软弱围岩隧道施工安全风险管理分析

方义清

（中交一公局厦门工程有限公司，福建厦门 361021）

1 引言

随着我国高速铁路、公路建设的不断发展，复杂地质条件下的深长隧道及隧道群也陆续出现[1]。越来越多的隧道在施工过程中会不可避免地穿越软弱围岩地带。软弱围岩作为一种独特的岩体，具有破碎、软弱、松散、胶结差、流变、强风化以及高应力的特点[2]。由于上述原因，往往会造成大规模的破坏性事故。例如，从2012 年到2016 年3 月，我国共报道了246 起隧道事故，平均每周发生事故1.44 起。2017 年2 月12 日，厦门地铁2 号线海底段隧道施工过程中发生事故，造成3 人不幸死亡，工程延误，造成巨大的经济损失。近10 年来，我国隧道基础设施总投资近40 800 亿元人民币，涉及多个软弱围岩隧道项目建设，使软弱围岩隧道风险管理成为相关人员的重要研究课题[3]。目前的风险评估和管理实践大多是基于上半断面超前短台阶法、CD 法、CRD 法等，而基于TBM 法的隧道施工安全风险管理机制与手段尚不多见。鉴于此，本文以某公路隧道工程为例，根据实际施工中遇到的风险，结合施工过程中的管理措施，建立一套基于TBM 施工方法的风险管理机制。

2 工程概况

某公路隧道工程所在地区广泛分布着白垩系红层全强风化层，具有遇水崩解、软化，局部泥质粉砂岩具失水干裂的特点，即遇水后岩层强度会迅速降低，并且其稳固性较差，长时间暴露失水后将产生干裂现象。隧道穿越土层参数见表1。

表1 土层参数

根据室内试验结果，中风化红层<8>的软化系数为0.35～0.71，平均0.51，微风化红层<9>的软化系数为0.42～0.65，平均0.57，软化系数均<0.75，属可软化岩石，且岩层具不均匀风化现象，局部发育有风化硬夹层或风化软夹层，属于软弱围岩地段。根据过去的施工经验，最终确定采用TBM 施工法来进行隧道施工建设。

3 软弱围岩隧道施工困难及风险评估

3.1 软弱围岩隧道施工主要困难

软弱围岩隧道工程施工的一般原则可概括为：风险防控、施工安全、高效、科学标准化。而本项目施工管理主要面临以下4 个难题：

1）TBM 掘进评价和钻爆方法及分段掘进。在复杂的地质条件下，风险控制应作为项目的主要原则。软弱围岩隧道施工组织方案的首要目标是科学合理地划分施工断面，充分发挥钻爆法和TBM 掘进的优点，并制定相应的技术策略和控制管理方法。根据岩体特征、断层结构分布、技术装备能力、环境条件、施工效率、项目投资等综合影响因素，研究TBM 对项目地质条件的适应性，提出技术上可行、经济上合理的分段施工方案。

2）TBM 进洞掘进的安全问题。大型设备穿越竖井、斜井、慢斜井等分支隧道进入深埋的地下主隧道，是一个非常具有挑战性的问题。此外，隧道内的TBM 的组装、启动、踏步和拆卸等一系列技术操作也带来了进一步的挑战。隧道掘进机可以通过缓斜竖井进入主隧道。主隧道采用轨道运输，分支隧道采用无轨运输。考虑到该综合运输方案，确保施工安全高效的关键是进行除渣、通风、物料运输、供电、给排水、人员、与长距离大斜度缓斜井和硐室结构的设计相匹配。

3）隧道掘进机及其配套设施的安全保障。软弱围岩隧道机械化施工是一项大型系统工程。施工需要大量的设备。TBM机组及其配套系统的检测诊断、维修故障恢复、施工质量、工程进度等信息管理在现代隧道施工中起着重要作用。这些系统中都包含必须解决的主要问题。施工中面临的问题之一是除草、通风、供电、给排水、物料运输等配套设施的安全保障问题。此外，设备性能的可靠性、危险消除和抢修的及时性也是施工中的难点问题。

4）地质勘察和风险防控。断层裂隙带、软裂隙岩体、含水构造、突水、坍塌、落石、围岩变形、岩爆等是影响TBM 施工安全高效的主要地质问题。TBM 隧道一般都是超长深埋隧道，地质条件复杂，施工过程中需要进行先进的地质勘察和勘探，还应注意灾害监测和预警系统。为了实现科学、安全、高效的开挖，必须进行超前加固等后续施工措施。对于某些可能由不利地质条件引起的事故，如TBM 位姿失控或TBM 被堵塞或掩埋等，应加以预防，并制定应急处置方案。

