基于事故树的观测山洞施工风险分析

2023-12-13匡泳庄施栋鑫刘云鑫王赟辉顾慧冬

高原地震 2023年3期

匡泳庄,施栋鑫,刘云鑫,王赟辉,顾慧冬

(1.云南省地震局,云南昆明 650224; 2.云南交通运输职业学院,云南昆明 650300)

0 引言

隧道工程,简而言之就是指在岩体或者土层中修建道路以及各种地下建筑物的工程[1]。但是在隧道施工中,往往存在诸多的不确定性,具有高技术含量、高造价、易受外界环境的影响等特点,一旦在施工过程中出现意外事故,将对人民的生命和财产造成不可挽回的损失。因此,施工安全是隧道施工过程中的一个重要目标,为了尽可能避免人员伤亡和减低施工事故发生的可能性,对隧道工程施工进行风险识别、分析和控制便十分重要。

为提高地震监测能力,丽江地震台部分测项迁建项目计划新建观测山洞,工程类型属于隧道施工。本文针对丽江地震台观测山洞隧道施工的潜在风险进行识别分析。通过风险评估,针对不同风险的特点提出应对措施,能够最大程度的预防和降低发生施工事故的风险。

1 项目概况

因丽江市规划修建的丽江古城—宁蒗高速公路途经丽江地震台附近,将对台站观测环境造成较大干扰。为确保台站良好的监测质量,按照地震台址勘选和建设的相关标准和规定,勘选丽江地震台新台址[2]。台址勘选依托丽江地震台部分测项迁建项目,项目总用地面积4 000 m2,项目需新建观测山洞,观测山洞以形变观测手段为主,依据《地震台站建设规范地形变台站第1 部分:洞室地倾斜和地应变台站》台站建设要求对观测山洞进行选址,并根据《地震地壳形变观测方法洞体应变观测》对观测山洞进行设计施工。计划山洞总体规模约300 m,包含长基线仪器观测室、8个观测室及连接观测室的引洞。观测山洞长、短观测室洞室截面尺寸高2 900 mm,宽3 000 mm,洞室顶部呈半圆形,洞壁两侧设200×200 mm排水暗沟,其内包含观测墩和应变观测井;引洞净空为高2 600 mm,宽3 000 mm,洞顶为半圆型。山洞施工地址位于中山侵蚀地貌单元上,山体岩性为喜山期花岗岩,受构造挤压有轻微的变质作用,岩体表层受风化剥蚀作用,发育有北西和北东两组节理,岩体的完整性总体上较好。但山洞周边断层较发育,山洞挖深较深,开挖后导致山体围岩应力平衡打破,导致施工过程中存在塌方的风险。

2 风险分析

2.1 塌方事故原因分析

隧道塌方是指在隧道拱顶或拱腰在开挖后部分或整体岩石在重力作用下,往下崩落的一种地质灾害现象[3]。塌方是隧道施工建设中最具代表性和危害性最大的事故,塌方危害巨大在一定程度上是公路隧道乃至整个地下工程施工对现场施工人员威胁最大、最易产生伤亡的工程事故之一,不仅给隧道施工带来巨大困难而且经常致使机毁人亡,延误工期,耗费资金,并且留有后患,成为未来隧道出现病害的主要根源[4]。

本文主要应用鱼刺图法讨论山洞隧道施工过程中导致塌方事故发生的直接或间接原因。鱼刺图法也叫因果分析图法,可以清晰的将事故结果与事故致因因素及致因因素之间的影响关系表示出来,为安全检查指标体系建立提供依据。隧道工程施工的质量问题都可以从人为因素、机械因素、材料因素、方法因素、环境因素五个方面找到原因。以观测山洞施工塌方事故作为主骨,绘制鱼刺图(图1)。

图1 隧道塌方事故的鱼刺图

2.1.1 人员因素

施工人员安全意识低是引起工程质量问题的一个重要原因。在隧道建设中,存在工作人员经验不足,专业能力不高,部分施工人员甚至缺少相应的施工资质,施工过程中偷工减料、弄虚作假。加上隧道施工难度大,突发情况多,施工人员大多凭自己的经验施工,未按要求执行施工方案等因素,直接影响工程质量。在施工过程中,存在管理制度不健全、管理人员监管不到位、未进行岗前培训及技术交底、擅自改变施工方法、盲目赶工期等问题,也十分容易造成施工事故。

2.1.2 机械因素

在隧道施工建设过程中,工程质量和进度主要取决于工程机械设备的运行情况。机械因素产生的风险包括设备本身采购质量不达标导致带病作业,机械设备未及时保养、设备操作人员操作不当或违规操作等。

