基于層次分析法的DFT城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)研究

黃 萍，林杰欽

(福州大學(xué)環(huán)境與資源學(xué)院，福建 福州 350116)

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，綜合管廊在全國(guó)各大小城市的建設(shè)工作進(jìn)一步推進(jìn)。城市綜合管廊的鋪設(shè)方法一般采用明挖法施工，這種施工方法簡(jiǎn)單、快捷、經(jīng)濟(jì)、安全，但也不是完全適用于任何路段[1]。明挖法施工工期普遍較長(zhǎng)，對(duì)周圍建筑及公路的影響較大，處于施工中的“拉鏈路”對(duì)道路交通的影響也大，且受老城區(qū)環(huán)狀交通量大、地下管線復(fù)雜等因素的制約，因此采用明挖法施工選段以及建設(shè)綜合管廊幾乎是不可行的。另外，在一些沿海沿江城市，若采用明挖法跨江鋪設(shè)綜合管廊，其成本高昂、事故風(fēng)險(xiǎn)大，故發(fā)展非開挖路面方法來建設(shè)城市綜合管廊是十分有必要的。采用盾構(gòu)法施工來建設(shè)城市綜合管廊，其優(yōu)點(diǎn)在于不受地面交通、河道、航運(yùn)、潮汐、季節(jié)、氣候等條件的影響，對(duì)城市交通以及環(huán)境的影響較小,不僅可以提高管廊建設(shè)的效率，還可以極大地減少施工中的揚(yáng)塵和噪聲[2]。截止目前，北京、廣州、沈陽、西安，成都、南昌、海口等城市均有采用盾構(gòu)法施工來建設(shè)綜合管廊的報(bào)道[3]。

目前，現(xiàn)行的《城市綜合管廊工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50838—2015)對(duì)盾構(gòu)法施工建設(shè)城市綜合管廊過程中技術(shù)參數(shù)的規(guī)定較為模糊，沒有具體、明確的技術(shù)規(guī)定。由于在盾構(gòu)法施工中沒有特定技術(shù)參數(shù)支持，而且盾構(gòu)法施工一般用于無法采用明挖法的復(fù)雜地質(zhì)背景或跨江河水域的路段，施工過程風(fēng)險(xiǎn)較大[4]，因此需要建立一種較為完善的城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)方法。

事故樹分析方法作為最基礎(chǔ)且可靠的的系統(tǒng)分析方法，已普遍應(yīng)用于電子通信、建筑工程、醫(yī)療、能源、軍事和航空航天等領(lǐng)域，其優(yōu)點(diǎn)在于通過簡(jiǎn)單的邏輯推理和計(jì)算就可獲得較為準(zhǔn)確的事故致因事件結(jié)構(gòu)重要度，從而得出底下事件對(duì)事故影響的大小[5]。然而傳統(tǒng)的事故樹分析方法具有一定的局限性，其底下事件僅通過或、與、表決等靜態(tài)門來表示對(duì)頂上事件的影響，忽略了各底下事件之間相互作用的影響及其各自的優(yōu)先關(guān)系與順序關(guān)系，因而在復(fù)雜系統(tǒng)中定量計(jì)算出的結(jié)果與實(shí)際情況的偏差較大[6]。動(dòng)態(tài)事故樹(Dynamic Fault-Tree，DFT)即是在傳統(tǒng)事故樹基礎(chǔ)上，添加了優(yōu)先與門、(溫、冷、熱)備件門、順序相關(guān)門、功能觸發(fā)門等動(dòng)態(tài)邏輯門[7-8]，相對(duì)于傳統(tǒng)事故樹分析方法，DFT分析方法能更好地分析時(shí)序相關(guān)事件、動(dòng)態(tài)以及人因可靠性問題。在城市綜合管廊盾構(gòu)施工過程中，事故致因往往相互關(guān)聯(lián)，故可嘗試?yán)肈FT分析方法對(duì)城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。為此，本文提出采用DFT分析方法來分析城市綜合管廊盾構(gòu)施工過程中的危險(xiǎn)因素，并以管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故為例，基于層次分析法建立城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分類層次及架構(gòu)，并構(gòu)建城市綜合管廊盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)事故樹(DFT)，用于開展城市綜合管廊盾構(gòu)施工過程中風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)與事故致因分析以及風(fēng)險(xiǎn)定性與定量評(píng)價(jià)，可為城市綜合管廊施工風(fēng)險(xiǎn)分析提供新的思路。

1 城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)體系的建立

1.1 城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分類層次及架構(gòu)

