（工商管理专业论文）包神铁路转龙湾隧道施工风险管理.pdf

中文摘要 摘要：包神铁路转龙湾隧道两端洞口和洞身均处在风积砂地层中，是典型的风积 砂隧道，隧道覆盖层薄，以浅埋为主，施工存在塌方、流砂、大变形等风险，施 工初始风险高。本文通过对转龙湾隧道地质结构、施工工艺和工程建设项目风险 管理基本理论的介绍，结合隧道施工项目的特点，对转龙湾隧道施工阶段的风险 识别、风险评估和风险应对等方面进行了较深入和全面的研究。 论文通过理论研究和实证分析，对风积砂隧道施工进行了旌工风险管理的论 证，可促使施工企业进一步做好项目风险管理工作，通过有效的风险管理，使项 目施工按照计划进行，尽量保证项目结果与施工计划目标的一致性或使满意度超 出预期计划，目标是减少风险的危害程度，使工程项目施工安全、质量、进度、 效益等管理目标得以实现。 关键词：隧道；施工；风险评价；风险管理 分类号： j 量塞銮适盔堂童些亟堂僮途塞垦墨至b 堡! a bs t r a c t z h u a n l o n g w a nt u n n e lg o i n gt h r o u g ht h el e f tb a n k o ft h ew u l a n m u l u nr i v e ro nt h e t h i r d l e v e lt e r r a c e ，i ti st h ew i n db l o w ns a n dt u n n e l t l l i sa r t i c l ec o n c l u d e st h er i s k f a c t o rw h i c he x i s t si nt h i st u n n e lc o n s t r u c t i o nt h r o u g hi t sg e o l o g i c a ll a n d f o r ma n d e x e c u t i v ep r o j e c t sa n a l y t i c a ls t u d y , a n di nv i e wo ft h er i s kf a c t o rw h i c he x i s t sg i v e s s e v e r a lm e a s 盯ed e c i s i o n m a k i n g t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eg e o l o g i cs t r u c t u r ea n dt h e c o n s t r u c t i o nt e c h n i q u e so fz h u a n l o n g w a nt u n n e la n di n t r o d u c e ss o m eb a s i ct h e o r i e so n e n g i n e e r i n g c o n s t r u c t i o nr i s k m a n a g e m e n t ， c o m b i n e s丽t l ic h a r a c t e r i s t i c so f z h u a n l o n g w a nt u n n e lc o n s t r u c t i o nt oa n a l y z er i s ki d e n t i f i c a t i o n , r i s ke s t i m a t ea n dr i s k h a n d l i n gi nz h u a n l o n g w a nt u n n e lc o n s t r u c t i o ns t a g e t h e r ei sn o to n l yt h e o r e t i c a lr e s e a r c h ，b u ta l s oe m p i r i c a la n a l y s i si np a p e r , i t p r o v i d e sar e f e r e n c eb o t hi nt h e o 巧a n dp r a c t i c eo nt h er i s km a n a g e m e n to ft u n n e l p r o j e c t s ，a n dp r o m o t e st h ec o r p o r a t i o nd e a lw i t ht h er i s km a n a g e m e n tb e t t e r t h r o u g h e f f e c t i v er i s km a n a g e m e n t ，t h ec o n s t r u c t i o no fe n g i n e e r i n gp r o j e c t sp r o c e e d a c c o r d i n g t ot h ec o n s t r u c t i o np l a n ，t oe n s u r et h ec o n s i s t e n c yb e t w e e nt h er e s u