地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的事故樹(shù)分析——以地面沉降事故為例

劉維慶， 趙雅云， 孫赫梓

（1.石家莊鐵道大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)研究所，河北石家莊 050043）

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地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的事故樹(shù)分析——以地面沉降事故為例

劉維慶1， 趙雅云2， 孫赫梓2

（1.石家莊鐵道大學(xué)經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，河北石家莊 050043；2.石家莊鐵道大學(xué)大型結(jié)構(gòu)研究所，河北石家莊 050043）

摘 要：地面沉降是地鐵盾構(gòu)施工過(guò)程中常見(jiàn)的事故，運(yùn)用安全系統(tǒng)工程中的事故樹(shù)分析法，對(duì)引起地面沉降的原因進(jìn)行分析，以地面沉降為頂事件，通過(guò)層層向下分析，找到導(dǎo)致事故發(fā)生的基本事件，并構(gòu)建事故樹(shù)。通過(guò)事故樹(shù)分析，得到各原因事件之間的邏輯關(guān)系，并計(jì)算出各基本事件的結(jié)構(gòu)重要度，確定導(dǎo)致地面沉降事故發(fā)生的主要原因，找出預(yù)防事故的關(guān)鍵途徑，并制定出有效的安全管理措施。

關(guān)鍵詞：盾構(gòu)施工；地面沉降；事故樹(shù)分析；結(jié)構(gòu)重要度；安全管理對(duì)策

本文信息：劉維慶，趙雅云，孫赫梓.地鐵盾構(gòu)施工風(fēng)險(xiǎn)的事故樹(shù)分析［J］.石家莊鐵道大學(xué)學(xué)報(bào)：社會(huì)科學(xué)版，2016，10（1）：21－25.

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的飛速發(fā)展，城市人口日益增多，傳統(tǒng)的以公共汽車為主的交通方式由于運(yùn)客量小，已逐漸無(wú)法滿足城市化的客運(yùn)需求。為解決客運(yùn)壓力，各城市開(kāi)始將目光投向低污染、低能耗、高載客量的城市軌道交通工具——地鐵。對(duì)于地鐵施工來(lái)說(shuō)，盾構(gòu)施工法由于其對(duì)環(huán)境影響小、不影響地面交通、機(jī)械化程度高等優(yōu)點(diǎn)，適用于城市地下開(kāi)挖工程。然而，盾構(gòu)法受工程地質(zhì)條件、掘進(jìn)過(guò)程人為控制等因素的影響較大，施工過(guò)程中可能會(huì)引起地面沉降和地面坍塌事故［1－2］。因發(fā)生異常沉降而導(dǎo)致的建筑物墻壁開(kāi)裂、房屋傾斜倒塌、路面沉陷、地面塌陷等安全事故，會(huì)給人民生活、交通運(yùn)輸、工程生產(chǎn)帶來(lái)極大的影響，甚至造成人員傷亡［3］。本文采用安全系統(tǒng)工程中的事故樹(shù)分析法，分析并找出引起盾構(gòu)施工地面沉降的多層原因直到根本因素，根據(jù)分析結(jié)果提出安全管理對(duì)策，以達(dá)到有效地預(yù)防地面沉降事故。

一、事故樹(shù)分析方法

（一）事故樹(shù)分析原理

事故樹(shù)（Fault Tree）是一種用來(lái)描述導(dǎo)致事故發(fā)生的各層原因的有邏輯關(guān)系的“樹(shù)”。事故樹(shù)分析（Fault Tree Analysis，簡(jiǎn)稱FTA）方法是安全系統(tǒng)工程中較為常用的安全分析方法，也常用于安全評(píng)價(jià)。事故樹(shù)分析以可能發(fā)生的事故為頂事件，逐層尋找導(dǎo)致事故發(fā)生的原因和各原因之間的邏輯關(guān)系［4］。通過(guò)事故樹(shù)分析，不僅可以找到導(dǎo)致事故發(fā)生的直接和間接原因，而且能夠深層次地分析出系統(tǒng)中可能導(dǎo)致事故發(fā)生的不易察覺(jué)的潛在因素，除此之外，還可以進(jìn)行定性和定量分析，確定各個(gè)基本事件的發(fā)生對(duì)事故的影響程度，從而便于找出導(dǎo)致事故發(fā)生的主要原因，為制定安全措施和安全管理提供有利的依據(jù)，為實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)最佳安全狀態(tài)打下基礎(chǔ)［5］。

