基于事故樹的隧道塌方風險評估

南宇宏,趙 頌,羊正茂

(中鐵科學研究院有限公司,四川成都 611731)

基于事故樹的隧道塌方風險評估

南宇宏,趙 頌,羊正茂

(中鐵科學研究院有限公司,四川成都 611731)

基于隧道施工中常見安全事故原因的調查和分析,對隧道施工階段常見風險因素和危險環境進行辨識,并采用事故樹分析方法,建立隧道塌方事故樹模型,對隧道施工塌方頂事件進行了定性和定量分析。最終得出隧道塌方26個基本事件的結構重要度序列以及隧道塌方事件概率重要度和臨界重要度分析方法;通過工程實例分析發現,采取措施前后塌方的發生概率從0.006 225降至0.000 941。

隧道工程;塌方分析;事故樹分析;概率模型

0 引 言

近年來,中國基礎設施建設迅速發展,海底隧道、山嶺隧道和地下隧道等的建設進入高潮,隧道工程災害也日益得到業內的關注,其中塌方是最嚴重的災害之一[1-4]。目前,國內外關于隧道的研究主要集中在設計及施工技術方面[5-9],塌方風險評估只取得了一些理論成果[10-13]。本文主要從實用技術的角度出發,采用演繹推理的方法,用事故樹模型演繹隧道塌方的直接或間接原因,為隧道塌方事后分析或預防提供決策依據。

1 隧道塌方影響因素辨識

1.1 隧道塌方因素統計分析

1.1.1 地質狀況

復雜的地質狀況具有多變性和不可預見性,主要與圍巖級別、地下水、結構面產狀、特殊地質有關。其中圍巖級別決定隧道選址及支護類型,圍巖級別越高,穩定性越差,塌方的風險就越大。斷層面、層理、不整合接觸面、節理及軟弱夾層等結構面都可使巖體成為一種不連續介質,導致塌方事件的發生。另外,隧道施工過程中遇到的膨脹性圍巖、溶洞、高應力、濕陷性黃土等特殊地質段,也極易使圍巖不穩定而導致塌方。

1.1.2 施工工藝

勘察工作深度、隧道埋深、開挖跨度及支護強度等都與隧道塌方息息相關。其中,隨著開挖跨度增大,隧道塌方比例呈上升趨勢。盡管線路設計要求避開特殊地質結構,但當有些特殊地層由于勘察不到位或者無法繞行時,設計的支護體系不足以維持圍巖的穩定性,或者選擇的開挖方法不合理,都會導致塌方事故的發生。

圍巖原始的平衡被打破是隧道塌方的起因,也是必要條件。在施工過程中,影響圍巖應力重分布的主要因素有斷面大小、鉆爆控制、開挖機械擾動、開挖工法、循環進尺、工序安排。

1.1.3 施工質量

隧道施工主要采用爆破、人工或機械開挖等方法,支護以人工操作為主。當隧道原有的應力平衡被打破,必然要進行應力重分布;為限制應變,一般在開挖前采取超前預支護等輔助措施,開挖后采取支護措施,以預防塌方事件的發生。但是,實際施工中超前預支護往往得不到重視,常見的有預處理加固不到位、超前支護不符合要求、排水措施不到位、監控量測反饋不及時,這些都會給隧道施工埋下安全隱患。

1.1.4 安全管理

安全管理是隧道施工階段管理的重要部分,安全管理工作不到位既影響施工過程控制,也危及施工人員的安全[14-16]。由于管理因素屬于軟科學范疇,目前不能直接與其他現場風險因素擬合,為此本文在事故樹分析中將其在安全管理評估表中單獨評價。

在研究隧道工程塌方風險中,考慮到隧道設計的特征屬于動態化設計,假定隧道設計都能保證施工安全,建立隧道塌方風險因素辨識結果,如圖1所示。

圖1 隧道塌方影響因素辨識結果

2 事故樹分析

2.1 事故樹模型的建立

根據圖1和資料統計結果,確定隧道塌方事故樹事件及其對應的符號,如表2所示。根據各事件之間的邏輯關系,建立事故樹模型(圖2)。其中,符號T表示頂事件(隧道塌方)。事故樹的定性、定量分析通過最小割集或最小徑集實現。

2.2 最小割集

為了便于數學計算,將圖2所示事故樹等效描述為布爾代數表達式的形式

其中

對式(1)進行化簡,得到隧道塌方事故樹結構函數表達式

圖2 隧道塌方事故樹模型

表2 事故樹事件及符號

可知,該事故樹有126個最小割集。

2.3 最小徑集

根據最小割集與最小徑集的對偶性,用布爾代數化簡法求最小徑集(對應的符號后加“'”)。

從化簡結果可以看出,與事故樹等效的成功樹有8個最小割集。經對偶變換,得到事故樹的8個最小徑集,即{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{C1}、{X5, X6,X7}、{X5,X8,X9,X10,X24}、{X11,X12,X13, X14,X15,X16,X17,X18,X19,X20,X21,X22,X23, X25}。

所以用最小徑集表示的隧道塌方事故樹結構式為T=X1X2X3X4C1(X5+X6+X7)(X5+X8+X9+X10+X24)(X11+X12+X13+X14+X15+X16+ X17+X18+X19+X20+X21+X22+X23+X25)

