渝利铁路隧道工程安全风险控制研究与应用

伍帆

(渝利铁路有限责任公司，重庆 400023)

0 引言

中国岩溶地貌分布广泛，西南地区尤为发育，隧道施工过程中极易发生突水突泥，造成严重的损失和工期延误［1］。鉴于岩溶隧道施工的高风险性，在勘察阶段需重点查明岩溶发育和构造特性，在设计阶段需专题研究规避或减小风险的线路优化方案［2－3］，在施工过程中要针对岩溶区段开展综合超前地质预报等工作［4］。但由于安全风险管理机制尚不健全、管理者安全风险意识淡薄等原因，岩溶隧道施工中仍频频发生地质灾害。国内铁路主管部门已发布相关管理文件［5］，相关学者已经在隧道工程建设风险管理和控制领域开展了诸多工作，且取得了较多成果［6－12］，但从目前国内隧道工程建设风险管理实施情况来看，仍有较大的提升空间。渝利铁路隧道建设过程中通过设计阶段优化线路，施工阶段风险计划、辨识、评估、控制等手段，成功地将不可控的风险转化为可控的风险，最大限度地规避或减少风险隐患，保证了项目建设的顺利推进，并积累了岩溶地区设计选线和施工方面的一些有益经验。

1 工程概况

重庆至利川铁路(简称渝利铁路)西起重庆市重庆北站，向东途经重庆市江北区、渝北区、长寿区、涪陵区、丰都县和石柱县，止于湖北省利川市，与宜万铁路在凉雾站接轨，是国家规划建设的高速铁路四纵四横中“沪—汉—渝—蓉”大通道的重要组成部分。该铁路为国铁I级干线，旅客列车设计时速为200 km/h，正线长度264.602 km，运营长度295.958 km。本项目工程的主要特点为:1)桥隧比例高达81%;2)特殊结构桥梁(高墩大跨)多，施工难度大，技术含量较高;3)长大隧道多，桥隧相连，地质条件复杂，施工难度较大。

渝利铁路为典型的西南山区铁路，线路穿越明月峡背斜、苟家场背斜、方斗山背斜、齐耀山背斜，沿线地质构造复杂，岩体破碎，滑坡、岩堆、危岩落石、岩溶、顺层、煤层瓦斯等不良地质发育，尤其是隧道穿越大量可溶岩地区，隧道施工风险极大。渝利铁路全线共有隧道64座，总长182.93 km，占全线比重的61.8%，10 km以上的特长隧道有3座，4 km以上且地质复杂的隧道有18座，长度为123.9 km，占隧道总长度的67.7%，5座岩溶隧道(排花洞隧道、尖峰顶一号隧道、尖峰顶二号隧道、方斗山隧道、余家隧道)初始风险为高风险，施工难度及风险较大。渝利铁路路线平面图如图1所示。

图1 渝利铁路路线平面图Fig.1 Route plan of Chongqing-Lichuan railway

2 设计阶段安全风险控制与管理

2.1 设计阶段安全风险控制

2.1.1 强化岩溶隧道安全风险判识，提高隧道监控管理水平

根据前期地质勘察和现场调查，结合沿线工程地质情况，分门别类，加强研判工作，制定安全风险对策。加强隧道可研和初设阶段的安全风险管理，组织专家和相关人员反复踏勘、多次核对和比选，并根据设计资料对安全风险进行专家评估。

2.1.2 强化技术措施，规避(降低)岩溶隧道安全风险

岩溶隧道极易与地下暗河或溶洞等地下岩溶管道相交，因此，隧道一旦发生选线不当、措施不到位，就可能出现大量涌突水，对施工和人员安全构成严重威胁，从而造成人员伤亡、重大财产损失、重大环境影响及工期延误。按照“规避极高风险，采取可靠的应对措施降低高度风险，残留风险在中度及以下”的原则，通过风险评估，对岩溶隧道的选线采用了改线、调坡等技术措施加以绕避，规避了安全风险。

2.1.3 强化超前地质预报，细化风险对策措施

开展TSP203地震波法、地质雷达、红外探水、炮眼加深、超前水平钻、地质素描等综合超前地质预报，并结合掌子面所揭示的地质条件、发展规律、趋势及前兆进行分析和评判，相互印证，相应优化调整措施，确保施工安全和结构安全。