l t so ft h ep r o j e c t s a n dt h ec o n s t r u c t i o np l a no rt h es a t i s f a c t i o ne x c e e dt h ec o n s t r u c t i o np l a n ，t h eo b j e c t i v e i st or e d u c et h ee x t a n to fh a r mo ft h er i s ka n dm a k et h em a n a g e m e n ta i mo fe n g i n e e r i n g p r o j e c t st oc o m et r u e ，s u c ha ss a f e t y , q u a l i t y , p r o g r e s s ，b e n e f i ta n ds oo n k e y w o r d s ：t u n n e l ；c o n s t r u c t i o n ；r i s ke v a l u a t i o n ；r i s km a n a g e m e n t c l a s s n o ： 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解北京交通大学有关保留、使用学位论文的规定。特 授权北京交通大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索， 并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国 家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 一掀耋镌 签字日期：7 哩岁奉月日 一名彩彦 签字日弩劾谚年力月e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研 究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或 撰写过的研究成果，也不包含为获得北京交通大学或其他教育机构的学位或证书 而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作 了明确的说明并表示了谢意。 k乡 撇姗签嗍槲叼谚年胗月日 致谢 本论文的工作是在我的导师宋守信教授的悉心指导下完成的，宋守信教授严 谨的治学态度和科学的工作方法给了我极大的帮助和影响。在此衷心感谢三年来 宋守信老师对我的关心和指导。 宋守信教授悉心指导我完成了实验室的科研工作，在学习上和生活上都给予 了我很大的关心和帮助，在此向宋守信老师表示衷心的谢意。 宋守信教授对于我的科研工作和论文都提出了许多的宝贵意见，在此表示衷 心的感谢。 在实验室工作及撰写论文期间，陈明利、吴声声等同学对我论文中的研究工 作给予了热情帮助，在此向他们表达我的感激之情。 另外也感谢家人，他们的理解和支持使我能够在学校专心完成我的学业。 1 概述 1 1引言 包神铁路是开发东胜、神府煤田精煤资源的主要运煤干线，也是由内蒙南部 到陕北的重要通道。包神铁路北起包头市万水泉乡，南至陕西省神木县大柳塔乡， 纵贯内蒙伊盟中东部。 既有包神线万水泉至巴图塔段设计为单线、内燃牵引、半自动闭塞，货运牵 引质量4 0 0 0 t 、部分5 0 0 0 t 。根据国家铁路“十一五 规划、中长期铁路网规 划，内蒙古以构建铁路东西大通道、出区通道、资源开发通道、口岸通道为重 点，对内蒙古煤炭外运通道进行大规模改扩建，增加运量。既有包神铁路实施扩 能改建，巴图塔至万水泉段增建二线，牵引质量提高至5 0 0 0 t 改造，大柳塔至巴图 塔段为电力牵引5 5 0 0 t ，进一步提高现有铁路运行速度和输送能力。 转龙湾隧道是改建包神铁路线上一条长大风积砂隧道，而在风积砂地层中开 挖隧道难度极大，因为这种地层自稳性差，而且多数为浅埋，稍有不慎，就可能 引起坍塌甚至直到地表，施工风险极大。通过对转龙湾隧道设计、地质、水文地 质资料等的分析，该隧道施工面临四个方面的工程问题。 ( 1 ) 风积砂地层隧道开挖与支护 风积砂属单粒松散结构，颗粒之间无粘聚，抗剪强度较低，理论上无粘结力。 因此，风积砂地层的整体性、胶结性和自承力均很差，还具有流动性大的特点。 隧道在风积砂地层中掘进，开挖扰动后成为完全松散体，自稳能力极低，开 挖后很难形成开挖面。沙粒能从极小的支撑缝隙中流淌出来，砂层自身承载力低， 极易造成支护结构过量沉降，经常挖即塌，并会波及地面，形成陷坑。 由于风积砂自稳能力差，在施工中容易出现坍塌和流砂现象，工程安全和质 量得不到保证，因此需要根据风积砂地层地质等条件和隧道设计，采取地层超前 预加固和特殊的开挖工艺及技术。 ( 2 ) 隧道埋深浅 转龙湾隧道覆盖层厚度为o - - - - - 3 0 m ，最大埋深3 0 o m ，以浅埋段为主。隧道在浅 j 量宝窑塑塞堂童些亟堂位诠塞摄姿 埋风积砂层掘进时，山体压力大，易发生支撑木板弯曲折断、核心土失稳、管棚 压弯，开挖面坍塌，施工极不安全，且难以确保施工质量，施工进度缓慢。