米東陽(yáng)

(山西交通科學(xué)研究院，山西太原 030006)

0 引言

近年來(lái)，山西省高速公路發(fā)展極為迅速，隨之而來(lái)的是工程事故的經(jīng)常發(fā)生，地下工程的風(fēng)險(xiǎn)也就越來(lái)越引起人們的關(guān)注。黃土在山西境內(nèi)廣泛存在，塌方是黃土公路隧道施工中常見的事故，國(guó)內(nèi)大部分在建或已建的隧道均發(fā)生過(guò)不同程度的塌方，塌方不僅給隧道施工帶來(lái)巨大的困難，而且嚴(yán)重威脅著人員和工程設(shè)備的安全，給工程帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)損失和嚴(yán)重的社會(huì)影響。

事故樹分析法(Accident Tree Analysis，簡(jiǎn)稱ATA)起源于故障樹分析法(簡(jiǎn)稱FTA)，是安全系統(tǒng)工程的重要分析方法之一，它是從要分析的特定事故或故障開始(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(基本事件)，從而確定系統(tǒng)事故原因的各種組成方式及其發(fā)生概率以計(jì)算系統(tǒng)的事故概率，并據(jù)此采取相應(yīng)措施。它不僅能分析出事故的直接原因，還能深入地揭示出事故的潛在原因［1］。

目前關(guān)于黃土公路隧道塌方的研究基本上是基于個(gè)體實(shí)例的分析，研究集中在隧道塌方的災(zāi)后處理措施上，缺乏對(duì)隧道塌方原因全面地整理和深入地研究。文章通過(guò)深入地分析黃土公路隧道塌方的各種因素，利用層次分析方法，找到黃土公路隧道塌方的各種因素，利用事故樹分析方法，找到導(dǎo)致隧道塌方產(chǎn)生的途徑，期望能為進(jìn)一步提高我省黃土隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理技術(shù)水平做出貢獻(xiàn)。

1 塌方事故原因分析

目前，關(guān)于黃土公路隧道塌方產(chǎn)生的原因，一般認(rèn)為包括地質(zhì)因素、設(shè)計(jì)因素、施工因素和管理因素［2，4］。

1.1 地質(zhì)因素

復(fù)雜的地質(zhì)因素通常被認(rèn)為是導(dǎo)致隧道塌方的重要因素之一。施工過(guò)程中地質(zhì)因素的千變?nèi)f化和其很多時(shí)候的不可預(yù)見性是造成塌方事故的決定性原因。1)遇斷層破碎帶影響區(qū)。斷層破碎帶地應(yīng)力集中，地下水發(fā)育，以往資料表明，地下工程的塌方大多是由斷層破碎帶造成的。2)偏壓地形。在隧道進(jìn)出洞口，由于地質(zhì)因素形成偏壓，導(dǎo)致圍巖應(yīng)力集中，在隧道開挖中極易發(fā)生塌方事故。3)水文地質(zhì)因素。水文地質(zhì)包括地表水與地下水兩部分，水是促使各類地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生和發(fā)展的主要因素之一。由于黃土的特殊結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在水比較發(fā)育時(shí)，黃土的力學(xué)強(qiáng)度大大降低，引起塌方。

1.2 設(shè)計(jì)因素

1)開挖方法不對(duì)。黃土公路隧道一般采用礦山法施工。在選擇施工方法時(shí)，主要影響因素是黃土的地質(zhì)情況。黃土的沉積歷史較久，強(qiáng)度就高，往往采用大臺(tái)階法開挖。黃土的地質(zhì)條件差，則需要隨開挖隨支撐，防止圍巖塌方，開挖后，不宜久露，需要及時(shí)修筑永久支護(hù)結(jié)構(gòu)。開挖方法不當(dāng)引起的塌方很大程度上是由于設(shè)計(jì)者對(duì)圍巖判別的不準(zhǔn)確造成的［3］。

