玻璃纖維材質逃生管道（GFRPC-I-800-25），配套馬蹄形逃生屋（波紋鋼材質，高2 m，長約3 m，儲備有應急食物箱與救護箱），逃生屋與逃生管道相連。

日常加強對全體施工人員安全教育，包括逃生路線的熟悉、逃生設備設施的使用、逃生演習演練等。

4 巖溶風險管控效果分析

擬建吾排隧道右洞YK72+937～YK72+969段位于山谷中間水田路段，原設計圍巖等級為Ⅲ級，采用S3支護形式進行支護。經現場揭露該段地質極其復雜，因此采用超前地質預報與超前水平鉆相結合，輔以隱伏巖溶綜合物探的方式，以有效掌握掌子面前方及洞身周圍地質條件情況。根據預報地質情況，針對性地加強隧道洞身圍巖監測工作。

4.1 超前地質預報

2020-10-16采用地質雷達對YK72+944進行了超前地質預報工作，主要探測隧道掌子面前方30 m范圍內巖土體的含水、空洞、破碎及巖溶發育情況。本次檢測采用地質雷達法對圍巖情況進行檢測。根據現場實際情況測線布置如圖2所示。

預報結論如下：（1）該段以強風化灰巖為主，巖體破碎，節理裂隙發育，建議施工圍巖等級為V級，與事前判別的設計圍巖等級不符，詳見表1;（2）建議采取加深炮孔法和超前水平鉆探法相結合的方法，對前方隱伏巖溶區進行進一步探測。

4.2 超前水平地質鉆探

2020-11-07采用不取芯水平沖擊鉆進行超前預報作業。本次預報掌子面里程為 YK72+966，通過對前方42 m（YK72+966 ～ YK73+800段）內圍巖的巖性鉆進參數，如鉆進速度、推進力、扭矩、涌水情況等進行分析得出結論。鉆孔位置詳見圖3。

鉆探結論為：YK72+966～YK73+800段圍巖等級推薦定為Ⅳ～Ⅴ級，建議提前做好施工應對準備，防止事故的發生。

4.3 周邊隱伏巖溶探測

采用地質雷達對YK72+937～YK72+943段進行了隧道周邊隱伏巖溶探測工作，主要探測隧道周邊25 m范圍內巖土體完整性情況。在YK72+937～YK72+943斷面處縱向探測，共3條測線，測線長度均為6 m，累計測線長度為18 m?，F場測線布置如圖4所示。

通過對地質雷達波圖像的辨識及地質條件的綜合分析，得出如下結論：推斷斷面 YK72+937～YK72+943段0～25 m范圍內巖體以強～中風化灰巖夾黏土為主，巖體破碎，溶蝕裂隙發育，地下水發育，發育有串珠狀小溶洞或溶腔，泥質充填嚴重，其他段圍巖巖體較破碎，節理裂隙發育，層間局部夾泥，結合差。如圖5所示。

4.4 圍巖監測及預警

針對以上預報情況，針對性地加強了隧道洞身圍巖監測工作。YK72+944～YK72+969段監控量測斷面測點埋設布置及拱頂下沉速率時態曲線如圖6、圖7所示。

從監測數據來看，YK72+940～YK72+969 段圍巖一直處于急劇變形狀態，且拱頂下沉累計值及沉降速率非常大，為防止可能出現工程險情，監測單位先后發出二級、一級預警。

2020-11-09早上5：00左右，YK72+958右拱腰出現塌方，通過監測發現YK72+946、YK72+948斷面拱頂及拱腰沉降速率均>100 mm/d。為防止險情發生，監控量測組通過信息及電話方式發出緊急預警，隨即施工人員全部撤離，撤離后約1 h，YK72+957～YK72+969段（隧道凈埋深約78 m）發生溶洞塌方事故，4塊巨型孤石（直徑在1～4 m）滑落，有填充物涌出約12 m，方量約600 m 3，填充物為軟塑狀黃黏土，濕潤，夾雜孤石，掌子面無水噴涌。

因提前預警，人員已撤離，未造成人員傷亡。后續擬召開專家研討會，研究討論溶洞塌方過程及成因，并提出相應的處治方案。

根據巖溶隧道安全管理實踐，擬建吾排隧道所采取的安全預報方案科學、有效，施工過程中成功地預警了YK72+937～YK72+969 段溶洞塌方事故，保護了洞內作業人員人身安全，安全風險管控效果明顯。

5 結語

（1）隧道洞身實際地質情況可能與前期勘察有出入，應強化巖溶隧道施工過程中的超前地質預報工作。

（2）安全預報是巖溶隧道全過程安全管理的核心。采用超前地質預報與超前水平鉆相結合，輔以隱伏巖溶綜合物探，可有效地掌握掌子面前方及洞身周圍地質條件情況。根據預報地質情況，針對性地加強隧道施工監測，可有效降低事故發生的可能性。

（3）隧道洞內逃生系統設施標準化建設可有效應對事故險情，為應急救援爭取寶貴時間。

（4）應運用系統工程原理和方法，開展巖溶隧道施工全過程風險管控工作。

參考文獻：

[1]陳毅敏.宜萬鐵路復雜巖溶隧道施工地質預報特色[J].鐵道工程學報，2011（2）：95-102.

[2]李術才，王 康，李利平，等.巖溶隧道突水災害形成機理及發展趨勢[J].力學學報，2017，49（1）：22-30.

[3]韋建昌，邵 羽，梁 銘，等.超前水平鉆探在巖溶隧道地質預報中的應用研究[J].中外公路，2020（3）：220-226.