基于事故樹的觀測山洞施工風(fēng)險(xiǎn)分析

匡泳莊,施棟鑫,劉云鑫,王赟輝,顧慧冬

(1.云南省地震局,云南 昆明 650224; 2.云南交通運(yùn)輸職業(yè)學(xué)院,云南 昆明 650300)

0 引 言

隧道工程,簡而言之就是指在巖體或者土層中修建道路以及各種地下建筑物的工程[1]。但是在隧道施工中,往往存在諸多的不確定性,具有高技術(shù)含量、高造價(jià)、易受外界環(huán)境的影響等特點(diǎn),一旦在施工過程中出現(xiàn)意外事故,將對人民的生命和財(cái)產(chǎn)造成不可挽回的損失。因此,施工安全是隧道施工過程中的一個(gè)重要目標(biāo),為了盡可能避免人員傷亡和減低施工事故發(fā)生的可能性,對隧道工程施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識別、分析和控制便十分重要。

為提高地震監(jiān)測能力,麗江地震臺部分測項(xiàng)遷建項(xiàng)目計(jì)劃新建觀測山洞,工程類型屬于隧道施工。本文針對麗江地震臺觀測山洞隧道施工的潛在風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行識別分析。通過風(fēng)險(xiǎn)評估,針對不同風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)提出應(yīng)對措施,能夠最大程度的預(yù)防和降低發(fā)生施工事故的風(fēng)險(xiǎn)。

1 項(xiàng)目概況

因麗江市規(guī)劃修建的麗江古城—寧蒗高速公路途經(jīng)麗江地震臺附近,將對臺站觀測環(huán)境造成較大干擾。為確保臺站良好的監(jiān)測質(zhì)量,按照地震臺址勘選和建設(shè)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)定,勘選麗江地震臺新臺址[2]。臺址勘選依托麗江地震臺部分測項(xiàng)遷建項(xiàng)目,項(xiàng)目總用地面積4 000 m2,項(xiàng)目需新建觀測山洞,觀測山洞以形變觀測手段為主,依據(jù)《地震臺站建設(shè)規(guī)范地形變臺站第1 部分:洞室地傾斜和地應(yīng)變臺站》臺站建設(shè)要求對觀測山洞進(jìn)行選址,并根據(jù)《地震地殼形變觀測方法洞體應(yīng)變觀測》對觀測山洞進(jìn)行設(shè)計(jì)施工。計(jì)劃山洞總體規(guī)模約300 m,包含長基線儀器觀測室、8個(gè)觀測室及連接觀測室的引洞。觀測山洞長、短觀測室洞室截面尺寸高2 900 mm,寬3 000 mm,洞室頂部呈半圓形,洞壁兩側(cè)設(shè)200×200 mm排水暗溝,其內(nèi)包含觀測墩和應(yīng)變觀測井;引洞凈空為高2 600 mm,寬3 000 mm,洞頂為半圓型。山洞施工地址位于中山侵蝕地貌單元上,山體巖性為喜山期花崗巖,受構(gòu)造擠壓有輕微的變質(zhì)作用,巖體表層受風(fēng)化剝蝕作用,發(fā)育有北西和北東兩組節(jié)理,巖體的完整性總體上較好。但山洞周邊斷層較發(fā)育,山洞挖深較深,開挖后導(dǎo)致山體圍巖應(yīng)力平衡打破,導(dǎo)致施工過程中存在塌方的風(fēng)險(xiǎn)。

2 風(fēng)險(xiǎn)分析

2.1 塌方事故原因分析

隧道塌方是指在隧道拱頂或拱腰在開挖后部分或整體巖石在重力作用下,往下崩落的一種地質(zhì)災(zāi)害現(xiàn)象[3]。塌方是隧道施工建設(shè)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個(gè)地下工程施工對現(xiàn)場施工人員威脅最大、最易產(chǎn)生傷亡的工程事故之一,不僅給隧道施工帶來巨大困難而且經(jīng)常致使機(jī)毀人亡,延誤工期,耗費(fèi)資金,并且留有后患,成為未來隧道出現(xiàn)病害的主要根源[4]。

本文主要應(yīng)用魚刺圖法討論山洞隧道施工過程中導(dǎo)致塌方事故發(fā)生的直接或間接原因。魚刺圖法也叫因果分析圖法,可以清晰的將事故結(jié)果與事故致因因素及致因因素之間的影響關(guān)系表示出來,為安全檢查指標(biāo)體系建立提供依據(jù)。隧道工程施工的質(zhì)量問題都可以從人為因素、機(jī)械因素、材料因素、方法因素、環(huán)境因素五個(gè)方面找到原因。以觀測山洞施工塌方事故作為主骨,繪制魚刺圖(圖1)。

