黃土公路隧道塌方風險事故樹探析

米東陽

(山西交通科學研究院，山西太原 030006)

0 引言

近年來，山西省高速公路發展極為迅速，隨之而來的是工程事故的經常發生，地下工程的風險也就越來越引起人們的關注。黃土在山西境內廣泛存在，塌方是黃土公路隧道施工中常見的事故，國內大部分在建或已建的隧道均發生過不同程度的塌方，塌方不僅給隧道施工帶來巨大的困難，而且嚴重威脅著人員和工程設備的安全，給工程帶來巨大的經濟損失和嚴重的社會影響。

事故樹分析法(Accident Tree Analysis，簡稱ATA)起源于故障樹分析法(簡稱FTA)，是安全系統工程的重要分析方法之一，它是從要分析的特定事故或故障開始(頂上事件)，層層分析其發生原因，直到找出事故的基本原因(基本事件)，從而確定系統事故原因的各種組成方式及其發生概率以計算系統的事故概率，并據此采取相應措施。它不僅能分析出事故的直接原因，還能深入地揭示出事故的潛在原因［1］。

目前關于黃土公路隧道塌方的研究基本上是基于個體實例的分析，研究集中在隧道塌方的災后處理措施上，缺乏對隧道塌方原因全面地整理和深入地研究。文章通過深入地分析黃土公路隧道塌方的各種因素，利用層次分析方法，找到黃土公路隧道塌方的各種因素，利用事故樹分析方法，找到導致隧道塌方產生的途徑，期望能為進一步提高我省黃土隧道塌方風險評估與管理技術水平做出貢獻。

1 塌方事故原因分析

目前，關于黃土公路隧道塌方產生的原因，一般認為包括地質因素、設計因素、施工因素和管理因素［2，4］。

1.1 地質因素

復雜的地質因素通常被認為是導致隧道塌方的重要因素之一。施工過程中地質因素的千變萬化和其很多時候的不可預見性是造成塌方事故的決定性原因。1)遇斷層破碎帶影響區。斷層破碎帶地應力集中，地下水發育，以往資料表明，地下工程的塌方大多是由斷層破碎帶造成的。2)偏壓地形。在隧道進出洞口，由于地質因素形成偏壓，導致圍巖應力集中，在隧道開挖中極易發生塌方事故。3)水文地質因素。水文地質包括地表水與地下水兩部分，水是促使各類地質災害發生和發展的主要因素之一。由于黃土的特殊結構強度，在水比較發育時，黃土的力學強度大大降低，引起塌方。

1.2 設計因素

1)開挖方法不對。黃土公路隧道一般采用礦山法施工。在選擇施工方法時，主要影響因素是黃土的地質情況。黃土的沉積歷史較久，強度就高，往往采用大臺階法開挖。黃土的地質條件差，則需要隨開挖隨支撐，防止圍巖塌方，開挖后，不宜久露，需要及時修筑永久支護結構。開挖方法不當引起的塌方很大程度上是由于設計者對圍巖判別的不準確造成的［3］。

2)支護參數偏小。由于黃土的地質分類只是一個定性的概念，同一類黃土，其結構與地質條件不盡相同，其自穩能力也就不一致，此時支護參數的設計尤為重要。設計者對隧道所在區的水文地質情況了解不清，地質資料不詳細，對可能遇到的斷層影響，富含水等情況估計不足，對偏壓黃土隧道沒有進行有效合理的支護;另外，為減少工程投入，設計者設置的安全支護參數過小，不能起到支護穩定圍巖的作用，而最終導致較大塌方事故的發生。

1.3 施工因素

1)初期支護和超前支護不及時或措施不當。良好和及時的初期支護和超前支護是預防塌方的有效手段［4］。隧道在開挖后，由于山體原先的應力平衡被打破，必然要進行應力重分布，出現變形、松弛、擠壓等現象。在施工過程中，應根據不同的地質情況及圍巖變形進行合理支護。初期支護不及時，黃土暴露時間過長，以及超前支護不及時造成的局部塌落以及在圍巖類別有變化時，未根據實際情況及時調整支護方案，是造成塌方的原因之一。

2)施工工藝缺陷。施工過程中存在的工藝操作不符合施工技術規范的要求，管理不到位，質量控制不嚴、安全意識不強也是造成塌方的另一個原因。常發生的施工質量問題有錨桿長度不足、錨桿砂漿不飽滿或強度尤其早期強度不足、噴混凝土強度厚度不達設計要求、鋼支撐未完全由噴射混凝土包圍密實、鋼支撐與圍巖之間存在空隙、鋼支撐未置于穩定堅固的基礎上等。以上施工工藝缺陷直接造成支護抗力未達到設計要求或圍巖未粘結緊密使無彎矩結構產生彎矩而導致塌方。

