基于事故树模型的地铁施工地表坍塌事故分析.docx
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基于事故树模型的地铁施工地表坍塌事故分析
基于事故树模型的地铁施工地表坍塌事故分析
1概述
自从1965年北京首条地铁开工建设以来,地铁建设正在中国如火如荼地展开,截至2016年底,中国内地地区开通城市轨道交通运营线路总长达近4000km[1]。
我国地铁建设至今仅有52年的时间,因地铁工程本身的复杂特殊性,包括施工环境多变、涉及工种繁多等,导致我国近年来地铁施工安全事故不断发生,以坍塌事故为主。
目前,国内不少学者已对如何准确诊断地铁施工事故的危险源、能否预先了解事故发生的可能性以及如何迅速排查已经发生的事故的原因等方面进行了深入研究;如在地铁施工过程中的危险源识别方面,邓小鹏[2]、李浩燃[3]等人统计了1992年~2010年的地铁事故,统计结果表明坍塌事故为主要事故类型,占比达到43%,另外还有水害和机械伤害。
李凤伟[4]、胡群芳等[5]也统计分析出塌陷和坍塌是地铁建设施工最主要的危险源。
麻凤海等[6]认为地铁隧道盾构开挖可能会扰动土体应力的重新分布,诱发地表沉降、变形,从而对周围建筑物、管线等造成一定损害。
在预测事故发生可能性方面,国内学者陈伟珂[7]等运用WBS-RBS方法和关联规则,得出关于坍塌中某些指标的阈值,为地铁施工灾害管道预警监测提供参考;为进一步提高识别精度和节省控制成本,陈伟珂[8]利用关联原则Aprirori算法确定频繁项集,采用关联函数定量可控度的方法,构建出可拓诊断事故发生模型,进一步解决预案决策的优化问题,并且在实例应用中,取得效果;同时,国外研究方面,PaulM.Salmon[9]针对如何准确评估出地铁施工中塌陷事故发生可能性的问题,提出了Accimap,HFACS和STAMP3种预测方法,并作出详细比较,揭示了3种方法之间的显著差异;MiltosKyriakidis[10]通过构建SMM模型来分析地铁施工塌陷事故前兆,不仅较好地阐述了事故发生的机理,有助于认识事故的发生、发展和形成过程,而且还可以有效预测导致将来施工地表塌陷的潜在原因,进一步加强了对事故的预防和控制。
本文利用事故树模型[11]对引发地铁施工地表塌陷事故进行更深入地建模分析,在以事故及其诱因之间的因果逻辑关系所构建的事故树的基础上,采用定性与定量相结合的方法对引起地表塌陷的原因进行总结,同时计算和分析基本事件和中间事件对顶事件发生的影响,较为直观地分辨出主要原因与次要原因,为加强地铁施工安全管理工作和预防事故的再次发生提供参考。
2地铁施工地表塌陷事故
根据相关统计资料[12],地铁施工事故可以划分为施工安全事故、结构质量事故与周边环境事故。
施工安全事故包括基坑安全事故、盾构施工安全事故、浅埋暗挖施工安全事故;质量安全事故包括钢筋混凝土结构质量事故、防水结构事故和盾构管片接缝防水质量事故;环境安全事故包括建筑物安全事故、轨道安全事故和管线安全事故。
在这其中可能直接引发地层地表坍塌事故的主要有:
(1)基坑施工安全事故中的土体失稳事故和支护结构强度事故;
(2)盾构施工安全事故中的盾构机始发到达及掘进事故和螺旋输送机喷涌事故;(3)浅埋暗挖施工安全事故中的掌子面失稳事故和地表沉降、塌陷事故;(4)结构质量事故和环境安全事故一定程度上也可以引发坍塌事故,但是影响远不及上述事故对地铁施工事故所带来的隐患。
3地铁施工地表坍塌事故树
正确构建事故树是事故树分析法的关键,事故树的完善与否直接影响事故树定性和定量分析结果的准确性[8]。
