基于肯特危險指數法的盾構隧道刀具磨損風險評價

王 淵，吳永忠，冷 星，吳永春

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007; 2.安徽富煌鋼結構建筑工程設計研究有限公司，安徽合肥 230088)

基于肯特危險指數法的盾構隧道刀具磨損風險評價

王 淵1，吳永忠1，冷 星1，吳永春2

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007; 2.安徽富煌鋼結構建筑工程設計研究有限公司，安徽合肥 230088)

根據肯特危險指數法的原理，結合盾構隧道工程特點，建立了適用于盾構隧道工程的指數法風險評價模型，利用該模型對某越江隧道盾構掘進過程中刀具磨損進行了風險評價，得出該施工段盾構刀具磨損風險為不可接受的風險，初步驗證了模型的可用性。

隧道工程; 指數法; 刀具磨損; 風險評價

盾構以其固有優勢在我國地下工程建設中得到了廣泛應用，但其在地下隧道施工中面臨著諸多復雜工況，其中長距離復雜地層掘進、刀盤選型不合理、刀具設計不適應地質條件等原因導致的刀具過度磨損及非計劃換刀成為嚴重的工程問題之一［1］。為保證施工順利實施，在施工前和過程中對刀具磨損風險進行評估，根據評估結果為施工提供風險應對措施，以避免出現因刀具嚴重磨損帶來的水下換刀等高風險事故，是十分必要的。本文基于肯特危險指數法，提出一種適用于地下盾構隧道工程的風險評價模型，并對利用該模型對某越江隧道盾構掘進過程刀具磨損風險進行評價。

1 風險評價模型的建立

1.1 肯特危險指數法簡介

肯特危險指數分析法，用于長輸管道風險分析，具有方法獨特、簡單易懂、結果直觀及便于操作的特點，在長輸管道的安全分析、評價中發揮了巨大作用，成為現代安全管理系統工程的重要組成部分［2］。

肯特危險指數法的基本評價過程，是在分析各段管道的獨立影響因素后，求取它們的指數和，再分析介質的危險性和影響系數，最后求取各段管道的指數和與泄漏影響系數的比值，即相對風險數，以此確定各管段的風險程度。相對風險數越大，管道的風險越小，相對風險數越小，管道越安全［3］。其基本評價流程如圖1所示。了概率的因素，符合隧道工程同時存在多種不確定風險因素、難以確定準確概率等實際情況，某種程度上更具實用性。借鑒肯特危險指數法的思想，對其指數分類及評價模型進行改進，使之適用于盾構隧道工程風險評價。

圖1 肯特危險指數法評價程序

1.2.1 指數分類

根據盾構隧道施工的特點，將指數分為四大類:基本條件指數、選型設計指數、施工綜合指數、風險后果指數。

(1)基本條件指數是指工程客觀基礎條件。此類指數包括:工程水文地質條件、周邊環境條件、隧道特性條件等。周邊環境條件指施工中需要考慮相互作用、影響的建筑物等情況;隧道特性指數是指隧道的尺寸、坡度、轉彎半徑等隧道自身的特性。

(2)選型設計指數是在考慮工程客觀基礎條件后做出的有針對性的設備選型及輔助施工技術。例如盾構機的選型和設計、進出洞加固設計、環境保護加固設計、降水止水設計、施工方法設計、管片的選型和設計等。

(3)施工綜合指數指施工期間的操作和管理水平，主要包括具體施工方法的選用、施工技術水平、工期影響、外界環境以及施工預控措施五個方面。

(4)風險后果指數是指風險事件發生造成的人員傷亡、社會、環境、經濟等方面的不良結果和影響。

1.2.2 風險評價模型

結合風險評價的基本模型［4］，構建指數法評價模型:

式中:B為基本條件指數;D為選型設計指數;C為施工綜合指數;A為后果指數。

模型中p不是確切的概率，而是一個具有概率意義的指數值，該值越大，風險發生的概率越大，該值越小，相應的風險概率也越小?；緱l件指數、選型設計指數、施工綜合指

1.2 指數法風險評價模型

肯特危險指數法中的指數評分不是確切的概率，但包含數共同構成了風險概率指數，后果指數代表事故產生的損失，兩者的乘積為風險值。指數法風險評價的流程見圖2。

圖2 指數法風險評價框圖

1.2.3 風險概率指數計算公式

各指數相對獨立是肯特危險指數法的基本假設之一，總體上與管道風險發生的實際情況相適應，但不適用于致險因素復雜多變的盾構隧道工程風險評價。在隧道工程客觀基礎條件一定的情況下，設備選型、工法選擇的合理性，施工人員技術、管理水平的高低，都會對施工結果產生影響。因此，在隧道工程中，指數的關聯性必須加以考慮。

基于以上思想，建立本模型的風險概率值計算公式:

式中:D0為選型設計標準值;C0為施工綜合標準值，均為根據經驗確定的定值。該值表明設計、施工水平處于一般水平，該水平的選型設計及施工不會對由工程客觀基礎條件導致的災害事故風險概率大小產生影響。

引入選型設計系數Dk及施工綜合系數Ck，令Dk=D/ D0，Ck=C/C0，則風險概率計算公式變為:

Dk、Ck的值分別在1的左右。若它們大于1，表明設計、施工會增大事故風險概率指數，增大事故發生的概率;反之亦然。

指數取值范圍的確定及定量評分是一個非常困難的過程，需要綜合大量專家意見、工程經驗及數據的支持，并在實際應用中不斷完善，使得打分更具科學性、可信性。

1.2.4 風險發生可能性等級

風險發生的可能性大小采用指數評分的方式來表達。三類指數的取值范圍均為0～100，各標準值的取值為50，具體見表1。

表1 風險可能性分級

1.2.5 風險發生后果等級

風險后果指數包括環境影響、人員傷亡、工期影響、經濟損失和社會影響五個方面。參考《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》，對后果指數進行分級，具體見表2。

表2 后果指數分級

一個風險事件通常會帶來幾種風險后果，綜合考慮后果等級劃分方法，以最嚴重的風險后果等級為總的風險后果等級。

1.2.6 風險接受準則

參考《城市軌道交通地下工程建設風險管理規范》中的風險接受準則劃分方法，根據指數法評分規律和特點，劃定風險接受標準。

表3 指數法風險接受準則

2 某越江隧道盾構刀具磨損風險評價

2.1 工程概況

某越江盾構隧道全長約 3 000 m，穿越江底段長超過2 500 m。隧道穿越段主要地層為:粉細砂層、礫砂層、圓礫層和極少的強風化泥巖。各地層中砂石含量普遍較高，部分地段高達70%以上，對刀具的耐磨性是很大的考驗［5］?，F采用指數法對某工程K4+462至K5+988標段施工過程刀具磨損風險進行評估。

2.2 指數的確定及風險值的計算

刀具的磨損可分為兩類:一是正常磨損;二是刀刃崩裂及刀刃硬質合金脫落等非正常磨損。通過文獻［6］～［9］對刀具磨損原因的分析，確定其基本指數、選型設計指數及施工綜合指數。

2.2.1 基本條件指數

地層土體條件因素對兩類磨損的影響程度差異較大，因此基本指數包括:正常磨損指數B1，非正常磨損指數B2。

計算公式為:B=B1+B2

考慮到在刀具磨損量一定情況下，地層土體的可挖性與掘進距離是反比的關系，B1、B2的取值為地層土體條件評分與掘進距離評分的乘積。具體見表4。

表4 基本條件指數評分

2.2.2 選型設計指數

刀具選型設計指數包括:刀盤結構的布置合理性D1，刀刃硬質合金抗折斷能力D2，刀刃硬質合金和刀體連接工藝D3，磨損監測裝置D4。具體評分見表5。

計算公式為:D=D1+D2+D3+D4

表5 選型設計指數評分

本工程:D=D1+D2+D3+D4=30+12+12+12=66則，Dk= 66/50=1.32

2.2.3 施工綜合指數

施工綜合指數包括:施工技術水平指數C1，預防措施實施指數C2，兩者有權重有所不同。C=0.6C1+0.4C2

表6 施工綜合指數評分

因無法獲知本工程施工綜合指數情況，故取一般值C= 50，則Ck=1。

2.2.4 風險評價

由以上各項，計算風險概率值:

p=B×Dk×Ck=46.5×1.32×1=61.38

由于該段處于江底，一旦刀具嚴重磨損導致江底帶壓開艙換刀，工期延誤長，經濟損失大，查看表2，風險后果值取: A=80。

則本掘進段盾構刀具磨損風險值為:

R=p×c=61.38×80=4910.4

由表3可知，該風險為一級風險，屬不可接受的風險，必須采取相應措施降低風險。

3 結論

(1)借鑒肯特管道風險指數評價法的原理，結合盾構隧道工程特點，建立了適用于盾構隧道施工的指數法風險評價模型，該模型簡單、易用。

(2)用該模型對某越江盾構隧道江底段刀具磨損風險進行了評價，得出該段刀具磨損風險為不可接受的一級風險，初步驗證了該評價法的可用性。

［1］ 黃清飛.砂卵石地層盾構刀盤刀具與土相互作用及其選型設計研究［D］.北京交通大學，2010

［2］ W·Kent Muhlbauer.管道風險管理手冊［M］.北京:中國石化出版社，2004

［3］ 張華兵，程五一，周利劍，等.管道公司管道風險評價實踐［J］.油氣儲運，2012，31(2):96－98

［4］ 吳賢國，王鋒.R=P×C法評價水下盾構隧道施工風險［J］.華中科技大學學報(城市自然版)，2005，22(4):44－46

［5］ 郭信軍，閔凡路，鐘小春，等.南京長江隧道工程難點分析及關鍵技術總［J］.巖石力學與工程學報，2012，31(10):2154－2160

［6］ 鄒積波.盾構刀具磨損原因探析［J］.建筑機械化，2003，24 (11):57－58

［7］ 劉高峰，宋天田.成都地鐵盾構刀具磨損分析研究［J］.隧道建設，2007，27(6):89－93

［8］ 張公社.南京長江隧道盾構刀具設計改進及工程應用研究［J］.國防交通工程與技術，2009(4):39－44

［9］ 張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004

U458.1

A

［定稿日期］2012－12－17

王淵(1983～)，男，碩士研究生，主要從事工程安全風險評估研究。