另外， 当开挖下部边墙时，拱脚处砂体被扰动后拱背漏砂，极易发生掉拱或坍塌事故。 ( 3 ) 洞口与浅埋段地表的防风固沙 转龙湾隧道范围地表为风积砂，多半为固定沙丘、沙地分布，邻近库布齐沙 漠、鄂尔多斯丘陵山区和毛乌素沙地，处于风沙和水土流失双重危害的严重地区。 如施工时破坏了地表，便会就地起沙，掩埋线路，其特点是进展很快，并不断蔓 延，给铁路后期运营造成很大危害。 特别是洞口和浅埋段施工，若大量破坏地表和植被，引起沙丘活化，就会形 成新的沙源，因此，铁路防沙绿化工程必须和铁路建设同步进行，施工中洞口和 浅埋段的防风固沙是转龙湾隧道施工中的关键问题，直接影响到铁路建成后的长 期正常运营。 ( 4 ) 施工风险与风险管理 转龙湾隧道属风积砂隧道，施工中存在比较大的风险。为了保证施工的安全， 对该隧道进行施工风险评估，控制风险因素，减少风险概率和后果损失，降低风 险等级，进行全过程的风险管理具有重要的经济效益和社会效益。 1 2国内外研究现状 1 2 1国内外风积砂隧道施工现状 我国沙漠和沙漠化土地占到了国土面积的1 6 3 ，主要分布在西北地区，由于 沙漠地区严酷的气候环境和特殊的地质条件，给公路、铁路建设带来了诸多困难 和技术难题，其一直是困扰着广大工程技术人员的世界性课题。随着我国西部交 通建设发展和沙漠中蕴藏的丰富资源的开发利用，如何在风积砂地层隧道开挖掘 进，成为我们面对新的技术难题。目前，风积砂地层隧道的施工技术在我国隧道 工程中没有进行系统地研究，国外也无完整资料可供借鉴。 表1 1 是我国主要已建或在建的铁路风积砂隧道，相对于已建成的风积砂隧 道，转龙湾隧道属浅埋风积砂隧道，且长度在1 0 0 0 m 以上，长度最长，施工难度 大，施工风险极大。 表1 1 我国铁路风积砂隧道 线别隧道名全长1 i l通过风积砂地层长度，m隔岩级别施工年份 小则沟 3 1 46 ( 进) + 3 0 ( 出) 转龙湾1 8 24 0 ( 进) + 5 0 ( 出) 神朔杏树峁 4 6 34 6 31 9 9 0 - - - 1 9 9 1 东沟1 号 3 2 61 3 0 ( 进) + 2 0 ( 出) 东沟2 号2 6 37 5 ( 出) 响沙湾 8 5 42 0 ( 出)1 9 8 6 包神左线：1 2 9 0左线：1 2 9 0 转龙湾 2 0 0 8 2 0 0 9 右线：1 3 1 6右线：1 3 1 6 1 典型工程实例 ( 1 ) 神朔线新杏树峁隧道 新杏树峁隧道( d z k 4 6 + 1 0 5 - - - d z k 4 6 + 3 4 6 ) ，位于陕西省榆林市神木县，是神( 神 木) 朔( 朔州) 铁路复线工程中的重点、难点工程，是全线唯一的一座风积砂隧道， 该隧道全长2 4 1 m ，与左侧既有铁路隧道工程仅相隔2 0 - 1 0 0 m 。 既有线每天开出运煤专列3 2 对，列车振动给隧道开挖、支护施工带来了相当 大的困难。隧道为直线单纵坡隧道，纵坡为1 0 4 。除明洞和出口段1 3 m 暗洞外， 洞身衬砌均选用i 类围岩曲墙有仰拱复合式衬砌，衬砌断面尺寸按重型设计，采用 5 心圆结构。隧道支护采用挂网锚喷、型钢钢架支护( 每米2 榀) 等措施，边墙及拱 部均采用间距4 0 c m 6 0 小导管注浆。 隧道设计上采用长管棚进行超前预支护，因风积砂细度较高，相对密度大， 普通间距的导管注浆，无法使砂体固结，并通过对几种预支护施工方法的试验比 较，最后确定采用小导管注浆超前预支护的施工方法，此施工方法成功的控制了 隧道拱顶砂体的滑塌，保证了隧道的施工安全，满足施工工期要求。 ( 2 ) 包西线新响沙湾隧道 包西铁路新响沙湾隧道位于内蒙古鄂尔多斯市境内，设计为双线电气化铁路 隧道。隧址区属于高原丘陵地貌，沙丘呈波状起伏，冲沟较发育。隧道全长3 4 3 0 m ， 隧道进口暗洞洞口段地表为风积砂层，其厚5 0 - - - 8 0 m ，拱部穿过风积砂层，洞 顶覆盖层厚为2 o 5 0n l ，其下为砂质黄土层厚4 5 - - 1 5m ，下伏泥质砂岩局部夹 泥岩，风化裂隙。发育具块状镶嵌结构，局部散体结构，围岩不稳定，易塌。 新响沙湾隧道进口有风积砂及砂质黄土，施工过程中易发生坍塌。尤其是长 时间暴露或遇水更易坍塌。甚至出现“冒顶 。为保证洞1 2 1 施工过程中的安全，拱 部开挖前先对拱顶风积砂层进行固结，以增强其自稳性。固结的方法是：沿隧道 衬砌外缘一定距离打入一排纵向钢管并且在插入钢管后，再往管内注浆以固结 拱顶外风积砂层、充填钢管与孔壁之间的空隙，使管棚与风积砂层固结紧密，提 高钢管的强度。开挖前对再采用超前小导管注浆加固地层，以弥补管棚注浆不到 位。外拱顶风积砂固结不良的现象。使超前支护与初期支护钢架形成牢固的棚状 支护结构，确保围岩稳定。 ( 3 ) 新包神铁路活沙兔隧道 活沙兔隧道是新包神铁路工程线上最长的隧道，全长43 7 0m ，位于内蒙古自 治区鄂尔多斯市境内，为浅埋隧道，埋深在1 5 m - - 4 31 1 1 之间。隧道所处地区风积 砂分布范围广，隧道进口穿过为风积砂填埋的早期冲沟。隧道穿越地层自上而下 依次为粉细砂层、全风化砂岩层、弱风化砂岩层。 