FTA法在淺埋小凈距隧道下穿鐵路中的應(yīng)用★

張 雪 峰

(石家莊軌道交通有限責任公司，河北 石家莊 050000)

·橋梁·隧道·

FTA法在淺埋小凈距隧道下穿鐵路中的應(yīng)用★

張 雪 峰

(石家莊軌道交通有限責任公司，河北 石家莊 050000)

以石家莊地鐵1號線一期工程張西區(qū)間為依托，針對其淺埋、小凈距、下穿鐵路風險高等工程特點，利用故障樹分析法，梳理鐵路下沉超限的風險誘因，找出了風險發(fā)生的途徑，并提出了風險預控措施，實踐證明，風險分析合理，控制措施有效，可為類似工程提供參考。

隧道，下穿，故障樹分析，風險

0 引言

地鐵暗挖隧道是高風險工程，除了自身存在風險，還易造成管線、建筑物、道路等環(huán)境風險。隨著地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷加大，對暗挖隧道進行風險分析，做好事故預防意義重大。故障樹分析法(FTA)作為安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，可用于地鐵暗挖隧道的風險分析。張小平等[1]建造了排樁支護結(jié)構(gòu)體系的事故樹圖，提出了將專家調(diào)查的失事基坑工程統(tǒng)計頻率與級差概率相結(jié)合的方法來確定底事件的概率的方法。周建昆等[2]總結(jié)了巖石公路隧道塌方發(fā)生的幾大因素及發(fā)生機理，編制了巖石公路隧道塌方分析事故樹。劉靖[3]從新奧法施工的監(jiān)控量測體系出發(fā)，通過事故樹分析各量測項目對施工安全的重要度，選擇其中對隧道施工安全影響較大的量測項目。本文以實際工程為依托，利用故障樹法分析淺埋小凈距隧道下穿多股鐵路風險。

1 工程概況

石家莊地鐵1號線一期工程張營停車場～西王站區(qū)間總長度約870.9 m，采用明暗挖結(jié)合的施工方法。在區(qū)間右線RK0+280.000～右RK0+371.000及左線RK0+276.600～左RK0+365.000范圍，礦山法區(qū)間隧道下穿4條鐵路既有線。由東向西分別為：石家莊西環(huán)下行線、石太引入線下行線、石太引入線上行線、石家莊西環(huán)上行線，均為貨運線，設(shè)計時速V≤120 km/h。區(qū)間下穿鐵路影響范圍內(nèi)，共計6個接觸網(wǎng)線桿，1個信號燈。

下穿鐵路段礦山法區(qū)間為雙線單洞帶仰拱馬蹄形隧道，左、右線區(qū)間凈距約3.0 m，區(qū)間覆土埋深約4.0 m～10.0 m。采用臺階法施工，斷面開挖寬度7.0 m，開挖高度6.97 m，面積為40.4 m2。初支厚30 cm，采用C25噴射混凝土，鋼格柵間距0.5 m，全斷面架設(shè)φ6.5@150 mm×150 mm鋼筋網(wǎng)。二襯和仰拱厚35 cm，采用C40鋼筋混凝土。

2 水文地質(zhì)概況

下穿鐵路段地層從上往下依次為：人工填土層(①2素填土層)、新近沉積層(②3黃土狀粉土層)、第四系全新統(tǒng)沖洪積層(③1黃土狀粉質(zhì)粘土層、③2黃土狀粉土層)、第四系上更新統(tǒng)沖洪積層(⑤1粉質(zhì)粘土層)。區(qū)間主要位于③2黃土狀粉土層，③1黃土狀粉質(zhì)粘土層，⑤1粉質(zhì)粘土層。地下水常水位在地面以下25 m～45 m，位于區(qū)間結(jié)構(gòu)底板以下。暗挖段拱部土層主要位于③2黃土狀粉土層。

3 風險分析

3.1 故障樹分析法

故障樹分析法(Fault Tree Analysis)從事故或故障開始(頂上事件)，層層分析其發(fā)生原因，直到找出事故的基本原因，即故障樹的基本事件為止。

分析：按故障樹的結(jié)構(gòu)進行簡化，并確定各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度。

基本事件結(jié)構(gòu)重要度判定原則如下:

1)由單個基本事件組成的最小割集，該基本事件結(jié)構(gòu)重要度最大。

2)僅在同一個最小割集中出現(xiàn)的所有基本事件，而且在其他最小割集中不再出現(xiàn)，則所有基本事件結(jié)構(gòu)重要度相等。

3)若所有的最小割集中包含的基本事件數(shù)目相等，則在不同的最小割(徑)集中出現(xiàn)次數(shù)多者基本事件結(jié)構(gòu)重要度大，出現(xiàn)次數(shù)少者結(jié)構(gòu)重要度小，出現(xiàn)次數(shù)相等者則結(jié)構(gòu)重要度相等。

4)若事故樹的各個最小割集中所含基本事件數(shù)目不相等，則各基本事件結(jié)構(gòu)重要度的大小，可按下列不同情況來確定：

a.若某幾個基本事件在不同的最小割集中重復出現(xiàn)的次數(shù)相等，則在少事件的最小割集中出現(xiàn)的基本事件結(jié)構(gòu)重要度大，在多事件的最小割集中出現(xiàn)的結(jié)構(gòu)重要度小。

b.若遇到在少事件的最小割集中出現(xiàn)次數(shù)少，而在多事件的最小割集中出現(xiàn)次數(shù)多的基本事件，或其他錯綜復雜的情況，可采用式(1)近似判別比較：

(1)

其中，Iφ(j)為基本事件Xj結(jié)構(gòu)重要度的近似判別值，Iφ(j)值大者，則Iφ(j)大；Xj∈Gi為基本事件，屬于最小割集Gi；nj為基本事件Xj所在的最小割(徑)集中包含的基本事件的數(shù)目。

3.2 事故樹編制

施工現(xiàn)場環(huán)境風險源為：1)石家莊西環(huán)線下行鐵路跨中山西路鐵路橋為三跨簡支梁橋，擴大基礎(chǔ)。道床為碎石道床。礦山法區(qū)間與橋臺凈距約8.6 m，路基段覆土約10.0 m。2)石太引入線下行鐵路跨中山西路鐵路橋為框架式連續(xù)梁橋，下部為樁基，樁長25 m。道床為碎石道床。暗挖區(qū)間與橋樁最小凈距約9.97 m，路基段覆土約9.8 m。3)石太引入線上行鐵路跨中山西路鐵路橋為框架式連續(xù)梁橋，下部為樁基，樁長25 m。道床為碎石道床。暗挖區(qū)間與橋樁最小凈距約12.51 m，路基段覆土約9.6 m。4)石家莊西環(huán)線上行鐵路跨石太鐵路橋在中山西路處為32+48+32三跨連續(xù)梁橋，下部為樁基，樁長32 m。道床為碎石道床。區(qū)間與橋樁最小凈距約4.74 m，覆土約9.2 m。5)接觸網(wǎng)線桿位于區(qū)間上方，與區(qū)間凈距約2.8 m；信號燈位于區(qū)間上方；供電線桿位于兩區(qū)間之間。

根據(jù)現(xiàn)有資料和上述方法編制故障樹，如圖1所示。其相應(yīng)的符號和意義如表1所示。

表1 符號及意義

3.3 結(jié)構(gòu)重要度分析

根據(jù)基本結(jié)構(gòu)重要度判定原則，故障樹的最小割集共有46個：{X11X21X31X6}，{X11X27X31X6}，{X12X21X31X6}，{X12X27X31X6}，{X13X21X31X6}，{X13X27X31X6}，{X14X21X31X6}，{X14X27X31X6}，{X15X21X31X6}，{X15X27X31X6}，{X11X21X32X6}，{X11X27X32X6}，{X12X21X32X6}，{X12X27X32X6}，{X13X21X32X6}，{X13X27X32X6}，{X14X21X32X6}，{X14X27X32X6}，{X15X21X32X6}，{X15X27X32X6}，{X11X21X33X6}，{X11X27X33X6}，{X12X21X33X6}，{X12X27X33X6}，{X13X21X33X6}，{X13X27X33X6}，{X14X21X33X6}，{X14X27X33X6}，{X15X21X33X6}，{X15X27X33X6}，{X41X51X6}，{X41X52X6}，{X42X51X6}，{X42X52X6}，{X43X51X6}，{X43X52X6}，{X41}，{X44}，{X28}，{X29}，{X210}，{X211}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}。每個最小割集代表一種導致事故發(fā)生的模式，說明鐵路下沉超限有46種風險路徑。

