基于灰色關聯故障樹的盾構隧道施工風險研究

馬光金

(中鐵十四局集團大盾構工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 前言

盾構法因其速度、環保及安全等方面的優點受到業主的重視，而傳統的礦山工法逐漸淡出地下施工工程領域[1-2]。盾構隧道工程建設始終是一項高風險性的建設工程，許多不確定風險因素都會影響預期的施工成本甚至施工建設的安全[3-4]。與其它隧道施工相比較，盾構隧道為全機械化施工，在隧道項目計劃和采購中已經比其它隧道施工做出了更多的投標價格和預算[5-6]。盾構隧道投資額大、施工條件復雜，所以對盾構隧道施工過程中的風險進行評估有著極為重要的意義[7-9]。

目前在建的徐州地鐵2號線一期工程05合同段，位于徐州市云龍區及泉山區，包含兩站三區間，盾構法三區間左線上軟下硬段分別為90.2 m、161.19 m、253 m，右線上軟下硬段為80.6 m、156.7 m、121 m，其余均為全斷面硬巖。如果不對整體施工做出合理的風險分析，各種未知風險都會影響盾構施工的安全性，很有可能無法規避施工事故的發生，施工安全無法得到保證，從而引發工程進度、成本、安全的重大損失。所以針對盾構隧道施工進行風險分析，控制施工成本、減少潛在損失十分必要[10-12]。本文提供一個統計的概率模型，通過量化分析風險概率，清晰體現風險對隧道工程施工安全的影響，從而控制工程造價、降低工程風險。

2 盾構隧道故障樹分析研究

2.1 故障樹分析介紹

故障樹分析(簡稱FTA)又稱事故樹分析，從一個可能的事故開始，自上而下、逐層分析到基本事件，并用邏輯圖表達出來，通過布爾代數規則計算出事故的概率，合理進行風險分析和控制。故障樹基本圖例見表1。

表1 故障樹基本圖例

2.2 盾構隧道事故風險分析

對于盾構隧道的事故風險，根據各種案例總結得出表2中列出的盾構隧道事故種類，其中包含28條可能導致風險發生的條件，根據特征劃分基本風險事件，見表3。

(1)刀具相關故障故障樹分析

在盾構隧道施工時，由于刀具磨損后可切割性降低(A1)而導致隧道前進速度降低甚至停機。這種風險的根本原因可以通過刀具過度磨損(A2)、刀具部分磨損(A3)、刀具推力或扭矩不足(A4)來解釋。

造成刀具過度磨損的原因主要是因地質較硬，地層中含有花崗巖與砂巖(X1)、較硬或極硬巖(X2)或石英地層(X3)。造成刀具不均勻磨損的原因可能是盾構處于混合土壤地層(X4)或刀頭的不合理設計(X11)、不及時換刀(X16)或操作員的熟練度低下(X17)。而刀具的推力或者扭矩不足一般用4種情況解釋:刀具設計失誤(X12)；刀盤開口率管理不當(X18)；刀具類型選擇不當(X19)；刀具結泥餅(X23)。

表2 盾構隧道施工事故種類

(2)盾構機械故障樹分析

根據多個案例總結分析發現，盾構機械故障一般因盾構機推力不足(B1)、盾構機錯位或偏航(B2)兩種原因對施工安全和進度影響最大。盾構機推力不足由于地面承載力不足(X6)、地處擠壓地層(X5)、破碎帶或斷層(X7)、盾構機不當選型(X13)，使盾構機械進度緩慢，從而影響整體進度流程；盾構機錯位或偏航則是盾構地層熱液蝕變與風化程度大(X8)、盾構機械人員操作失誤(X20)、錯誤的測量及物探(X21)，也會導致整體隧道走向偏離，使盾構機偏航或錯位。

表3 基本風險事件分類

2.3 盾構隧道施工事故故障樹繪制

基于對盾構隧道的刀具相關故障、盾構機械故障、盾構機掘進及出渣故障和管片裂縫的故障樹分析，繪制故障樹如圖1所示。

圖1 盾構隧道施工事故故障樹

3 灰色關聯故障樹在隧道建設期的應用

3.1 灰色關聯故障樹的基本原理

若故障樹中有a個基本風險事件、b個最小割集，且第i個割集Qi由a個基本風險事件構成，這就可以作為一個故障樹的特征矩陣XQ。XQb(a)＝1表示第b個最小割集的第a個事件發生，XQb(a)＝0則表示不發生。