2.1.4 强化设计动态管理，落实施工过程安全监控

坚持地质选线和设计方案的不断优化是规避风险的重要工作。通过在设计中制定可靠的工程措施，将不可控的风险转化为可控的风险，在施工期间结合工程实际开展变更设计和观测记录分析，进一步消除施工中可见的安全风险，保证隧道工程及铁路的长期运营安全。

2.2 设计阶段安全风险管理

2.2.1 余家隧道可研设计阶段安全风险管理

余家隧道(原齐耀山隧道)可研设计阶段采用穿越齐耀山背斜、下穿白羊塘溶蚀槽谷的低线长隧方案(隧道全长8 560 m)，通过大量可溶岩地区及断层破碎带高压富水区，该方案隧道最大埋深约447 m，位于白羊塘槽谷下约70 m。白羊塘槽谷处在T2b碎屑岩和T1j碳酸盐岩的交界处，碎屑岩为阻水层，较大面积的碳酸盐岩发育的岩溶水，向槽谷区运移受阻于阻水层而富集，易形成带状富水。齐耀山背斜褶皱的走向裂隙和横张裂隙是岩溶发育的主控裂隙构造，也是岩溶水向槽谷运移的主要通道，槽谷区发育走向断层，纵贯槽谷，上下盘断层隙不但导水、储水，而且有利于水动力循环，有利于岩溶向纵深发育。余家隧道可研阶段岩溶特征及风险判定见表1。

根据白羊塘溶蚀槽谷及齐耀山背斜岩溶特征判定，可研设计阶段余家隧道突水(泥)、地表失水初始风险等级为极高。借鉴相邻宜万铁路及沪蓉西高速公路齐耀山隧道建设、设计和施工经验，将规避和降低岩溶突水(泥)安全风险做为设计阶段主要安全风险管理任务。

表1 余家隧道可研阶段岩溶特征及风险判定Table 1 Karst features and risk assessment of Yujia tunnel obtained in feasibility study stage

2.2.2 余家隧道初步设计阶段安全风险管理

根据初步风险分析结果，在可研阶段低线长隧方案基础上，比选抬高线路高程，以桥通过白羊塘溶蚀槽谷的高线短隧(隧道全长3 920 m)方案，使隧道主要位于垂直循环带—季节循环带，极大地降低了隧道开挖出现高压突水及揭穿大规模溶洞的风险。

初步设计阶段余家隧道有80 m段落突水(泥)，初始风险等级为极高，占隧道全长的2.29%，残余风险等级为高度。评估认为虽然突水(泥)极高风险段落不长，在采取可靠技术措施的情况下安全通过的概率较大，但仍然存在着一旦发生就无法接受的风险损失，或者工期难以保证。为此，经专家论证，认为必须消除极高风险段落，以降低全隧安全风险。

2.2.3 余家隧道施工图阶段安全风险管理

根据余家隧道初步设计的审查意见并结合风险评估情况，将余家隧道进口由小人字坡(进口纵坡长850 m)调整为大人字坡(进口纵坡长1 770 m)，变坡点高程由1 424.66 m抬高到1 427.55 m，以抬高线路高程。通过取消出口浅埋段，余家隧道长度由3 920 m减至3 491 m，缩短了429 m，隧道最大埋深由370 m降至351 m。

施工图设计阶段规避了极高安全风险，只存在540 m的突水(泥)高度风险段落，占隧道全长的15.47%，可接受。余家隧道初步设计及施工图阶段风险统计见表2，可研阶段线路方案比选见图2，初步设计阶段岩溶选线见图3。

表2 余家隧道初步设计及施工图阶段风险统计Table 2 Statistics of risks of Yujia tunnel obtained in preliminary design stage and construction drawing design stage

3 实施阶段安全风险控制与应用

3.1 实施阶段安全风险控制

3.1.1 建设单位招标及实施阶段安全风险管理

为从源头加强隧道安全风险管理，建设单位在招标文件中结合隧道工程特点，提出隧道风险等级和管理要求，制定风险管理计划，明确组织机构、人员要求、各方应承担的风险管理责任，界定风险分担的原则、风险的接受准则和费用，并要求投标文件响应招标文件，说明本企业风险管理能力，提出新发现或预测到的各种风险，明确风险监测办法及重大风险的应急措施。