通常,事故树构建过程是首先搜集与所研究的系统事故(称为“顶事件”)有关的所有可能因素,然后通过分析归纳确定出导致事故的诸因素之间的逻辑因果关系,再按照逐级向下演绎的方法找出直接导致顶端事件发生的可能;而后,通过把各级事件用相应的符号和合适于它们之间逻辑关系的逻辑门与顶端事件相连接,就建成了一棵以顶事件为根,中间事件为节,基本事件为叶的具有若干级的倒置事故树,最后一直追溯到引起系统发生事故的全部原因。
本文通过采用演绎法建树,确定出有关地铁施工地表塌陷事故建树流程如图1所示。
图1地铁施工地表坍塌事故建树流程
图2土体失稳事故树
在引发地铁施工地表塌陷事故中,土体失稳事故、支护结构强度事故、盾构施工安全施工事故、浅埋暗挖施工安全事故之间虽然相互影响,但是追溯回各自的基本事件时又有很大区别。
因此,在对地铁施工地表塌陷进行事故树分析时,可将土体失稳事故、支护结构强度事故、盾构施工安全施工事故、浅埋暗挖施工安全事故分别作为独立的系统进行分析。
所以依据文献[13]中提供的对各相关施工事故原因的描述与上述建树原则,以文献[4]中118起地铁施工地表坍塌事故为实例背景进行原因类比分析与研究,最终分析出土体失稳事故等4类常见的典型事故树模型。
这样,决策者就可以依据具体的地铁施工现场地表塌陷情况选择相应的事故树分析模型;如遇特殊情况,则仅需对基本事件做出略微调整即可,以便快速查找地表塌陷原因并采取有效防治措施,将损失降低到最小。
3.1土体失稳事故树
在地铁施工过程中,基底隆起、支护时冒顶涌水及整体滑移等事故是很容易造成土体失稳事故的发生,故土体失稳事故树模型如图2所示。
3.2支护结构强度事故树
支护结构强度事故也是在地铁建设过程中致使地表塌陷的主要原因之一,它主要包括地连墙强度不足(钢筋笼强度、刚度不足,浇筑不密实,维护漏筋)及支撑体系不稳定等。
对此,所构建的结构强度事故树模型如图3所示。
图3支护结构强度事故树
3.3盾构施工安全事故树
在地铁工程建设施工中,所用到的盾构机在始发和掘进过程中都易发生施工扰动事故,故盾构施工安全施工事故模型如图4所示。
图4盾构施工安全事故树
3.4浅埋暗挖施工安全事故树
施工的不规范行为、地表土层的不安全状态以及管理上的缺陷和环境因素等这些都会导致地表塌陷事故的产生,同时,这些因素也涉及到别的事件。
对此,地铁工程施工中浅埋暗挖事故树如图5所示。
图5浅埋暗挖施工安全事故树
4事故树模型分析计算
4.1事故树的定性分析
对事故树进行定性分析的主要目的是为了找出导致顶事件发生的所有可能的事故模式,即弄清系统出现某种最不希望发生的事件有多少种可能性。
而本文通过采用割集的定性分析的方法,并借助最小割集来描绘处于事故状态的系统所必须要注意的基本事件,表征出系统失效的充要条件。
假设事故树有k个最小割集C=(C1,C2,…,Ck),只要任一个最小割集Cj={xi|xi∈Cj}(i=1,2,3,…,n)中的全部底事件xi发生时,则事故树的顶事件必然发生,同时采用布尔代数法计算最小割集[14]。
考虑到支护结构强度事故树、盾构施工安全事故树与浅埋暗挖施工安全事故树中底事件较多,计算复杂,而且因为无法获得各底事件的相关概率数据,故采用定性分析。
根据图3~图5中各事件之间的逻辑关系,可以分别得出结构强度事故树、盾构施工安全事故树、浅埋暗挖施工安全事故树的最小割集,并根据割集结构对各自底事件结构重要度进行排序。
采用最小割集进行结构重要度分析,主要是依据以下原则来判断基本事件结构重要度的大小,并排列各事件的结构重要度顺序,无须求出结构重要系数的精确值。
即:
单事件最小割集的基本事件的结构重要系数最大;若两基本事件仅出现在基本事件个数相等的若干最小割集中时,出现次数相等则各事件结构重要系数相等,出现次数多的基本事件的结构重要系数大,反之结构重要系数小;两事件仅出现在基本事件个数不等的若干最小割集中,若最小割集中出现的次数相等,则在少事件最小割集中出现的基本事件的结构重要系数大,在少事件最小割集中出现的基本事件的结构重要系数大于在多事件最小割集中出现次数多的事件的结构重要系数。
