复杂地质条件下隧道施工塌方风险评估

摘要：隧道工程一般都处于复杂地质条件下，由于施工风险过于隐蔽，具有不确定性、随机性、复杂性等特点，导致施工人员无法及时感知或识别。为了及时掌握并有效感知施工中的风险，本文将施工中的复杂地质条件作为研究背景，从风险评估指标体系构建、评价指标等级矩阵与权重计算、基于当量法的塌方风险计算与评估结果量化3方面，设计一种针对地铁隧道工程施工的塌方风险评估方法。

关键词：复杂地质条件；隧道；施工塌方；风险评估 引言

隧道塌方是隧道施工中经常发生和被报道的一种工程地质灾害，尤其是一些较大规模的塌方，可能会造成严重的生命和财产损失，社会影响恶劣。由于隧道工程地质、水文条件的隐蔽性和复杂性以及受设计、施工等因素的影响，隧道施工中尽管采取了诸多预防隧道塌方的措施，但塌方现象仍时有发生。隧道塌方发生后，除了采取必要的应急救援和塌方应急处治措施外，如何以安全快速、经济合理的方案对支护变形及塌方段进行处治，确保隧道施工安全顺利通过塌方段，是技术和管理人员主要思考的问题。

1.隧道塌方事故原因分析

施工中塌方事故往往是由多方面因素造成的，综合当前隧道施工塌方风险评估方式并考虑经济损失、人员伤亡、工期延误等因素，确定塌方风险的严重程度，在这一过程中，引入当量法对风险进行计算。将塌方发生后不同后果按照相关规定一级标准进行量化，使其与一个当量的严重程度相互抵消，进而实现对结果的量化归一。在确定塌方风险可能性等级的基础上，对塌方出现后造成的损失进行量化，确定塌方风险具体出现的可能性。具体而言，由于地铁隧道施工过程中风险事件造成的具体后果是未知的，因此采用专家评判的方式确定塌方风险发生后事件的严重性等级。

2.紧急处理预案

由于各层围岩性质的差异，开挖后空洞上方柱体围岩的重力平衡由原来的均匀体转变为孔洞上方围岩失去支撑后的成梁作用与洞顶围岩柱体四周剪力或摩阻力共同提供。软弱的围岩转换过程持续时间较久，对洞顶影响范围越大。对黄土隧道而言，自然沉积久远且未经水扰动的黄土具有一定的粘结力，保留一定的成梁能力和抗剪强度，塌方常沿节理面或软弱面产生，不致连锁反应至地表。但当受地下水扰动时，黄土饱和将失去自稳能力，塌方可以发展至地表产生冒顶。其原因多为土柱下方无成梁可以阻止变形，变形的增加导致滑动面的形成而出现空腔，空腔导致四周腔壁失稳，该过程连锁上行成为漏斗状陷坑。在完全没有自稳能力的黄土隧道段落，如果不进行围岩预加固，单纯采取普通的常规支护由于初支不密贴和刚度不足的问题，无法阻止土体位移，产生较大规模塌方的概率增加，影响了施工安全性的同时也增加了工程造价。塌方发生后采用紧急预案尽可能减少次生施工风险。为了稳固掌子面围岩，便于地质灾害处理，同时保证不发生次生灾害，首先进行坡面防护与坍塌体加固，再进行车行横洞封堵。(1)设置监测点，待塌方体稳定后，再开始应急处置施工。(2)反压塌方体。安排随车吊，运送预压墩袋，将墩袋吊运至坍塌体坡脚位置，码放两层，固定坡脚。(3)塌方体加固。对整个坡面进行挂网喷浆防护，同时设置泄水孔，将涌出来的泥固定。(4)抽排积水。对塌方体积水进行抽排，防止长时间浸泡塌方体。(5)车行横洞封堵。待整个坡面挂网喷浆施工结束后，在车行横洞口，采用人工装填碎石砂袋，对车行横洞口进行反压回填处理。车行横洞口反压后，挂设钢筋网片，设置泄水孔排水，再喷射混凝土，将车行横洞口完全封闭。(6)采用镀锌铁丝石笼对塌方体涌泥进行支挡。(7)对洞顶塌陷外周安装围挡。沿冒顶范围四周安装围挡，将整个冒顶区域完全封闭。并设置足够的警示标牌、爆闪灯等，禁止无关人员靠近。(8)挖天沟截水。沿冒顶范围四周，挖截水沟，确保塌陷体四周排水通畅。(9)洞顶彩条布覆盖。为防止渗水进一步进入围岩，采用彩条布对塌陷体进行覆盖处理。先在塌陷体上方拉钢丝绳，组成防护网，再在防护网上面覆盖彩条布，阻止雨水进入塌陷体。待天气好转，再进行塌陷体回填处理。