2.1.3 施工材料因素

在施工过程中运用的原材料以及半成品是否全部合格,决定着整个工程的质量和整个工程的施工进度,所以,合格的材料是确保项目能够顺利进行并成功完成的根本[5]。机械因素产生的风险包括材料质量把关不严,质量检测不合格、材料未按规定程序进场、材料保存不当等。

2.1.4 方法因素

隧道的施工过程复杂且繁重,需要较高的专业技术,在隧道设计之初只能通过地质勘查对隧道区进行宏观分析,无法对隧道施工区的详细地质情况做到完全掌握。施工开始后,隧道开挖导致整个山体的受力情况发生改变,往往会导致设计的地质条件和实际开挖的地质情况不符。设计的开挖方式和支护措施不当,如支护参数偏小或支护不及时、未根据实际情况调整支护方案等都有可能造成塌方事故。

2.1.5 环境因素

隧道施工的地质条件情况复杂,如果建设地点围岩级别低很容易引发塌方事故,经初步勘察,项目建设地点及周边环境不存在发生滑坡、泥石流、地陷、洪涝、冲塌等想象灾难的地段及地震断裂带上可能发生错位的部位[6]。但受目前地质勘查能力的限制及施工过程中会有许多不可预见的状况,如地下水不利影响、山体岩石中含有有毒气体、遇到膨胀性围岩等,加上天气变化如雨季施工难度大也会影响工程质量。因此,需要对因环境因素引起塌方的问题足够重视。

2.2 事故树分析

上世纪 60 年代,美国学者提出了事故树分析方法,简称FTA 法(Fault Tree Analysis),通过近年来在工程领域的发展和完善,事故树分析成为事故隐患排查和辨识分析的重要方法[7]。事故树是一种逻辑因果关系图,其首先定义系统最不希望发生的状态(即顶事件T),然后通过逻辑门对可能导致顶事件发生的各种因素与顶事件相连接,以此进行逐级分析导致事故发生的各种途径和可能性,从而确定导致顶事件发生的各种因素组成方式及其发生概率,最终计算系统的事故概率,并据此采取相应措施。

2.2.1 最小割集

在塌方事故原因分析的基础上,以鱼刺图为依据,并结合近几年塌方事故的原因及丽江地震台迁建场地地质条件等信息,得到此项目施工风险所涉顶事件T和中间事件(表1)。

表1 塌方事故树事件表

根据所构建的塌方事故树可知(图2),若顶事件T发生必然有A1、A2事件中的至少一个发生,运用布尔代数运算进行简化,其过程如下:

图2 山洞隧道塌方风险事故树

T=A1+A2

(1)

A1=(B1+B2)B4=(X1+X2+X3+X4+X5)B4=(X1+X2+X3+X4+X5)(X11+X12+X13+X14+X15+X16)=X1X11+X1X12+X1X13+X1X14+X1X15+X1X16+X2X11+X2X12+X2X13+X2X14+X2X15+X2X16+X3X11+X3X12+X3X13+X3X14+X3X15+X3X16+X4X11+X4X12+X4X13+X4X14+X4X15+X4X16+X5X11+X5X12+X5X13+X5X14+X5X15+X5X16

(2)

A2=B3+B4+B5=X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19

(3)

T=X6+X7+X8+X9+X10+X11+X12+X13+X14+X15+X16+X17+X18+X19+X1X11+X1X12+X1X13+X1X14+X1X15+X1X16+X2X11+X2X12+X2X13+X2X14+X2X15+X2X16+X3X11+X3X12+X3X13+X3X14+X3X15+X3X16+X4X11+X4X12+X4X13+X4X14+X4X15+X4X16+X5X11+X5X12+X5X13+X5X14+X5X15+X5X1

(4)

导致顶事件T发生的基本事件的集合称之为割集,而最小割集则是导致顶上事件发生的最低限度的割集[8]。隧道塌方的最小割集越多,说明发生事故的可能性越多,在同一个割集中,如果容量越小,说明引发这个割集发生的机会越大,危险性越大。

