基于某事故树地隧道塌方风险评估.doc

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1、基于事故树的隧道塌方风险评估基于事故树的隧道塌方风险评估南宇宏,颂,羊正茂(中铁科学研究院,611731)摘要:基于隧道施工中常见安全事故原因的调查和分析,对隧道施工阶段常见风险因素和危险环境进行辨识,并采用事故树分析方法,建立隧道塌方事故树模型,对隧道施工塌方顶事件进行了定性和定量分析。最终得出隧道塌方26个基本事件的结构重要度序列以及隧道塌方事件概率重要度和临界重要度分析方法;通过工程实例分析发现,采取措施前后塌方的发生概率从0.006225降至0.000941。关键词:隧道工程;塌方分析;事故树分析;概率模型0引言近年来,中国

2、基础设施建设迅速发展,海底隧道、山岭隧道和地下隧道等的建设进入高潮,隧道工程灾害也日益得到业的关注,其中塌方是最严重的灾害之一[1-4]。目前,国外关于隧道的研究主要集中在设计及施工技术方面[5-9],塌方风险评估只取得了一些理论成果[10-13]。本文主要从实用技术的角度出发,采用演绎推理的方法,用事故树模型演绎隧道塌方的直接或间接原因,为隧道塌方事后分析或预防提供决策依据。1隧道塌方影响因素辨识1.1隧道塌方因素统计分析1.1.1地质状况复杂的地质状况具有多变性和不可预见性,主要与围岩级别、地下水、结构面产状、特殊地质有关。其中

3、围岩级别决定隧道选址及支护类型,围岩级别越高,稳定性越差,塌方的风险就越大。断层面、层理、不整合接触面、节理及软弱夹层等结构面都可使岩体成为一种不连续介质,导致塌方事件的发生。另外,隧道施工过程中遇到的膨胀性围岩、溶洞、高应力、湿陷性黄土等特殊地质段,也极易使围岩不稳定而导致塌方。1.1.2施工工艺勘察工作深度、隧道埋深、开挖跨度及支护强度等都与隧道塌方息息相关。其中,随着开挖跨度增大,隧道塌方比例呈上升趋势。尽管线路设计要求避开特殊地质结构,但当有些特殊地层由于勘察不到位或者无法绕行时,设计的支护体系不足以维持围岩的稳定性,或者选

4、择的开挖方法不合理,都会导致塌方事故的发生。围岩原始的平衡被打破是隧道塌方的起因,也是必要条件。在施工过程中,影响围岩应力重分布的主要因素有断面大小、钻爆控制、开挖机械扰动、开挖工法、循环进尺、工序安排。1.1.3施工质量隧道施工主要采用爆破、人工或机械开挖等方法,支护以人工操作为主。当隧道原有的应力平衡被打破,必然要进行应力重分布;为限制应变,一般在开挖前采取超前预支护等辅助措施,开挖后采取支护措施,以预防塌方事件的发生。但是,实际施工中超前预支护往往得不到重视,常见的有预处理加固不到位、超前支护不符合要求、排水措施不到位、监控量

5、测反馈不及时,这些都会给隧道施工埋下安全隐患。1.1.4安全管理安全管理是隧道施工阶段管理的重要部分,安全管理工作不到位既影响施工过程控制,也危及施工人员的安全[14-16]。由于管理因素属于软科学畴,目前不能直接与其他现场风险因素拟合,为此本文在事故树分析中将其在安全管理评估表中单独评价。在研究隧道工程塌方风险中,考虑到隧道设计的特征属于动态化设计,假定隧道设计都能保证施工安全,建立隧道塌方风险因素辨识结果,如图1所示。图1隧道塌方影响因素辨识结果2事故树分析2.1事故树模型的建立根据图1和资料统计结果,确定隧道塌方事故树事件及其

6、对应的符号,如表2所示。根据各事件之间的逻辑关系,建立事故树模型(图2)。其中,符号T表示顶事件(隧道塌方)。事故树的定性、定量分析通过最小割集或最小径集实现。2.2最小割集为了便于数学计算,将图2所示事故树等效描述为布尔代数表达式的形式其中对式(1)进行化简,得到隧道塌方事故树结构函数表达式图2隧道塌方事故树模型表2事故树事件及符号符号事件符号事件X1围岩级别X20搭接筋、网片施做不符合要求X2地下水发育X21围岩预加固处理X3结构面特征X22排水措施X4特殊地质X23超前支护X5钻爆控制不当X24安全步距X6开挖机械扰动X25钢

7、架连接X7开挖断面面积C1安全管理X8工法不对M1围岩下沉、开裂变形X9循环进尺过大M2施工影响X10工序安排不当M3施工质量X11拱架间距过大A1围岩因素X12超挖过大A2围岩扰动X13喷射混凝土不密实A3开挖方法不当X14初期支护不及时A4掌子面承载能力丧失X15设计抗力不足A5其他不利地质影响X16喷射混凝土质量A6支护作用减弱X17超前地质预报A7支护抗力不足X18锚杆施做不符合要求A8辅助措施不到位X19锁脚施做不到位可知,该事故树有126个最小割集。2.3最小径集根据最小割集与最小径集的对偶性,用布尔代数化简法求最小径集

8、(对应的符号后加“'”)。从化简结果可以看出,与事故树等效的成功树有8个最小割集。经对偶变换,得到事故树的8个最小径集,即{X1}、{X2}、{X3}、{X4}、{C1}、{X5,X6,X7}、{X5,X8,X9,X10,X24}、{

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