针对隧道改扩建工程的施工安全风险评估研究

陈新海 楼 建

（1.中桥安科交通科技（浙江）有限公司 2.杭州都市高速公路有限公司）

一、引言

在国民经济快速发展的大背景下，国内的交通事业发展尤为迅速，尤其是近十年来，交通量与日俱增，原有的道路规模已不能满足现有交通的需要。而相对于新建工程，对既有线路的改扩建在经济和时间效益上占有较大优势，因此改建工程在以后的工程项目中将会占较大比例。尽管我国公路隧道工程在近些年取得了较为明显的进步，但在施工过程中依旧存在一些安全隐患，施工事故时有发生，在带来巨大经济损失的同时也产生了不良的社会影响，因此对公路隧道改扩建，对施工安全风险进行分析并采取相应措施进行控制显得十分必要。

施工安全风险评估工作在我国开展较晚，无论是安全评估方法，还是安全评估的基础数据，与国外都有很大差距。我国目前的安全评估还停留在对生产过程的危险、有害因素的识别和分析，查找生产过程中的事故隐患，按照安全生产法律、法规和标准提出安全对策措施的阶段，因此国内安全评估工作还处在不断发展阶段。本文依托23省道改建工程为背景，对其开展施工安全总体风险评估工作，基于其砚岭隧道改建工程的特殊性（因净高不足需对拱底采取下挖措施），首先通过查阅相关外国文献及规范，并结合以往工程经验，对评估指标体系进行扩充，提出一套针对改扩建隧道的指标体系；其次通过数值模拟手段采用有限差分软件FLAC3D，模拟施工期间拱底下挖所引起的围岩及衬砌状况，从而针对薄弱环节提出相应的控制措施。

二、工程概况

S305（23省道）建德航头至界头段改建工程砚岭隧道，其左洞为新建隧道，全长352m，右洞为原隧道改建，全长349m。因公路等级的提升（由原来的二级公路提升为一级公路），而其原行车道净空4.5m不能满足《公路隧道设计规范》（JTG D70—2004）一级公路隧道建筑限界高度5.0m的要求，因此对其隧道拱底进行下挖。下挖方式采用小进尺、左右侧分段下挖的方法，下挖高度从左至右为103—119.5cm。路面下挖后，侧墙基础下挖后根据围岩情况分段进行支护，分为Ⅳ级围岩支护和Ⅲ级围岩支护两种形式。侧墙基础加固支护以施打注浆小导管和注浆锚杆为主要支护手段。

1.Ⅳ级围岩段以及断层带

（1）首先对隧道左侧路面下挖，侧墙基础施打Φ42mm注浆管（成扇形布置），进行注浆；（2）再对右侧路面下挖，右侧侧墙基础施打注浆管，进行注浆；（3）断层带沿拱圈和侧墙设置18号工字钢，作为临时支撑加固；（4）中间段路面下挖；对渗水处衬砌进行处理后，施作沟槽路面；（5）Ⅳ级围岩段及断层带纵向每段下挖工作长度为5m。

图1 Ⅳ级围岩段及断层带侧墙加固图

2.Ⅲ级围岩段

（1）首先对隧道左半幅路面下挖，侧墙基础施打Φ25先锚后灌式注浆锚杆（成扇形布置）；（2）再对右半幅路面下挖，侧墙基础锚杆支护；（3）对渗水处衬砌进行处理后，施作沟槽路面；（4）Ⅲ级围岩段纵向每段下挖工作长度为30m。

图2 Ⅲ级围岩段侧墙加固图

三、砚岭隧道总体风险评估指标体系

砚岭隧道右洞为下挖隧道改建工程，现有《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》中的隧道工程总体风险评估指标体系主要根据新建公路隧道工程建立总体风险评估指标体系，不能较好地反映本工程的特点与难点。评估过程中，通过咨询有关专家，查阅相关文献，根据工程实际情况，主要从隧道地质条件、结构现状、隧道全长、扩建形式、设计文件完整性等五个方面对现有隧道工程总体风险评估指标体系进行修改、补充和完善，建立了本次改建隧道工程的施工安全总体风险评估指标体系。

表1 改建隧道工程总体风险评估指标体系表

续表

以上针对结构现状、扩建形式和资料完整性三个指标和风险关系做简要说明：

1.结构现状（S）

隧道结构现状主要考虑拱顶掉块和裂缝，根据《城市轨道交通设施养护维修技术规范》等相关规范对混凝土裂缝和表面剥离的厚度及剥离范围进行了分级。隧道结构现状直接影响隧道改建工程的施工安全性，对结构现状的检测是减小施工风险增加施工安全的必要措施。

2.扩建形式（E）

根据扩建隧道与原隧道的位置关系，把单洞原位扩建隧道归纳为单侧扩建、两侧扩建和周围扩建三种形式。三种隧道原位扩建形式都可以达到扩大断面的目的，根据对围岩的扰动及其稳定性影响和其施工工序的复杂性进行给分。