通过布尔运算隧道施工塌方事故树共有44个最小割集,说明有44条途径会引起隧道塌方事故。其中一阶最小割集14个,分别为:{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}、{X19},其含义为引起顶事件发生的底事件数量为1,此单个底事件是塌方发生的最重要的事故模式(XXXX,XXX)。二阶最小割集30个,分别为:{X1X11}、{X1X12}、{X1X13}、{X1X14}、{X1X15}、{X1X16}、{X2X11}、{X2X12}、{X2X13}、{X2X14}、{X2X15}、{X2X16}、{X3X11}、{X3X12}、{X3X13}、{X3X14}、{X3X15}、{X3X16}、{X4X11}、{X4X12}、{X4X13}、{X4X14}、{X4X15}、{X4X16}、{X5X11}、{X5X12}、{X5X13}、{X5X14}、{X5X15}、{X5X16},表示两个事件同时发生时才会使顶事件发生。例如:{X3X15}表示结构面软弱{X3},又未按技术规范施工{X15}这两个事件同时发生,最终导致顶事件塌方的发生。

2.2.2 结构重要度

结构重要度代表偏压隧道施工时塌方事故各个因素的重要程度。基于最小割集合和结构重要性的原理,结合结构重要度分析原则对事故树进行定性分析。

可得到:I6=I7=I8=I9=I10=I17=I18=I19

对比分析两个基本事件,当其关联的割集阶数相同时,两个事件的结构重要度系数的大小取决于他们出现的频次,频次越高,系数越大。可得到:I1=I2=I3=I4=I5,I11=I12=I13=I14=I15=I16

此外,若相比较的两事件出现在基本事件个数不等的若干最小割集中,可用近似判别式计算:

(5)

式中:I(i)—基本事件Xi的结构重要系数近似判断值;

Ki—包含Xi的所有最小割集;

ni—包含Xi的最小割集的基本事件个数。

(6)

综合上述分析可得出底事件的结构重要度排序为:

I11=I12=I13=I14=I15=I16>I1=I2=I3=I4=I5>I6=I7=I8=I9=I10=I17=I18=I19

(7)

由此可见,施工过程中因施工不当的人为因素是造成隧道塌方的主要因素,可从此方面重点控制风险,减低塌方事故发生的可能性。表2中列出了结构中重要度系数最高的6项底事件。

表2 结构重要度排序前6的底事件

2.3 主要因素分析及改善措施

从式6、式7和表2可知导致隧道塌方的重要结构度排序前6 的底事件分别为X11、X12、X13、X14、X15和X16。

(1)超前支护是为了适应不同的地质条件对隧道围岩进行提前加固的技术手段;而初期支护是在开挖后及时对施工隧道喷射混凝土;二衬则是根据前期支护及岩石变形规律对围岩再次施工进行加护的手段,三者的最终目的都是对围岩起到加固、卸载和分配外力的作用[9]。为避免底事件X11(超前支护不及时)、X12(初期支护质量不合格)和X13(初期支护质量不合格)情况发生,减少隧道施工过程中二次扰动造成岩石破裂所导致的塌方,在施工前应严格勘察山体岩性和地质特征,在开挖之前做好岩石加固,开挖后有效支撑围岩,及时喷射混凝土填平补强围岩表面,待初期支护完成且围岩变形基本稳定后及时完成二次衬砌,对初期支护后产生的变形、开裂的围岩起到再次支撑加固的作用。

(2)人的因素在隧道施工中也起到至关重要的作用,施工安全意识低(X14)、不按技术规范施工(X15)和盲目赶工(X16)都会导致围岩加固不牢,从而引发安全事故。为避免此类事件发生,从人员管理和安全教育方面入手,组织开展专业类培训,从思想和行动上提高安全意识和执行力,在施工前做好勘测,施工中做好支护,出现问题及时反馈,将人为因素所导致的损失降到最低。

3 结论与建议

3.1 结论

本文以丽江地震台迁建项目观测山洞施工为例,应用事故树分析法对造成塌方的各项因素进行详细分析,得到如下结论:

(1)观测山洞隧道施工区域周边地质环境和山体岩性较为复杂,普通方法难以对隧道塌方因素进行详细分析,鱼刺图和事故树分析法能够更加直观、简洁的找出隧道塌方致灾因子,有效的辨识各个危险源之间的逻辑关系及层次关系。

(2)在风险识别的基础上,建立塌方事故树模型,造成塌方事故发生的原因共有44条途径,通过计算结构重要度系数排序可知,超前支护不及时(X11)、初期支护质量不合格(X12)、二衬间隔时间过长(X13)、施工安全意识低(X14)、不按技术规范施工(X15)和盲目赶工(X16)6个因素对塌方的影响较大。根据计算分析的到的6个底层因素,提出风险控制措施和建议,论文研究内容为防范或减少丽江地震台山洞隧道施工塌方事故风险提供了有效的技术参考。