馬光金

(中鐵十四局集團(tuán)大盾構(gòu)工程有限公司 江蘇南京 211899)

1 前言

盾構(gòu)法因其速度、環(huán)保及安全等方面的優(yōu)點(diǎn)受到業(yè)主的重視，而傳統(tǒng)的礦山工法逐漸淡出地下施工工程領(lǐng)域[1-2]。盾構(gòu)隧道工程建設(shè)始終是一項高風(fēng)險性的建設(shè)工程，許多不確定風(fēng)險因素都會影響預(yù)期的施工成本甚至施工建設(shè)的安全[3-4]。與其它隧道施工相比較，盾構(gòu)隧道為全機(jī)械化施工，在隧道項目計劃和采購中已經(jīng)比其它隧道施工做出了更多的投標(biāo)價格和預(yù)算[5-6]。盾構(gòu)隧道投資額大、施工條件復(fù)雜，所以對盾構(gòu)隧道施工過程中的風(fēng)險進(jìn)行評估有著極為重要的意義[7-9]。

目前在建的徐州地鐵2號線一期工程05合同段，位于徐州市云龍區(qū)及泉山區(qū)，包含兩站三區(qū)間，盾構(gòu)法三區(qū)間左線上軟下硬段分別為90.2 m、161.19 m、253 m，右線上軟下硬段為80.6 m、156.7 m、121 m，其余均為全斷面硬巖。如果不對整體施工做出合理的風(fēng)險分析，各種未知風(fēng)險都會影響盾構(gòu)施工的安全性，很有可能無法規(guī)避施工事故的發(fā)生，施工安全無法得到保證，從而引發(fā)工程進(jìn)度、成本、安全的重大損失。所以針對盾構(gòu)隧道施工進(jìn)行風(fēng)險分析，控制施工成本、減少潛在損失十分必要[10-12]。本文提供一個統(tǒng)計的概率模型，通過量化分析風(fēng)險概率，清晰體現(xiàn)風(fēng)險對隧道工程施工安全的影響，從而控制工程造價、降低工程風(fēng)險。

2 盾構(gòu)隧道故障樹分析研究

2.1 故障樹分析介紹

故障樹分析(簡稱FTA)又稱事故樹分析，從一個可能的事故開始，自上而下、逐層分析到基本事件，并用邏輯圖表達(dá)出來，通過布爾代數(shù)規(guī)則計算出事故的概率，合理進(jìn)行風(fēng)險分析和控制。故障樹基本圖例見表1。

表1 故障樹基本圖例

2.2 盾構(gòu)隧道事故風(fēng)險分析

對于盾構(gòu)隧道的事故風(fēng)險，根據(jù)各種案例總結(jié)得出表2中列出的盾構(gòu)隧道事故種類，其中包含28條可能導(dǎo)致風(fēng)險發(fā)生的條件，根據(jù)特征劃分基本風(fēng)險事件，見表3。

(1)刀具相關(guān)故障故障樹分析

在盾構(gòu)隧道施工時，由于刀具磨損后可切割性降低(A1)而導(dǎo)致隧道前進(jìn)速度降低甚至停機(jī)。這種風(fēng)險的根本原因可以通過刀具過度磨損(A2)、刀具部分磨損(A3)、刀具推力或扭矩不足(A4)來解釋。

造成刀具過度磨損的原因主要是因地質(zhì)較硬，地層中含有花崗巖與砂巖(X1)、較硬或極硬巖(X2)或石英地層(X3)。造成刀具不均勻磨損的原因可能是盾構(gòu)處于混合土壤地層(X4)或刀頭的不合理設(shè)計(X11)、不及時換刀(X16)或操作員的熟練度低下(X17)。而刀具的推力或者扭矩不足一般用4種情況解釋:刀具設(shè)計失誤(X12)；刀盤開口率管理不當(dāng)(X18)；刀具類型選擇不當(dāng)(X19)；刀具結(jié)泥餅(X23)。

表2 盾構(gòu)隧道施工事故種類

(2)盾構(gòu)機(jī)械故障樹分析

根據(jù)多個案例總結(jié)分析發(fā)現(xiàn)，盾構(gòu)機(jī)械故障一般因盾構(gòu)機(jī)推力不足(B1)、盾構(gòu)機(jī)錯位或偏航(B2)兩種原因?qū)κ┕ぐ踩瓦M(jìn)度影響最大。盾構(gòu)機(jī)推力不足由于地面承載力不足(X6)、地處擠壓地層(X5)、破碎帶或斷層(X7)、盾構(gòu)機(jī)不當(dāng)選型(X13)，使盾構(gòu)機(jī)械進(jìn)度緩慢，從而影響整體進(jìn)度流程；盾構(gòu)機(jī)錯位或偏航則是盾構(gòu)地層熱液蝕變與風(fēng)化程度大(X8)、盾構(gòu)機(jī)械人員操作失誤(X20)、錯誤的測量及物探(X21)，也會導(dǎo)致整體隧道走向偏離，使盾構(gòu)機(jī)偏航或錯位。

表3 基本風(fēng)險事件分類

2.3 盾構(gòu)隧道施工事故故障樹繪制

基于對盾構(gòu)隧道的刀具相關(guān)故障、盾構(gòu)機(jī)械故障、盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)及出渣故障和管片裂縫的故障樹分析，繪制故障樹如圖1所示。

圖1 盾構(gòu)隧道施工事故故障樹

3 灰色關(guān)聯(lián)故障樹在隧道建設(shè)期的應(yīng)用

3.1 灰色關(guān)聯(lián)故障樹的基本原理

若故障樹中有a個基本風(fēng)險事件、b個最小割集，且第i個割集Qi由a個基本風(fēng)險事件構(gòu)成，這就可以作為一個故障樹的特征矩陣XQ。XQb(a)＝1表示第b個最小割集的第a個事件發(fā)生，XQb(a)＝0則表示不發(fā)生。

