地鐵盾構(gòu)施工風險的事故樹分析——以地面沉降事故為例

劉維慶， 趙雅云， 孫赫梓

（1.石家莊鐵道大學經(jīng)濟管理學院，河北石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學大型結(jié)構(gòu)研究所，河北石家莊 050043）

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地鐵盾構(gòu)施工風險的事故樹分析——以地面沉降事故為例

劉維慶1， 趙雅云2， 孫赫梓2

（1.石家莊鐵道大學經(jīng)濟管理學院，河北石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學大型結(jié)構(gòu)研究所，河北石家莊 050043）

摘 要：地面沉降是地鐵盾構(gòu)施工過程中常見的事故，運用安全系統(tǒng)工程中的事故樹分析法，對引起地面沉降的原因進行分析，以地面沉降為頂事件，通過層層向下分析，找到導致事故發(fā)生的基本事件，并構(gòu)建事故樹。通過事故樹分析，得到各原因事件之間的邏輯關(guān)系，并計算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，確定導致地面沉降事故發(fā)生的主要原因，找出預防事故的關(guān)鍵途徑，并制定出有效的安全管理措施。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；地面沉降；事故樹分析；結(jié)構(gòu)重要度；安全管理對策

本文信息：劉維慶，趙雅云，孫赫梓.地鐵盾構(gòu)施工風險的事故樹分析［J］.石家莊鐵道大學學報：社會科學版，2016，10（1）：21－25.

隨著我國城市化進程的飛速發(fā)展，城市人口日益增多，傳統(tǒng)的以公共汽車為主的交通方式由于運客量小，已逐漸無法滿足城市化的客運需求。為解決客運壓力，各城市開始將目光投向低污染、低能耗、高載客量的城市軌道交通工具——地鐵。對于地鐵施工來說，盾構(gòu)施工法由于其對環(huán)境影響小、不影響地面交通、機械化程度高等優(yōu)點，適用于城市地下開挖工程。然而，盾構(gòu)法受工程地質(zhì)條件、掘進過程人為控制等因素的影響較大，施工過程中可能會引起地面沉降和地面坍塌事故［1－2］。因發(fā)生異常沉降而導致的建筑物墻壁開裂、房屋傾斜倒塌、路面沉陷、地面塌陷等安全事故，會給人民生活、交通運輸、工程生產(chǎn)帶來極大的影響，甚至造成人員傷亡［3］。本文采用安全系統(tǒng)工程中的事故樹分析法，分析并找出引起盾構(gòu)施工地面沉降的多層原因直到根本因素，根據(jù)分析結(jié)果提出安全管理對策，以達到有效地預防地面沉降事故。

一、事故樹分析方法

（一）事故樹分析原理

事故樹（Fault Tree）是一種用來描述導致事故發(fā)生的各層原因的有邏輯關(guān)系的“樹”。事故樹分析（Fault Tree Analysis，簡稱FTA）方法是安全系統(tǒng)工程中較為常用的安全分析方法，也常用于安全評價。事故樹分析以可能發(fā)生的事故為頂事件，逐層尋找導致事故發(fā)生的原因和各原因之間的邏輯關(guān)系［4］。通過事故樹分析，不僅可以找到導致事故發(fā)生的直接和間接原因，而且能夠深層次地分析出系統(tǒng)中可能導致事故發(fā)生的不易察覺的潛在因素，除此之外，還可以進行定性和定量分析，確定各個基本事件的發(fā)生對事故的影響程度，從而便于找出導致事故發(fā)生的主要原因，為制定安全措施和安全管理提供有利的依據(jù)，為實現(xiàn)系統(tǒng)最佳安全狀態(tài)打下基礎(chǔ)［5］。