（二）事故樹(shù)分析的基本程序

實(shí)施事故樹(shù)分析，基本上可分作三個(gè)階段。首先是熟悉系統(tǒng)階段，在此階段需要明確系統(tǒng)并收集系統(tǒng)的相關(guān)信息，查閱本系統(tǒng)與其他相似系統(tǒng)的歷史資料；其次是編制事故樹(shù)階段，確定頂事件，之后收集事故原因，一層一層向下分析，直到找到基本事件，并編制事故樹(shù)；定性和定量分析階段，通過(guò)分析各原因事件之間的邏輯關(guān)系，找到最小割集和最小徑集，計(jì)算頂事件發(fā)生概率和各基本事件的概率重要度、結(jié)構(gòu)重要度等系數(shù)，并對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行總結(jié)與應(yīng)用。本文在定性和定量分析階段僅進(jìn)行結(jié)構(gòu)重要度計(jì)算。

二、地鐵盾構(gòu)施工地面沉降的事故樹(shù)分析

（一）盾構(gòu)施工地面沉降事故樹(shù)的確立

本文針對(duì)石家莊地鐵3號(hào)線一期工程，以盾構(gòu)法施工過(guò)程可能發(fā)生的地面沉降事故為頂事件，進(jìn)行事故樹(shù)分析。石家莊地鐵3號(hào)線一期工程位于中心城區(qū)范圍，規(guī)劃線路全長(zhǎng)62.3 km，全部為地下線，沿線鄰近或下穿多處立交橋，下穿多處房屋，工程風(fēng)險(xiǎn)較大，在地下區(qū)間采用盾構(gòu)法施工。

通過(guò)對(duì)石家莊地鐵3號(hào)線盾構(gòu)施工方案的分析，可以得出造成地面沉降的原因主要有地面沉降量過(guò)大和預(yù)防地面沉降措施不當(dāng)，兩個(gè)因素缺一不可，與頂事件為邏輯與門的關(guān)系，構(gòu)成事故樹(shù)的第一個(gè)層次。

導(dǎo)致地面沉降量過(guò)大的原因有地質(zhì)因素和技術(shù)因素，二者之間為邏輯或門的關(guān)系。預(yù)防地面沉降措施不當(dāng)主要原因有監(jiān)控不足和人員素質(zhì)低，二者為邏輯或門的關(guān)系。這四個(gè)因素構(gòu)成事故樹(shù)的第二個(gè)層次。

根據(jù)石家莊地鐵3號(hào)線的地質(zhì)水文情況，地質(zhì)因素包括地層損失和受擾動(dòng)土再固結(jié)，二者為邏輯或門關(guān)系。技術(shù)因素主要是施工不當(dāng)和設(shè)計(jì)不當(dāng)，包括開(kāi)挖面超挖［6］、設(shè)計(jì)不合理等。二者為邏輯與門關(guān)系。而造成地質(zhì)損失的原因有：開(kāi)挖面土體移動(dòng)、盾構(gòu)后退、土體擠入盾尾空隙、推進(jìn)方向發(fā)生變化、盾構(gòu)前方障礙物隨盾構(gòu)推進(jìn)。繼續(xù)向下分析，各中間事件可進(jìn)行進(jìn)一步分解，從而找到事故發(fā)生的基本原因即底事件。根據(jù)上述分析，構(gòu)造事故樹(shù)，事故樹(shù)見(jiàn)圖1，各事件符號(hào)及意義見(jiàn)表1。

圖1 地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故樹(shù)

表1 地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故中事件符號(hào)及含義

（二）最小割集的計(jì)算與分析

在所有基本事件組成的集合中，當(dāng)一個(gè)集合中所有事件發(fā)生則引起頂事件發(fā)生時(shí)，稱這個(gè)集合為割集，當(dāng)一個(gè)割集中，任一基本事件不發(fā)生就不會(huì)引起頂事件發(fā)生時(shí)，稱這樣的割集為最小割集。最小割集可以表示出頂事件發(fā)生的可能性大小和造成頂事件發(fā)生的原因組合。事故樹(shù)中最小割集的數(shù)量越多，就代表著系統(tǒng)越危險(xiǎn)。由圖1所示的事故樹(shù)分析可知，造成盾構(gòu)施工地表坍塌事故的基本事件有21個(gè)，即事故隱患有21個(gè)。