3)爆破產生的不利影響。爆破是礦山法隧道開挖的基本方法。爆破會對周邊的圍巖產生擾動，爆破引起的震動導致瞬間巨大的地壓力，增大了初期支護的荷載，使支護體系破壞。若隧道爆破施工作業不合理，光面爆破效果差，周邊參差不齊，產生欠挖或者超挖，由于欠挖而進行的二次爆破，以及因超挖而回填不及時或不密實則都可能造成圍巖應力的進一步調整，從而擾動破壞了圍巖的穩定。超挖還會導致初期支護的格柵拱架或工字鋼拱架不能與圍巖直接接觸，減弱了支護作用，加大產生塌方的隱患。

1.4 管理因素

1)未經上級技術部門同意，擅自改變施工工法，如開挖工法、支護方式等;不嚴格遵守文件、施工組織設計、《隧道施工技術規范》《隧道驗收評定標準》的要求和規定而進行施工，達不到“均衡生產、有序施工”的要求。2)安全意識不強，在施工中存在投機心理、偷工減料、弄虛作假等，造成施工質量遠遠達不到設計要求。3)由于盲目趕工期、減造價等宏觀決策，忽視設計文件的要求，違背“管超前、嚴注漿、短開挖、強支護、快封閉、勤量測”的施工原則。引起施工過程中強行追求進度，造成開挖進尺太大或施工工法粗糙而增加塌方風險。4)采用新奧法施工時，沒有按時、按量的開展量測工作，或雖開展了量測工作，但未及時進行信息反饋，采取必要支護措施，從而造成決策失誤。

2 黃土公路隧道塌方事故樹

事故樹是通過許多邏輯門和中間事件把頂事件與底事件連接起來的樹狀結構，以此來描述頂事件與底事件之間的內在邏輯關系。

2.1 事故樹繪制

根據分析和資料統計結果，確定了21個底事件，事件及其符號見表1;根據因果關系，繪制事故樹，見圖1。

表1 事件及其符號

2.2 事故樹的定性分析

所建故障樹分析模型中的頂上事件的底事件有21個，根據布爾運算規則，頂事件塌方的發生以最小路徑和最小割集的并集形式表示。計算圖1中事故樹的最小割集與最小路徑，得其最小割集為132個，其中{X14}為一階最小割集，{X01}{X03}{X04}{X05}{X06}為二階割集中出現兩次的底事件，構成二階最小割集共55個，例如，{X01X16}表示在X01(洞口淺埋)和X16(錨桿長度不足或間距不均)同時發生時，頂事件T(黃土公路隧道塌方)才會發生，其他最小二階割集類似。

圖1 黃土公路隧道塌方風險事故樹

根據結構重要度原則［5］單事件最小割集中的底事件引發頂事件發生的概率最大，僅出現在底事件個數相等的若干個割集中的各底事件發生概率依出現次數而定，即出現次數多，底事件誘發頂事件的概率大，出現次數少，底事件誘發頂事件的概率小。

因此綜合分析可得出底事件的重要性排序:

其中重要性排序位居前9項的底事件如表2所示。

表2 事件重要性排序前9項

3 結語

以上通過對黃土公路隧道塌方風險事故樹的建立及淺析，得出如下結論:

1)黃土公路隧道塌方事故發生的機理復雜，通過分析誘導塌方因素，建立的塌方事故樹簡明、清晰、邏輯性強，是分析黃土公路隧道塌方較為有效的方法。2)黃土公路隧道塌方事故樹分析中共研究了21個底事件，通過事故樹分析方法，確定了塌方發生的主要誘導因素，對施工有一定指導意義。

［1］ 蔣軍成，郭震龍.安全系統工程［M］.北京:化學工業出版社，2004.

［2］ 田 兵，楊建國，張 曉.淺埋軟弱黃土公路隧道圍巖變形與襯砌受力特征［J］.交通標準化，2010(7):109-111.

［3］ JTG D70-2004，公路隧道設計規范［S］.

［4］ 陳建勛，喬 雄，王夢恕.黃土隧道錨桿受力與作用機制［J］.巖石力學與工程學報，2011(30):1690-1697.

［5］ 吳 銘.模糊事故樹分析及其在施工安全管理中的應用［D］.天津:天津大學，2004.