（二）事故樹分析的基本程序

實施事故樹分析，基本上可分作三個階段。首先是熟悉系統(tǒng)階段，在此階段需要明確系統(tǒng)并收集系統(tǒng)的相關(guān)信息，查閱本系統(tǒng)與其他相似系統(tǒng)的歷史資料；其次是編制事故樹階段，確定頂事件，之后收集事故原因，一層一層向下分析，直到找到基本事件，并編制事故樹；定性和定量分析階段，通過分析各原因事件之間的邏輯關(guān)系，找到最小割集和最小徑集，計算頂事件發(fā)生概率和各基本事件的概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度等系數(shù)，并對分析結(jié)果進行總結(jié)與應用。本文在定性和定量分析階段僅進行結(jié)構(gòu)重要度計算。

二、地鐵盾構(gòu)施工地面沉降的事故樹分析

（一）盾構(gòu)施工地面沉降事故樹的確立

本文針對石家莊地鐵3號線一期工程，以盾構(gòu)法施工過程可能發(fā)生的地面沉降事故為頂事件，進行事故樹分析。石家莊地鐵3號線一期工程位于中心城區(qū)范圍，規(guī)劃線路全長62.3 km，全部為地下線，沿線鄰近或下穿多處立交橋，下穿多處房屋，工程風險較大，在地下區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。

通過對石家莊地鐵3號線盾構(gòu)施工方案的分析，可以得出造成地面沉降的原因主要有地面沉降量過大和預防地面沉降措施不當，兩個因素缺一不可，與頂事件為邏輯與門的關(guān)系，構(gòu)成事故樹的第一個層次。

導致地面沉降量過大的原因有地質(zhì)因素和技術(shù)因素，二者之間為邏輯或門的關(guān)系。預防地面沉降措施不當主要原因有監(jiān)控不足和人員素質(zhì)低，二者為邏輯或門的關(guān)系。這四個因素構(gòu)成事故樹的第二個層次。

根據(jù)石家莊地鐵3號線的地質(zhì)水文情況，地質(zhì)因素包括地層損失和受擾動土再固結(jié)，二者為邏輯或門關(guān)系。技術(shù)因素主要是施工不當和設(shè)計不當，包括開挖面超挖［6］、設(shè)計不合理等。二者為邏輯與門關(guān)系。而造成地質(zhì)損失的原因有：開挖面土體移動、盾構(gòu)后退、土體擠入盾尾空隙、推進方向發(fā)生變化、盾構(gòu)前方障礙物隨盾構(gòu)推進。繼續(xù)向下分析，各中間事件可進行進一步分解，從而找到事故發(fā)生的基本原因即底事件。根據(jù)上述分析，構(gòu)造事故樹，事故樹見圖1，各事件符號及意義見表1。

圖1 地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故樹

表1 地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故中事件符號及含義

（二）最小割集的計算與分析

在所有基本事件組成的集合中，當一個集合中所有事件發(fā)生則引起頂事件發(fā)生時，稱這個集合為割集，當一個割集中，任一基本事件不發(fā)生就不會引起頂事件發(fā)生時，稱這樣的割集為最小割集。最小割集可以表示出頂事件發(fā)生的可能性大小和造成頂事件發(fā)生的原因組合。事故樹中最小割集的數(shù)量越多，就代表著系統(tǒng)越危險。由圖1所示的事故樹分析可知，造成盾構(gòu)施工地表坍塌事故的基本事件有21個，即事故隱患有21個。

應用布爾代數(shù)簡化，就可以得出最小割集。利用事故樹分析軟件，對事故樹進行簡化，得到以下結(jié)果：

T＝M1M2＝（M3＋M4）（M5＋M6）＝（M7 ＋M8＋M9M10）（M5＋M6）＝（M11＋M12＋M13＋M14＋X9＋M8＋M9M10）（M5＋M6）＝｛X1＋X2＋…＋X11＋（X12＋X13＋X14＋X2＋X3）（X15＋X16）｝（X17＋…X21）