圖1 隧道塌方事故的魚刺圖

2.1.1 人員因素

施工人員安全意識低是引起工程質(zhì)量問題的一個(gè)重要原因。在隧道建設(shè)中,存在工作人員經(jīng)驗(yàn)不足,專業(yè)能力不高,部分施工人員甚至缺少相應(yīng)的施工資質(zhì),施工過程中偷工減料、弄虛作假。加上隧道施工難度大,突發(fā)情況多,施工人員大多憑自己的經(jīng)驗(yàn)施工,未按要求執(zhí)行施工方案等因素,直接影響工程質(zhì)量。在施工過程中,存在管理制度不健全、管理人員監(jiān)管不到位、未進(jìn)行崗前培訓(xùn)及技術(shù)交底、擅自改變施工方法、盲目趕工期等問題,也十分容易造成施工事故。

2.1.2 機(jī)械因素

在隧道施工建設(shè)過程中,工程質(zhì)量和進(jìn)度主要取決于工程機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行情況。機(jī)械因素產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)包括設(shè)備本身采購質(zhì)量不達(dá)標(biāo)導(dǎo)致帶病作業(yè),機(jī)械設(shè)備未及時(shí)保養(yǎng)、設(shè)備操作人員操作不當(dāng)或違規(guī)操作等。

2.1.3 施工材料因素

在施工過程中運(yùn)用的原材料以及半成品是否全部合格,決定著整個(gè)工程的質(zhì)量和整個(gè)工程的施工進(jìn)度,所以,合格的材料是確保項(xiàng)目能夠順利進(jìn)行并成功完成的根本[5]。機(jī)械因素產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)包括材料質(zhì)量把關(guān)不嚴(yán),質(zhì)量檢測不合格、材料未按規(guī)定程序進(jìn)場、材料保存不當(dāng)?shù)取?/p>

2.1.4 方法因素

隧道的施工過程復(fù)雜且繁重,需要較高的專業(yè)技術(shù),在隧道設(shè)計(jì)之初只能通過地質(zhì)勘查對隧道區(qū)進(jìn)行宏觀分析,無法對隧道施工區(qū)的詳細(xì)地質(zhì)情況做到完全掌握。施工開始后,隧道開挖導(dǎo)致整個(gè)山體的受力情況發(fā)生改變,往往會導(dǎo)致設(shè)計(jì)的地質(zhì)條件和實(shí)際開挖的地質(zhì)情況不符。設(shè)計(jì)的開挖方式和支護(hù)措施不當(dāng),如支護(hù)參數(shù)偏小或支護(hù)不及時(shí)、未根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整支護(hù)方案等都有可能造成塌方事故。

2.1.5 環(huán)境因素

隧道施工的地質(zhì)條件情況復(fù)雜,如果建設(shè)地點(diǎn)圍巖級別低很容易引發(fā)塌方事故,經(jīng)初步勘察,項(xiàng)目建設(shè)地點(diǎn)及周邊環(huán)境不存在發(fā)生滑坡、泥石流、地陷、洪澇、沖塌等想象災(zāi)難的地段及地震斷裂帶上可能發(fā)生錯(cuò)位的部位[6]。但受目前地質(zhì)勘查能力的限制及施工過程中會有許多不可預(yù)見的狀況,如地下水不利影響、山體巖石中含有有毒氣體、遇到膨脹性圍巖等,加上天氣變化如雨季施工難度大也會影響工程質(zhì)量。因此,需要對因環(huán)境因素引起塌方的問題足夠重視。

2.2 事故樹分析

上世紀(jì) 60 年代,美國學(xué)者提出了事故樹分析方法,簡稱FTA 法(Fault Tree Analysis),通過近年來在工程領(lǐng)域的發(fā)展和完善,事故樹分析成為事故隱患排查和辨識分析的重要方法[7]。事故樹是一種邏輯因果關(guān)系圖,其首先定義系統(tǒng)最不希望發(fā)生的狀態(tài)(即頂事件T),然后通過邏輯門對可能導(dǎo)致頂事件發(fā)生的各種因素與頂事件相連接,以此進(jìn)行逐級分析導(dǎo)致事故發(fā)生的各種途徑和可能性,從而確定導(dǎo)致頂事件發(fā)生的各種因素組成方式及其發(fā)生概率,最終計(jì)算系統(tǒng)的事故概率,并據(jù)此采取相應(yīng)措施。