隧道开挖采用三台阶法，施工过程中发现一风积砂填埋的早期冲沟切入隧道 范围内，在d z k l 4 1 + 2 0 0 处，隧道开挖范围左侧自拱顶向下2 51 1 1 范围内为风积砂， 随着隧道向前施工，开挖断面内风积砂层的厚度不断增加，施工至d z k l 4 1 + 2 1 0 时，上台阶开挖范围内全部为风积砂，下部为砂岩，风积砂层与砂岩层问夹厚约 1 5c m 砾岩层，并有裂隙水渗出。 当上台阶施工至d z 4 l + 2 1 5 7 时，拱顶位置发生坍塌，坍塌范围为拱顶3 5 m x 2 0m ，高度约1 6m ，严重影响了正常施工。为掌握隧道的地质情况，制订可 行的施工方案，采取地表地质钻探，每5m 设一个地质钻探断面，每个断面3 个 钻探点，隧道中线1 个点，中线两侧7m 的位置各1 个点，探明风积砂层的分布 范围。根据地质钻探结果，从安全性、经济性考虑，结合该工程实际情况，针对 前方工程地质及水文地质情况，经过反复研究，决定采取加固坍塌段、优化开挖 方法、加强超前支护和初期支护的综合技术措施，顺利通过风积砂地段。 ( 4 ) 其他工程 神朔铁路连接陕北及晋西北地区，是我国西煤东运的第二条大通道的西段， 其中蛇口峁隧道以西地段通过毛乌素沙漠的东边缘；宁夏月牙湖扬水工程线路经 4 过毛乌素沙漠地段；甘肃省景电三期向民勤调水工程渠线全长l o l k m ，其中有4 5 k m 渠线穿行于腾格里沙漠南缘。以上工程的建设实施且运营多年，其经济效益和 社会效益非常显著，为今后同类工程建设积累宝贵的基础资料。 2 风积砂隧道施工技术 风积砂颗粒单一、级配不良、结构松散、无可塑性、属低压缩性土；风积砂 抗剪强度较低，理论粘聚力为0 ，但存在颗粒间交错镶嵌与咬合作用所形成的结构 力，但数值较小，试验测得c 值1 1 0 5 - - - 1 2 1 9 8k p a ，西值2 5 0 一- 3 1 0 。在一定范围内 风积砂的允许承载力、变形模量与埋深呈正相关关系。 在施工过程中，风积砂地层隧道开挖易发生坍塌，尤其是长时间暴露或遇水 更易坍塌，甚至出现“冒顶等现象。经过不断的探索，基于浅埋暗挖法的基本 方法，我国工程技术人员采取了工字钢插板、小导管预注浆、水平旋喷桩及大管 棚等拱部超前支护方法，三台阶法开挖，格栅钢架挂网湿喷混凝土初期支护，仰 拱先行全断面衬砌的施工方法，初步解决了风积砂铁路隧道的开挖问题，风积砂 地层隧道的施工技术目前在我国隧道工程中尚未进行系统地研究。 1 2 2国内外隧道工程及工期风险研究现状 1 国外研究现状 隧道工程的风险分析的代表人物是美国的e i n s t e i n h h 。e i n s t e i n h h 曾撰写多篇有价值的文献，主要贡献是指出了隧道工程风险分析的特点和应遵循 的理念，诸如( ( g e o l o g i c a lm o d e lf o rt u n n e lc o s tm o d e l ) ) ( e i n s t e i n ，1 9 7 4 ) 、( ( r i s ka n d r i s ka n a l y s i si nr o c ke n g i n e e r i n g ) ) ( e i n s t e i n ，1 9 9 6 ) 、( ( d e c i s i o na i d si nt u n n e l i n g ) ) ( e i n s t e i n ，1 9 9 8 ) 。 a j m s n e l & d r s v a nh a s s e l t 在考虑投资、工期和工程质量的前提下研究了 阿姆斯特丹南北地铁线路设计和施工中的风险管理问题，提出了“i p b 风险管理 模式( i n v e n t o r yo f c r i t i c a la s p e c t s ；p r e v e n t i v em e a s u r e s ；b a c k u pm e a s u r e s ) 。r s t u z k 等将风险分析技术应用于斯德哥尔摩环形公路隧道，得到了一些规律性的结论。 b n i l s e n 等的论文对复杂底层条件地区的海底隧道的风险进行相对深入地研究。 国际隧协委员h e i n z d 在其论文中( h e i n z d ，1 9 9 6 ) 对穿越海峡的隧道、穿越 阿尔卑斯山的隧道如何进行风险评估进行了探讨。 a i m o m a n i ( 2 0 0 0 ) 对1 9 9 0 1 9 9 7 年期间约旦的1 3 0 项公共建筑项目报告进行 施工延误原因数量分析，给出了不同种类建筑工程的实际工期与计划工期之间的 回归模型及不同原因的延误发生频率。得出工程项目工期延误主要原因与设计人 员、用户变化、气候、工地条件、延期支付和经济条件等因素相关。 2 国内研究现状 至于隧道工程的风险分析研究，由于我国的隧道工程研究和实践时间都比较 短，还属于发展阶段，因此，风险分析在隧道工程中的应用研究还比较少，但是， 随着我国大力发展西部地区所遇到的隧道建设问题，使得这一领域受到了前所未 有的关注，各大设计院、保险公司以及高校都在近几年年内开始了相关研究。 国际隧协会2 0 0 4 年发布的隧道风险管理指南和2 0 0 7 年我国铁道部颁布 的铁路隧道风险评估与管理暂行规定，为铁路隧道风险评估提供依据。 