求得此事件的最小割集為：?＝｛X12，X15，X17），（X12，X15，X18）……｝。

結(jié)果顯示有85個最小割集，其中30個割集中包含3個基本事件，55個割集中包含2個基本事件。從最小割集的計算可以看出：

（1）共有85個最小割集，即頂事件發(fā)生的可能性共有85種，根據(jù)最小割集的概念來說，地鐵盾構(gòu)施工發(fā)生地面沉降的可能性很大，可見其預防的難度較大。

（2）基本事件共有21個，其中屬于技術(shù)及管理因素的有8個，為X12～X19，其余的13個屬于物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為。這說明物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為對地鐵盾構(gòu)施工地面沉降造成的影響較大。

（三）最小徑集的計算與分析

與割集相反，當一個集合中基本事件不發(fā)生則頂事件就不會發(fā)生時，這個集合稱為徑集。當一個徑集中任一基本事件發(fā)生則頂事件發(fā)生時，這個徑集稱為最小徑集。事故樹中最小徑集越多，系統(tǒng)的安全性就越高。將地鐵盾構(gòu)施工地面沉降的事故樹變?yōu)槌晒?，用布爾代?shù)法求成功樹的最小割集，即可得到原事故樹的最小徑集為：

｛（X17，X18，X19，X20，X21），（X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X15，X16），（X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14）｝

盾構(gòu)施工地面沉降有3個最小徑集：

｛X17，X18，X19，X20，X21｝，

｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X15，X16｝，

｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14｝。

從最小徑集的計算可以看出：

｛X17，X18，X19，X20，X21｝由五個基本事件構(gòu)成，這是防治地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故的最短路徑。

｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X15，X16｝由13個基本事件構(gòu)成，這些事件與地面沉降的地質(zhì)因素和設(shè)計因素有關(guān)，預防難度較大。

｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14｝有14個基本事件構(gòu)成，這些事件除與地質(zhì)因素和設(shè)計因素有關(guān)外，還與施工不當有關(guān)。

（四）結(jié)構(gòu)重要度的排序和分析

結(jié)構(gòu)重要度是在不考慮各基本事件的發(fā)生概率或者認為所有基本事件的發(fā)生概率相同的情況下，僅從事故樹的結(jié)構(gòu)上分析其對頂事件發(fā)生的影響程度。在缺乏定量分析數(shù)據(jù)的前提下，結(jié)構(gòu)重要度定性分析就顯得很重要［7］。此事故樹的結(jié)構(gòu)重要度的排序為：

I（X21）＝I（X20）＝I（X19）＝I（X18）＝I（X17）＞I（X11）＝I（X10）＝I（X9）＝I（X8）＝I（X7）＝I（X6）＝I（X5）＝I（X4）＝I（X3）＝I（X2）＝I（X1）＞I（X16）＝I（X15）＞I（X14）＝I（X13）＝I（X12）

從中可以看出：結(jié)構(gòu)重要度最大的基本事件為：未對地面沉降量進行監(jiān)測、忽視周邊建筑物的影響、忽視土壓力的影響、人員的技術(shù)培訓和安全教育不到位。其次是土層骨架變形蠕動、排水固結(jié)變形、盾構(gòu)前方障礙物隨盾構(gòu)推進、未控制好最小應有防后退頂力、千斤頂漏油、千斤頂回縮、盾構(gòu)外周粘附黏土、盾構(gòu)掘進軸線偏差、壓漿不當、開挖面超挖、操作失誤。再其次是設(shè)計不合理、地質(zhì)情況未探明，最后是參數(shù)沒有優(yōu)化、不按施工組織設(shè)計、施工質(zhì)量不達標。施工時應加強對地質(zhì)的監(jiān)控，做好地質(zhì)勘查工作，按規(guī)范監(jiān)測地面沉降量，重視周邊建筑物和土壓力的影響，做好施工人員技術(shù)培訓和安全教育。施工和設(shè)計時都應注意地層損失和受擾動土再固結(jié)對地面沉降造成的影響。在此必須要說明的是，在結(jié)構(gòu)重要度中，排在后面的各個基本事件也不應該被忽視。