2.2.1 最小割集

在塌方事故原因分析的基礎(chǔ)上,以魚刺圖為依據(jù),并結(jié)合近幾年塌方事故的原因及麗江地震臺遷建場地地質(zhì)條件等信息,得到此項(xiàng)目施工風(fēng)險(xiǎn)所涉頂事件T和中間事件(表1)。

表1 塌方事故樹事件表

根據(jù)所構(gòu)建的塌方事故樹可知(圖2),若頂事件T發(fā)生必然有A1、A2事件中的至少一個(gè)發(fā)生,運(yùn)用布爾代數(shù)運(yùn)算進(jìn)行簡化,其過程如下:

圖2 山洞隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)事故樹

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)

導(dǎo)致頂事件T發(fā)生的基本事件的集合稱之為割集,而最小割集則是導(dǎo)致頂上事件發(fā)生的最低限度的割集[8]。隧道塌方的最小割集越多,說明發(fā)生事故的可能性越多,在同一個(gè)割集中,如果容量越小,說明引發(fā)這個(gè)割集發(fā)生的機(jī)會越大,危險(xiǎn)性越大。

通過布爾運(yùn)算隧道施工塌方事故樹共有44個(gè)最小割集,說明有44條途徑會引起隧道塌方事故。其中一階最小割集14個(gè),分別為:{X6}、{X7}、{X8}、{X9}、{X10}、{X11}、{X12}、{X13}、{X14}、{X15}、{X16}、{X17}、{X18}、{X19},其含義為引起頂事件發(fā)生的底事件數(shù)量為1,此單個(gè)底事件是塌方發(fā)生的最重要的事故模式(XXXX,XXX)。二階最小割集30個(gè),分別為:{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},表示兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生時(shí)才會使頂事件發(fā)生。例如:{X3X15}表示結(jié)構(gòu)面軟弱{X3},又未按技術(shù)規(guī)范施工{X15}這兩個(gè)事件同時(shí)發(fā)生,最終導(dǎo)致頂事件塌方的發(fā)生。

2.2.2 結(jié)構(gòu)重要度

結(jié)構(gòu)重要度代表偏壓隧道施工時(shí)塌方事故各個(gè)因素的重要程度。基于最小割集合和結(jié)構(gòu)重要性的原理,結(jié)合結(jié)構(gòu)重要度分析原則對事故樹進(jìn)行定性分析。

可得到:I6=I7=I8=I9=I10=I17=I18=I19

對比分析兩個(gè)基本事件,當(dāng)其關(guān)聯(lián)的割集階數(shù)相同時(shí),兩個(gè)事件的結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)的大小取決于他們出現(xiàn)的頻次,頻次越高,系數(shù)越大?？傻玫?I1=I2=I3=I4=I5,I11=I12=I13=I14=I15=I16

此外,若相比較的兩事件出現(xiàn)在基本事件個(gè)數(shù)不等的若干最小割集中,可用近似判別式計(jì)算:

(5)

式中:I(i)—基本事件Xi的結(jié)構(gòu)重要系數(shù)近似判斷值;

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個(gè)數(shù)。

(6)

綜合上述分析可得出底事件的結(jié)構(gòu)重要度排序?yàn)?

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

(7)

由此可見,施工過程中因施工不當(dāng)?shù)娜藶橐蛩厥窃斐伤淼浪降闹饕蛩?可從此方面重點(diǎn)控制風(fēng)險(xiǎn),減低塌方事故發(fā)生的可能性。表2中列出了結(jié)構(gòu)中重要度系數(shù)最高的6項(xiàng)底事件。

表2 結(jié)構(gòu)重要度排序前6的底事件

2.3 主要因素分析及改善措施

從式6、式7和表2可知導(dǎo)致隧道塌方的重要結(jié)構(gòu)度排序前6 的底事件分別為X11、X12、X13、X14、X15和X16。

(1)超前支護(hù)是為了適應(yīng)不同的地質(zhì)條件對隧道圍巖進(jìn)行提前加固的技術(shù)手段;而初期支護(hù)是在開挖后及時(shí)對施工隧道噴射混凝土;二襯則是根據(jù)前期支護(hù)及巖石變形規(guī)律對圍巖再次施工進(jìn)行加護(hù)的手段,三者的最終目的都是對圍巖起到加固、卸載和分配外力的作用[9]。為避免底事件X11(超前支護(hù)不及時(shí))、X12(初期支護(hù)質(zhì)量不合格)和X13(初期支護(hù)質(zhì)量不合格)情況發(fā)生,減少隧道施工過程中二次擾動造成巖石破裂所導(dǎo)致的塌方,在施工前應(yīng)嚴(yán)格勘察山體巖性和地質(zhì)特征,在開挖之前做好巖石加固,開挖后有效支撐圍巖,及時(shí)噴射混凝土填平補(bǔ)強(qiáng)圍巖表面,待初期支護(hù)完成且圍巖變形基本穩(wěn)定后及時(shí)完成二次襯砌,對初期支護(hù)后產(chǎn)生的變形、開裂的圍巖起到再次支撐加固的作用。

