基于事故等级的盾构隧道施工风险动态评估

李冠朋，高小雷，石振宇

(中国水利水电第四工程局有限公司,青海 西宁 810007)

0 引言

在盾构隧道的施工过程中,存在着大量的风险,对于长大盾构隧道来说更是如此。在隧道建设前,通常会对隧道建设进行风险评估,根据相应的风险等级制定相应的应急预案,但在隧道的施工过程中,由于施工、管理水平的不同以及地质勘探的局限性,隧道施工风险会不断的发生变化,若完全按照隧道建设前的风险评估对隧道施工进行风险管理,则必定会存在一定的偏差,应根据隧道施工的实际情况进行动态的风险评估和管理。在风险评估中风险值的计算是一个难点,较为常用的风险计算式如式(1)所示。

R=P×C

(1)

其中,R为风险值;P为风险发生的概率;C为风险造成的损失或者是潜在损失。

R=P×C是一种定性与定量相结合的方法,是目前国内外比较推崇应用比较多的一种风险评价的方法。王锋[1]运用此方法对武汉长江盾构隧道施工风险进行了评估。高峻等[2]运用此法对杭州市庆春路过江隧道施工风险进行评估。姚怡文等[3]也采用此法对非开挖地下工程风险进行评估。黄宏伟[4]将工程风险指标作为评价标准,用研制的软件对上海长江盾构隧道进行了定量的风险评估研究,如何对P,C进行量化一直是国内外学者研究的热点。而在工程项目建设中,可能发生的事故损失一般包括:直接经济损失、人员伤亡和工期损失[5-6]。如何量化这些损失也是值得考虑的问题。Remondo[7]根据研究区域内过去50 a内的历史数据,列出了每次滑坡灾害导致的经济损失,除以相应承险体的实际价值后得到易损性值,以此来量化损失。李典庆[8]以香港地区近20年的16 000个切坡的观测资料为基础,从统计学的角度提出了边坡的时变可靠性分析方法,提出了考虑时间效应的风险评估和管理方法。胡群芳[9]对2003年—2011年地铁隧道施工事故进行了统计分析,为地铁隧道施工风险管理提供了宝贵的基础资料。褚涿[10]考虑施工进度对水电站导流全过程进行了风险分析,分析了进度不确定性因素对导流综合风险的影响。这些研究都为风险指标的量化提供了一些思路。

本文通过对某隧道施工过程进行动态的风险查勘,调研,利用现场施工记录资料并结合现场巡查,建立起基于事故等级的风险评估方法,对盾构隧道施工中的风险进行了动态评估,为风险管理提供了依据。

1 施工事故资料收集与分析

在盾构隧道施工的过程中,监理单位会全天24 h在建设现场旁站监督,将每天发生的现场信息详细记录在案,包括事件内容、发生时间、工期延误情况以及处理结果等,这为隧道施工的动态风险管理及时积累了大量的第一手资料,大量的研究以及现场风险查勘表明,在盾构隧道的推进过程中,盾构的设备故障以及施工管理不善对于盾构隧道安全快速推进有着较大的影响,而盾构设备故障主要分为五类:泥水及供水系统故障、管片拼装机械故障、动力及推进系统故障、注浆及盾尾密封故障、其他故障;施工管理不善主要体现在管片延误以及浆液延误。

2 盾构设备故障事故分析

以某隧道的推进过程为例,选取推进过程中283 d的监理以及巡查记录,在此区间段内一共发生各类设备故障共443起,共耽误施工进度60 678 min,约42.1 d,平均每天耽误约214 min。其中,泥水及供水系统故障为157例,共计耽误时间为18 023 min;管片拼装机械故障为113例,共计耽误时间为16 752 min;动力及推进系统故障为39例,共计耽误时间为5 785 min;注浆和盾尾密封故障为105例,共计耽误时间为16 406 min;其他故障29起,耽误3 712 min。表1列出了各类设备故障的统计情况。

表1 各类故障统计表

图1为各类设备故障发生的在总的设备故障中所占的比例,图2为各类设备故障发生的频率,图3为各类设备故障发生时每次事故平均延误的工期。从图1,图2中可以看到,泥水及供水系统故障所占的比例最高(34%),发生频率最高(0.55次/24 h),管片拼装机械故障(26%)次之,注浆和盾尾密封故障(24%)略小于管片拼装机械故障,动力及推进系统故障(9%)以及其他故障(7%)所占比例较少,均在10%以下。