在一個故障樹系統(tǒng)中，每個基本風(fēng)險事件對頂事件發(fā)生的貢獻(xiàn)大小被稱為重要度。組成一個相關(guān)割集重要度向量R＝(R1＋R2＋R3…＋R28)，而后相關(guān)割集重要度向量R同故障樹的特征矩陣XQ進(jìn)行關(guān)聯(lián)度分析及計算，關(guān)聯(lián)度越大，則表明基本風(fēng)險事件越需要重視和注意。

3.2 對盾構(gòu)隧道的灰色關(guān)聯(lián)故障樹分析

3.2.1 基本風(fēng)險事件發(fā)生的概率

本文根據(jù)專家、文獻(xiàn)查閱及技術(shù)人員反饋等信息，基本風(fēng)險事件劃分如表4所示。

表4 基本風(fēng)險事件等級

由專家打分的嚴(yán)重度Gi和基本風(fēng)險事件的風(fēng)險可能性Pi，根據(jù)FXi＝0.5 ×(0.1Gi×Pi)(i＝1，2，3…28)算出基本風(fēng)險事件的風(fēng)險概率FXi，見表5。

表5 基本風(fēng)險事件概率

3.2.2 灰色關(guān)聯(lián)的重要度分析計算

為了求出故障樹的最小割集與頂事件間的關(guān)系，需要引出故障樹的結(jié)構(gòu)函數(shù)。

與門連接故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù):

或門連接故障樹結(jié)構(gòu)函數(shù):

由此可以得出盾構(gòu)事故的結(jié)構(gòu)函數(shù):

一共有28個基本風(fēng)險事件，代入故障樹的特征矩陣XQ得出XQ＝E28×28。

則頂事件的失效概率可以通過式(4)得出:

從而得出盾構(gòu)事故的風(fēng)險概率F＝0.999 999 96，而第i個基本風(fēng)險事件的重要度計算公式為:

算出基本風(fēng)險事件的重要度并匯總為向量I＝{I1，I2，I3…I28}，見表 6。

表6 基本風(fēng)險事件的重要度

3.2.3 灰色關(guān)聯(lián)計算序列差及極值

用歸一化后的I與特征矩陣XQi(i)每一行相減取正，得出每個風(fēng)險的序列差Δi。從中找出序列差最大值與最小值，即 Δmax＝0.983 374 896，Δmin＝0.016 625 104。

3.2.4 計算關(guān)聯(lián)度

本文取ρ為0.5，Δi表示第i個向量，并由式(6)計算出關(guān)聯(lián)系數(shù):

將關(guān)聯(lián)系數(shù)整合成向量Ei。把各關(guān)聯(lián)系數(shù)代入式(7)可得關(guān)聯(lián)度:

計算得出的關(guān)聯(lián)度分析曲線見圖2。

圖2 關(guān)聯(lián)度分析曲線

根據(jù)圖2可知，關(guān)聯(lián)度相對較高的為R23、R7、R13、R19。從關(guān)聯(lián)度大小可以發(fā)現(xiàn)破碎帶或斷層(X7)、盾構(gòu)機(jī)的不當(dāng)選型(X13)、刀具類型的選擇不當(dāng)(X19)、刀具結(jié)泥餅(X23)對于盾構(gòu)事故發(fā)生的關(guān)聯(lián)度最大，所以應(yīng)針對于這四種情況進(jìn)行預(yù)防和分析。

4 工程應(yīng)用

(1)工程概況

本文依托徐州地鐵2號線工程為背景，其中盾構(gòu)段分為三區(qū)間，隧道覆蓋層厚度在9.48～19.8 m之間，最大豎曲線半徑為1 000 m，縱坡最大為28‰。盾構(gòu)區(qū)間穿越地層大部分為上軟下硬地層，其余均為全斷面硬巖。

(2)工程實(shí)際分析

刀具類型的選擇作為風(fēng)險分析的要點(diǎn)，在保證大開口率的前提下，根據(jù)地面變形監(jiān)測數(shù)據(jù)及盾構(gòu)施工所采用的參數(shù)，不斷優(yōu)化調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)，以使盾構(gòu)在穿越不良地層施工中，能做出快速、靈活兼預(yù)測性的反應(yīng)。

基于刀具磨損的風(fēng)險，盾構(gòu)隧道在施工初期針對不同區(qū)段的施工進(jìn)行參數(shù)設(shè)定。結(jié)合硬巖地層施工經(jīng)驗(yàn)，區(qū)間前期采用的掘進(jìn)參數(shù)為刀盤轉(zhuǎn)速1.5 r/min，推力控制在 1 800～2 400 t，扭矩在2 500～3 500 kN·m，此時盾構(gòu)機(jī)掘 進(jìn)速度在5～10 cm/min，掘進(jìn)過程刀具損壞頻繁。

為降低刀具損壞頻率，刀盤轉(zhuǎn)速調(diào)整為1.2～1.3 r/min，降低刀盤滾刀線速度，推力控制在1 300～1 600 t，此時掘進(jìn)速度提高至8～15 cm/min，刀盤滾刀受力趨于相對均衡且穩(wěn)定，刀具損壞情況出現(xiàn)較大改善。

5 結(jié)束語

對于盾構(gòu)隧道進(jìn)行風(fēng)險分析，能有效地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防隧道施工的安全隱患。本文通過運(yùn)用灰色關(guān)聯(lián)法對盾構(gòu)隧道的風(fēng)險做出分析和評價，找出了隧道施工的安全隱患，并針對徐州地鐵2號線工程盾構(gòu)隧道進(jìn)行應(yīng)用分析，效果反饋良好。