此外，在隧道建设实施阶段强调狠抓落实，适时开展安全风险研判、分析和评估，通过制定合理的风险控制和处理措施，切实做好实施阶段的安全风险管理。总体思路是:强化意识，加强研判，控制过程，突出应急。

3.1.2 施工阶段风险控制措施

制定风险管理实施细则。施工单位是风险控制的实施主体，根据风险评估结果、地质条件、施工条件等，逐条细化风险控制措施，编制风险管理实施细则，明确安全管理制度、管理机构及职责，落实人员、设备、材料及现场安排，制定监控、监测及预警方案，完善应急预案及演练安排。风险管理实施细则经监理单位审查、建设单位审定后，纳入实施性施工组织设计。

完善专项施工方案、作业指导书和作业标准。施工单位按照风险管理实施细则编制专项施工方案，专项施工方案经施工单位技术负责人审定后报总监理工程师审查，报建设单位批准。施工单位按照批准的专项施工方案编制作业指导书和作业标准，组建专业作业队和专业作业班组，配置相应机械设备。施工单位将有关风险控制措施、工作要求、工作标准向作业队进行详细的技术交底，向施工作业班组、作业人员进行详细说明，并派专职安全风险管理人员现场监督，督促作业人员严格按照作业指导书和作业标准施工。

严格组织实施并进行动态管理，风险管理突出“四个强化，五个狠抓”。即:强化制度建设，建立健全风险管理机制;强化过程控制，抓好巡视检查落实;强化设备配套，推行隧道机械化施工;强化监控手段，实行信息检测分析;狠抓架子队建设，狠抓超前地质预报及隐伏岩溶探测，狠抓隧道风险监测，狠抓各项安全措施落实，狠抓应急处置。

图2 余家隧道可研阶段线路方案比选Fig.2 Comparison and contrast between different route schemes of Yujia tunnel in feasibility study stage

图3 余家隧道初步设计阶段岩溶选线Fig.3 Comparison and contrast between different route schemes of Yujia tunnel in preliminary design stage，considering karst conditions

3.1.3 隧道超前地质预报体系

超前地质预报体系以超前水平钻探为主，地质素描、TSP203、地质雷达、炮眼加深、红外探水等为辅进行综合地质预报。在一般风险段落实施超前地质预报及监控量测等地质预报工作，在岩溶或断层破碎带富水区采取超前探水，超前注浆，径向注浆减缓突水、突泥风险，降低残留风险等级，将风险由“高度”降为“中度”。超前地质预报频次见表3。

3.2 案例应用:余家隧道马槽洞暗河影响区风险分析

3.2.1 溶腔的查找和判识

余家隧道马槽洞暗河影响区采用TSP物探先行，TSP预报显示DK248+977～+984，DK249+031～+ 038和DK248+049～+069存在溶洞或岩溶管道。结合TSP物探结果，采用超前钻孔探测，对掌子面前方溶腔规模特征、充填介质特征、水文特征、环境特征进行预测、分析，最终判定隧道在DK248+940处进入溶腔，且钻探显示溶腔为空腔。隧道接近溶腔时，采用风钻钻探对溶腔临近界面进行区域锁定，通过钻进速度、排碴情况、水量大小，按区域确定溶腔岩盘厚度，根据超前钻孔及风钻探孔，确定溶洞在隧道拱部岩盘厚度，精确爆破隧道拱部揭示溶腔。

表3 超前地质预报频次Table 3 Frequency of different advance geology prediction methods

3.2.2 溶腔揭示

在爆破后，揭示溶洞位于隧道拱部，在线路右侧形成一溶腔大厅，纵向长50 m，横向宽60 m，高15 m，自线路右侧发育至左侧，揭示里程为DK248+940～+ 980，大厅内有2处落水洞与地表相通，沿线路左侧大里程方向变为平行于线路的1个狭长溶洞，断面逐渐缩小，向大里程方向延长100 m。溶腔内常年有积水，水量大小随地表降水变化，洞内充填碎石、块石土及软塑状黏土。