應(yīng)用布爾代數(shù)簡(jiǎn)化，就可以得出最小割集。利用事故樹(shù)分析軟件，對(duì)事故樹(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)化，得到以下結(jié)果：

T＝M1M2＝（M3＋M4）（M5＋M6）＝（M7 ＋M8＋M9M10）（M5＋M6）＝（M11＋M12＋M13＋M14＋X9＋M8＋M9M10）（M5＋M6）＝｛X1＋X2＋…＋X11＋（X12＋X13＋X14＋X2＋X3）（X15＋X16）｝（X17＋…X21）

求得此事件的最小割集為：?＝｛X12，X15，X17），（X12，X15，X18）……｝。

結(jié)果顯示有85個(gè)最小割集，其中30個(gè)割集中包含3個(gè)基本事件，55個(gè)割集中包含2個(gè)基本事件。從最小割集的計(jì)算可以看出：

（1）共有85個(gè)最小割集，即頂事件發(fā)生的可能性共有85種，根據(jù)最小割集的概念來(lái)說(shuō)，地鐵盾構(gòu)施工發(fā)生地面沉降的可能性很大，可見(jiàn)其預(yù)防的難度較大。

（2）基本事件共有21個(gè)，其中屬于技術(shù)及管理因素的有8個(gè)，為X12～X19，其余的13個(gè)屬于物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為。這說(shuō)明物的不安全狀態(tài)和人的不安全行為對(duì)地鐵盾構(gòu)施工地面沉降造成的影響較大。

（三）最小徑集的計(jì)算與分析

與割集相反，當(dāng)一個(gè)集合中基本事件不發(fā)生則頂事件就不會(huì)發(fā)生時(shí)，這個(gè)集合稱為徑集。當(dāng)一個(gè)徑集中任一基本事件發(fā)生則頂事件發(fā)生時(shí)，這個(gè)徑集稱為最小徑集。事故樹(shù)中最小徑集越多，系統(tǒng)的安全性就越高。將地鐵盾構(gòu)施工地面沉降的事故樹(shù)變?yōu)槌晒?shù)，用布爾代數(shù)法求成功樹(shù)的最小割集，即可得到原事故樹(shù)的最小徑集為：

｛（X17，X18，X19，X20，X21），（X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X15，X16），（X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14）｝

盾構(gòu)施工地面沉降有3個(gè)最小徑集：

｛X17，X18，X19，X20，X21｝，

｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X15，X16｝，

｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14｝。

從最小徑集的計(jì)算可以看出：

｛X17，X18，X19，X20，X21｝由五個(gè)基本事件構(gòu)成，這是防治地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故的最短路徑。

｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X15，X16｝由13個(gè)基本事件構(gòu)成，這些事件與地面沉降的地質(zhì)因素和設(shè)計(jì)因素有關(guān)，預(yù)防難度較大。

｛X1，X2，X3，X4，X5，X6，X7，X8，X9，X10，X11，X12，X13，X14｝有14個(gè)基本事件構(gòu)成，這些事件除與地質(zhì)因素和設(shè)計(jì)因素有關(guān)外，還與施工不當(dāng)有關(guān)。

（四）結(jié)構(gòu)重要度的排序和分析

結(jié)構(gòu)重要度是在不考慮各基本事件的發(fā)生概率或者認(rèn)為所有基本事件的發(fā)生概率相同的情況下，僅從事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)上分析其對(duì)頂事件發(fā)生的影響程度。在缺乏定量分析數(shù)據(jù)的前提下，結(jié)構(gòu)重要度定性分析就顯得很重要［7］。此事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)重要度的排序?yàn)椋?/p>

I（X21）＝I（X20）＝I（X19）＝I（X18）＝I（X17）＞I（X11）＝I（X10）＝I（X9）＝I（X8）＝I（X7）＝I（X6）＝I（X5）＝I（X4）＝I（X3）＝I（X2）＝I（X1）＞I（X16）＝I（X15）＞I（X14）＝I（X13）＝I（X12）