2)支護(hù)參數(shù)偏小。由于黃土的地質(zhì)分類只是一個(gè)定性的概念，同一類黃土，其結(jié)構(gòu)與地質(zhì)條件不盡相同，其自穩(wěn)能力也就不一致，此時(shí)支護(hù)參數(shù)的設(shè)計(jì)尤為重要。設(shè)計(jì)者對(duì)隧道所在區(qū)的水文地質(zhì)情況了解不清，地質(zhì)資料不詳細(xì)，對(duì)可能遇到的斷層影響，富含水等情況估計(jì)不足，對(duì)偏壓黃土隧道沒有進(jìn)行有效合理的支護(hù);另外，為減少工程投入，設(shè)計(jì)者設(shè)置的安全支護(hù)參數(shù)過(guò)小，不能起到支護(hù)穩(wěn)定圍巖的作用，而最終導(dǎo)致較大塌方事故的發(fā)生。

1.3 施工因素

1)初期支護(hù)和超前支護(hù)不及時(shí)或措施不當(dāng)。良好和及時(shí)的初期支護(hù)和超前支護(hù)是預(yù)防塌方的有效手段［4］。隧道在開挖后，由于山體原先的應(yīng)力平衡被打破，必然要進(jìn)行應(yīng)力重分布，出現(xiàn)變形、松弛、擠壓等現(xiàn)象。在施工過(guò)程中，應(yīng)根據(jù)不同的地質(zhì)情況及圍巖變形進(jìn)行合理支護(hù)。初期支護(hù)不及時(shí)，黃土暴露時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，以及超前支護(hù)不及時(shí)造成的局部塌落以及在圍巖類別有變化時(shí)，未根據(jù)實(shí)際情況及時(shí)調(diào)整支護(hù)方案，是造成塌方的原因之一。

2)施工工藝缺陷。施工過(guò)程中存在的工藝操作不符合施工技術(shù)規(guī)范的要求，管理不到位，質(zhì)量控制不嚴(yán)、安全意識(shí)不強(qiáng)也是造成塌方的另一個(gè)原因。常發(fā)生的施工質(zhì)量問(wèn)題有錨桿長(zhǎng)度不足、錨桿砂漿不飽滿或強(qiáng)度尤其早期強(qiáng)度不足、噴混凝土強(qiáng)度厚度不達(dá)設(shè)計(jì)要求、鋼支撐未完全由噴射混凝土包圍密實(shí)、鋼支撐與圍巖之間存在空隙、鋼支撐未置于穩(wěn)定堅(jiān)固的基礎(chǔ)上等。以上施工工藝缺陷直接造成支護(hù)抗力未達(dá)到設(shè)計(jì)要求或圍巖未粘結(jié)緊密使無(wú)彎矩結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩而導(dǎo)致塌方。

3)爆破產(chǎn)生的不利影響。爆破是礦山法隧道開挖的基本方法。爆破會(huì)對(duì)周邊的圍巖產(chǎn)生擾動(dòng)，爆破引起的震動(dòng)導(dǎo)致瞬間巨大的地壓力，增大了初期支護(hù)的荷載，使支護(hù)體系破壞。若隧道爆破施工作業(yè)不合理，光面爆破效果差，周邊參差不齊，產(chǎn)生欠挖或者超挖，由于欠挖而進(jìn)行的二次爆破，以及因超挖而回填不及時(shí)或不密實(shí)則都可能造成圍巖應(yīng)力的進(jìn)一步調(diào)整，從而擾動(dòng)破壞了圍巖的穩(wěn)定。超挖還會(huì)導(dǎo)致初期支護(hù)的格柵拱架或工字鋼拱架不能與圍巖直接接觸，減弱了支護(hù)作用，加大產(chǎn)生塌方的隱患。

