黄土公路隧道塌方风险事故树探析

米东阳

【摘 要】针对黄土公路隧道塌方问题,从地质、设计、施工等方面入手,分析了隧道塌方的原因及发生机理,采用事故树分析方法,确定了塌方发生的主要诱导因素,为今后黄土隧道塌方分析提供了参考依据. 【期刊名称】《山西建筑》 【年(卷),期】2013(039)008 【总页数】2页(P165-166)

【关键词】隧道塌方;事故树理论;风险分析 【作 者】米东阳

【作者单位】山西交通科学研究院,山西太原030006 【正文语种】中 文 【中图分类】U458 0 引言

近年来，山西省高速公路发展极为迅速，随之而来的是工程事故的经常发生，地下工程的风险也就越来越引起人们的关注。黄土在山西境内广泛存在，塌方是黄土公路隧道施工中常见的事故，国内大部分在建或已建的隧道均发生过不同程度的塌方，塌方不仅给隧道施工带来巨大的困难，而且严重威胁着人员和工程设备的安全，给工程带来巨大的经济损失和严重的社会影响。

事故树分析法(Accident Tree Analysis，简称ATA)起源于故障树分析法(简称FTA)，是安全系统工程的重要分析方法之一，它是从要分析的特定事故或故障开始(顶上事件)，层层分析其发生原因，直到找出事故的基本原因(基本事件)，从而确定系统事故原因的各种组成方式及其发生概率以计算系统的事故概率，并据此采取相应措施。它不仅能分析出事故的直接原因，还能深入地揭示出事故的潜在原因［1］。

目前关于黄土公路隧道塌方的研究基本上是基于个体实例的分析，研究集中在隧道塌方的灾后处理措施上，缺乏对隧道塌方原因全面地整理和深入地研究。文章通过深入地分析黄土公路隧道塌方的各种因素，利用层次分析方法，找到黄土公路隧道塌方的各种因素，利用事故树分析方法，找到导致隧道塌方产生的途径，期望能为进一步提高我省黄土隧道塌方风险评估与管理技术水平做出贡献。 1 塌方事故原因分析

目前，关于黄土公路隧道塌方产生的原因，一般认为包括地质因素、设计因素、施工因素和管理因素［2，4］。 1.1 地质因素

复杂的地质因素通常被认为是导致隧道塌方的重要因素之一。施工过程中地质因素的千变万化和其很多时候的不可预见性是造成塌方事故的决定性原因。1)遇断层破碎带影响区。断层破碎带地应力集中，地下水发育，以往资料表明，地下工程的塌方大多是由断层破碎带造成的。2)偏压地形。在隧道进出洞口，由于地质因素形成偏压，导致围岩应力集中，在隧道开挖中极易发生塌方事故。3)水文地质因素。水文地质包括地表水与地下水两部分，水是促使各类地质灾害发生和发展的主要因素之一。由于黄土的特殊结构强度，在水比较发育时，黄土的力学强度大大降低，引起塌方。 1.2 设计因素

1)开挖方法不对。黄土公路隧道一般采用矿山法施工。在选择施工方法时，主要影响因素是黄土的地质情况。黄土的沉积历史较久，强度就高，往往采用大台阶法开挖。黄土的地质条件差，则需要随开挖随支撑，防止围岩塌方，开挖后，不宜久露，需要及时修筑永久支护结构。开挖方法不当引起的塌方很大程度上是由于设计者对围岩判别的不准确造成的［3］。

2)支护参数偏小。由于黄土的地质分类只是一个定性的概念，同一类黄土，其结构与地质条件不尽相同，其自稳能力也就不一致，此时支护参数的设计尤为重要。设计者对隧道所在区的水文地质情况了解不清，地质资料不详细，对可能遇到的断层影响，富含水等情况估计不足，对偏压黄土隧道没有进行有效合理的支护;另外，为减少工程投入，设计者设置的安全支护参数过小，不能起到支护稳定围岩的作用，而最终导致较大塌方事故的发生。 1.3 施工因素

1)初期支护和超前支护不及时或措施不当。良好和及时的初期支护和超前支护是预防塌方的有效手段［4］。隧道在开挖后，由于山体原先的应力平衡被打破，必然要进行应力重分布，出现变形、松弛、挤压等现象。在施工过程中，应根据不同的地质情况及围岩变形进行合理支护。初期支护不及时，黄土暴露时间过长，以及超前支护不及时造成的局部塌落以及在围岩类别有变化时，未根据实际情况及时调整支护方案，是造成塌方的原因之一。

2)施工工艺缺陷。施工过程中存在的工艺操作不符合施工技术规范的要求，管理不到位，质量控制不严、安全意识不强也是造成塌方的另一个原因。常发生的施工质量问题有锚杆长度不足、锚杆砂浆不饱满或强度尤其早期强度不足、喷混凝土强度厚度不达设计要求、钢支撑未完全由喷射混凝土包围密实、钢支撑与围岩之间存在空隙、钢支撑未置于稳定坚固的基础上等。以上施工工艺缺陷直接造成支护抗力未达到设计要求或围岩未粘结紧密使无弯矩结构产生弯矩而导致塌方。