4.2基于事故树的定量分析
在已有的事故树的基础上,若已知影响顶事件的基本事件数量较少,为更加准确地判断基本事件对顶事件发生的结构重要度影响,则有必要用最小割集推导出的结构函数,并运用容斥原理中或事件和与事件积得出概率公式,进而对事故树顶事件的发生概率进行定量评定[15]。
考虑到土体失稳事故树中基本事件数量较少,便于计算,故采用事故树的结构函数来进行定量分析。
下面将以土体失稳事故树为例,按以下方式进行定量分析。
因目前无法获得其中基本事件的概率,所以选用结构重要度进行分析,运用结构重要系数公式与结构函数计算各基本事件的结构重要系数,并进行排序。
事故树的结构函数可以表示为式
(1)、式
(2),结构重要系数的计算公式见式(3)
(1)
(2)
(3)
由布尔代数法可以得出土体失稳事故的最小割集KX=(X1X3,X2X3,X3X6),从而土体失稳事故的结构函数可表示为式(4)
φ=max[X1X3,X2X3,X3X6]
(4)
结合式(3)与所有统计数据计算各基本事件的结构重要系数结果如下:
Iφ(3)=0.875;Iφ
(1)=0.125;Iφ
(2)=0.125;Iφ(6)=0.125;Iφ(4)=0;Iφ(5)=0,其中施工支护不足最重要,应对其进行重点防范。
综上,由于篇幅有限,故对计算过程简略,最终经过定性分析与定量计算相结合,可得到土体失稳等4个事故树的结构重要度的顺序,并将结果统计于表1所示;然后,将其评价结果与文献[4]中通过现场调查、问卷调查等手段,对2003~2010年国内地铁建设中118起地铁施工事故原因的统计分析结果进行对比,结果表明具有良好的吻合性。
表1 最小割集及其排序
从表1可以看出,在支护结构强度事故中,导致围檩压屈的墙面不平整与围檩强度不足最重要,而墙面不平整是指的地下连续墙墙面或钻孔灌注桩墙体不平整,因此,应对上述结构重要度进行修正调整,应严格控制对地下连续墙施工质量,支撑体系次之。
在盾构施工安全事故中,需要重点把控导致盾构始发事故中涌水涌砂事故的施工失当,影响因素众多,因此,在盾构机始发前应当做好每一步工作,以确保盾构始发的安全性;另外,在掘进之前应仔细勘探开挖区间的地质条件,根据勘探结果进行相应的渣土配比与刀具选择,因为进行刀具检查与更换会增加开挖面失稳和地表塌陷的风险;掘进过程中,较大的推进速度与掘削压力下围护墙坍塌的风险仍然存在。
浅埋暗挖施工安全事故中,地表沉降、坍塌中包含的最小割集最多,主要为拱部承载问题和地质问题。
所以,在浅埋暗挖隧道中必须做好或加固拱部超前预支护,以防止地表塌陷的发生;在地质条件不好的土层(或岩层),地质现状为不可控因素,施工是可控因素,因此,可采取措施尽可能降低施工扰动,做好隧道防渗漏水工作。
5结论
本文以文献[4]中118起地铁施工地表坍塌事故为实例背景,对导致地铁施工的地表塌陷原因做较为深入的分析研究与统计,最终建立了影响地铁施工地表塌陷的4类常见的典型事故树,并明确其各类地铁施工事故树内部之间的逻辑关系,以指导在地铁施工过程中快速准确地找出最有可能造成地表塌陷的原因,提前采取相应的应对措施。
(1)通过对结构强度事故树的定性分析可知,地下连续墙的影响最大,必须严格控制地下连续墙的施工质量;对盾构施工安全事故树的定性分析可知,要做好盾构机始发前的准备工作和开挖区间的地质勘探;对浅埋暗挖施工安全事故树的定性分析可知,拱部承载问题最为突出,要做好超前预支护。
(2)通过定性和定量结合分析土体稳定事故树发现,施工时的支护显得尤为重要。
在开挖前、开挖时及开挖后做好支护工作,并对其进行监测,及早发现事故隐患并迅速采取措施处理。
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