三、地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故樹分析結(jié)論與安全管理對策

軌跡交叉理論告訴我們，人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)是引起事故發(fā)生的直接原因，安全管理缺陷是間接原因。但只有在管理存在漏洞的情況下，人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)這兩大因素才得以存在，所以，安全管理存在漏洞是導致事故發(fā)生的最本質(zhì)原因［5］。從上述事故樹的結(jié)構(gòu)重要度可以看出，對地面沉降事故發(fā)生影響較大的因素有：安全教育不到位、技術(shù)培訓不到位、忽視土壓力的影響、忽視周邊建筑物的影響、未對地面沉降量進行檢測。根據(jù)事故樹分析結(jié)論，可以采取相應的措施加強安全管理。

（一）地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故樹分析結(jié)論

根據(jù)最小徑集計算出的最短路徑｛X17，X18，X19，X20，X21｝，可以確定預防地面沉降事故發(fā)生的最有效措施是：按照規(guī)范對地面沉降量進行監(jiān)測，重視周邊建筑物的影響，重視土壓力的影響，對施工人員進行技術(shù)培訓和安全教育。

從其他徑集包含的事件可以看出：①在施工過程中應嚴格按照施工規(guī)范執(zhí)行，提高施工人員素質(zhì)，以此來預防地層損失，受擾動土再固結(jié)引起的地面沉降也應引起施工人員的注意。②設(shè)計人員也應嚴格按照規(guī)范并結(jié)合項目實際情況進行設(shè)計。③為預防施工不當造成的地面沉降，可采取如下措施：優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)、嚴格按照施工組織設(shè)計施工、嚴格控制施工質(zhì)量和避免施工人員因技術(shù)水平不高而導致的開挖面超挖和壓漿不當。

（二）地鐵盾構(gòu)施工安全管理措施

根據(jù)事故樹分析的結(jié)論，在石家莊地鐵3號線一期工程中，可以從以下方面加強安全管理，預防地鐵盾構(gòu)施工中的地面沉降。

1.施工技術(shù)安全管理

施工之前落實地質(zhì)、環(huán)境條件的勘測工作，收集詳盡的相關(guān)資料，為施工設(shè)計提供有效的依據(jù)，避免出現(xiàn)施工開始之后發(fā)現(xiàn)土質(zhì)不符合施工條件、周邊建筑物影響施工進度等問題。加強施工過程中的安全監(jiān)測，按規(guī)范監(jiān)測地面沉降量，監(jiān)測項目包括地面沉降量監(jiān)測、地下水位監(jiān)測等，及時將地面沉降監(jiān)測成果應用于檢查驗收，并編制檢查驗收報告，根據(jù)監(jiān)測情況制定并實施有效措施。為保證系統(tǒng)能夠可靠運行，應嚴格按照規(guī)范及相關(guān)作業(yè)指導書進行施工，施工設(shè)計方案的制定和施工方法的選擇必須嚴格把關(guān)，各項技術(shù)參數(shù)的使用嚴格按照國家標準進行。

2.加強安全教育及安全培訓

在目前工程中大量使用人力（農(nóng)民工）且建筑施工人員素質(zhì)普遍偏低［8］、安全管理人員水平不高的情況下及大規(guī)模的建設(shè)背景下［9］，實現(xiàn)安全施工的難度是很大的，由于人的不安全行為往往是導致事故發(fā)生的根本原因，所以要想做到預防事故的發(fā)生，必須加強施工人員的技術(shù)培訓和安全教育。安全教育是意識上的培養(yǎng)，目的是要提高工人的安全意識和自我防范能力，施工現(xiàn)場應開展安全教育活動，宣傳安全施工的重要性，通過改變工人對安全事故的認知，來引導員工的行為；安全技術(shù)培訓則更專業(yè)一些，主要包括對安全管理人員和設(shè)備操作人員進行專業(yè)知識培訓，除此之外還包括對廣大員工預防安全事故和自身保護能力的培訓，通過安全技術(shù)培訓，可以使施工人員掌握正確的工作方法，避免出現(xiàn)操作錯誤和技術(shù)性錯誤。