從中可以看出：結(jié)構(gòu)重要度最大的基本事件為：未對(duì)地面沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)、忽視周邊建筑物的影響、忽視土壓力的影響、人員的技術(shù)培訓(xùn)和安全教育不到位。其次是土層骨架變形蠕動(dòng)、排水固結(jié)變形、盾構(gòu)前方障礙物隨盾構(gòu)推進(jìn)、未控制好最小應(yīng)有防后退頂力、千斤頂漏油、千斤頂回縮、盾構(gòu)外周粘附黏土、盾構(gòu)掘進(jìn)軸線偏差、壓漿不當(dāng)、開(kāi)挖面超挖、操作失誤。再其次是設(shè)計(jì)不合理、地質(zhì)情況未探明，最后是參數(shù)沒(méi)有優(yōu)化、不按施工組織設(shè)計(jì)、施工質(zhì)量不達(dá)標(biāo)。施工時(shí)應(yīng)加強(qiáng)對(duì)地質(zhì)的監(jiān)控，做好地質(zhì)勘查工作，按規(guī)范監(jiān)測(cè)地面沉降量，重視周邊建筑物和土壓力的影響，做好施工人員技術(shù)培訓(xùn)和安全教育。施工和設(shè)計(jì)時(shí)都應(yīng)注意地層損失和受擾動(dòng)土再固結(jié)對(duì)地面沉降造成的影響。在此必須要說(shuō)明的是，在結(jié)構(gòu)重要度中，排在后面的各個(gè)基本事件也不應(yīng)該被忽視。

三、地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故樹(shù)分析結(jié)論與安全管理對(duì)策

軌跡交叉理論告訴我們，人的不安全行為、物的不安全狀態(tài)是引起事故發(fā)生的直接原因，安全管理缺陷是間接原因。但只有在管理存在漏洞的情況下，人的不安全行為和物的不安全狀態(tài)這兩大因素才得以存在，所以，安全管理存在漏洞是導(dǎo)致事故發(fā)生的最本質(zhì)原因［5］。從上述事故樹(shù)的結(jié)構(gòu)重要度可以看出，對(duì)地面沉降事故發(fā)生影響較大的因素有：安全教育不到位、技術(shù)培訓(xùn)不到位、忽視土壓力的影響、忽視周邊建筑物的影響、未對(duì)地面沉降量進(jìn)行檢測(cè)。根據(jù)事故樹(shù)分析結(jié)論，可以采取相應(yīng)的措施加強(qiáng)安全管理。

（一）地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故樹(shù)分析結(jié)論

根據(jù)最小徑集計(jì)算出的最短路徑｛X17，X18，X19，X20，X21｝，可以確定預(yù)防地面沉降事故發(fā)生的最有效措施是：按照規(guī)范對(duì)地面沉降量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，重視周邊建筑物的影響，重視土壓力的影響，對(duì)施工人員進(jìn)行技術(shù)培訓(xùn)和安全教育。

從其他徑集包含的事件可以看出：①在施工過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格按照施工規(guī)范執(zhí)行，提高施工人員素質(zhì)，以此來(lái)預(yù)防地層損失，受擾動(dòng)土再固結(jié)引起的地面沉降也應(yīng)引起施工人員的注意。②設(shè)計(jì)人員也應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范并結(jié)合項(xiàng)目實(shí)際情況進(jìn)行設(shè)計(jì)。③為預(yù)防施工不當(dāng)造成的地面沉降，可采取如下措施：優(yōu)化盾構(gòu)施工參數(shù)、嚴(yán)格按照施工組織設(shè)計(jì)施工、嚴(yán)格控制施工質(zhì)量和避免施工人員因技術(shù)水平不高而導(dǎo)致的開(kāi)挖面超挖和壓漿不當(dāng)。

（二）地鐵盾構(gòu)施工安全管理措施

根據(jù)事故樹(shù)分析的結(jié)論，在石家莊地鐵3號(hào)線一期工程中，可以從以下方面加強(qiáng)安全管理，預(yù)防地鐵盾構(gòu)施工中的地面沉降。

1.施工技術(shù)安全管理

施工之前落實(shí)地質(zhì)、環(huán)境條件的勘測(cè)工作，收集詳盡的相關(guān)資料，為施工設(shè)計(jì)提供有效的依據(jù)，避免出現(xiàn)施工開(kāi)始之后發(fā)現(xiàn)土質(zhì)不符合施工條件、周邊建筑物影響施工進(jìn)度等問(wèn)題。加強(qiáng)施工過(guò)程中的安全監(jiān)測(cè)，按規(guī)范監(jiān)測(cè)地面沉降量，監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括地面沉降量監(jiān)測(cè)、地下水位監(jiān)測(cè)等，及時(shí)將地面沉降監(jiān)測(cè)成果應(yīng)用于檢查驗(yàn)收，并編制檢查驗(yàn)收?qǐng)?bào)告，根據(jù)監(jiān)測(cè)情況制定并實(shí)施有效措施。為保證系統(tǒng)能夠可靠運(yùn)行，應(yīng)嚴(yán)格按照規(guī)范及相關(guān)作業(yè)指導(dǎo)書進(jìn)行施工，施工設(shè)計(jì)方案的制定和施工方法的選擇必須嚴(yán)格把關(guān)，各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)的使用嚴(yán)格按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。