不良地质是隧道施工中最常见的风险和最大的不安全因素，预测和规避难度 较大，但只要提高认识，建立健全安全保障体系，落实安全责任制度，特别是合 理运用安全技术，强化风险预测与规避机制，从而可以安全顺利进行隧道施工。 主要采取措施有：采用分部开挖方法、单线隧道微台阶或短台阶，双线隧道采用 眼镜法、c d 法或c r d 法施工；开挖前先施工超前锚杆或超前管棚，当地质情况 较差，围岩破碎时应先进行地表注浆；采用控制爆破技术，将爆破振动速度控制 在规定的允许值之内；加强隧道开挖后的支护。 连拱隧道工程的技术应用在我国迅速推广，各地高等级公路和城市道路先后 建成了数百座连拱隧道。连拱隧道多为中短型，长度大多在5 0 0m 以内，具有埋 深浅、围岩强烈风化破碎、地质条件较差、易产生偏压等一系列特点，再因连拱 隧道双洞相连，导致开挖跨度大，二车道超过2 0m ，三车道超过3 0m 。特别是 在山区修建连拱隧道自然条件恶劣以及连拱隧道本身的结构缺点，致使隧道施工 风险高，施工过程中出现不少安全事故和质量问题，并可能为以后运营留下安全 隐患。南阳市宛坪高速公路阳坡隧道运用a h p 法对隧道施工风险进行分析。a h p ( a n a l y t i ch i e r a r c l ：】：yp r o c e s s ) 法是美国运筹学专家s a a t y 教授于2 0 世纪7 0 年代提 出的定性分析与定量分析相结合的一种分析方法。 上海隧道设计研究院的范益群博士以可靠度理论为基础，提出了地下结构的 抗风险设计概念，计算出基坑、隧道等地下结构风险发生的概率以及定性评价风 6 险造成的损失，并提出改进的层次分析方法。 而以同济大学为主进行的沪崇通道的风险评估项目更是为这一学科的发展提 供了新的贡献。整个沪崇通道的风险评估研究共提交了个专题报告，涉及到了工 程建设的各个方面，包括前期选线、施工风险管理、环境保护、运营事故控制以 及财务分析等等，可以说是国内风险分析技术应用在隧道工程上的第一个大型项 目。 廖伟权、邓思泉在施工进度的风险分析中对影响施工进度的风险因素进行了 辨识，并利用统计资料和决策树方法对工期风险进行估计和评价，并找出最大风 险源。 1 2 3 国内外风险管理现状 项目风险管理问题起源于第一次世界大战时的德国，2 0 世纪3 0 年代在美国得 到发展，5 0 年代以来，受到了欧美各国的普遍重视和广泛应用并取得了很大的成 果，如原子弹曼哈顿计划。2 0 世纪8 0 年代以来，随着高新技术的快速发展，以及 经济的全球化，项目风险管理研究逐步向系统化、专业化的方向发展，管理的范 围和应用的领域也不断扩展。国外由于起步较早，研究也比较深入，产生了主观 评分法、层次分析法、模糊风险综合评价法、决策树法、等风险图法、p e r t 法、 m c 法等风险管理技术。同时，应用的领域也涉及到航空航天、军事、经济、工程 甚至政治等各个方面，取得了很大的经济和社会效益。1 9 8 3 年，美国r i e s 年会上， 世界各国学者共同讨论并通过了“1 0 1 条风险管理准则”，作为各国风险管理的一 般准则。英国的c h a p m a n 教授在r i s ka n a l y s i sf o rl a r g ep r o j e c t s ：m o d e l ，m e t h o d c a s e s ) ) 一书中提出了“风险工程 的概念，它是对各种风险分析技术的集成，以 更有效的风险管理为目的，使得在高层次上大规模应用风险研究成果成为可能。 1 9 8 8 年，联合国出版了关于风险管理的研究报告：t h ep r o m o t i o no fr i s k m a n a g e m e n ti nd e v e l o p i n gc o u n t r i e s ) ，对世界各国，尤其是发展中国家产生了较大 的影响。 我国引入风险管理理论较晚，在项目风险管理方面仍然是一个薄弱环节。在 工程项目风险管理方面，工程项目风险管理的知识还没有得到普及，熟悉或研究 工程项目风险管理的入也不多，开始全面实施风险管理的工程项目也很少，一般 仅限于关系国计民生的超大项目，即使如此，特大项目的风险管理也不全面。近 几年，对于风险的研究已成为现代项目管理领域的热点之一，工程建设领域的风 险管理己受到理论界、企业界和国家有关部门的重视，国内也出现了很多专家和 学者对风险管理作了较为深入的研究，出现了一些研究性的论文和书籍，为工程 建设风险管理提供了一定的理论基础。 目前国内外各公司或研究机构，在从事的隧道工程风险管理项目上，对隧道 施工风险的辨识还不够全面，有的甚至单凭施工经验来辨识隧道施工过程的风险， 这样的辨识方式不能客观的反映出隧道施工项目所处的风险状态。虽然，目前针 对隧道施工风险辨识的方法有很多，但是还没有一种方法得到一致的认可。 1 3研究内容及目标 1 - 3 1 研究内容 1 转龙湾隧道风积砂地层隧道超前加固等关键技术研究。 2 转龙湾隧道风积砂地层隧道施工方法与掘进工艺的研究，隧道施工组织与 掘进工艺的优化，施工原则的制定。 3 转龙湾隧道施工风险因素分析，风险源辨识，初始风险分级，风险处理对 策与控制措施制定，施工全过程动态化风险管理安施方案。 