从图3中可以看到,不论是哪种设备故障每次事故平均延误的工期均在110 min以上,泥水及供水系统故障和其他故障在120 min左右,管片拼装机械故障,注浆和盾尾密封故障、动力及推进系统故障均在150 min左右,说明相对来说,泥水及供水系统故障和其他故障较好排除。工期延误可作为风险事故发生所引发的后果之一,可作为风险值计算公式(1)中的C值。而风险发生的概率则较难直接计算出来。一般来说,在一段时间内,各类设备故障的出现频率将趋于平均化,因此可以将设备故障出现的频率作为其发生的概率,在此可通过统计各类设备故障发生的频率(以24 h为单位时间),作为其发生的概率(P),而将每次事故平均延误工期作为其造成的后果(C),从而根据式(1)可以得到各类设备故障的风险值(R)。以此为基础,可得到如图4所示的各类设备故障发生时事故风险值。

从图4中可以看到,泥水及供水系统故障的风险值最大,管片拼装机械故障的风险值次之,注浆和盾尾密封故障的风险值略小于管片拼装机械故障,动力及推进系统故障以及其他故障的风险值较小。这说明在各类设备故障中泥水及供水系统故障的风险等级最高,管片拼装机械故障和注浆和盾尾密封故障的风险等级次之,动力及推进系统故障以及其他故障的风险等级较低,而且根据监理记录信息,动力及推进系统故障多发生在进洞时,由于当时利用盾构刀盘切削洞门,动力及推进系统负荷过大,才发生了多次故障,正常推进时,动力及推进系统故障较少,风险等级也相应降低。

在该隧道工程初期,对于隧道推进过程中可能出现的各种设备故障的风险等级已经通过专家调查法等研究方法进行过研究,当时的研究结果认为注浆和盾尾密封故障的风险等级为三级,泥水及供水系统故障、管片拼装机械故障对应的风险等级为二级,这与本节中采用的基于事故等级的动态风险评估的结果是有差异的。这是由于在施工过程中,对于初期认为风险等级较高事件关注度较高,同时也采取了相应的风险控制措施,从而使其风险等级有所降低,而对于初期风险等级较低的时间,可能由于关注度不够而导致其风险等级升高。而且在施工过程中,施工环境、施工工艺以及施工管理水平都会有所变化,这些对于风险事故的等级都会产生一定的影响。因此,在施工过程中,应该进行动态的风险评估,针对具体的情况,实时的提出相应的风险控制措施。

3 施工管理不善事故分析

在该隧道盾构推进过程283 d中,由于施工管理不善而发生各类延误事件共104起,共耽误施工进度8 094 min,约5.6 d,平均每天耽误约29 min。其中,管片延误为64例,共计耽误时间为5 644 min;浆液延误为40例,共计耽误时间为2 450 min。表2列出了各类施工管理不善导致的延误事件的统计情况。

表2 施工管理不善事故统计表

图5为管片延误、浆液延误在总的施工管理不善事故中所占的比例,图6为管片延误、浆液延误发生的频率。从图5,图6中可以看到,管片延误发生的次数以及频率远大于浆液延误发生的次数以及频率。

图7为管片延误、浆液延误发生时每次事故平均延误的工期。从图7中可以看到,管片延误一般在80 min左右,浆液延误在60 min左右,说明解决管片延误所需要的时间更长。

和盾构设备故障风险值类似,也可得到由于施工管理不善引起的管片延误、浆液延误事故的风险值。图8为管片延误、浆液延误发生时事故风险值。从图8中可以看到,管片延误发生时的事故风险值几乎是浆液延误对应的事故风险值的两倍,这是由于造成管片延误的风险因素较多,其造成的损失也较大,管片延误对应的风险等级要高于浆液延误对应的风险等级。

4 结论

本文利用盾构隧道施工过程中的监理资料,采用基于事故等级的动态风险评估方法,针对盾构推进过程中引起工期延误的一些风险因素进行了动态风险评估,得到如下研究结论:1)盾构隧道工程建设风险复杂多样,事故发生不容忽视,潜在风险损失较大,现场风险随施工进展呈动态变化趋势。2)在盾构隧道施工发生的各类设备故障中,泥水及供水系统故障的风险最大,这与工程初期进行的风险评估结果不完全相同,其他风险事故的风险也存在类似情况,说明在工程施工过程中应及时进行动态风险评估,可以对初期的风险评估结果及时修正和补充,更好地降低工程在施工过程中的风险。3)基于事故等级的动态风险评估方法可在一定程度上使风险值的计算有据可依,在风险事故记录完整,数据量较大时,有较高的可信度,值得推广。