3.2 软弱围岩隧道建设及施工风险分类

本项目的主要风险源包括地质、设备、施工、环保、投资等。根据安全隐患爆发的可能性和严重程度，可将潜在风险分为4 级8 类。

一级：危险源包括重大地质灾害、重要设备、集中作业通道、大群体人员安全。

1）区域断层构造带。隧道穿越8 个区域性断层构造带，可能引发突水、突泥、坍塌、机器堵塞、人员安全风险。

2）极软岩石的大塑性变形。双三隧道埋深，地下水位很高。此外，还有非常柔软的洞穴部分。因此，存在大塑性变形的风险。

二级：风险源包括一般地质灾害、主要配套设备、小团体人员安全。

3）次生断层破碎带。断裂构造带发育的次生断裂破碎带有129 个。这些次级断层破碎带可能造成突水、大变形、坍塌、机器堵塞等。

4）TBM 的制造、操作和维护。这一过程包括TBM 的设计、制造、性能诊断以及整体性能和关键部件的故障修复。

三级：风险源包括生态保护安全、经营环境安全、项目投资安全、施工质量安全、工期安全等。

5）水土保持和生态保护。该项目途经具有牧区和国家级有蹄类野生动物保护区的天然草原，可能对该地区的水土保持和生态环境保护造成威胁。

6）施工质量、工期、投资控制。本项目总投资512 亿元，工期84 个月。在施工质量、工期、投资控制、贷款等方面存在较大风险。

四级：风险来源包括一般施工管理安全。

7）贯通测量和贯通测量控制。隧道分为18 个TBM 掘进断面和34 个钻爆断面。地面控制网和隧道导线测量的准确性和可靠性的缺乏，将给隧道精确贯通带来挑战。

8）备件动态管理。TBM 及其配套设施众多，系统复杂。在备品备件安全储备的运行管理、性能匹配、保证备品备件及时供应等方面都存在风险。

4 风险控制与机制结构

4.1 总体思路：通过责任分配对分类风险进行分级控制

不同责任方的风险控制：设备制造、设备运行维护、工程建设、材料供应、施工监理、质量检验、勘察设计、项目管理等单位的管理，由不同责任方负责。

分级风险控制：第一，建立5 个分中心的风险防控中心。然后根据风险等级实施分层控制。第二，分解潜在风险，降低施工难度，比如，将长隧道划分为短段施工。这是软弱围岩隧道施工的基本原则。

4.2 机制框架

风险控制机制如图1 所示，其主要特点如下：

图1 风险控制机制

1）明确3 个主要责任方。地质调查小组是一个专业的组织，负责灾害定位和预警。该组织主要负责地质分析和灾害评估。项目业主负责钻爆施工、TBM 掘进安全、辅助设备的维护和操作、风险防范程序的制定和风险控制。最后，项目管理团队负责建立信息平台，进行综合决策管理。

2）建立预防控制中心。依托工作TBM 集团信息化、云计算、互联网大数据分析平台，建立先进勘探与灾害防控中心。依托项目管理部，成立5 个分中心，组建专家决策咨询团队，实现现场分析决策，建立基于云的解决方案。

3）组建抢修队伍。制订应急救援方案，组建专业的施工队和维修队，以应对各种地质灾害、TBM 故障、辅助设备的运行维护、人员救援的准备工作。这包括建立针对可能问题的预防措施，并在项目开始时消除潜在风险。每个救援队都由承包商建立和单独管理，一旦发生事故，将由灾难控制中心部署。

4）依靠先进技术。研究、开发和应用先进的科学技术是降低风险的重要手段。有价值的技术包括先进的地质勘探技术和精确的识别；基于人-机-岩感知的智能掘进技术实时快速预警技术；现代信息技术；可靠和高效的通风、清除淤泥和降尘技术；以及快速有效的堵水技术。

5 信息技术加持下的风险控制

信息技术的发展大大提高了信息处理的存储容量、计算速度和质量，人工智能得到了广泛的应用。基于TBM 信息感知与交互的智能掘进是安全高效掘进的发展趋势。鉴于此，本项目建立了智能风险管控策略，并将其应用到实际项目中。

1）智能掘进。TBM 施工主要受复杂因素和目标的影响。智能掘进策略应充分考虑各目标之间的冲突性，采用基于精确的岩机交互模型的多目标动态规划方法，综合优化各因素，实现高效、经济、和节能。

2）经济掘进。基于刀盘损伤监测数据，研究了刀盘损伤程度与掘进参数的相关性，建立了刀盘损伤预测模型。以最小切削齿损伤值、最小切削齿更换时间和最大钻进进尺为目标，优化了钻进参数。

3）节能掘进。根据室内掏槽试验和现场掘进数据，研究了不同掏槽参数下掏槽能量消耗规律。确定了破岩所需的最小比能及其优化参数。

6 结论

1）软弱围岩隧道施工涉及地质灾害控制与响应、设备运行与维护、施工安全、质量保证、投资控制、环境保护等多个方面。在责任分离、事件分级、分级控制的总原则基础上，建立科学有效的风险控制机制是控制风险、组织建设的关键。

2）先进地勘技术开发应用取得显著进展，为风险防控提供了良好的技术手段。但对于软弱围岩隧道施工，仍需将地质调查、超前预测和岩石感知相结合，建立适合TBM 掘进的综合地质找矿系统，从而实现安全高效施工。针对重大地质灾害，建立了能够实现实时跟踪探测的TBM 地质勘探系统；如果有必要，先进的地质钻探可以验证地质情况，并有助于建立应急响应计划。

3）基于技术信息化、物联网、大数据可以提高感知和信息交互，操作状态和隧道适应性的评价体系建立，和智能控制软件可以开发以掘进机中安装一个“大脑”。这将使建设信息化、智能化成为软弱围岩隧道建设风险控制进入新阶段的重要举措。