1 3 2 研究目标 1 保障转龙湾隧道安全、顺利施工，控制工程成本。 2 解决风积砂隧道施工中注浆加固、超前支护、仰拱支护和施工工艺等技术 难题，为风积砂隧道施工提供合理的施工方法。 3 建立转龙湾隧道施工组管理体系，实施动态化的全过程风险管理，降低风 险概率与后果损失，降低风险等级，为包神线改建工程实施风险管理提供经验和 方法。 1 4 研究方法与技术路线 1 4 1 研究方法 1 在设计勘探工作基础上，现场调查转龙湾隧道所在地区的地貌，查明隧道 通过地段沙丘( 地) 的类型和分布情况；掌握风沙活动规律、危害程度、防风固 沙的成功经验和教训；搜集本地区气温、蒸发、降水、风向、风速及其出现频率， 风沙日数等资料。 调研国内外风积砂隧道旌工技术和沙漠铁路建设经验，调查既有铁路沿线沙 害的发生、发展过程，整治经过和效果及现状，了解防沙林带设计、施工过程， 水源条件，林木生长情况和环境保护措施等。 2 进行工程类比分析，优化转龙湾隧道的支护方案、二次衬砌施作时机；优 化确定转龙湾隧道超前支护、仰拱支护及浅埋段加固等关键技术方案、措施。 3 实施施工风沙工程地质工作。预测和及时处理施工中出现的风沙工程地质 问题。根据风沙现状、特点及其发展趋势，预测风沙可能对施工造成的危害，提 出相应的施工技术措施。施工中发现原有风沙资料与实际不符，及时进行复查、 修正，并根据实际情况，提出变更设计或增减工程项目。 4 在转龙湾隧道施工过程中，监控量测围岩变形、支护应力与变形、围岩与 支护之间的相互作用，根据量测结果，指导隧道开挖与支护施作时机，进一步优 化隧道开挖方法与掘进工艺。 5 分析转龙湾隧道施工风险因素，辨识风险源。根据事故发生规律和发生后 果，划分风险初始等级。 6 研究各风险因素的对策，提出各风险因素的处理措施，对重大风险源，给 出应急预案。建立转龙湾隧道施工风险管理体系，包括目标、内容、组织和实施 细则。实施隧道施工全过程的动态风险管理。 1 4 2 技术路线 图i - i 论文研究技术路线图 l 现场调查转龙湾隧道所处地区的工程地质和水文地质特性 i 取样进行物理力学分析 l 风积砂地层注浆加固室内浆液配比试验 i 风积砂地层注浆加固模拟试验与现场试验 l l 优化隧道开挖方法与掘进工艺 l 风险分析 l 风险处理对策与技术措施 2 转龙湾隧道工程概况 2 1工程基本概况 转龙湾隧道位于转龙湾车站以南，隧道近似平行于乌兰木伦河，穿行于乌兰 木伦河左岸三级阶地上。 地表为风成沙地地貌，分布大量半固定沙丘，且沙丘相连大范围分布，隧道 在沙丘下方穿行。沙丘之间对为洼地，地形起伏，高差多在1 0 - - 一4 0 m 之间。隧道 最大埋深3 0 0 m 。左线起讫里程为d z k1 3 5 + 1 5 2 - - - d z k1 3 6 + 4 4 2 ，进口段7 0 1 1 9 m 处在直线上，出口段5 8 8 8 1 m 处在r = 1 2 0 0 m 的曲线上，全长1 2 9 0 m 。右线起讫里 程d y k1 3 5 + 1 1 0 - - d y k1 3 6 + 4 2 6 ，进口段5 0 7 1 6 m 处在直线上，出口段1 9 0 4 8 1 m 处在r = 1 2 0 0 m 的曲线上，全长1 3 1 6 m 。左右线洞内线路坡度分别依次在7 2 、 6 7 的单面下坡上，左、右两线线间距在2 0 - - - 8 8 m 之间。 2 2 隧道地质条件 2 2 1 工程地质特征 隧道范围基岩埋深较大，地表为第四系全新统风积砂细砂，风积层下部为第 四系上更新统冲积中砂。砂层厚度可达4 0 - - - , 5 0 m 。隧道进、出口位于全新统风积 细砂中，洞身大部分位于第四系上更新统冲积中细砂中。 1 第四系全新统 细砂( 饼以4 ) ：成层分布于地表，形成沙丘、沙地。厚度5 2 0 m 。黄色，砂 质纯净、均匀，颗粒主要成分为石英，分选性好。松散、稍密、稍湿。i i 级普通 土。 2 第四系上更新统 细砂( 纠o ) ：分布于风积砂下部，厚度2 0 - - 4 0 m ，砂质纯净，颗粒均匀，稍 湿一潮湿，中密一密室。i 级松土，o o = 1 8 0 2 5 0 k p o 。 中砂( 9 0 1 3 ) ：分布于风积砂下部。厚度2 0 - 4 0 m 。黄色为主，砂质纯净，均 2 韭立窑适本生主些亟堂焦选童壁燕煎壁遒王显拯丑 匀。颗粒只要为石英，局部灰色，黏粒含量较高。中密一密实，稍湿一潮湿。i 级松土，“；2 5 0 3 0 0 k p o 。 图2 - l 2 2 反映了转龙湾隧道风积砂地层的实际情况。 图2 - 1 转龙湾隧道进口处地层 2 2 2 地质构造 田2 - 2 转龙湾隧道进口处地层 区域位于鄂尔多斯高原剥蚀丘陵区，线路穿行于乌兰木伦河三级阶地前缘 阶地面平坦开阔，前缘斜坡较陡，地表覆盖风积砂；阶地地层简单，勘察深度内 未见基岩出露，未见有大的构造发育。 2 23 不良地质及特殊岩土问题 j e 塞銮逗盔堂童些亟堂焦迨塞缝蕴煎隧道王壁匮逸 本段不良地质为风沙。隧道范围地表为风积砂，多半为固定沙丘、沙地分布。 既有线两侧均采用埋置草木栅格及种植草木的方式进行固沙，效果良好。同时铁 道部门在隧道所造山丘上部也种植了一些草木人工固沙，有一定效果。