四、結(jié)語

事故樹分析是安全工程中常用的系統(tǒng)分析方法，事故樹分析對預防事故的發(fā)生有著很重要的作用。首先，通過對地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故進行事故樹分析，可以得到引起事故各因素及其邏輯關(guān)系，全面地查明危險因素，為設(shè)計、施工和管理提供依據(jù)；其次，可以通過事故樹分析來評價工藝、設(shè)備和方法的安全性，改善施工技術(shù)和管理方案；再次，熟悉系統(tǒng)階段和編制事故樹階段的材料收集和使用，可以使工作人員更全面的了解系統(tǒng)，熟悉施工過程，開闊思路；最后，事故樹分析是定性和定量分析，通過分析計算最小割集、最小徑集、結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度等參數(shù)，可以得到更準確有效的事故預防措施。

參考文獻：

［1］馮國冠.基于某地鐵盾構(gòu)區(qū)間施工坍塌處理技術(shù)分析［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2012，8（3）：174－178.

［2］陳潰，洪開榮，吳學松.盾構(gòu)施工技術(shù)［M］.北京：人民交通出版社，2009.

［3］彭永濤.盾構(gòu)施工引起地面沉降的原因分析及控制措施研究［J］.公路，2013，11（11）：110－113.

［4］施偉，劉建輝.煤礦安全管理分析與評價方法探討［J］.安全生產(chǎn)與監(jiān)督，2007（2）：21－22.

［5］黃彩德，馬元琳，袁林.基于事故樹分析的4.28鐵路事故安全管理對策［J］.交通科技與經(jīng)濟，2013，15（5）：63－70.

［6］王慶磊，李文江，孫洪碩，劉陽.近接新建地鐵既有污水管道安全性分析［J］.石家莊鐵道大學學報：自然科學版，2014，27（2）：41－45，60.

［7］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用研究［J］.巖土工程學報，2011，33（6）：960－965.

［8］劉鐵民.安全生產(chǎn)工作體系建設(shè)［J］.中國安全生產(chǎn)科學技術(shù)，2008，4（5）：5－7.

［9］賀農(nóng)農(nóng).城市軌道交通建設(shè)安全監(jiān)督管理模式研究［J］.石家莊鐵道大學學報：社會科學版，2014，8（1）：23－26.

Fault Tree Analysis of Subway Shield Construction——A Case Study of Land Subsidence Accident

LIU Wei－qing1，ZHAO Ya－yun2，SUN He－zi2
（1.College of Economics and Management，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang，050043，China；2.Structural Health Monitoring and Control Institute，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang，050043，China）

Abstract：Land subsidence accident is rather common in the subway construction process when applying shield method.By using fault tree analysis，the method in safety system engineering and the causes of land subsidence are analyzed.Taking the land subsidence as the top event，the research is to find the basic faults which caused the accident after the layers of analysis，and then the fault tree is built.Through the fault tree analysis，the logical relationship between various causative events is got，then the structural importance of each basic events is calculated out.The primary causes of land subsidence accident are determined，the critical path of accident prevention is found，and the effective way to prevent the ground settlement accident in the shield construction is proposed.

Key words：shield construction，land subsidence，fault tree analysis，structure importance，safety management countermeasures

基金項目：河北省社科基金項目（HB15GL033），教育部人文社科課題（11YJA630066）

作者簡介：劉維慶（1963－），男，教授，博士，研究方向：工程項目管理。

收稿日期：2015－11－22

文章編號：2095－0365（2016）01－0021－05

中圖分類號：X928.9

文獻標識碼：A

DOI：10.13319／j.cnki.sjztddxxbskb.2016.01.04