2.加強(qiáng)安全教育及安全培訓(xùn)

在目前工程中大量使用人力（農(nóng)民工）且建筑施工人員素質(zhì)普遍偏低［8］、安全管理人員水平不高的情況下及大規(guī)模的建設(shè)背景下［9］，實(shí)現(xiàn)安全施工的難度是很大的，由于人的不安全行為往往是導(dǎo)致事故發(fā)生的根本原因，所以要想做到預(yù)防事故的發(fā)生，必須加強(qiáng)施工人員的技術(shù)培訓(xùn)和安全教育。安全教育是意識(shí)上的培養(yǎng)，目的是要提高工人的安全意識(shí)和自我防范能力，施工現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)開(kāi)展安全教育活動(dòng)，宣傳安全施工的重要性，通過(guò)改變工人對(duì)安全事故的認(rèn)知，來(lái)引導(dǎo)員工的行為；安全技術(shù)培訓(xùn)則更專業(yè)一些，主要包括對(duì)安全管理人員和設(shè)備操作人員進(jìn)行專業(yè)知識(shí)培訓(xùn)，除此之外還包括對(duì)廣大員工預(yù)防安全事故和自身保護(hù)能力的培訓(xùn)，通過(guò)安全技術(shù)培訓(xùn)，可以使施工人員掌握正確的工作方法，避免出現(xiàn)操作錯(cuò)誤和技術(shù)性錯(cuò)誤。

四、結(jié)語(yǔ)

事故樹(shù)分析是安全工程中常用的系統(tǒng)分析方法，事故樹(shù)分析對(duì)預(yù)防事故的發(fā)生有著很重要的作用。首先，通過(guò)對(duì)地鐵盾構(gòu)施工地面沉降事故進(jìn)行事故樹(shù)分析，可以得到引起事故各因素及其邏輯關(guān)系，全面地查明危險(xiǎn)因素，為設(shè)計(jì)、施工和管理提供依據(jù)；其次，可以通過(guò)事故樹(shù)分析來(lái)評(píng)價(jià)工藝、設(shè)備和方法的安全性，改善施工技術(shù)和管理方案；再次，熟悉系統(tǒng)階段和編制事故樹(shù)階段的材料收集和使用，可以使工作人員更全面的了解系統(tǒng)，熟悉施工過(guò)程，開(kāi)闊思路；最后，事故樹(shù)分析是定性和定量分析，通過(guò)分析計(jì)算最小割集、最小徑集、結(jié)構(gòu)重要度、概率重要度等參數(shù)，可以得到更準(zhǔn)確有效的事故預(yù)防措施。

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Fault Tree Analysis of Subway Shield Construction——A Case Study of Land Subsidence Accident

LIU Wei－qing1，ZHAO Ya－yun2，SUN He－zi2
（1.College of Economics and Management，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang，050043，China；2.Structural Health Monitoring and Control Institute，Shijiazhuang Tiedao University，Shijiazhuang，050043，China）

Abstract：Land subsidence accident is rather common in the subway construction process when applying shield method.By using fault tree analysis，the method in safety system engineering and the causes of land subsidence are analyzed.Taking the land subsidence as the top event，the research is to find the basic faults which caused the accident after the layers of analysis，and then the fault tree is built.Through the fault tree analysis，the logical relationship between various causative events is got，then the structural importance of each basic events is calculated out.The primary causes of land subsidence accident are determined，the critical path of accident prevention is found，and the effective way to prevent the ground settlement accident in the shield construction is proposed.

Key words：shield construction，land subsidence，fault tree analysis，structure importance，safety management countermeasures

基金項(xiàng)目：河北省社科基金項(xiàng)目（HB15GL033），教育部人文社科課題（11YJA630066）

作者簡(jiǎn)介：劉維慶（1963－），男，教授，博士，研究方向：工程項(xiàng)目管理。

收稿日期：2015－11－22

文章編號(hào)：2095－0365（2016）01－0021－05

中圖分類號(hào)：X928.9

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13319／j.cnki.sjztddxxbskb.2016.01.04