基于肯特危险指数法的盾构隧道刀具磨损风险评价

2013-01-15吴永忠吴永春

四川建筑 2013年4期

关键词：选型盾构刀具

王渊，吴永忠，冷星，吴永春

(1.解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007; 2.安徽富煌钢结构建筑工程设计研究有限公司，安徽合肥 230088)

基于肯特危险指数法的盾构隧道刀具磨损风险评价

王渊1，吴永忠1，冷星1，吴永春2

(1.解放军理工大学国防工程学院，江苏南京 210007; 2.安徽富煌钢结构建筑工程设计研究有限公司，安徽合肥 230088)

根据肯特危险指数法的原理，结合盾构隧道工程特点，建立了适用于盾构隧道工程的指数法风险评价模型，利用该模型对某越江隧道盾构掘进过程中刀具磨损进行了风险评价，得出该施工段盾构刀具磨损风险为不可接受的风险，初步验证了模型的可用性。

隧道工程; 指数法; 刀具磨损; 风险评价

盾构以其固有优势在我国地下工程建设中得到了广泛应用，但其在地下隧道施工中面临着诸多复杂工况，其中长距离复杂地层掘进、刀盘选型不合理、刀具设计不适应地质条件等原因导致的刀具过度磨损及非计划换刀成为严重的工程问题之一［1］。为保证施工顺利实施，在施工前和过程中对刀具磨损风险进行评估，根据评估结果为施工提供风险应对措施，以避免出现因刀具严重磨损带来的水下换刀等高风险事故，是十分必要的。本文基于肯特危险指数法，提出一种适用于地下盾构隧道工程的风险评价模型，并对利用该模型对某越江隧道盾构掘进过程刀具磨损风险进行评价。

1 风险评价模型的建立

1.1 肯特危险指数法简介

肯特危险指数分析法，用于长输管道风险分析，具有方法独特、简单易懂、结果直观及便于操作的特点，在长输管道的安全分析、评价中发挥了巨大作用，成为现代安全管理系统工程的重要组成部分［2］。

肯特危险指数法的基本评价过程，是在分析各段管道的独立影响因素后，求取它们的指数和，再分析介质的危险性和影响系数，最后求取各段管道的指数和与泄漏影响系数的比值，即相对风险数，以此确定各管段的风险程度。相对风险数越大，管道的风险越小，相对风险数越小，管道越安全［3］。其基本评价流程如图1所示。了概率的因素，符合隧道工程同时存在多种不确定风险因素、难以确定准确概率等实际情况，某种程度上更具实用性。借鉴肯特危险指数法的思想，对其指数分类及评价模型进行改进，使之适用于盾构隧道工程风险评价。

图1 肯特危险指数法评价程序

1.2.1 指数分类

根据盾构隧道施工的特点，将指数分为四大类:基本条件指数、选型设计指数、施工综合指数、风险后果指数。

(1)基本条件指数是指工程客观基础条件。此类指数包括:工程水文地质条件、周边环境条件、隧道特性条件等。周边环境条件指施工中需要考虑相互作用、影响的建筑物等情况;隧道特性指数是指隧道的尺寸、坡度、转弯半径等隧道自身的特性。

(2)选型设计指数是在考虑工程客观基础条件后做出的有针对性的设备选型及辅助施工技术。例如盾构机的选型和设计、进出洞加固设计、环境保护加固设计、降水止水设计、施工方法设计、管片的选型和设计等。

(3)施工综合指数指施工期间的操作和管理水平，主要包括具体施工方法的选用、施工技术水平、工期影响、外界环境以及施工预控措施五个方面。

(4)风险后果指数是指风险事件发生造成的人员伤亡、社会、环境、经济等方面的不良结果和影响。

1.2.2 风险评价模型

结合风险评价的基本模型［4］，构建指数法评价模型:

式中:B为基本条件指数;D为选型设计指数;C为施工综合指数;A为后果指数。

模型中p不是确切的概率，而是一个具有概率意义的指数值，该值越大，风险发生的概率越大，该值越小，相应的风险概率也越小。基本条件指数、选型设计指数、施工综合指

1.2 指数法风险评价模型

肯特危险指数法中的指数评分不是确切的概率，但包含数共同构成了风险概率指数，后果指数代表事故产生的损失，两者的乘积为风险值。指数法风险评价的流程见图2。

图2 指数法风险评价框图

1.2.3 风险概率指数计算公式

各指数相对独立是肯特危险指数法的基本假设之一，总体上与管道风险发生的实际情况相适应，但不适用于致险因素复杂多变的盾构隧道工程风险评价。在隧道工程客观基础条件一定的情况下，设备选型、工法选择的合理性，施工人员技术、管理水平的高低，都会对施工结果产生影响。因此，在隧道工程中，指数的关联性必须加以考虑。

基于以上思想，建立本模型的风险概率值计算公式:

式中:D0为选型设计标准值;C0为施工综合标准值，均为根据经验确定的定值。该值表明设计、施工水平处于一般水平，该水平的选型设计及施工不会对由工程客观基础条件导致的灾害事故风险概率大小产生影响。

引入选型设计系数Dk及施工综合系数Ck，令Dk=D/ D0，Ck=C/C0，则风险概率计算公式变为:

Dk、Ck的值分别在1的左右。若它们大于1，表明设计、施工会增大事故风险概率指数，增大事故发生的概率;反之亦然。

指数取值范围的确定及定量评分是一个非常困难的过程，需要综合大量专家意见、工程经验及数据的支持，并在实际应用中不断完善，使得打分更具科学性、可信性。

1.2.4 风险发生可能性等级

风险发生的可能性大小采用指数评分的方式来表达。三类指数的取值范围均为0～100，各标准值的取值为50，具体见表1。

表1 风险可能性分级

1.2.5 风险发生后果等级

风险后果指数包括环境影响、人员伤亡、工期影响、经济损失和社会影响五个方面。参考《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》，对后果指数进行分级，具体见表2。

表2 后果指数分级

一个风险事件通常会带来几种风险后果，综合考虑后果等级划分方法，以最严重的风险后果等级为总的风险后果等级。

1.2.6 风险接受准则

参考《城市轨道交通地下工程建设风险管理规范》中的风险接受准则划分方法，根据指数法评分规律和特点，划定风险接受标准。

表3 指数法风险接受准则

2 某越江隧道盾构刀具磨损风险评价

2.1 工程概况

某越江盾构隧道全长约 3 000 m，穿越江底段长超过2 500 m。隧道穿越段主要地层为:粉细砂层、砾砂层、圆砾层和极少的强风化泥岩。各地层中砂石含量普遍较高，部分地段高达70%以上，对刀具的耐磨性是很大的考验［5］。现采用指数法对某工程K4+462至K5+988标段施工过程刀具磨损风险进行评估。