綜上可知,事故樹模型的最小割集數遠多于最小徑集數,故使用最小徑集進行塌方事件定性和定量分析。

3 定性分析

事故樹的定性分析是依據事故樹對所有事件只有發生(“1”)或不發生(“0”)兩種狀態進行邏輯計算,其目的是采用圖論的方法檢索出頂上事件發生的路徑,給出頂上事件發生原因及各事件的影響程度。結構重要度是從事故樹結構入手,分析各基本事件的重要程度,它是重要的定性分析途徑,可通過最小割集或最小徑集得到。

原事故樹有8個最小徑集,根據最小徑集對25個基本事件進行結構重要度(Iφ)排序如下。

4 定量分析

4.1 隧道塌方發生概率計算模型

事故樹的結構函數為

因此隧道塌方頂上事件發生的概率函數為

因為基本事件有重復,對式(4)進行展開并消掉重復事件Xi不發生的概率(1-qi),整理得隧道塌方發生概率的計算模型

4.2 基本事件概率重要度分析

式(5)表明,隧道塌方事件發生概率是各基本事件發生概率的多元函數,各基本事件發生概率的變化對塌方事件發生概率的影響程度稱為基本事件概率重要度。對多元函數求關于自變量qi的一次偏導,即可得出該基本事件的概率重要度系數計算模型

式中:Ig(i)為基本事件Xi的概率重要度系數;g為隧道塌方事件發生概率;qi為基本事件Xi的發生概率。

利用式(6)可計算出所有基本事件概率重要度系數,將計算結果從大到小進行排序,可得到導致頂上事件發生的基本事件的影響程度大小。

4.3 臨界重要度分析

臨界重要度系數從靈敏度和概率2個角度反映各基本事件的重要度。

式中:Cg(i)為基本事件Xi的臨界重要度系數。

根據式(7)計算出所有基本事件臨界重要度系數,將計算結果從大到小進行排序,可得到一個即考慮敏感度又考慮概率的各基本事件重要度排序。

5 工程實例分析

5.1 工程概況

蘭渝鐵路某隧道圍巖主要為泥巖夾砂巖,多呈互層狀分布,局部段拱部砂巖夾層增厚,以砂巖為主段落,掌子面有少量滲水,圍巖穩定性較差。初期采用三臺階法施工,施工過程中進度緩慢,DK114+ 559~DK114+567段拱部發生塌方。

采用以下處置措施:施工方法由三臺階法改為CRD法(交叉中隔墻法);拱部超前小導管加密環向間距,每榀鋼架施作1次;徑向回填注漿,全環設置Φ42 mm注漿小導管,間距1 m×1 m;降水先行,采取中下臺階輕型井點及深井降水方案;加強支護強度及剛度;清退原有作業隊伍,重新引進經驗豐富、管理效率高的隊伍。做出以上調整后,該隧道順利度過塌方段,安全貫通。

5.2 事故樹分析

5.2.1 定性分析

以結構重要度為指標,根據式(3)對實例事故樹進行定性分析,利用徑集計算結構重要度,并進行排序。

5.2.2 定量分析

頂事件發生概率是最重要的定量分析指標。在隧道施工期間,現場分別記錄統計了三臺階施工和CRD施工中底事件的概率,三臺階法施工底事件的概率為0.006 225,采用CRD法施工底事件的概率為0.000 941?？梢?采取CRD法后塌方發生概率明顯降低,和模型結論一致。

6 結 語

(1)本文在分析隧道塌方相關數據及影響因素的基礎上,建立了隧道塌方事故樹模型。事故樹模型表明,導致隧道塌方的途徑越多,塌方事件發生的可能性就越大。

(2)從結構重要度可知I[X1]=I[X2]=I[X3] = I[X4]=I[C1]=0.667,因此這5個因素對塌方的影響較大,對預防塌方有重要意義;但前4個因素主要依靠輔助措施實現控制。

(3)依據事故樹模型,采取措施前后隧道塌方的發生概率從0.006 225降至0.000 941。

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[責任編輯:杜敏浩]

Risk Assessment of Tunnel Collapse Based on Fault Tree Analysis

NAN Yu-hong,ZHAO Song,YANG Zheng-mao
(China Railway Academy Co.,Ltd.,Chengdu 611731,Sichuan,China)

Based on the investigation and analysis of the causes of common safety accidents in tunnel construction,the risk factors and dangerous environment around the tunnel were identified.The fault tree analysis method was used to establish the model for tunnel collapse,and the events of tunnel collapse were qualitatively and quantitatively analyzed.The structural importance sequence of the 26 basic events,the probability and the critical importance analysis method of tunnel collapse were acquired.In terms of the analysis on practical projects,the occurrence probability of the tunnel collapse is reduced from 0.006 225 to 0.000 941 after taking measures.

tunnel engineering;collapse analysis;fault tree analysis;probability model

U452.2

B

1000-033X(2017)07-0106-05

2017-01-12

中鐵西北科學研究院創新項目(J2014003)

南宇宏(1973-),男,陜西渭南人,工程師,從事鐵路、公路工程監理咨詢工作。