結(jié)合最小割集劃分結(jié)果，基本事件重要度排序為：

I(X6)>I(X5)>I(X7)>I(X31)>I(X34)>I(X28)=I(X29)=I(X210)=I(X211)>I(X41)=I(X42)>I(X32)=I(X33)>I(X11)=I(X12)=I(X13)=I(X14)=I(X15)>I(X21)=I(X22)=I(X23)=I(X24)=I(X25)=I(X26)=I(X27)。

3.4 控制措施

松散地層淺埋小凈距地鐵區(qū)間隧道下穿既有鐵路多股道施工安全風險高，施工中嚴格控制每個工序和控制環(huán)節(jié)，確保鐵路運營安全和隧道施工安全。針對基本事件重要度排序，分析控制重點如下：

1)嚴格控制大管棚和小導管超前支護施工質(zhì)量，注漿改善地層參數(shù)，提高掌子面前方的土體強度，增加其自穩(wěn)能力。因受施工空間限制，小導管打設(shè)角度偏大，條件允許的情況下應(yīng)盡量減小小導管的打設(shè)角度。

2)嚴格控制臨時仰拱施工質(zhì)量，保證中間土體注漿加固效果，確保鎖腳錨桿的打設(shè)數(shù)量和質(zhì)量。臺階法施工中上下臺階連接的拱腳部位變形是控制重點，現(xiàn)場施工中上臺階預留核心土位置采用的內(nèi)側(cè)擴大拱腳的做法是可取的，可有效地控制拱腳部位位移。因受施工空間限制，鎖腳錨桿打設(shè)角度基本水平，建議條件允許的情況下鎖腳錨桿應(yīng)盡量向下打設(shè)。因鎖腳錨桿的方向理論上應(yīng)與拱腳部位的位移方向一致，拱腳部位的位移方向受開挖應(yīng)力釋放和空間效應(yīng)影響，一般是向下向后。

3)控制調(diào)節(jié)步距，減少圍巖開挖暴露時間，支護及時封閉成環(huán)。特別是掌子面及邊墻開挖部分遇砂層時，應(yīng)及時噴射混凝土封閉開挖面，支護及時封閉成環(huán)，以避免開挖面失穩(wěn)。

4)加強監(jiān)控量測，及時預警險情。對鐵路沉降超限部位及時采取措施，保障鐵路安全運營。

4 結(jié)語

1)以實際工程為依托，通過事故樹分析得到鐵路下沉超限的46種途徑，其中注漿效果差、監(jiān)測體系未有效運轉(zhuǎn)、結(jié)構(gòu)重要度、臺階步距小結(jié)構(gòu)重要度大于其他基本事件，注漿效果差結(jié)構(gòu)重要度最大。故障樹分析法可用于淺埋小凈距隧道下穿工程風險分析。

2)暗挖隧道下穿鐵路風險高，要從大管棚和小導管超前支護施工質(zhì)量；臨時仰拱施工質(zhì)量，中間土體注漿加固效果，鎖腳錨桿的打設(shè)數(shù)量和質(zhì)量；步距調(diào)節(jié)，圍巖開挖暴露時間，支護及時封閉成環(huán)；加強監(jiān)控量測，及時預警險情等方面重點控制。

[1] 張小平,王 杰,胡明亮.事故樹分析在排樁基坑工程安全評價中的應(yīng)用研究[J].巖土工程學報，2011,33(6):960-965.

[2] 周建昆,吳 堅.巖石公路隧道塌方風險事故樹分析[J].地下工程與工程學報，2008,4(6):991-998.

[3] 劉 靖.基于事故樹和AHP分析的新奧法施工動態(tài)風險評估[J].橋隧工程，2010(7):267-274.

FTA applied in the shallow tunnels with a small clear distance beneath railways★

Zhang Xuefeng

(ShijiazhuangMetroCo.,Ltd,Shijiazhuang050000,China)

Based on the project of Zhang-Xi interval in metro No.1 in Shijiazhuang, for its buried depth, small clear distance and other engineering features, using the FTA method, combining the railway subsidence overrun risk factors, finding out the way of risk, putting forward risk pre-control measures. The practice proves that the risk analysis is reasonable and the control measures are effective, which can provide the reference for similar projects.

tunnel, beneath, FTA, risk

2015-05-01★：江蘇省地質(zhì)礦產(chǎn)局科研項目(2013-科研-02)

張雪峰(1980- )，男，工程師

1009-6825(2015)19-0135-02

U455

A