1.4 管理因素

1)未經(jīng)上級(jí)技術(shù)部門同意，擅自改變施工工法，如開挖工法、支護(hù)方式等;不嚴(yán)格遵守文件、施工組織設(shè)計(jì)、《隧道施工技術(shù)規(guī)范》《隧道驗(yàn)收評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)》的要求和規(guī)定而進(jìn)行施工，達(dá)不到“均衡生產(chǎn)、有序施工”的要求。2)安全意識(shí)不強(qiáng)，在施工中存在投機(jī)心理、偷工減料、弄虛作假等，造成施工質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求。3)由于盲目趕工期、減造價(jià)等宏觀決策，忽視設(shè)計(jì)文件的要求，違背“管超前、嚴(yán)注漿、短開挖、強(qiáng)支護(hù)、快封閉、勤量測(cè)”的施工原則。引起施工過(guò)程中強(qiáng)行追求進(jìn)度，造成開挖進(jìn)尺太大或施工工法粗糙而增加塌方風(fēng)險(xiǎn)。4)采用新奧法施工時(shí)，沒有按時(shí)、按量的開展量測(cè)工作，或雖開展了量測(cè)工作，但未及時(shí)進(jìn)行信息反饋，采取必要支護(hù)措施，從而造成決策失誤。

2 黃土公路隧道塌方事故樹

事故樹是通過(guò)許多邏輯門和中間事件把頂事件與底事件連接起來(lái)的樹狀結(jié)構(gòu)，以此來(lái)描述頂事件與底事件之間的內(nèi)在邏輯關(guān)系。

2.1 事故樹繪制

根據(jù)分析和資料統(tǒng)計(jì)結(jié)果，確定了21個(gè)底事件，事件及其符號(hào)見表1;根據(jù)因果關(guān)系，繪制事故樹，見圖1。

表1 事件及其符號(hào)

2.2 事故樹的定性分析

所建故障樹分析模型中的頂上事件的底事件有21個(gè)，根據(jù)布爾運(yùn)算規(guī)則，頂事件塌方的發(fā)生以最小路徑和最小割集的并集形式表示。計(jì)算圖1中事故樹的最小割集與最小路徑，得其最小割集為132個(gè)，其中{X14}為一階最小割集，{X01}{X03}{X04}{X05}{X06}為二階割集中出現(xiàn)兩次的底事件，構(gòu)成二階最小割集共55個(gè)，例如，{X01X16}表示在X01(洞口淺埋)和X16(錨桿長(zhǎng)度不足或間距不均)同時(shí)發(fā)生時(shí)，頂事件T(黃土公路隧道塌方)才會(huì)發(fā)生，其他最小二階割集類似。

圖1 黃土公路隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)事故樹

根據(jù)結(jié)構(gòu)重要度原則［5］單事件最小割集中的底事件引發(fā)頂事件發(fā)生的概率最大，僅出現(xiàn)在底事件個(gè)數(shù)相等的若干個(gè)割集中的各底事件發(fā)生概率依出現(xiàn)次數(shù)而定，即出現(xiàn)次數(shù)多，底事件誘發(fā)頂事件的概率大，出現(xiàn)次數(shù)少，底事件誘發(fā)頂事件的概率小。

因此綜合分析可得出底事件的重要性排序:

其中重要性排序位居前9項(xiàng)的底事件如表2所示。

表2 事件重要性排序前9項(xiàng)

3 結(jié)語(yǔ)

以上通過(guò)對(duì)黃土公路隧道塌方風(fēng)險(xiǎn)事故樹的建立及淺析，得出如下結(jié)論:

1)黃土公路隧道塌方事故發(fā)生的機(jī)理復(fù)雜，通過(guò)分析誘導(dǎo)塌方因素，建立的塌方事故樹簡(jiǎn)明、清晰、邏輯性強(qiáng)，是分析黃土公路隧道塌方較為有效的方法。2)黃土公路隧道塌方事故樹分析中共研究了21個(gè)底事件，通過(guò)事故樹分析方法，確定了塌方發(fā)生的主要誘導(dǎo)因素，對(duì)施工有一定指導(dǎo)意義。

［1］ 蔣軍成，郭震龍.安全系統(tǒng)工程［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004.

［2］ 田 兵，楊建國(guó)，張 曉.淺埋軟弱黃土公路隧道圍巖變形與襯砌受力特征［J］.交通標(biāo)準(zhǔn)化，2010(7):109-111.

［3］ JTG D70-2004，公路隧道設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［4］ 陳建勛，喬 雄，王夢(mèng)恕.黃土隧道錨桿受力與作用機(jī)制［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2011(30):1690-1697.

［5］ 吳 銘.模糊事故樹分析及其在施工安全管理中的應(yīng)用［D］.天津:天津大學(xué)，2004.