巖溶隧道突水突泥風(fēng)險事故樹分析

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(bǔ)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。

1 突水突泥事故原因分析

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。

1.1 不良地質(zhì)的影響

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。

1.2 氣象條件的影響

氣候的變化決定氣溫的高低、總降水量、降水強(qiáng)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。

1.3 設(shè)計失誤造成突水突泥事故

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。

1.4 施工和管理因素的影響

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。

2 突水突泥災(zāi)害事故樹分析圖的建立及定性分析

2.1 突水突泥災(zāi)害事故樹的分析圖建立

本文通過分析突水突泥災(zāi)害發(fā)生的機(jī)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 事故樹的定性分析

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。

3 事故樹的定量分析

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。

3.1 工程概況

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。

3.2 馬鹿菁隧道突水突泥事故樹定量分析

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。

3.3 主要影響因素和相應(yīng)的改善措施

(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(bǔ)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(qiáng)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(qiáng)施工人員的培訓(xùn)和管理，增強(qiáng)安全意識，及時監(jiān)測和支護(hù)。

4 結(jié)論

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(qiáng)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(qiáng)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