在一個故障樹系統中，每個基本風險事件對頂事件發生的貢獻大小被稱為重要度。組成一個相關割集重要度向量R＝(R1＋R2＋R3…＋R28)，而后相關割集重要度向量R同故障樹的特征矩陣XQ進行關聯度分析及計算，關聯度越大，則表明基本風險事件越需要重視和注意。

3.2 對盾構隧道的灰色關聯故障樹分析

3.2.1 基本風險事件發生的概率

本文根據專家、文獻查閱及技術人員反饋等信息，基本風險事件劃分如表4所示。

表4 基本風險事件等級

由專家打分的嚴重度Gi和基本風險事件的風險可能性Pi，根據FXi＝0.5 ×(0.1Gi×Pi)(i＝1，2，3…28)算出基本風險事件的風險概率FXi，見表5。

表5 基本風險事件概率

3.2.2 灰色關聯的重要度分析計算

為了求出故障樹的最小割集與頂事件間的關系，需要引出故障樹的結構函數。

與門連接故障樹結構函數:

或門連接故障樹結構函數:

由此可以得出盾構事故的結構函數:

一共有28個基本風險事件，代入故障樹的特征矩陣XQ得出XQ＝E28×28。

則頂事件的失效概率可以通過式(4)得出:

從而得出盾構事故的風險概率F＝0.999 999 96，而第i個基本風險事件的重要度計算公式為:

算出基本風險事件的重要度并匯總為向量I＝{I1，I2，I3…I28}，見表 6。

表6 基本風險事件的重要度

3.2.3 灰色關聯計算序列差及極值

用歸一化后的I與特征矩陣XQi(i)每一行相減取正，得出每個風險的序列差Δi。從中找出序列差最大值與最小值，即 Δmax＝0.983 374 896，Δmin＝0.016 625 104。

3.2.4 計算關聯度

本文取ρ為0.5，Δi表示第i個向量，并由式(6)計算出關聯系數:

將關聯系數整合成向量Ei。把各關聯系數代入式(7)可得關聯度:

計算得出的關聯度分析曲線見圖2。

圖2 關聯度分析曲線

根據圖2可知，關聯度相對較高的為R23、R7、R13、R19。從關聯度大小可以發現破碎帶或斷層(X7)、盾構機的不當選型(X13)、刀具類型的選擇不當(X19)、刀具結泥餅(X23)對于盾構事故發生的關聯度最大，所以應針對于這四種情況進行預防和分析。

4 工程應用

(1)工程概況

本文依托徐州地鐵2號線工程為背景，其中盾構段分為三區間，隧道覆蓋層厚度在9.48～19.8 m之間，最大豎曲線半徑為1 000 m，縱坡最大為28‰。盾構區間穿越地層大部分為上軟下硬地層，其余均為全斷面硬巖。

(2)工程實際分析

刀具類型的選擇作為風險分析的要點，在保證大開口率的前提下，根據地面變形監測數據及盾構施工所采用的參數，不斷優化調整掘進參數，以使盾構在穿越不良地層施工中，能做出快速、靈活兼預測性的反應。

基于刀具磨損的風險，盾構隧道在施工初期針對不同區段的施工進行參數設定。結合硬巖地層施工經驗，區間前期采用的掘進參數為刀盤轉速1.5 r/min，推力控制在 1 800～2 400 t，扭矩在2 500～3 500 kN·m，此時盾構機掘 進速度在5～10 cm/min，掘進過程刀具損壞頻繁。

為降低刀具損壞頻率，刀盤轉速調整為1.2～1.3 r/min，降低刀盤滾刀線速度，推力控制在1 300～1 600 t，此時掘進速度提高至8～15 cm/min，刀盤滾刀受力趨于相對均衡且穩定，刀具損壞情況出現較大改善。

5 結束語

對于盾構隧道進行風險分析，能有效地發現和預防隧道施工的安全隱患。本文通過運用灰色關聯法對盾構隧道的風險做出分析和評價，找出了隧道施工的安全隱患，并針對徐州地鐵2號線工程盾構隧道進行應用分析，效果反饋良好。