山嶺隧道鉆爆法施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)及圍巖穩(wěn)定性分析研究

黃華杰

（中交一公局廈門工程有限公司，福建 廈門 361000）

1 引言

鉆爆法施工在我國地鐵建設(shè)、山嶺隧道開挖中應(yīng)用較為廣泛。在隧道施工中，通過風(fēng)險(xiǎn)管理方法、風(fēng)險(xiǎn)因素管理、監(jiān)控風(fēng)險(xiǎn)可能發(fā)生的地段，從建設(shè)工程現(xiàn)場采用新控制方法以提高風(fēng)險(xiǎn)控制水平，降低事故發(fā)生概率是目前需要解決的問題。隧道開挖風(fēng)險(xiǎn)因素中最重要的就是隧道圍巖穩(wěn)定性和爆破后影響開挖面穩(wěn)定的因素。本文采用故障樹對坍塌風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析[1]。

2 坍塌風(fēng)險(xiǎn)因素及影響圍巖穩(wěn)定性的因素

2.1 坍塌風(fēng)險(xiǎn)因素分析

隧道施工過程中地質(zhì)條件起著關(guān)鍵性的作用。施工方法的選擇需要適應(yīng)地質(zhì)條件的變化特點(diǎn)。影響隧道坍塌的因素很多，對風(fēng)險(xiǎn)精準(zhǔn)識別和有效的評價是控制隧道坍塌風(fēng)險(xiǎn)的先決條件。在隧道施工中，隧道坍塌風(fēng)險(xiǎn)因素的控制貫穿隧道施工的全過程，只是在不同階段所控制坍塌的風(fēng)險(xiǎn)因素不同。通過對不同類型隧道事故發(fā)生的原因和可能造成的危害進(jìn)行分類研究，找出相關(guān)事故共性及相似性,采用定性、定量的分析體系，通過大量的實(shí)踐數(shù)據(jù)，采用理論的分析方法進(jìn)行研究分析來指導(dǎo)施工。坍塌事故分類目前常用的有如下幾種[2]：

1）坍塌規(guī)模、形式：帽頂塌方、塌方高大于3 m、開挖小塌方、洞頂落塊；

2）塌方速度的快慢：蠕動式坍塌、崩解式坍塌；

3）坍塌產(chǎn)生原因：地下水系較發(fā)達(dá)、地質(zhì)條件較差、地質(zhì)受力分布不好、設(shè)計(jì)勘探不準(zhǔn)確、施工方法不當(dāng)?shù)纫蛩兀?/p>

4）塌方的形態(tài)：巖爆、不規(guī)則塌方、拱弧形塌方、大變形類塌方、局部塌落型塌方；

5）塌方坍塌部位：掌子面發(fā)生塌方、洞口塌方、拉中槽塌方、開馬口位置塌方、蔓延性型塌方；

6）作用機(jī)理、破壞的形式：重力作用坍塌類型、圍巖裂縫松動類型、張力裂縫坍塌型、開挖面彎折內(nèi)鼓類型、剪切破壞滑移類型。

2.2 圍巖穩(wěn)定性影響因素

圍巖的破壞形式在多種因素影響的作用下，圍巖變形作用機(jī)理各不相同。根據(jù)隧道破壞類型及影響因素把地質(zhì)影響因素分為3類，第一類為地質(zhì)條件因素：巖體結(jié)構(gòu)構(gòu)造、巖體本身性質(zhì)、在地下水作用影響等；第二類工程規(guī)模因素：隧道埋置深度、洞體的斷面的尺寸和高跨比等；第三類為施工過程影響因素：所采用的施工技術(shù)方案方法、支護(hù)型式和方式、支護(hù)時間等。圍巖穩(wěn)定性是影響隧道開挖穩(wěn)定的最主要因素。

2.2.1 地質(zhì)條件影響因素

山嶺隧道變形和強(qiáng)度最重要的決定因素是山體巖石本身的性質(zhì)和巖體結(jié)構(gòu)。圍巖從堅(jiān)硬性來分為分脆性圍巖和塑性圍巖。塑性圍巖特點(diǎn)是力學(xué)性能差、遇水易破壞、易風(fēng)化等，屬于不利于隧道開挖的圍巖結(jié)構(gòu)；脆性圍巖主要特點(diǎn)是巖體比較堅(jiān)硬、整體性較好，巖體本身影響不明顯。根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)類型分類，把巖體結(jié)構(gòu)劃分為散體結(jié)構(gòu)、破碎結(jié)構(gòu)、塊狀整體結(jié)構(gòu)、層理狀結(jié)構(gòu)。這些結(jié)構(gòu)中層理狀結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性最好，散體狀結(jié)構(gòu)最差[4]。

2.2.2 開挖地應(yīng)力影響

山嶺區(qū)隧道開挖引起圍巖破壞和變形的主要是地應(yīng)力的作用。地應(yīng)力也是主要影響隧道開挖后應(yīng)力分布的重要因素。通常情況下，隧道內(nèi)巖體穩(wěn)定性取決于最大應(yīng)力和最小應(yīng)力的差值，差值越大圍巖受地應(yīng)力分布越不均勻，受力越差。根據(jù)受力狀態(tài)分析，隧道開挖走向和水平主應(yīng)力垂直的情況下隧道圍巖受力可以得到改善。

