膠州灣二隧鉆爆法施工安全風險評價

孫豐森，王海亮，張 勇，蔣克文

(1.山東科技大學安全與環(huán)境工程學院,山東 青島 266590;2.青島市政空間開發(fā)集團有限責任公司城軌分公司,山東 青島 266000)

據(jù)統(tǒng)計,在建的青島膠州灣二隧是開挖規(guī)模世界最大、長度世界最長、穿越大規(guī)模斷層的斷面面積世界最大的海底公路隧道,也是世界上第一座超大直徑盾構(gòu)隧道與大斷面鉆爆法隧道對接的海底隧道,隧道在海域?qū)⒋┰揭?guī)模較大的區(qū)域性滄口斷裂帶,施工過程將面臨突涌水、坍塌、海水倒灌的風險,具有建設難度極大、風險極高的特點。

國內(nèi)學者在對隧道及地下工程風險進行分析和評估時,大多采用專家調(diào)查法、層析分析法或模糊層次分析法、貝葉斯網(wǎng)絡分析法和事故樹分析法[1-2],一般的層次分析法也需要用到專家調(diào)查法,不同專家因為認知水平差異給出的結(jié)果可能不一致,即層次分析法進行一致性檢驗不通過,這時就需要將調(diào)查表返回給專家進行調(diào)整。另外海底隧道鉆爆法施工不同階段風險因素存在著互相關(guān)聯(lián),貝葉斯網(wǎng)絡分析法考慮到了風險因素的這種交互影響,但是它沒有考慮到風險因素的另一個特定,即模糊性。模糊數(shù)學能夠在一定程度上反映專家對客觀事物評價的不確定性,只使用這種能考慮到專家對風險的不確定性,但卻沒有考慮到風險因素間的交互影響。

本文將直覺模糊集理論(IFS)[3]與質(zhì)量功能展開理論(QFD)[4]相結(jié)合,建立基于直覺模糊質(zhì)量功能展開(IFQFD)的海底隧道鉆爆法施工風險排序模型,根據(jù)專家評價結(jié)果,將自然語言轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)學,集成膠州灣二隧鉆爆法施工各階段事故風險權(quán)重矩陣、施工各階段與風險因素關(guān)聯(lián)矩陣以及風險因素自相關(guān)矩陣,根據(jù)風險因素權(quán)重得分對風險因素進行排序,提出膠州灣二遂現(xiàn)場施工風險分析及控制措施,為膠州灣二遂施工安全提供可靠依據(jù)。

1 工程概況

青島膠州灣二隧工程主線全長17.47 km,隧道布置方式為主隧道雙向六車道,中間一條服務隧道,其中主隧道長14.37 km(海域段9.95 km+陸域段4.42 km)。

隧道段采用明挖、鉆爆(西側(cè))與盾構(gòu)(東側(cè))的組合工法施工。本工程第TJ-01—TJ-04共4個標段為鉆爆法施工,青島端的第TJ-05,TJ-06標段為盾構(gòu)法施工,其中鉆爆法施工段單向總長9 942 m,占暗挖隧道全長(13 195 m)的75.35%,海域鉆爆段單向長7 094.5 m,占鉆爆法隧道施工的71.35%,占暗挖隧道總長的53.76%。

2 膠州灣二隧鉆爆法施工風險排序

構(gòu)建基于IFQFD的海底隧道鉆爆法施工風險因素排序模型,大體可以按以下幾個步驟進行:確定研究范圍,將海底隧道鉆爆法施工劃分為不同施工階段,辨識風險因素,這些工作也屬于構(gòu)建模型前期準備工作。然后根據(jù)階段劃分和風險辨識結(jié)果建立施工風險質(zhì)量屋;邀請業(yè)內(nèi)專家就不同施工階段風險權(quán)重、風險因素間相關(guān)度及施工階段與風險因素的關(guān)系進行評價,再將自然語言轉(zhuǎn)化為模糊數(shù),根據(jù)直覺模糊層次分析法計算權(quán)重;對不同專家評價的各施工階段與風險因素的關(guān)系矩陣風險因素自相關(guān)矩陣進行集結(jié);根據(jù)集結(jié)后的施工階段權(quán)重矩陣、風險因素自相關(guān)矩陣及施工階段與風險因素的關(guān)系矩陣求出各風險因素的權(quán)重,并進行綜合排序[5]。