城市綜合管廊盾構(gòu)施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)與地鐵盾構(gòu)施工相仿，主要風(fēng)險(xiǎn)可分為機(jī)械損壞、地面沉降、建筑物破壞、地下管線破壞、開挖軸偏離以及透水事故[9-10]。利用層次分析法將城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)劃分為動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素和靜態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素兩個(gè)一級(jí)安全風(fēng)險(xiǎn)因素。所謂靜態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素定義為不受時(shí)間與其他風(fēng)險(xiǎn)因素變化影響的因素，動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素則與之相反，會(huì)受到時(shí)間與其他風(fēng)險(xiǎn)因素變化的影響。根據(jù)靜態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素和動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素的特征，同時(shí)避免一些復(fù)雜交錯(cuò)因素之間的關(guān)聯(lián)，如人為失誤、機(jī)械損壞或故障、施工方法有誤三者關(guān)聯(lián)并相互作用，即人的判斷失誤會(huì)導(dǎo)致施工方法有誤進(jìn)而導(dǎo)致機(jī)械損壞或故障，而環(huán)境惡劣和材料不合格受其他因素的影響較小，故將人、機(jī)、法因素歸于動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素，環(huán)、材因素歸于靜態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素，建立了城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分類層次及架構(gòu)，詳見圖1。

圖1 城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分類層次及架構(gòu)Fig.1 Classification levels and structure of shield cons- truction risk of urban integrated pipe gallery

1.2 城市綜合管廊盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)事故樹構(gòu)建流程

城市綜合管廊盾構(gòu)施工按階段可分為盾構(gòu)掘進(jìn)、管片安裝、同步注漿三個(gè)施工階段，管廊盾構(gòu)施工事故的發(fā)生大多是由這三個(gè)施工階段中的一個(gè)或幾個(gè)施工階段出現(xiàn)異常導(dǎo)致。根據(jù)城市綜合管廊盾構(gòu)施工事故的類型、特征可選用一個(gè)或幾個(gè)施工階段進(jìn)行事故致因分析，構(gòu)建城市綜合管廊盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)事故樹(DFT)的具體流程路線見圖2。

圖2 城市綜合管廊盾構(gòu)施工動(dòng)態(tài)事故樹(DTF)構(gòu)建路線Fig.2 Roadmap of dynamic Fault Tree (DFT) for shield construction of urban integrated pipe gallery

2 管廊盾構(gòu)施工案例分析(以地面沉降事故為例)

2016年4月，廣州市成功申報(bào)地下綜合管廊試點(diǎn)城市、試點(diǎn)項(xiàng)目，其中包括軌道交通十一號(hào)線地下綜合管廊、天河智慧城地下綜合管廊、廣花一級(jí)公路地下綜合管廊3個(gè)子項(xiàng)目，管廊總長(zhǎng)度82.9 km，總投資約113億元，計(jì)劃于2020年底竣工[11]。本文以天河智慧城地下綜合管廊為例，該綜合管廊總長(zhǎng)19.4 km，其中盾構(gòu)段為8.6 km，明挖段為10.8 km，以其中盾構(gòu)路段進(jìn)行管廊盾構(gòu)施工案例分析。根據(jù)入廊管線種類及規(guī)模，管廊內(nèi)徑設(shè)置為6 m(外徑為8.4 m),分上、下2艙。其中，上部艙室為高壓電力艙；下部艙室為綜合艙，左邊為通信艙，右邊為供水艙。盾構(gòu)管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面圖見圖3。

圖3 盾構(gòu)管廊標(biāo)準(zhǔn)斷面圖(單位：mm)Fig.3 Standard section of shield pipe gallery (unit:mm)

基于DFT進(jìn)行管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析的基本思路與步驟如下：首先對(duì)管廊盾構(gòu)施工事故的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行識(shí)別，即對(duì)管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行辨識(shí)與分類，并根據(jù)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素分類對(duì)管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故進(jìn)行致因分析；然后建立管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的DFT；最后根據(jù)建立的DFT對(duì)管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定性與定量分析。具體步驟為：①風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)及事故致因分析；②建立管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的DFT；③風(fēng)險(xiǎn)定性與定量分析。

2. 1 風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)及事故致因分析

本文首先基于管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分類層次與構(gòu)架分析，通過查閱相關(guān)文獻(xiàn)與實(shí)地調(diào)查，并類比地鐵盾構(gòu)施工事故案例經(jīng)驗(yàn)，從人、機(jī)、法、環(huán)、材五個(gè)方面歸納得到管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的風(fēng)險(xiǎn)因素，主要包括[12-14]:施工人員技術(shù)失誤或經(jīng)驗(yàn)不足、盾尾密封系統(tǒng)失效、主軸承受損、未及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施、盾構(gòu)參數(shù)設(shè)置不當(dāng)、盾尾密封技術(shù)不當(dāng)、掘進(jìn)時(shí)遭遇不良地質(zhì)、工程材料質(zhì)量不達(dá)標(biāo)等。

然后，根據(jù)動(dòng)態(tài)與靜態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素分類得到管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的致因分析結(jié)果，具體見表1。

表1 城市綜合管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的致因分析

2.2 建立管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地表沉降事故的DFT

為了更加方便地建立管廊盾構(gòu)施工DFT并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析，需要對(duì)管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的風(fēng)險(xiǎn)因素按盾構(gòu)掘進(jìn)、管片安裝、同步注漿三個(gè)施工階段進(jìn)行分析、分類和匯總，進(jìn)而得到管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的風(fēng)險(xiǎn)因素，見表2。