3.资料完整性（D）

根据收集资料的完整性，主要包括原隧道资料（如竣工图、衬砌厚度强度、病害情况等）、地质、水文等基础资料，平面图、立面图、断面图、结构图及大样图等技术成果。资料越完整对指导施工越有利。

四、砚岭隧道数值模型建立

砚岭右线隧道拱底下挖深度1米左右，原有隧道无仰拱结构，二衬状态欠佳，根据此施工特点，运用三维有限差分岩土软件建立相关模型对此改建工程进行施工过程的模拟计算，辅助右洞施工风险分析。考虑到计算时间及计算精度，对整个隧道采取分段模拟方式进行模拟，分别对隧道进口段埋深较大处、中间穿越断层段以及出口段隧道全处在中风化凝灰岩层处进行建模计算，土体参数以实际工程所给参数为准。三维有限元模型见图3。

图3 砚岭隧道三维数值模型

五、风险分析

（1）隧道拱底下挖，在拱脚及拱腰处会产生水平收敛位移，对原衬砌造成一定风险。根据检查报告，原砚岭隧道在修建时无仰拱，因此原隧道在整体结构稳定性方面较不稳定。隧道下挖引起的洞口水平位移主要集中在拱腰及拱脚附近，隧道进口段最大水平位移为1.58mm，隧道中间段（Ⅴ级围岩段）最大水平位移为3.03mm，隧道出口段最大水平位移为1.08mm。计算得到水平位移如图4所示。

图4 隧道下挖水平位移云图（单位：m）

由于原衬砌和临时钢拱架的共同支撑，隧洞水平收敛得到了较大程度的约束。隧道最大水平位移都小于规范中规定的复合式衬砌初期支护的允许洞周水平相对收敛值。但隧道中间段的水平位移相对较大，因此在中间段尤其是断裂带处进行施工时，应加强监测以及加固。

（2）隧道拱底下挖，拱底失去原有结构，会造成拱顶及周边的一定沉降，也会造成拱底的一定隆起，对隧道整体结构造成一定影响。隧道进出洞口及隧道洞身三处竖向位移如图5所示。

图5 隧道下挖后竖向位移云图（单位：m）

隧道拱底下挖导致了隧洞四周不同程度的沉降及隆起，由于原隧道衬砌和临时钢拱架的共同支撑，拱顶的沉降很小，但隧道在拱脚及拱腰附近沉降较大。拱底下挖导致拱底及其以下围岩区域出现一定程度的隆起。拱顶、拱脚和拱底竖向位移汇总如表2所示。

表2 竖向位移汇总表

由此可见，隧洞四周沉降在原衬砌和临时钢拱架共同支护的情况下都比较小。隧道拱底下挖拱底隆起的位移要比拱顶及拱脚附近引起的沉降要大，且隧道中间段尤其是断层处拱底隆起位移相对较大。同时下挖破坏了原有隧道结构，地层传来的反力得到了较大的释放，从而引起隧道底部上抬变形，整体下沉，进一步对原隧道衬砌以及其他结构造成一定风险。

图6 隧道拱底下挖后小主应力云图（单位：Pa）

（3）隧道拱底下挖，由于底部原有结构的破坏，一方面释放了来自地层的反力，使拱底围岩受拉趋势增大，拱底底部区域围岩有可能因受拉达到极限强度而破坏，造成一定风险；另一方面，原隧道拱脚位置的围岩处于受拉状态，在隧道拱底下挖过程中，原拱脚位置的围岩应力变化过大（具体结构受力变化可参考台阶法下台阶开挖引起的结构内力的变化图），易造成隧道边墙中部围岩失稳、支护结构破坏。

由小主应力云图可以得出（图中负号表示压应力，正号表示正应力）：隧道拱底下挖在洞口处产生了应力集中现象，在隧道底部产生较大的拉应力，进洞口段、洞身段和出口段小主应力即拉应力为0.48MPa、0.76MPa、0.19MPa，均小于围岩的极限抗拉强度。因此隧道下挖后，在引起围岩应力上都满足要求，但是施工时应加强隧道四周围岩应力的监测，并按施工方案及时做好支护，规范施工确保安全。

六、结论

现有公路隧道施工安全风险指标体系不满足23省道砚岭隧道改建工程施工安全风险评估的要求，故基于原有的公路工程施工安全风险评估制度，查阅国内外现状及相关规范、文献，并结合以往工程经验，对其指标体系进行扩充，主要提出了符合此次改建隧道工程的结构现状、扩建形式和资料完整性三个指标。

运用三维有限差分岩土软件建立相关模型对此改建工程进行施工过程的模拟计算，辅助右洞施工风险分析，可以得出：隧道拱底下挖，在拱脚及拱腰处会产生水平收敛位移，对原衬砌造成一定风险。拱底失去原有结构，会造成拱顶及周边的一定沉降，也会造成拱底的一定隆起，对隧道整体结构造成一定影响。