其后分别发现7个溶洞，均为马槽河暗河溶洞分支管道，溶洞内有流水，积水深2～5 m，暗河管道底板均低于隧道底板标高。

3.2.3 溶腔处治

为了揭示前方地质情况，并防止隧道弃碴堵塞暗河，施工中临时采用圆木封堵暗河出露口，并将其作为施工通道。溶腔壁采用锚网喷射混凝土或浇筑混凝土护拱结构保护层，并通过调整相应段落的围岩级别，以加强支护。通过对进口段溶洞1个完整水文年的连续水量观测，发现雨季期溶洞水量增大，地下水位上涨，暗河水进入隧道。为保证岩溶水能得到有效排泄，不危及隧道结构及运营期间安全，于线路右侧25 m处变更设计，设置长676 m的泄水洞，增设3处横向排水孔，以确保左侧溶洞的岩溶水可通过排水孔引入右侧溶腔，进而排入泄水洞。溶洞通过段仰拱及边墙底溶洞开挖后清除充填物，再采用C15片石混凝土回填密实。

3.3 余家隧道安全风险管理效果

余家隧道2009年1月开工建设，DK248+874～ DK249+540段开挖揭示出岩溶发育，揭穿多处互通溶洞群，溶洞大小不一，发育程度各异，大多数洞穴存在块碎石、黏土充填，并常有石钟乳、石笋等，溶洞内地下水发育。经观察，大多数溶洞内有静态积水或动态流水，部分地段为地下暗河通道，形成了较复杂的进口暗河系统。上述溶洞均表现为枯水季节水量较少，雨季时水量较大，可认为位于地下水垂直循环带—季节循环带，因此，有效地规避了水平循环带将面临的高水压、大规模溶洞等不良水文地质条件，而洞身及出口段落溶洞则只是零星出现。余家隧道溶洞形态见图4。余家隧道于2010年12月安全贯通，施工过程中未出现大的涌水及高压岩溶水突出，未发生任何安全事故。

图4 余家隧道溶洞形态Fig.4 Picture of karst caves of Yujia tunnel

4 全线安全风险控制应用效果

渝利铁路隧道工程安全风险管理通过“强化意识，加强研判，控制过程，突出应急”等措施，采用设计阶段优化线路，施工阶段风险计划、辨识、估计、评价及控制相综合的方法，最大限度地消除了风险。全线所有的隧道工程在预期的工期内贯通，并有所提前。其中，5座岩溶高风险隧道平均提前7.2个月贯通，初始风险最高、难度最大的余家隧道及方斗山隧道分别提前8个月和11个月贯通，取得了良好的社会效益及经济效益。渝利铁路重点隧道施工情况见表4。

表4 渝利铁路重点隧道施工情况Table 4 Statistics of construction of major tunnels on Chongqing-Lichuan railway

5 结论与建议

5.1 结论

注重提前介入，实施源头管理。坚持严把设计源头关，深度介入前期工作，参与勘察设计过程，及时发现设计中存在的问题，加强与设计部门的协调，抓住在可研、初设和施工图设计等各个阶段的风险辨识、风险控制和防范措施的优化工作，尽可能在设计阶段有效规避风险，从根本上抓住安全风险防范的源头，降低可能的风险灾害损失。归纳出以下3条控制风险的选线设计原则，可供今后类似工程参考。

1)在越岭地带通过抬高线路高程，使线路在溶蚀槽谷顶通过或露出地面，缩短隧道长度，降低工程风险。

2)在有暗河或河流切割可溶岩构造地区，通过靠近该区地下水排泄基准面，在暗河地段使隧道靠近暗河，通过泄水洞等方式进行有效排泄，或将隧道置于相对安全的岩溶水垂直循环带内。

3)新线应尽量靠近且高于既有或在建隧道工程。一方面，可以借鉴既有工程施工经验，减小施工风险;另一方面，靠近既有工程形成的地下水降落漏斗，降低岩溶涌突水风险。

严抓过程控制，坚持安全风险的环节管理。项目前期及实施过程中充分发挥引领作用，从各个阶段严格按要求组织开展工程风险评估工作，在此基础上加强安全风险的评估分析，强化施工方案审查的风险控制。

狠抓现场管控，坚持按设计和施工规范落实各项措施。一是要根据风险隧道评估结果、地质条件、施工条件等，编制风险管理实施细则，细化隧道风险控制措施。二是运用超前地质预测预报技术对隧道施工风险因素进行超前预报。三是依靠风险管理制度和强有力的管理手段落实风险控制措施，严格执行“先探后挖”和“五不开挖”原则，严格落实责任追究制度。四是加强沟通，及时反馈信息。