(2)人的因素在隧道施工中也起到至關(guān)重要的作用,施工安全意識低(X14)、不按技術(shù)規(guī)范施工(X15)和盲目趕工(X16)都會導(dǎo)致圍巖加固不牢,從而引發(fā)安全事故。為避免此類事件發(fā)生,從人員管理和安全教育方面入手,組織開展專業(yè)類培訓(xùn),從思想和行動上提高安全意識和執(zhí)行力,在施工前做好勘測,施工中做好支護(hù),出現(xiàn)問題及時(shí)反饋,將人為因素所導(dǎo)致的損失降到最低。

3 結(jié)論與建議

3.1 結(jié)論

本文以麗江地震臺遷建項(xiàng)目觀測山洞施工為例,應(yīng)用事故樹分析法對造成塌方的各項(xiàng)因素進(jìn)行詳細(xì)分析,得到如下結(jié)論:

(1)觀測山洞隧道施工區(qū)域周邊地質(zhì)環(huán)境和山體巖性較為復(fù)雜,普通方法難以對隧道塌方因素進(jìn)行詳細(xì)分析,魚刺圖和事故樹分析法能夠更加直觀、簡潔的找出隧道塌方致災(zāi)因子,有效的辨識各個(gè)危險(xiǎn)源之間的邏輯關(guān)系及層次關(guān)系。

(2)在風(fēng)險(xiǎn)識別的基礎(chǔ)上,建立塌方事故樹模型,造成塌方事故發(fā)生的原因共有44條途徑,通過計(jì)算結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)排序可知,超前支護(hù)不及時(shí)(X11)、初期支護(hù)質(zhì)量不合格(X12)、二襯間隔時(shí)間過長(X13)、施工安全意識低(X14)、不按技術(shù)規(guī)范施工(X15)和盲目趕工(X16)6個(gè)因素對塌方的影響較大。根據(jù)計(jì)算分析的到的6個(gè)底層因素,提出風(fēng)險(xiǎn)控制措施和建議,論文研究內(nèi)容為防范或減少麗江地震臺山洞隧道施工塌方事故風(fēng)險(xiǎn)提供了有效的技術(shù)參考。

3.2 建議

為了更好的控制風(fēng)險(xiǎn),項(xiàng)目施工過程中應(yīng)建立合理的風(fēng)險(xiǎn)控制和施工監(jiān)察機(jī)構(gòu),采用垂直管理模式,對管理層和施工層進(jìn)行綜合統(tǒng)一管理,并聘請專業(yè)管理團(tuán)隊(duì)進(jìn)行輔助管理。建立并健全監(jiān)管制度,對建筑工人實(shí)施高效的監(jiān)管,確保建筑工人的生命安全,確保建筑工程的質(zhì)量。

施工前應(yīng)制定相關(guān)安全操作規(guī)程及安全制度,對施工人員進(jìn)行專門的技術(shù)培訓(xùn)和安全培訓(xùn)教育,組織學(xué)習(xí)有關(guān)施工安全的各項(xiàng)管理辦法、規(guī)定等,增強(qiáng)施工人員的安全意識,提高施工技術(shù)水平和執(zhí)行安全制度的行動能力,確保山洞施工安全順利完成。

定期進(jìn)行設(shè)備設(shè)施檢查及復(fù)檢。在施工過程中,若出現(xiàn)了設(shè)備狀況異常或填充物、炸藥的異常,容易引起安全事故,因此要定期對建筑的物料、設(shè)備、器材等進(jìn)行定期的安全檢查和復(fù)審,發(fā)現(xiàn)安全隱患要及時(shí)處理。

為了減少發(fā)生突發(fā)事故所帶來的損失,建設(shè)單位應(yīng)結(jié)合施工現(xiàn)場實(shí)際情況,制定出一套安全事故的應(yīng)急救援方案,并根據(jù)施工進(jìn)度不斷更新,同時(shí)建立救援組織,以保證應(yīng)急預(yù)案的可行性。