大部分地 段仍为半固定沙地、沙丘。尚需进一步进行固沙。 2 2 4 水文地质特征 1 地表水特征：隧道上方无地表水。 2 地下水的类型、埋置情况及其变化特征：隧道位于风积砂及冲积砂层中， 本次勘探未揭露地下水。 2 3工程地层性质 风积砂一般具有结构松散、级配不良、孔隙率大、透水性强、保水性差、水 稳性好、粘聚力小甚至无粘聚力及抗剪强度低等特点。其矿物成分以石英、长石、 云母为主，易溶盐含量少，呈微碱性，其本身无腐蚀性。在自然状态下干容重一 般为1 4 9 c m 3 ，湿容重约为1 5g c m 3 ，压实后最大干密度可达1 7 6 2 0 0 铡3 。 天然含水量低，最低不足l ，最大不超过5 。风积砂颗粒很细、单一均匀，其 c u 一般在2 6 - 3 1 、c c 在0 9 - 1 6 ，粒径o 2 5 0 0 74 m m 的占总量的9 0 左 右，级配曲线较陡。由于特殊的物理性质，使得其压缩变形小，压缩量与荷载呈 指数关系，常规的重型击实无法测出其最大干密度，c b r 值也无法测出。回弹模 量较大，一般为7 0 , - - - , 9 0m p a ，在荷载反复作用下其值可大于1 0 0m p a 。 风积砂的力学性质包括风积砂的压缩性、抗剪强度、夯实性质，风积砂的地 基承载力及变形模量等。风积砂属单粒松散结构，颗粒之间无粘聚，在所有的土 类中压缩性最低。其压缩性决定于其颗粒级配、颗粒形态大小、原始孔隙度及相 对密度等。风积砂在常压下压缩变形速度很快，压缩变形大部分属于永久变形， 弹性变形部分很小。这证明通常压力下风积砂的被压缩是颗粒移动和结构变形的 结果，处于疏松状态的风积砂采用机械压实易达到密实状态。风积砂地基上的建 筑物沉降量一般很小，且在施工过程中将完成大部分变形量，地基沉降可达稳定。 根据试验结果其压缩系数为6 x1 0 。4 8x1 0 - 4m p a ，渗透系数3 1 3 8 1 0 - 3 - - 4 1 2 7 4 j 蔓塞銮逢态兰童些丝主芏盈监塞篷蕉澶隧道王蕉煎逸 1 0 。c r r ds 。风积砂的c 值与粘性土相比数值极小，并且是由于砂粒间咬合剪胀 引起的假粘聚现象。风积砂的内摩擦角取决于其矿物成分、粒度成分、颗粒形态、 密实度和剪切速度。据试验结果，风积砂的c 值1 1 0 5 一- , 1 2 1 9 8k p a ，西值2 5 。 - 一3 1 。 风积砂的允许承载力及变形模量随埋深、密实程度的不同而变化较大。 2 4转龙湾隧道风险管理的必要性 转龙湾隧道地处风积砂地层中，在隧道掘进过程中，开挖扰动后成为完全松 散体，自稳能力极低，开挖后很难形成开挖面。其次，在支护过程中，沙粒能从 极小的支撑缝隙中流淌出来，砂层自身承载力低，极易造成支护结构过量沉降， 并会波及地面，形成陷坑。同时，转龙湾隧道埋深浅，隧道在浅埋风积砂层掘进 时，山体压力大，易发生支撑木板弯曲折断、核心土失稳、管棚压弯，开挖面坍 塌，施工极不安全，且难以确保施工质量，施工进度缓慢。另外，当开挖下部边 墙时，拱脚处砂体被扰动后拱背漏砂，极易发生掉拱或坍塌事故。 由于上述该隧道的这些特点，在施工中极容易出现坍塌和流砂现象，工程安 全和质量得不到保证，为了保证隧道施工的安全，进行必要的风险分析及评估是 必要的。 i 垦塞交塑厶堂童些亟堂位诠塞隧道旌王室全凰险的佥堑拯萱堡 3 隧道施工安全风险的分析及管理 3 1隧道安全风险评估工作的分类 隧道风险评估按工程的生命周期及评估目的可分为隧道风险预评估、隧道风 险验收评估、隧道引起的环境现状风险评估等多种类型。 隧道风险预评估，是以隧道工程建设的可行性研究报告为依据，在隧道初步 设计之前进行的风险评估研究，用以预测建设项目中可能存在的风险及其应对风 险的对策、措施及建议，为隧道建设项目的初步设计提供依据，以保障工程建设 的成本效益。 进行隧道风险验收评估需要提供隧道详细的设计与竣工文件和隧道施工现场 实际情况作为评估依据，对设计与施工中的缺陷或不足之处提出整改措施。 隧道施工引起的环境风险现状评估除需要提供与上述隧道风险验收评估的相 同材料外，还应提供与环境相关的维护、修缮和运营的相关材料。必要时，还须 做许多环境工程材料性质和结构、使用等方面的检测工作。环境风险现状评估可 以对环境工程的继续使用提供依据，甚至可以预测继续使用的工程寿命。 3 2隧道施工安全风险分析 隧道工程与其他工程相比，具有隐蔽性、施工复杂性、地层条件和周围环境 的不确定性等的突出特点，从而加大了施工技术的难度和建设的风险性。目前对 隧道工程中风险的认识没有统一，对风险与危险的区别没有明确认识。对于隧道 工程而言，风险是在以工程项目正常施工为目标的行动过程中，如果某项活动或 客观存在足以导致承险体系统发生各类直接或间接损失的可能性，那么就称这个 项目存在风险，而这项活动或客观存在所引发的后果就是风险事故。 