山岭隧道穿越砂层的塌方风险评估与管理

摘要：利用管理学方面的技术解决了山岭隧道穿越砂层的塌方风险分析、评价和管控的问题。依托于大西客专上白隧道工程，针对其粉细砂层段的安全问题建立了适用于山岭隧道穿越砂层的塌方风险评估的层次结构，并利用AHP进行了塌方风险的分析与评价，然后在评价结果的基础上结合工程实际制定了合理有效的粉细砂层段预加固设计施工方案。提出的理论、方法、思路可为同类工程所借鉴。

关键词：山岭隧道；粉细砂层；塌方风险；AHP

中图分类号： U45文献标识码： A

0 引言

近年来山岭隧道工程的迅猛发展，其安全事故也日益增多，使得山岭隧道工程风险管理发展成为了一个新的研究领域。隧道工程规模大、投资高、工期长、不确定因素多[1]，穿越砂层段受地质、设计和施工不确定性的影响很大，其安全风险相当高。风险管理在隧道工程中已有一定的经验，如范益群[2]在对国内外重大隧道事故统计分析的基础上，研究了水底公路隧道的风险管理模式，邓丽娜[3]针对隧道工程风险评估的特殊点，讨论了层次分析法的基本理论及层次分析法在隧道工程风险评估项目中的具体运用。本文基于AHP[4]，结合大西客专上白隧道工程，针对穿越砂层段的塌方风险进行识别和评价，并制定了有效的处理措施，以期为提高我国类似工程技术作出贡献。

1 工程概况

新建铁路大同至西安客运专线站前施工8标上白隧道位于山西省闻喜县东镇境内，设计为单洞双线隧道，线间距为5m。隧道进口里程为改DK594+747，出口里程为改DK596+464，全长1717m。隧道位于直线上，隧道内设单面坡，自进口至出口为14.5‰的上坡，隧道最大埋深126.22m。

隧道所属地区，黄土台塬地貌，冲沟发育，地形起伏较大。全隧均穿越不同程度的干燥水平砂层，物理性质为粉细砂，干燥、密实、呈松散结构，受开挖扰动后立刻呈现涌砂状态，短时间内可形成堆积体，毫无封闭阻挡时间。因此，掌子面开挖过程中极易出现涌砂，安全风险高，施工难度极大。

2 粉细砂层段塌方风险评估

2.1 建立塌方风险指标体系

组织熟悉上白隧道工程情况的参建各方的专家学者组成专家组，集思广益，建立了用于山岭隧道穿越砂层的塌方风险评估的层次结构模型，如表1所示。

表1 塌方风险评估层次结构

第一层 第二层 第三层 总权重

P

塌

方

风

险 A1

地质

(0.297) B1地下水发育程度(0.160) 0.045

B2砂层物理状态(0.278) 0.082

B3围岩等级(0.163) 0.139

B4砂层力学性质(0.540) 0.028

A2

设计

(0.163) B5常规设计可靠性(0.258) 0.042

B6特殊方案有效性(0.637) 0.104

B7技术交底情况(0.105) 0.017

A3

施工

(0.540) B8施工工艺成熟度(0.238) 0.129

B9施工质量(0.625) 0.337

B10施作时机合适性(0.136) 0.074

2.2 构造判断矩阵

通过专家组对层次结构模型各因素的两两比较，按照1～9标度法打分，构建出两两比较判断矩阵为：

同理，可得到其他判断矩阵、和P。

2.3 计算判断矩阵的特征向量

可利用方根法来计算判断矩阵的特征向量，以矩阵的计算为例：

（1）每行因素方根均值：

，，。

（2）归一化：

，，。

计算可知、、相对权重系数特征向量，同理可得、、，最终计算结果见表1。

2.4 一致性检验

一致性检验是为了对计算矩阵及其结果进行相容性和误差分析，应首先计算其一致性比率，计算式如下：

（1）

其中，，为最大特征根，为矩阵的第i个分量，R.I.为平均随机一致性指标（表2）。

表2 平均一致性指标

矩阵阶数 1 2 3 4 5 6

R.I. 0 0 0.58 0.90 1.12 1.24

一致性指标C.R.应小于0.10，经检验，本工程中的、、和均满足一致性要求。

3 塌方风险控制措施

根据评估结果与工程的实际情况，本工程采取深层超前预加固咬合桩的技术控制掌子面塌方风险，主要技术措施如下：

（1）隧道断面180°范围内加固桩体设计参数为桩径600mm、桩距350mm、桩长11m、每循环8m搭接3m、外插角3～5%，要求成桩体达到抗压强度0.5～8.0MPa。

（2）掌子面范围施做间距2m、梅花形布置的咬合桩，起到控制正面涌砂、涌砂的作用；周边咬合桩桩体内插φ89大管棚，以提高桩身的抗剪能力；水灰比为是1（水）：1（水泥）：0. 25（膨胀土）。

（3）隧道深层超前预加固咬合桩具有施工科技含量高、配套设备与操作人员要求高、钻机定位与钻进角度精准性要求高、成桩质量要求高和费用高等特点。

4 控制效果

通过实施深层超前预加固咬合桩以加固围岩和掌子面，在以下几个方面取得了一定效果：

（1）根据现场施作情况，由于受粉细砂层地质、设备定位、施工条件及工艺等多方面影响，桩体最佳长度为8m。

（2）实践表明，在有效桩体咬合范围之内，未出现漏砂及涌砂现象，拱顶下沉与收敛值在正常范围之内，施工安全可控。

（3）全断面砂层平均月进度15m（4台机组、2个循环），拱部或中下台阶砂层月进度20m（2台机组、2.5个循环）。

（4）深层超前预加固咬合桩由于堵漏加固砂层效果明显，减少了大量用于回填与处理的施工费用，安全与进度同时得到保证。

5 结语

大西客专上白隧道地质环境复杂，穿越砂层段塌方风险尤为突出。本文针对上白隧道穿越砂层段，基于AHP、专家调查等方法，识别出可能导致塌方的一系列风险因素，建立了相应的风险评估指标体系，并制定了相应的塌方控制措施。实践表明，深层预加固咬合桩能有效起到固结砂层的作用，施工安全可控、进度相对稳定，是适用于上白隧道干燥粉细砂地层的有效处理措施。由此可知制定的控制措施合理有效，为实现安全、质量、环境、工期等目标提供了技术保障。

参考文献：

钱七虎，戎晓力. 中国地下工程安全风险管理的现状、问题及相关建议[J]. 岩石力学与工程学报，2008，4(4)

范益群，曾明，曹文宏等. 水底公路隧道的风险管理[C]. 全国地铁与地下工程技术风险管理研讨会. 2005(08)

邓丽娜. 层次分析法在隧道工程风险评估中的应用[J]. 四川建筑. 2005(01)

许树柏. 实用决策方法——层次分析法原理[M].天津大学出版. 1988

作者简介：王继刚，（1986－)，男，助工，主要研究隧道及地下工程。