2.1 構(gòu)建海底隧道鉆爆法施工風險質(zhì)量屋

“質(zhì)量屋”(House of Quality,簡稱HOQ),是用來強調(diào)QFD中各成分的互相聯(lián)系及內(nèi)在聯(lián)系的模型,這是QFD方法的最重要的功能,也是用于本文風險管理最主要的部分,即通過該模型進行風險評估能夠綜合考慮不同階段風險因素互相聯(lián)系及內(nèi)部聯(lián)系。

首先利用WBS-魚刺圖法,將膠州灣二隧鉆爆法施工分為5個主要的施工階段和20個具體的事故風險因素(見表1),再以5個施工階段為左墻、20個風險因素為天花板、各施工階段與風險因素的關(guān)系矩陣為房間主體、風險因素自相關(guān)矩陣為天花板等構(gòu)建海底隧道鉆爆法施工風險質(zhì)量屋如圖1所示。

表1 海底隧道鉆爆法施工安全風險清單

2.2 計算施工各階段事故風險權(quán)重

對于海底隧道施工的不同階段,風險發(fā)生的概率和導致的損失嚴重性大有不同,領(lǐng)域內(nèi)的專家評價時根據(jù)工程經(jīng)驗和專業(yè)知識,對不同階段安全風險進行比較并賦值,然后根據(jù)IFAHP進行權(quán)重計算。

2.2.1 構(gòu)造直覺模糊判斷矩陣

2.2.2 一致性檢驗和修正

(1)

(2)

(3)

2.2.3 施工各階段事故風險權(quán)重計算

根據(jù)相同的方法對E(2)～E(5)進行一致性檢驗并修正[10],分別計算由5名專家評價得出的事故風險權(quán)重矩陣wc(1)～wc(5),然后通過IFPA算子式[11]集結(jié)5個權(quán)重矩陣,得到海底隧道鉆爆法施工各階段事故風險權(quán)重矩陣:

wg=[(0.06,0.94)(0.27,0.72)(0.28,0.72)(0.21,0.77)(0.13,0.86)]。

2.3 風險因素排序

由5名專家分別對膠州灣二隧鉆爆法施工5個階段與20個風險因素之間的關(guān)聯(lián)性,以及20個風險因素的自相關(guān)性進行判斷,此部分由于風險因素多數(shù)據(jù)量大,僅列出第一位專家給出的5個施工階段與風險因素間的關(guān)聯(lián)性評價,用自然語言的字母縮寫表示為表2所示結(jié)果[12]。對專家給出的5個關(guān)系矩陣和5個自相關(guān)矩陣,分別使用IFPA算子進行集結(jié),得出關(guān)系矩陣WH=hip5×20,以及風險因素自相關(guān)矩陣WR=rpq20×20。

表2 施工各階段與各風險因素關(guān)聯(lián)度

2.4 風險因素排序

將以上計算得到的三個矩陣相乘,即wgWHWR=wR可以求得各風險因素的權(quán)重矩陣wR=(wp)1×20。利用直覺模糊數(shù)得分函數(shù)式s(a)=μa-va對風險因素權(quán)重進行計算,得到風險因素綜合排序如表3所示。

表3 膠州灣二隧鉆爆法施工風險因素排序

根據(jù)表3計算結(jié)果和綜合排序可知,風險因素排序在前10位的依次為:c2,c5,a5,d2,e2,a6,c3,c4,a2。

3 膠州灣二遂鉆爆法施工風險控制

前10位風險權(quán)重的排序中,海底隧道鉆爆法開挖階段占了4個,接近前10位的40%,在該階段出現(xiàn)風險的概率和損失最大,是風險事故發(fā)生的主要階段,這與前文描述的規(guī)劃勘察階段及設計階段風險在此階段的積累效應一致。根據(jù)風險排序結(jié)果,本文對排名靠前幾的風險因素結(jié)合施工現(xiàn)場工況給出相應的風險應對措施,降低膠州灣二隧鉆爆法施工風險。

3.1 斜/豎井爆破施工控制

兩豎井周邊170 m范圍內(nèi)有大小建筑物7棟,50 m～60 m范圍有建構(gòu)筑物4棟,其中最危險的是水平距離55 m的磚混結(jié)構(gòu)建筑望海賓館。根據(jù)GB 6722—2014爆破安全規(guī)程的有關(guān)規(guī)定其振速要求不超過1.5 cm/s,由于該建筑屬于磚混結(jié)構(gòu)且已建成時間超過20 a,因此綜合考慮后施工單位規(guī)定其爆破振速不超過1.0 cm/s。兩豎井周邊100 m范圍內(nèi)有黃島輸油管道、通信管線(光纖)、10 kV電力管線、消防管道等9種地下管線,其中保護要求較嚴格的是直線距離55 m的燃氣管線及直線距離58 m的信號基站,其最大振速要求不超過0.5 cm/s。

