趙紅光,夏沅譜,施燁輝,,程荷蘭
(1.南京地鐵建設(shè)有限責(zé)任公司,江蘇南京210007;2.解放軍理工大學(xué)爆炸沖擊防災(zāi)減災(zāi)國家重點實驗室,江蘇南京210007,3.江蘇省隧道與地下工程技術(shù)研究中心,江蘇南京210000)
隨著我國基礎(chǔ)設(shè)施的大規(guī)模建設(shè),在巖溶地區(qū)修建的富水高壓隧道也越來越多,由于巖溶發(fā)育的復(fù)雜性以及隧道內(nèi)多工序交叉作業(yè)等多種不利因素,突水突泥事故屢發(fā)。然而,人們往往僅限于查清事故原因,然后采取相應(yīng)的補救措施,這種方法只能發(fā)現(xiàn)表層原因,很難達(dá)到預(yù)防事故悲劇重演的目的。所以要運用科學(xué)的方法進(jìn)行系統(tǒng)的分析,著眼于事故發(fā)生的整個過程,找出事故發(fā)生的根本原因。
隧道突水突泥的發(fā)生主要包括內(nèi)因和外因,內(nèi)因主要是指設(shè)計、施工等方面人為因素,外因主要是指工程地質(zhì)和水文地質(zhì)等自然條件。
對隧道突水突泥有重要影響的不良地質(zhì)主要包括:(1)斷層破碎帶。(2)可溶性巖石的向斜核部和背斜翼部。(3)可溶性巖石與非可溶巖的接觸帶。(4)層狀隔水層形成的含水體,巖溶地層中的孤立含水體以及地下暗河等。
氣候的變化決定氣溫的高低、總降水量、降水強度和降水量的季節(jié)分配、蒸發(fā)量以及地面徑流量與滲透量之間的比例關(guān)系等。夏季雨量充沛,地表水下滲轉(zhuǎn)化為巖溶水,且攜帶大量泥砂,特別是暴雨季節(jié),地層水位迅速上升,水壓力增大,隧道突發(fā)涌水的可能性極大。
隧道設(shè)計的因素主要表現(xiàn)在以下兩個方面:
(1)地質(zhì)勘探對斷層、富水溶洞溶腔、暗河等特殊地質(zhì)估計不足,對可能遭遇的地質(zhì)災(zāi)害及災(zāi)后處理缺乏思想準(zhǔn)備和相應(yīng)措施,在施工時容易因為設(shè)計問題而引發(fā)突水突泥事故。
(2)設(shè)計者為了減少工程的造價和縮短工期,安全支護(hù)參數(shù)設(shè)置得過小,使得支護(hù)結(jié)構(gòu)不足以抵抗圍巖壓力和巖溶水的壓力而導(dǎo)致突水突泥事故的發(fā)生。
隧道施工的影響主要表現(xiàn)在:
(1)隧道開挖直接導(dǎo)致突水突泥。
(2)隧道開挖間接導(dǎo)致突水突泥事故。
(3)隧道開挖支護(hù)后發(fā)生突水突泥。
本文通過分析突水突泥災(zāi)害發(fā)生的機理,并詳細(xì)分析了大量的突水突泥災(zāi)害的的事故案例,建立了如圖1所示的隧道突水突泥災(zāi)害事故樹分析圖。
為了方便分析,特用如下代號表示頂上事件、中間事件以及基本事件,如表1所示。
2.2.1 求解最小割集
根據(jù)布爾代數(shù)法則得到該事故樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)式為:
由以上結(jié)構(gòu)函數(shù)式展開可得事故樹的最小割集Ki,共計120個,各最小割集分別為:
2.2.2 求解最小徑集
用T',A'i,X'i分別代表頂上事件、各中間事件及各基本事件不發(fā)生,將原事故樹的各類事件換成不發(fā)生,重新計算 成功樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)式,即:
圖1 隧道突水突泥災(zāi)害事故樹分析
對得到的結(jié)果即成功樹最小割集做對偶變換就得到事故樹的最小徑集T:
每一個邏輯和就是一個最小的徑集,由此得到原事故樹的5個最小徑集:
2.2.3 結(jié)構(gòu)的重要度分析
事故樹分析的最小割集有120個,數(shù)量較大,由最小割集與最小徑集的對比,可知最小徑集的數(shù)量少且所含基本事件數(shù)也少,計算結(jié)構(gòu)重要度較簡單,故采用最小徑集的方法計算可得公式
根據(jù)計算公式(1)得到:
因此得到結(jié)構(gòu)重要度順序為:
2.2.4 定性分析
從最小割集、最小徑集及結(jié)構(gòu)重要度等方面對事故樹進(jìn)行定性分析,可得到以下結(jié)果:
(1)事故樹的最小割集有120個,表明有120條途徑能夠引起事故的發(fā)生,存在的安全隱患非常大,因此在隧道施工中突水突泥災(zāi)害應(yīng)是重點防治對象。
(2)事故樹的最小徑集只有5個,表明只要采取這5個中的一個就可以避免事故的發(fā)生,所以可以從這些最小徑集入手,針對突水突泥災(zāi)害采取相應(yīng)的預(yù)防措施。