5.2 建议

本项目的安全风险管理在工程实施中取得了极大的成功，但也存在未及时开展安全风险管理的后评估工作。建议类似项目在安全风险管理取得成绩的同时，委托有关单位进行安全风险管理的后评估工作，总结安全风险管理的经验与教训，改进管理方法和管理手段，并形成标准化管理，以期为今后类似项目提供参考与借鉴。

［1］ 吴波.隧道施工安全风险管理研究与务实［M］.北京:中国铁道出版社，2010.(WU Bo.The tunnel construction safety risk management research and practical［M］.Beijing: China Railway Publishing House，2010.(in Chinese))

［2］ 朱颖.强化工程风险设计理念确保重点隧道工程安全［C］//自主创新与持续增长第十一届中国科协年会论文集(2).重庆:中国科学技术协会，2009.(ZHU Ying.Strengthen the concept of engineering design to ensure that the focus of tunnel construction safety risk［C］//Independent innovation and the sustainable growth of the eleventh session of the annual meeting of the Association for the Chinese(2).Chongqing:China Association for Science and Technology，2009.(in Chinese))

［3］ 毕强.渝利铁路岩溶区选线［J］.高速铁路技术，2012 (3):57－60.(BI Qiang.The Chongqing-Lichuan railway line selection in karst area［J］.The Technology of Highspeed Railway，2012(3):57－60.(in Chinese))

［4］ 铁建设［2010］162号.铁路建设工程安全风险管理暂行办法［S］.北京:铁道部建设司，2010.(Railway Construction［2010］162.Interim measures for security risk management of railway construction project［S］.Beijing:The Division ofthe Ministry ofConstruction，2010.(in Chinese))

［5］ 洪开荣.我国隧道及地下工程发展现状与展望［J］.隧道建设，2015，35(2):95－107.(HONG Kairong.State of art and prospect of tunnels and underground works in China［J］.Tunnel Construction，2015，35(2):95－107.(in Chinese))

［6］ 郭陕云.对隧道及地下工程建设风险管理的认识［J］.隧道建设，2011，31(6):12－15.(GUO Shanyun.Understanding of risk management in tunnel and underground engineering construction［J］.Tunnel Construction，2011，31 (6):12－15.(in Chinese))

［7］ 李明.高速铁路隧道施工风险管理技术探索［J］.隧道建设，2010，30(2):65－70.(LI Ming.Risk management in tunnel construction of high speed railway［J］.Tunnel Construction，2010，30(2):65－70.(in Chinese))

［8］ 夏润禾，边玉良.山岭地区铁路隧道施工安全风险评估及管理研究:以贵广铁路客运专线金宝顶隧道为例［J］.中国安全生产科学技术，2012(10):66－73.(XIA Runhe，BIAN Yuliang.Study on risk assessment and management for construction safety of railway mountain railway tunnel: Taking Jinbaoding tunnel of the Guiyang-Guangzhou Passenger Special Line as example［J］.Journal of Safety Science and Technology，2012(10):66－73.(in Chinese))

［9］ 张国弟.渝利铁路长洪岭隧道工程施工风险管理研究［D］.成都:西南交通大学经济管理学院，2012.(ZHANG Guodi.Study on Changhongling tunnel construction risk management of Chongqing-Lichuan railway［D］.Chengdu: School of Economics and Management，Southwest Jiaotong University，2012.(in Chinese))

［10］ 李锟.岩湾隧道特大型溶洞处治技术［J］.隧道建设，2015，35(1):79－82.(LI Kun.Case study on coping with super-large karst cave in construction of Yanwan tunnel［J］.Tunnel Construction，2015，35(1):79－82.(in Chinese))

［11］ 李治国.高水压富水隧道地下水控制技术探讨［J］.隧道建设，2015，35(3):204－209.(LI Zhiguo.Discussions on ground watercontroltechnologies for tunneling in ground containing rich high-pressure water［J］.Tunnel Construction，2015，35(3):204－209.(in Chinese))

［12］ 杨有福.超前地质预报在高风险岩溶隧道中的应用［J］.四川地质学报，2014(S2):158－162.(YANG Youfu.Application of advanced geological forecast in high risk karst in tunnels［J］.Sichuan Journal of Geology，2014 (S2):158－162.(in Chinese))