周茂森总结了铁路隧道施工中的主要风险因素，与其它隧道施工风险相比， 具有一定的共性，包括： 1 由于岩土性质、工程水文地质条件复杂，隧道施工的风险是客观存在的； 2 由于勘察设计资料有限，设计计算理论不完善和在隧道施工中会不可避免 6 j e 塞窒适态堂童些亟堂鱼诠塞隧道旌兰塞全拯险数公堑拯筻堡 地遇到一些突发偶然事件等原因，使得隧道施工的风险具有发生的偶然性和大量 发生的必然性； 3 在隧道施工过程中，由于试验数据离散性大，勘察报告提供的场地性质资 料有限，地下情况的不可预知性，施工风险的可变性就更加明显； 4 由于隧道施工对场地周围土体的扰动大，造成了对场地周围建( 构) 筑物、 地下管线、桥梁、既有地铁线、居民生活和环境的影响，除本身的技术因素影响 外，隧道施工还不得不与外部环境发生关系，这样使得隧道施工风险不但具有内 部因素的多样性，而且还具有鲜明的层次性，同时也使得隧道工程风险更加复杂 化。 施工期的风险由于其事故的高发性和对经济效益的制约性而成为工程风险分 析研究的焦点，对隧道工程施工过程中的风险因素可以归纳以下几个方面： 1 水文地质条件的复杂性导致的自然风险和环境风险 工程水文地质条件是隧道设计和施工最重要的基础资料。其复杂性主要表现 在： ( 1 ) 地层方面体现在地层层次分布情况、不同岩土介质材料的物理力学性质 与参数、岩土介质在切削搅拌后的流动性、粘性和变形以及各种不良地质情况( 如 潜在有害气体的侵入) 等。 ( 2 ) 水文资料方面，主要包括：岩土的渗透性、含水量、流向与流速；水位、 水压和水的冲刷力；水的腐蚀性；水的补给来源等。 ( 3 ) 地层中的其它障碍物，主要包括：建筑或其它构筑物基础、各种管线设 施、废弃构筑物、其它孤立物，如孤石或江底沉船等。 2 建设中的机械设备、技术人员和技术方案的复杂性引起的施工风险 隧道工程建设中，建设队伍、机械设备、施工操作技术水平等对工程的建设 风险都有直接的影响。由于工程施工技术方案与工艺流程复杂，且不同的工法又 有不同的适用条件，贸然采取某种方案、技术和设备势必会产生风险。同时，整 个工程的建设周期长、施工环境条件差，这些对施工单位人员都很容易产生不良 影响，容易导致出现各种意外风险事故。 ( 1 ) 施工技术风险因素 新技术、新方法的应用困难或失败，施工工艺的落后，施工技术与方案不合 7 理，施工进度不合理，现场工作不均衡系数大，隧道施工技术问题的不确定性， 爆破控制不当，隧道轴线定位偏差，隧道变形超出控制以及质量检测技术失误等。 ( 2 ) 施工现场风险因素 地质资料的不确定性、工作面塌方、密封漏损、岩爆、瓦斯爆炸、有毒气体 释放( h 2 s 气体等) 、岩溶、突涌水、洞外危崖落石、危石、洞口滑坡、施工用电 事故、通讯不畅以及安全措施不力等。 ( 3 ) 设备风险因素 包括隧道掘进机损坏、刀具磨损过快、施工设备备件短缺、施工设备维修不 当、设备安装调试失误以及机电设备安装事故等。 ( 4 ) 原材料和成品半成品材料风险因素 原材料和成品半成品的订货或供应不足、原材料和成品半成品品种和数量的 差错、原材料和成品半成品质量和规格不合格、运输存储和施工损耗以及特殊材 料或新材料质量稳定性等。 ( 5 ) 进度施工管理及人员素质 施工控制计划不完善、施工控制计划可操作性差、施工控制计划组织机构人 员不落实、施工控制信息不畅通、有效控制方法落后、管理人员素质差以及承包 商和监理工程师不合作等。 3 工程建设的决策、管理和组织方案的复杂性 在规划、设计、施工和运营期的全寿命周期内，最主要的问题就是建设的决 策、管理和组织。隧道工程与其他工程项目相比，由于具有隐蔽性、复杂性和不 确定性等突出特点，工程投资风险很大，无论是哪个阶段，都会遇到很多决策、 管理和组织问题。从工程立项规划开始，如何选择合理的工程建设地址、技术方 案、如何减少工程对周围环境的影响、如何评估工程建设的经济效益和社会效益、 如何保持整个工程建设的“绿色 和可持续性，每一个问题的决策与执行都需要 综合各种的风险和效益。 4 重大事故风险：火灾、爆炸等。 可以看到，由于隧道工程孕育风险的环境，加上致险因子的诱导，就有可能 引发各类风险事故的发生，进一步对各种承载体造成损失。 具体来说，隧道施工存在的主要安全风险因素，如表3 1 3 5 所示。 表3 1 隧道施工安全风险因素 芝 塌方突水突泥地层大变形 风险因素 施工准备情况见表3 - 3 施工地质勘察见表3 - 4 开挖方式 循环进尺 爆破器材检查和落实 预留变形量 开挖情况 地下水处理 爆破方法 隧道超挖情况 断面变化处或工法转化处 注浆堵水措施 施工期防排水 排水措施 降水措施 支护刚度 超前支护 预注浆 地层与加固与改良 支护及衬砌情况 支护时机 支护方法 支护质量 闭合成环周期 注：其中打“”表示该风险因素对风险事件有影响，以下表同。 9 监交道太堂童些亟堂僮途塞瞳遵照王室全凰险的筮逝丞簧堡 续表3 - i 隧道施工安全风险因素 地层大变 二芝 塌方突水突泥 风险因素 形 机械设备防护 防护情况 人员防护 水量、水质、水压 掌子面稳定情况 量测器材及布置 监控量测 量测频率 规范要求监测项目 监控量测制度 信息反馈及处理 施工管理见表3 4 隧道特征见表3 5 其他见表3 - 6 注：其中打“”表示该风险因素对风险事件有影响，以下表同。 表3 - 2 隧道典型风险因素( 补充表3 - 1 ) 表3 3 隧道典型风险因素( 补充表3 - 1 ) 1 0 表3 4 隧道典型风险因素( 补充表3 - 1 ) 隧道特征 埋深 断面大小 长度 坡度 辅助坑道 其他 3 3隧道施工安全风险评估方法 隧道施工风险评估是在比