(3)綜合考慮基本事件的結(jié)構(gòu)重要度、現(xiàn)場實施的可能性和預(yù)防的可靠性等方面。在預(yù)防時P2、P5各基本事件均為可控事件,故要采取有效的預(yù)防措施。由于P5結(jié)構(gòu)重要度大,應(yīng)切實使基本事件X11不發(fā)生,P2各基本事件盡量不要發(fā)生。P1、P3、P4中的各基本事件屬難控制事件,故應(yīng)采取有效的應(yīng)急措施加以控制。
下文結(jié)合馬鹿菁隧道發(fā)生的典型突水突泥事故,采用定量分析的方法對災(zāi)害進(jìn)行相關(guān)分析,并提出一些改進(jìn)的建議和有效的防范措施。
馬鹿菁隧道是宜萬鐵路的控制性工程,為雙線隧道,Ⅰ線隧道全長7 879 m,I線左側(cè)30 m設(shè)置全長為7 850 m的平行導(dǎo)坑,Ⅱ線全長7 836 m。馬鹿菁隧道地質(zhì)復(fù)雜,地下暗河、溶腔等分布廣泛,多次遭遇特大型突水突泥,為目前世界鐵路建設(shè)史上瞬間突水量最大的隧道。
根據(jù)隧道突水突泥事故的統(tǒng)計經(jīng)驗以及對馬鹿菁隧道突水突泥事故災(zāi)害的總體認(rèn)識,按圖1事故樹分析圖的基本事件進(jìn)行了預(yù)估打分,評分結(jié)果見表2。本例中各基本事件的概率取值依據(jù)《地鐵及地下工程風(fēng)險管理指南》,風(fēng)險發(fā)生的概率分為5級,具體見表3。
表2 各基本事件發(fā)生的概率和概率重要度
表3 風(fēng)險發(fā)生概率等級標(biāo)準(zhǔn)
把各基本事件的概率代入下式:
求得該隧道發(fā)生突水突泥事故的概率是94.37%,說明在該地質(zhì)條件及施工條件下,隧道發(fā)生突水突泥災(zāi)害的概率非常大。根據(jù)下式:
計算所得各基本事件的臨界重要度如表2,各基本事件臨界重要度大小排序為:
由式(6)可知引起隧道突水突泥的主要原因按臨界重要度排序為:X5(溶洞填充沉積大量介質(zhì),如角礫石黏土等)、X11(爆破開挖揭穿溶腔)、X10(地表水有較好的條件下滲)等。
通過式(2)和式(6)對比可知:在式(6)中與式(2)中的基本事件的排序并沒有明顯的差別,特別是排頭和排尾的幾個排序基本一致。通過工程實例分析,驗證了所編制的事故樹的合理性。
(1)X5(溶洞填充沉積大量介質(zhì))、X10(地表水有較好的條件下滲)、X9(與暗河連通,補給范圍廣)等都屬于不良地質(zhì)條件,要降低其對工程施工的影響,應(yīng)加強地質(zhì)勘探和超前預(yù)測預(yù)報工作,爭取對前方地質(zhì)情況有較詳細(xì)的了解。
(2)X1(施工組織混亂)、X2(超前預(yù)測預(yù)報存在盲區(qū)、X3(注漿加固方案存在缺陷)等應(yīng)加強施工人員的培訓(xùn)和管理,增強安全意識,及時監(jiān)測和支護(hù)。
通過以上對隧道突水突泥的事故樹分析,可得出如下的結(jié)論:
(1)巖溶隧道突水突泥發(fā)生的原因復(fù)雜,影響事故的因素眾多,通過一般方法難以對導(dǎo)致突水突泥的各種因素及其之間的邏輯關(guān)系做出系統(tǒng)的闡述。直觀、邏輯性強的事故樹是分析隧道突水突泥事故比較有效的方法。
(2)隧道突水突泥事故樹中考慮17個基本事件,通過對事故樹進(jìn)行定性分析,明確了事故發(fā)生的主要潛在因素,并對相關(guān)影響因素進(jìn)行重要度排序。最后結(jié)合工程實例,統(tǒng)計出各基本事件發(fā)生的概率,求出各基本事件的概率重要度和臨界重要度,使相關(guān)的分析更加準(zhǔn)確和可信,并提出了一些可行的建議和改進(jìn)的措施。
[1]周建昆.巖石公路隧道塌方風(fēng)險事故樹分析[J].地下空間與工程學(xué)報,2008,(12):991-998
[2]孫偉亮.棋盤石隧道溶洞突水成因分析及技術(shù)處理措施[J].鐵道建筑,2010,(10):54-56
[3]王雙龍.八卦山隧道突水突泥段處理技術(shù)[J].山西交通科技,2009,(4):54-60
[4]曾強云.宜萬鐵路馬鹿菁隧道水文地質(zhì)分析及涌水預(yù)警[J].土工基礎(chǔ),2012,(4):35-37
[5]仇海生,楊春麗.煤礦水災(zāi)的事故樹分析法[J].煤礦安全,2008,(6):126-128
[6]中華人民共和國建設(shè)部.地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險管理指南[M].中國建筑工業(yè)出版社,2007