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.云南交通運輸職業(yè)學院,云南 昆明 650300)
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、易受外界環(huán)境的影響等特點,一旦在施工過程中出現(xiàn)意外事故,將對人民的生命和財產(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重要目標,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,對隧道工程施工進行風險識別、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遷建項目計劃新建觀測山洞,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險進行識別分析。通過風險評估,針對不同風險的特點提出應對措施,能夠最大程度的預防和降低發(fā)生施工事故的風險。
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的相關標準和規(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遷建項目,項目總用地面積4 000 m2,項目需新建觀測山洞,觀測山洞以形變觀測手段為主,依據(jù)《地震臺站建設規(guī)范地形變臺站第1 部分:洞室地傾斜和地應變臺站》臺站建設要求對觀測山洞進行選址,并根據(jù)《地震地殼形變觀測方法洞體應變觀測》對觀測山洞進行設計施工。計劃山洞總體規(guī)模約300 m,包含長基線儀器觀測室、8個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200×200 mm排水暗溝,其內(nèi)包含觀測墩和應變觀測井;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,開挖后導致山體圍巖應力平衡打破,導致施工過程中存在塌方的風險。
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)災害現(xiàn)象[3]。塌方是隧道施工建設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)常致使機毀人亡,延誤工期,耗費資金,并且留有后患,成為未來隧道出現(xiàn)病害的主要根源[4]。
本文主要應用魚刺圖法討論山洞隧道施工過程中導致塌方事故發(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系表示出來,為安全檢查指標體系建立提供依據(jù)。隧道工程施工的質(zhì)量問題都可以從人為因素、機械因素、材料因素、方法因素、環(huán)境因素五個方面找到原因。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)量問題的一個重要原因。在隧道建設中,存在工作人員經(jīng)驗不足,專業(yè)能力不高,部分施工人員甚至缺少相應的施工資質(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、未進行崗前培訓及技術(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 機械因素
在隧道施工建設過程中,工程質(zhì)量和進度主要取決于工程機械設備的運行情況。機械因素產(chǎn)生的風險包括設備本身采購質(zhì)量不達標導致帶病作業(yè),機械設備未及時保養(yǎng)、設備操作人員操作不當或違規(guī)操作等。
2.1.3 施工材料因素
在施工過程中運用的原材料以及半成品是否全部合格,決定著整個工程的質(zhì)量和整個工程的施工進度,所以,合格的材料是確保項目能夠順利進行并成功完成的根本[5]。機械因素產(chǎn)生的風險包括材料質(zhì)量把關不嚴,質(zhì)量檢測不合格、材料未按規(guī)定程序進場、材料保存不當?shù)取?/p>
2.1.4 方法因素
隧道的施工過程復雜且繁重,需要較高的專業(yè)技術(shù),在隧道設計之初只能通過地質(zhì)勘查對隧道區(qū)進行宏觀分析,無法對隧道施工區(qū)的詳細地質(zhì)情況做到完全掌握。施工開始后,隧道開挖導致整個山體的受力情況發(fā)生改變,往往會導致設計的地質(zhì)條件和實際開挖的地質(zhì)情況不符。設計的開挖方式和支護措施不當,如支護參數(shù)偏小或支護不及時、未根據(jù)實際情況調(diào)整支護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)條件情況復雜,如果建設地點圍巖級別低很容易引發(fā)塌方事故,經(jīng)初步勘察,項目建設地點及周邊環(huán)境不存在發(fā)生滑坡、泥石流、地陷、洪澇、沖塌等想象災難的地段及地震斷裂帶上可能發(fā)生錯位的部位[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。
上世紀 60 年代,美國學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致頂事件發(fā)生的各種因素與頂事件相連接,以此進行逐級分析導致事故發(fā)生的各種途徑和可能性,從而確定導致頂事件發(fā)生的各種因素組成方式及其發(fā)生概率,最終計算系統(tǒng)的事故概率,并據(jù)此采取相應措施。
2.2.1 最小割集
在塌方事故原因分析的基礎上,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,得到此項目施工風險所涉頂事件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事件中的至少一個發(fā)生,運用布爾代數(shù)運算進行簡化,其過程如下:
圖2 山洞隧道塌方風險事故樹
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,在同一個割集中,如果容量越小,說明引發(fā)這個割集發(fā)生的機會越大,危險性越大。
通過布爾運算隧道施工塌方事故樹共有44個最小割集,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,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,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},表示兩個事件同時發(fā)生時才會使頂事件發(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}這兩個事件同時發(fā)生,最終導致頂事件塌方的發(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塌方事故各個因素的重要程度?;谧钚「罴虾徒Y(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行定性分析。
可得到:I6=I7=I8=I9=I10=I17=I18=I19
對比分析兩個基本事件,當其關聯(lián)的割集階數(shù)相同時,兩個事件的結(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)在基本事件個數(shù)不等的若干最小割集中,可用近似判別式計算:
(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)重要度排序為:
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?shù)娜藶橐蛩厥窃斐伤淼浪降闹饕蛩?可從此方面重點控制風險,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項底事件。
表2 結(jié)構(gòu)重要度排序前6的底事件
從式6、式7和表2可知導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)超前支護是為了適應不同的地質(zhì)條件對隧道圍巖進行提前加固的技術(shù)手段;而初期支護是在開挖后及時對施工隧道噴射混凝土;二襯則是根據(jù)前期支護及巖石變形規(guī)律對圍巖再次施工進行加護的手段,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(超前支護不及時)、X12(初期支護質(zhì)量不合格)和X13(初期支護質(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致的塌方,在施工前應嚴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,及時噴射混凝土填平補強圍巖表面,待初期支護完成且圍巖變形基本穩(wěn)定后及時完成二次襯砌,對初期支護后產(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,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,出現(xiàn)問題及時反饋,將人為因素所導致的損失降到最低。
本文以麗江地震臺遷建項目觀測山洞施工為例,應用事故樹分析法對造成塌方的各項因素進行詳細分析,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雜,普通方法難以對隧道塌方因素進行詳細分析,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因子,有效的辨識各個危險源之間的邏輯關系及層次關系。
(2)在風險識別的基礎上,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,通過計算結(jié)構(gòu)重要度系數(shù)排序可知,超前支護不及時(X11)、初期支護質(zhì)量不合格(X12)、二襯間隔時間過長(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個因素對塌方的影響較大。根據(jù)計算分析的到的6個底層因素,提出風險控制措施和建議,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險提供了有效的技術(shù)參考。
為了更好的控制風險,項目施工過程中應建立合理的風險控制和施工監(jiān)察機構(gòu),采用垂直管理模式,對管理層和施工層進行綜合統(tǒng)一管理,并聘請專業(yè)管理團隊進行輔助管理。建立并健全監(jiān)管制度,對建筑工人實施高效的監(jiān)管,確保建筑工人的生命安全,確保建筑工程的質(zhì)量。
施工前應制定相關安全操作規(guī)程及安全制度,對施工人員進行專門的技術(shù)培訓和安全培訓教育,組織學習有關施工安全的各項管理辦法、規(guī)定等,增強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。
定期進行設備設施檢查及復檢。在施工過程中,若出現(xiàn)了設備狀況異?;蛱畛湮?、炸藥的異常,容易引起安全事故,因此要定期對建筑的物料、設備、器材等進行定期的安全檢查和復審,發(fā)現(xiàn)安全隱患要及時處理。
為了減少發(fā)生突發(fā)事故所帶來的損失,建設單位應結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況,制定出一套安全事故的應急救援方案,并根據(jù)施工進度不斷更新,同時建立救援組織,以保證應急預案的可行性。