大断面隧道开挖塌方事故因素分析及控制措施

(重庆科技学院 重庆 401331)

引言

近年来地下工程修建成为缓解城市交通压力的主流手段，大量地下工程构建物的修建推进了我国城市隧道领域建设技术的发展，城市地铁隧道修建具有施工环境复杂、作业空间受限、风险因素较多等特点，由于车站主体隧道断面较大，交叉口居多，开挖过程中围岩极易出现应力集中、塑性区贯穿等现象，加强车站隧道施工安全风险管控尤为重要。隧道灾害事故主要有隧道塌方、围岩突水突泥、洞内火灾以及施工爆炸等，其中隧道塌方最为常见、破坏性强、造成损失更严重，为了保证隧道工程的顺利进行，安全、高效的达到预期目标，因此需要对隧道塌方影响因素进行识别，提出相应的技术控制措施[1]。

一、我国关于隧道塌方事故因素分析研究

塌方事故的本质是构成隧道岩土体在外界各种因素作用下失去了原始的应力平衡状态，因此探究隧道围岩失稳影响因素的根本的要从“因素”出发，近年来我国学者对于隧道塌方的研究取得了一定的成就，主要通过对隧道塌方案例进行统计调查，主要研究隧道塌方形式、隧道塌方因素，经过归纳总结将隧道事故因素分为四个方面：勘察设计；地质条件包括围岩级别、岩体结构、地下水、岩层裂隙、熔洞、断层、地压、初始地应力；隧道设计包括隧道断面、隧道埋深、隧道高跨比、地表偏压；施工工艺包括施工方法、开挖方式、支护手段[2]。通过大量的文献调研和事故案例统计分析，本文针对重庆市某地铁车站工程，采用事故树分析方法分析可能导致隧道围岩失稳事故发生的原因，通过定性分析提出相应的预防措施，对施工风险进行管控，以保证工程安全，该工程地质条件如下：

(1)工程地质特点：开挖岩层为砂岩砂质泥岩互层，岩体完整，岩体质量较好，风化裂隙发育，基岩裂隙水主要来源于地表降水，岩体基本质量等级为V级，此类围岩强度较低、遇水易软化。

(2)隧道自身条件：车站为地下两层拱形暗挖岛式车站，隧道为直墙圆拱暗挖隧道断面，采用复合式衬砌结构，暗挖钻爆法施工，根据工程设计标准属于大断面浅埋暗挖车站。

二、隧道塌方因素分析

(一)事故树介绍

事故树流程图如下图所示

图1 事故树流程图

(二)建立事故树

通过大量的塌方事故和隧道围岩失稳案例总结，分析隧道围岩失稳的基本影响因素，根据它们发生的基本逻辑关系构造如下事故树：

图2 事故树

代号意义代号意义T隧道围岩失稳X8围岩偏压M1勘查设计X9初始地应力M2隧道围岩自身条件X10赋水情况M3施工工艺X11隧道岩体结构M4施工组织X12隧道埋深m1勘察不符X13隧道断面m2设计不符X14隧道长度m3围岩环境X15隧道高跨比m4隧道设计X16隧道间距m5施工方法X17开挖方法m6支护手段X18开挖工法m7安全培训X19支护质量M8动态监测X20支护原则X1勘察单位不具备相应的资质X21支护时间X2勘察存在误差X22安全规章制度X3勘察结果未评估X23安全培训X4设计不合理X24监测方案X5设计失误X25监测设备X6设计资质不符X26监测人员培训X7设计审查失误

(三)最小割集计算

根据隧道围岩失稳事故树，可列出事故树结构函数：根据布尔运算得得出14个最小割集：

表2 最小割集

通过计算最小割集得到隧道失稳得主要因素主要集中在隧道围岩环境、隧道开挖工法、支护手段上，这些因素在决定隧道围岩失稳占有很大的比率，有些因素例如岩层地质赋水量、初始偏压等单因素就可以控制顶上事件的发生。当然施工人员和测人员的专业培训也是举足轻重的，目前隧道施工最大的问题就是每个施工部分形成“孤岛”的存在，信息的反馈效率低，这也是造成事故发生的主要原因。

(四)结构重要度计算

I(X11)=I(X10)=I(X9)=I(X8)>I(X18)=I(X17)>I(X21)=I(X20)=I(X19)>I(X26)=I(X25)=I(X24)>I(X23)=I(X22)>I(X16)=I(X15)=I(X14)=I(X13)=I(X12)>I(X7)=I(X6)=I(X5)=I(X4)=I(X3)=I(X2)=I(X1)

通过事故树分析，影响隧道围岩失稳的主要影响因素就是围岩初始应力状态、地质构造失稳、地下水影响、岩体结构，其次是施工工艺和支护方案。在该隧道围岩失稳中最小割集比较多，有14最小割集，每一个最小割都有造成顶上事件发生的可能性，最小割集的数量越多，造成顶上事件发生的概率越大。

结构重要度代表基本事件的重要程度[4]，由计算结果可知地质环境排在最前,其次是施工工艺，由此可见精确超前勘探的重要性。地下工程发生事故的原因是多方面的，施工方作为工程安全唯一责任主体无法根本避免事故的发生，勘察设计失误导致的风险往往到施工时才反映出来，因此加强地质超前勘探可有效减少事故的发生。

三、事故防治措施

(1)加强组织施工人员和监测人员的安全教育培训，增强施工人员的应急处理能力，基于物联网提高信息反馈交流，编制专业的事故救援方案。

(2)加强地质超前勘探，基于人工智能大数据平台加强可视化监测范围和数据处理精度，时刻关注围岩变形情况和灾害预兆，在支护质量和支护时间上及时调整，支护上本着“宁强勿弱”的原则，以预防事故的发生。

(3)车站隧道所处岩层为砂质泥岩和砂岩夹层区域，砂质泥岩吸水性极强，吸水后软化，其强度大大降低，风干后易破碎，鉴于岩层的裂隙水主要来源于地面降水，且重庆市春夏降雨量较大，工程期间要注意强化排水系统。

(4)隧道开挖断面较大，高跨比较小，存在交叉口施工，经过筛选选择双侧壁导洞法进行施工，将导洞作多个导洞进行，每个单元导洞单元开挖后组成稳固的环形，在开挖过程中有效的减少开挖的扰动和结构载荷的转换。

(5)隧道主体工程从开始施工至全线贯通，工期内完成，施工中所采取的双侧壁导坑法技术措施很好地解决了大跨度软弱围岩隧道的施工难题，其结构简单，施工进度快，安全可靠，较好的控制了工程项目的施工成本及进度，并且在施工中未发生任何大的安全事故，经过相关的施工质量检测后，获得了建设单位、监理单位、设计单位以及社会各界的好评。

四、结论

基于事故树分析得到影响隧道围岩失稳的因素众多，其中地质条件、岩土体的结构状态和隧道自身的设计等这些客观因素难以改变，但是可以通过提高监测的机密性，及时对监测数据进行分析，以保证信息的及时反馈，修正设计并调整支护参数以保证结构受力需要，减少事故发生的概率。