3)爆破产生的不利影响。爆破是矿山法隧道开挖的基本方法。爆破会对周边的围岩产生扰动，爆破引起的震动导致瞬间巨大的地压力，增大了初期支护的荷载，使支护体系破坏。若隧道爆破施工作业不合理，光面爆破效果差，周边参差不齐，产生欠挖或者超挖，由于欠挖而进行的二次爆破，以及因超挖而回填不及时或不密实则都可能造成围岩应力的进一步调整，从而扰动破坏了围岩的稳定。超挖还会导致初期支护的格栅拱架或工字钢拱架不能与围岩直接接触，减弱了支护作用，加大产生塌方的隐患。 1.4 管理因素

1)未经上级技术部门同意，擅自改变施工工法，如开挖工法、支护方式等;不严格遵守文件、施工组织设计、《隧道施工技术规范》《隧道验收评定标准》的要求和规定而进行施工，达不到“均衡生产、有序施工”的要求。2)安全意识不强，在施工中存在投机心理、偷工减料、弄虚作假等，造成施工质量远远达不到设计要求。3)由于盲目赶工期、减造价等宏观决策，忽视设计文件的要求，违背“管超前、严注浆、短开挖、强支护、快封闭、勤量测”的施工原则。引起施工过程中强行追求进度，造成开挖进尺太大或施工工法粗糙而增加塌方风险。4)采用新奥法施工时，没有按时、按量的开展量测工作，或虽开展了量测工作，但未及时进行信息反馈，采取必要支护措施，从而造成决策失误。 2 黄土公路隧道塌方事故树

事故树是通过许多逻辑门和中间事件把顶事件与底事件连接起来的树状结构，以此来描述顶事件与底事件之间的内在逻辑关系。 2.1 事故树绘制

根据分析和资料统计结果，确定了21个底事件，事件及其符号见表1;根据因果关系，绘制事故树，见图1。

表1 事件及其符号符号 事件 符号 事件 符号 事件T 黄土公路隧道塌方 C2 支

护强度未达标 X10软弱地层拆模太早A1 隧道变形过大 C3 支护不及时 X11施工安全意识淡薄A2 支护措施失效 C4 施工扰动 X12开挖进尺大A3 掌子面坍塌 X01 洞口浅埋段 X13不按设计支护方案施工B1 黄土强度低 X02 偏压段 X14施工用水管理不善B2 围岩自承能力下降 X03 遇富含水地层 X15未及时封闭仰拱B3 开挖工法不对 X04 松散黄土 X16锚杆长度不足或间距不均B4 支护作用减弱 X05 新黄土 X17锚杆砂浆强度不足B5 支护抗力不足 X06老黄土裂隙发育 X18超前支护不及时B6 掌子面自承能力丧失 X07 降雨 X19变形大未及时处理B7 其他地质条件 X08 赶工期 X20未做超前地质预报C1 设计抗力不足 X09 开挖机械振动 X21喷射混凝土厚度不足 2.2 事故树的定性分析

所建故障树分析模型中的顶上事件的底事件有21个，根据布尔运算规则，顶事件塌方的发生以最小路径和最小割集的并集形式表示。计算图1中事故树的最小割集与最小路径，得其最小割集为132个，其中{X14}为一阶最小割集，

{X01}{X03}{X04}{X05}{X06}为二阶割集中出现两次的底事件，构成二阶最小割集共55个，例如，{X01 X16}表示在X01(洞口浅埋)和X16(锚杆长度不足或间距不均)同时发生时，顶事件T(黄土公路隧道塌方)才会发生，其他最小二阶割集类似。 图1 黄土公路隧道塌方风险事故树

根据结构重要度原则［5］单事件最小割集中的底事件引发顶事件发生的概率最大，仅出现在底事件个数相等的若干个割集中的各底事件发生概率依出现次数而定，即出现次数多，底事件诱发顶事件的概率大，出现次数少，底事件诱发顶事件的概率小。

因此综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项的底事件如表2所示。

表2 事件重要性排序前9项符号 底事件 符号 底事件 符号 底事件X14 施工用水管理不善 X04 松散黄土 X19变形大未及时处理X01 洞口浅埋 X05 新黄土 X10软弱地层拆模太早X03 遇富含水地层 X06 老黄土裂隙发育 X15未及时封闭仰拱 3 结语

以上通过对黄土公路隧道塌方风险事故树的建立及浅析，得出如下结论:

1)黄土公路隧道塌方事故发生的机理复杂，通过分析诱导塌方因素，建立的塌方事故树简明、清晰、逻辑性强，是分析黄土公路隧道塌方较为有效的方法。2)黄土公路隧道塌方事故树分析研究了21个底事件，通过事故树分析方法，确定了塌方发生的主要诱导因素，对施工有一定指导意义。 参考文献:

【相关文献】

［1］ 蒋军成，郭震龙.安全系统工程［M］.北京:化学工业出版社，2004.

［2］ 田 兵，杨建国，张 晓.浅埋软弱黄土公路隧道围岩变形与衬砌受力特征［J］.交通标准化，2010(7):109-111.

［3］ JTG D70-2004，公路隧道设计规范［S］.

［4］ 陈建勋，乔 雄，王梦恕.黄土隧道锚杆受力与作用机制［J］.岩石力学与工程学报，2011(30):1690-1697.

［5］ 吴 铭.模糊事故树分析及其在施工安全管理中的应用［D］.天津:天津大学，2004.