2.2.3 地下水豐富的影響

圍巖穩(wěn)定性受地下水活動影響較大，水對塑性圍巖穩(wěn)定性影響較大，水會使塑性巖石軟化、圍巖強(qiáng)度降低等，使得隧道圍巖受力平衡遭到破壞降低圍巖穩(wěn)定性。根據(jù)以往調(diào)查資料顯示，隧道圍巖在水的作用下穩(wěn)定性也有著不同的差別。Ⅰ～Ⅲ級圍巖是由堅(jiān)硬巖組成的，通常情況下受水影響較小，在實(shí)際工程應(yīng)用中一般忽略對此類巖石穩(wěn)定性的影響；Ⅳ～Ⅴ級圍巖受水作用巖石穩(wěn)定性下降較大，在理論計(jì)算及考慮支護(hù)方案時應(yīng)降低1～2級考慮圍巖級別，以降低工程的風(fēng)險(xiǎn)等級。

3 隧道坍塌和圍巖級別的關(guān)系

隧道圍巖級別綜合考慮了巖體完整性、巖石堅(jiān)硬性、巖石中水的存在等因素對圍巖穩(wěn)定性的影響。坍塌是由于開挖隧道使得巖體穩(wěn)定性喪失。因此，圍巖開挖后穩(wěn)定性和圍巖級別一定存在相關(guān)聯(lián)系。根據(jù)眾多施工案例分析,圍巖級別越低,圍巖穩(wěn)定性越差,塌方主要集中在Ⅳ級和Ⅴ級圍巖中,約占塌方總次數(shù)的80%以上。Ⅵ級圍巖多為潮濕、飽和細(xì)砂層、呈軟塑狀態(tài)，由于黏性大并且一般采用加固措施，容易形成一個板體反而有較好的穩(wěn)定性，相當(dāng)于提高了圍巖級別。

4 隧道坍塌理論分析

本文下采用故障樹分析法對鉆爆法施工坍塌風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行分析的方法。

4.1 故障樹分析法簡介

故障樹是通過因果關(guān)系來描述事故發(fā)生的方向，也是風(fēng)險(xiǎn)評價和安全分析常采用的方法之一。故障樹分析是根據(jù)事故發(fā)生的可能影響因素，將這些可能因素逐一進(jìn)行分析，尋找出所有的可能性，將這些可能性的原因進(jìn)行分析。最終確定事件產(chǎn)生的原因。將所有事件串聯(lián)起來形成邏輯關(guān)系，這種邏輯關(guān)系組成就形成故障樹。

故障樹分析采用以下步驟：

1）選擇系統(tǒng)不希望發(fā)生的事故；

2）分析這一事故，找出直接或間接導(dǎo)致這個事故發(fā)生的原因，尋找這些原因的邏輯關(guān)系，進(jìn)行關(guān)聯(lián)；

3）分析所有與事故的相關(guān)事件，對相關(guān)影響事件進(jìn)行逐一分解，常用的T-S故障樹模糊分析法來確定隧道坍塌的可能性和重要性；

4）運(yùn)用定性分析方法，確定可能引發(fā)事件所有因素的組合。

4.2 故障樹重要性分析方法

4.2.1 重要性概率分析

4.2.2 重要度分析

5 案例分析

5.1 工程概述

本文以某山嶺隧道開挖為例，該隧道位于山嶺區(qū)，洞口位置坡度緩、圍巖完整性較好。隧道洞身部分山體表面沉積殘積土層，較穩(wěn)定，隧道埋深大，隧道內(nèi)開挖巖體的完整性好，穩(wěn)定性較好圍巖定位Ⅰ～Ⅲ級，Ⅰ～Ⅲ級圍巖占隧道總長的92.5%，Ⅳ級、Ⅴ級圍巖占隧道總長7.5%。

5.2 施工方法介紹

屬于Ⅳ級、Ⅴ級圍巖的路段，施工中控制原則為管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤測量，采用弱爆破或人工輔助開挖作業(yè)，穩(wěn)定性好的Ⅰ～Ⅲ級圍巖路段光面爆破和預(yù)裂爆破為主要施工方法。支護(hù)方案根據(jù)圍巖情況進(jìn)行選擇，采用如下方案：

1）Ⅴ級圍巖段：地質(zhì)不良的風(fēng)化段用雙側(cè)壁導(dǎo)坑+管棚或小導(dǎo)管超前支護(hù)；

2）Ⅳ級圍巖段：超前支護(hù)+臺階法施工（臺階長度10～30 m）；

3）Ⅲ級圍巖段：全斷面機(jī)械開挖法開挖。

5.3 故障樹模糊法應(yīng)用

綜合考慮底事件各個非零故障程度的T-S關(guān)鍵重要度，可以得到底事件xj對頂事件T為Tq的T-S關(guān)鍵重要度采用上述公式計(jì)算?；诘资录：?jì)算方法，據(jù)式（4）計(jì)算事件隧道坍塌可能性：

假設(shè)故障程度T=0.5，T=1故障概率程度相同。工程設(shè)計(jì)不合理、施工組織不當(dāng)、不利水文地質(zhì)、不良工程地質(zhì)對工程故障影響程度，最終得到如下可能性模糊故障樹結(jié)果，分別為P(T=0)=(0.811 52，0.775 80，0.717 42，0.690 59)，P(T=0.5)=(0.014 81，0.014 61，0.013 50，0.012 22)，P(T=1)=(0.173 67，0.267 97，0.269 08，0.297 19)。

計(jì)算結(jié)果分析得知，隧道出現(xiàn)坍塌的模糊可能性較小，出現(xiàn)不坍塌模糊可能性大。

6 結(jié)語

本文根據(jù)坍塌類型及圍巖穩(wěn)定性進(jìn)行綜合比較分析，通過故障樹模型的建立，分析山嶺隧道坍塌事故類型特征及影響因素。故障樹模型在因素分析基礎(chǔ)上確定導(dǎo)致山嶺隧道坍塌主要影響因素，根據(jù)工程實(shí)例運(yùn)用T-S故障樹模型分析判別隧道坍塌的可能性。通過分析得知，圍巖穩(wěn)定性是影響山嶺隧道穩(wěn)定性的重要因素之一。