表2 城市綜合管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的風(fēng)險(xiǎn)因素

根據(jù)以上基本事件之間的邏輯關(guān)系以及與動(dòng)態(tài)靜態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素分類，構(gòu)建了城市綜合管廊盾構(gòu)施工DFT(動(dòng)態(tài)安全風(fēng)險(xiǎn)因素需用DFT邏輯門連接)，并可構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的DFT模型，見圖4。

2. 3 風(fēng)險(xiǎn)定性與定量分析

本文首先將DFT分為靜態(tài)子樹和動(dòng)態(tài)子樹兩個(gè)模塊來進(jìn)行定量分析。其中，靜態(tài)子樹可用二元決策圖進(jìn)行分析[15]；動(dòng)態(tài)子樹無法采用傳統(tǒng)的事故樹定量公式進(jìn)行分析，一般采用梯形公式、離散貝葉斯網(wǎng)絡(luò)或馬爾科夫鏈模型(Markov)來進(jìn)行定量分析，而在這三種方法中，馬爾科夫鏈模型的運(yùn)用較廣，公式簡(jiǎn)單且可以利用MATLAB或其他軟件來計(jì)算，較為便捷[16]。結(jié)合城市綜合管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的動(dòng)態(tài)事故樹DFT的特點(diǎn)，選擇馬爾科夫鏈模型來進(jìn)行動(dòng)態(tài)子樹的分析比較合適。這里以y1模塊為例，其馬爾科夫鏈?zhǔn)录顟B(tài)轉(zhuǎn)移圖見圖5。限于篇幅，其他動(dòng)態(tài)子樹原理相同，不再贅述。

圖4 城市綜合管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的DFTFig.4 DFT of the ground subsidence incident caused by pipe gallery shield construction注：SEQ表示順序相關(guān)門；PAND表示優(yōu)先與門；CSP表示冷備件門；FDEP表示功能相關(guān)門。

然后確定Makov事件狀態(tài)轉(zhuǎn)移鏈及對(duì)應(yīng)的事故演變模式，可以利用事件狀態(tài)轉(zhuǎn)移鏈的鏈長(zhǎng)來計(jì)算頂事件發(fā)生的概率。鏈長(zhǎng)為n的事件狀態(tài)轉(zhuǎn)移鏈發(fā)生故障的概率Pn(t)可表示為[17-18]

(1)

式中：λi,j為系統(tǒng)的轉(zhuǎn)移率;t為時(shí)間參數(shù)。

基于馬爾科夫鏈的DFT模型計(jì)算的研究文獻(xiàn)很多，計(jì)算過程也相對(duì)簡(jiǎn)單，但由于城市綜合管廊盾構(gòu)施工數(shù)據(jù)不完善，且本文側(cè)重于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與DFT構(gòu)建思路，故這里僅提供構(gòu)建動(dòng)態(tài)事故樹的思路和計(jì)算公式，不再一一寫出計(jì)算過程。然而即使不計(jì)算，假定各事件轉(zhuǎn)移率相同，也可以輕易看出馬爾科夫鏈鏈短的事件容易導(dǎo)致事故的發(fā)生，建立的DFT相對(duì)于傳統(tǒng)事故樹可以直觀地定性分析出哪些事件的發(fā)生對(duì)頂上事件的影響程度(即事件的重要度)大，即表示處于鏈子重復(fù)事件越多(如x8)、鏈長(zhǎng)越短(如x17、x25)的事件對(duì)頂上事件的影響程度越大。根據(jù)上述分析可知，誤選規(guī)格不當(dāng)?shù)墓芷?x13)、工程材料不合格(x17、x25)和未及時(shí)采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施(x8)對(duì)頂上事件的影響最大。此外，建立DFT可以直觀地看出整個(gè)事故的發(fā)展演變趨勢(shì)，進(jìn)而制定有效的措施去改進(jìn)施工流程，降低或掐斷鏈子事件發(fā)生的概率，并降低事故發(fā)生的可能性。故本文建立的DFT可以定性分析城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)，但具體的定量分析還需通過專家對(duì)現(xiàn)有作業(yè)條件進(jìn)行預(yù)先模糊綜合評(píng)定給出。

3 結(jié) 論

本文提出采用動(dòng)態(tài)事故樹(DFT)來分析城市綜合管廊盾構(gòu)施工過程中的危險(xiǎn)因素，以管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故為例，基于層次分析法建立了城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分類層次與構(gòu)架，并建立相應(yīng)的動(dòng)態(tài)事故樹，得到如下結(jié)論：

(1) 從定性的角度出發(fā)分析得出管廊盾構(gòu)施工中，選擇適當(dāng)管片、合格的工程材料以及事件發(fā)生后采取相應(yīng)的補(bǔ)救措施對(duì)城市綜合管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故的影響程度最大。

(2) 以管廊盾構(gòu)施工導(dǎo)致地面沉降事故為例，可以側(cè)面反映管廊盾構(gòu)施工中對(duì)風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)分類的重要性，利用風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行層次分類可以有效、清晰地建立DFT。

(3) 本文的研究結(jié)果可運(yùn)用于城市綜合管廊盾構(gòu)施工中其他事故的風(fēng)險(xiǎn)分析與評(píng)價(jià)，為城市綜合管廊盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)分析提供新的思路。