1)將安全爆破施工放在第一位,以《爆破安全規(guī)程》及爆破參數(shù)設計圖表為依據(jù),編制經(jīng)濟合理、切實可行的爆破方案。

2)嚴格執(zhí)行日循環(huán)進尺0.75 m的要求,豎井炮孔為豎直方向,鉆孔完成后必須及時對炮孔進行封堵,否則松動爆破可能轉(zhuǎn)變?yōu)閺姃仈S爆破。

3)嚴格控制爆破振動強度、飛散物、沖擊波的危害以及減少對地層的擾動。

4)對周邊管線及建構(gòu)筑物,遵循保護對象距離最近及最弱原則。

5)要充分考慮周圍環(huán)境條件、現(xiàn)場地質(zhì)條件以及現(xiàn)有施工設備,合理選擇技術(shù)參數(shù),爭取“安全、優(yōu)質(zhì)、高效、低耗”完成本工程。

3.2 隧道開挖爆破風險控制

爆破是隧道施工中最常見的施工過程,對其施工方式進行控制能有效地預防塌方的出現(xiàn)。在爆破前,可采取淺孔爆破或松動爆破的方式,這能在一定程度上降低爆破振動的影響范圍,使隧道的爆破施工在更正確的方位進行施工。與此同時,還要嚴格把控爆破的炸藥使用量,這是隧道施工安全的重要保證。

穿越斷裂帶施工期間采用控制爆破如光面爆破技術(shù)或預裂爆破技術(shù),減少圍巖松馳圈的厚度,保護隧道圍巖及結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定?？刂瞥吠诘闹攸c是控制鉆孔精度、爆破技術(shù)和施工管理:

1)改變“寧超勿欠”的傳統(tǒng)觀念,樹立“少超少欠”的觀點。

2)提高鉆孔技術(shù)水平,使用鑿巖臺車代替人工鉆孔。

3)進一步解決好爆破技術(shù)參數(shù)的合理配置。

4)在控制隧道超欠挖中,建立一個比較完善、系統(tǒng)的質(zhì)量保證體系,對作業(yè)全過程及相關(guān)因素實行嚴格科學的管理是非常重要和必要的。

5)提高放線精度:采取全站儀控制隧道掘進方向,提高中線和標高的精度;提高輪廓線放線精度;提高作業(yè)人員的操作水平。

6)在施工中,緊跟開挖面對圍巖進行觀測描述,并對圍巖的節(jié)理裂隙狀態(tài)進行預測,據(jù)此調(diào)整爆破參數(shù)和施工方法或采取局部內(nèi)移炮眼、局部空孔不裝藥、加密炮眼、局部調(diào)整起爆順序等輔助措施。

爆破后除了檢查爆破效果的工作人員,炮煙消散前禁止其他人員立即進入爆破區(qū)。加強通風,主線豎井貫通后應通過豎井給主線工作面通風,改善洞內(nèi)通風。

4 結(jié)論

1)本研究將改進的質(zhì)量功能展開(QFD)方法首次應用在海底隧道鉆爆法施工風險因素排序中,建立海底隧道施工風險質(zhì)量屋,構(gòu)建基于直覺模糊質(zhì)量功能展開(IFQFD)的風險排序模型。該模型運用符合客觀情況的直覺模糊集理論,集成海底隧道鉆爆法施工各階段事故風險重要度、施工各階段風險因素權(quán)重以及風險因素之間關(guān)聯(lián)度,使海底隧道施工風險因素排序更加合理[13]。

2)采用基于直覺模糊質(zhì)量功能展開法(IFQFD)對5個施工階段的風險因素進行評價。其中高風險等級因素主要有10個,隧道開挖階段占4個,斜/豎井施工階段占3個,說明這兩個階段的風險發(fā)生概率比較大,產(chǎn)生的損失最嚴重,因此在鉆爆法施工過程中需要進行重點關(guān)注。

3)針對膠州灣二隧鉆爆法施工最突出的風險因素:松動爆破、光面爆破和預裂爆破等風險控制技術(shù)措施,有利于降低膠州灣二隧鉆爆法施工安全事故的風險發(fā)生概率。