3.隧道塌方处理措施

1)塌方段炭质板岩呈碎裂状松散结构，由于发生过度松弛变形，加上注浆固结效果不佳，拆换拱时围岩以碎屑状快速溜塌、涌出，直至围岩整体失稳，填满整个隧道，并造成了附近二次衬砌严重开裂。(2)根据现场塌方情况，塌方处治工作包括初期支护塌方段和二次衬砌开裂段两部分;先进行初期支护塌方段处治、后进行二次衬砌开裂段处治的施工顺序是合理的。(3)初期支护塌方段采用“超前管棚注浆加固+三台阶法(微台阶)扩挖+加强初支钢架、逐榀拆换拱(必要时增设第二层初期支护)+围岩径向注浆加固+打设大直径注浆锁脚锚管+增厚二衬”，二次衬砌开裂段采用“增设临时套拱+围岩注浆加固+破除开裂的二衬和初支+加强新施作的初支钢架+打设大直径注浆锁脚锚管+增厚新施作二衬”，能够有效处治隧道塌方，保证隧道衬砌结构安全稳定。(4)利用隧规公式所得隧道塌方高度偏小，建议选取基于普式理论所得塌方高度及相应荷载用于塌方段衬砌结构安全性的验算;现场实施情况及衬砌结构安全性验算表明，塌方段处治后衬砌结构是安全的，验证了塌方处治方案中支护参数的有效性。

4.隧道塌方风险评估

目前，国内外科学家在隧道风险评估方面取得了一定的研究成果。使用贝叶斯网络创建了高速公路隧道建设的风险模型，并以波兰维斯瓦河下的高速公路隧道为例测试了该模型的有效性。通过对76座大中型隧道坍塌事故的分析，建立了基于熵权和灰色关联度的隧道坍塌综合风险评估模型。采用德尔菲法分析了影响隧道坍塌风险的因素，并对隧道施工过程中的坍塌风险进行了评估。提出了一种基于多状态模糊贝叶斯网络，综合历史数据、专家调查、概率分布计算、差异分析、敏感性分析和决策的隧道坍塌风险综合评估方法。选取六个风险因素，建立基于总量和扩展理论的滑坡风险预测模型。基于云模型理论，建立了隧道坍塌风险评估模型，提出了一种基于云模型的隧道坍塌风险等级评估方法。基于可拓理论，建立了大跨度隧道坍塌风险评估模型。在传统指标体系方法的基础上，引入动态权重的概念，建立了动态风险评估模型。基于物元可拓理论，提出了一种基于可拓连云模型的隧道坍塌风险等级评估方法，通过连云模型转换定性和定量评估因子。基于熵权改进的灰色关联方法，建立了高速公路隧道坍塌风险评估模型，对高速公路隧道坍塌的风险进行评估。运用模糊变量集工程方法，建立了一种四阶段模糊评价方法，用于矿山隧道穿越海上断裂带的技术风险。

（1） 在分析隧道坍塌风险因素的基础上，建立了由三类标准层和16个指标层组成的评估体系，建立了山区隧道坍塌风险等级评估模型；基于模糊层次分析法，确定了各评级指标的隶属函数和权重。（2） 根据隧道风险评估的要求，采用人工智能专家系统方法，设计隧道坍塌风险评估的系统结构、功能模块和评估决策流程；基于Eclipse平台，开发了一个山区隧道坍塌风险评估专家系统，以快速、准确、高效地评估隧道坍塌的风险水平。（3） 通过从一些评价因子差异显著的滑坡危险地段选取样本，验证了所建立的评价模型和体系，评价结果符合实际情况；与其他方法（云模型、可扩展联系云模型）的预测结果相比，评估结果也与其他方法的评估结果一致，表明该模型和系统的有效性和可行性，具有良好的技术应用价值。（4） 影响滑坡发生的因素很多，其机理也很复杂。目前，应用人工智能方法预测隧道坍塌的研究仍处于探索阶段，仍有许多问题需要解决，如引入更全面的评级指标体系、更准确高效的算法，以及利用大数据驱动的知识进行学习和思考。结束语

综上所述，对隧道塌方事故的致因进行分析梳理，明确了隧道塌方事故的致因体系，确定了隧道塌方事故的关键致因。施工技术因素与水文地质条件是引起隧道塌方事故的最主要致因，在进行隧道塌方事故防控时，应进行重点关注与管理。可通过采用科学合理的隧道施工方案与技术建立安全风险管理体系，落实监控量测，提升勘察设计质量，防控隧道塌方事故发生。

参考文献

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