基于事故樹模型的地鐵施工地表坍塌事故分析

柴乃杰,張 夢,鮑學英,顧偉紅

(蘭州交通大學土木工程學院,蘭州 730070)

1 概述

自從1965年北京首條地鐵開工建設以來，地鐵建設正在中國如火如荼地展開，截至2016年底，中國內地地區開通城市軌道交通運營線路總長達近4 000 km[1]。我國地鐵建設至今僅有52年的時間，因地鐵工程本身的復雜特殊性，包括施工環境多變、涉及工種繁多等，導致我國近年來地鐵施工安全事故不斷發生，以坍塌事故為主。

目前，國內不少學者已對如何準確診斷地鐵施工事故的危險源、能否預先了解事故發生的可能性以及如何迅速排查已經發生的事故的原因等方面進行了深入研究；如在地鐵施工過程中的危險源識別方面，鄧小鵬[2]、李浩燃[3]等人統計了1992年～2010年的地鐵事故，統計結果表明坍塌事故為主要事故類型，占比達到43%，另外還有水害和機械傷害。李鳳偉[4]、胡群芳等[5]也統計分析出塌陷和坍塌是地鐵建設施工最主要的危險源。麻鳳海等[6]認為地鐵隧道盾構開挖可能會擾動土體應力的重新分布，誘發地表沉降、變形，從而對周圍建筑物、管線等造成一定損害。

在預測事故發生可能性方面，國內學者陳偉珂[7]等運用WBS-RBS方法和關聯規則，得出關于坍塌中某些指標的閾值，為地鐵施工災害管道預警監測提供參考；為進一步提高識別精度和節省控制成本，陳偉珂[8]利用關聯原則Aprirori算法確定頻繁項集，采用關聯函數定量可控度的方法，構建出可拓診斷事故發生模型，進一步解決預案決策的優化問題，并且在實例應用中，取得效果；同時，國外研究方面，Paul M. Salmon[9]針對如何準確評估出地鐵施工中塌陷事故發生可能性的問題，提出了Accimap，HFACS和STAMP 3種預測方法，并作出詳細比較，揭示了3種方法之間的顯著差異；Miltos Kyriakidis[10]通過構建SMM模型來分析地鐵施工塌陷事故前兆，不僅較好地闡述了事故發生的機理，有助于認識事故的發生、發展和形成過程，而且還可以有效預測導致將來施工地表塌陷的潛在原因，進一步加強了對事故的預防和控制。

本文利用事故樹模型[11]對引發地鐵施工地表塌陷事故進行更深入地建模分析，在以事故及其誘因之間的因果邏輯關系所構建的事故樹的基礎上，采用定性與定量相結合的方法對引起地表塌陷的原因進行總結，同時計算和分析基本事件和中間事件對頂事件發生的影響，較為直觀地分辨出主要原因與次要原因，為加強地鐵施工安全管理工作和預防事故的再次發生提供參考。

2 地鐵施工地表塌陷事故

根據相關統計資料[12]，地鐵施工事故可以劃分為施工安全事故、結構質量事故與周邊環境事故。施工安全事故包括基坑安全事故、盾構施工安全事故、淺埋暗挖施工安全事故；質量安全事故包括鋼筋混凝土結構質量事故、防水結構事故和盾構管片接縫防水質量事故；環境安全事故包括建筑物安全事故、軌道安全事故和管線安全事故。

在這其中可能直接引發地層地表坍塌事故的主要有：(1)基坑施工安全事故中的土體失穩事故和支護結構強度事故；(2)盾構施工安全事故中的盾構機始發到達及掘進事故和螺旋輸送機噴涌事故；(3)淺埋暗挖施工安全事故中的掌子面失穩事故和地表沉降、塌陷事故；(4)結構質量事故和環境安全事故一定程度上也可以引發坍塌事故，但是影響遠不及上述事故對地鐵施工事故所帶來的隱患。

3 地鐵施工地表坍塌事故樹

正確構建事故樹是事故樹分析法的關鍵，事故樹的完善與否直接影響事故樹定性和定量分析結果的準確性[8]。通常，事故樹構建過程是首先搜集與所研究的系統事故(稱為“頂事件”)有關的所有可能因素，然后通過分析歸納確定出導致事故的諸因素之間的邏輯因果關系，再按照逐級向下演繹的方法找出直接導致頂端事件發生的可能；而后，通過把各級事件用相應的符號和合適于它們之間邏輯關系的邏輯門與頂端事件相連接，就建成了一棵以頂事件為根，中間事件為節，基本事件為葉的具有若干級的倒置事故樹，最后一直追溯到引起系統發生事故的全部原因。本文通過采用演繹法建樹，確定出有關地鐵施工地表塌陷事故建樹流程如圖1所示。

圖1 地鐵施工地表坍塌事故建樹流程

圖2 土體失穩事故樹

在引發地鐵施工地表塌陷事故中，土體失穩事故、支護結構強度事故、盾構施工安全施工事故、淺埋暗挖施工安全事故之間雖然相互影響，但是追溯回各自的基本事件時又有很大區別。因此，在對地鐵施工地表塌陷進行事故樹分析時，可將土體失穩事故、支護結構強度事故、盾構施工安全施工事故、淺埋暗挖施工安全事故分別作為獨立的系統進行分析。

所以依據文獻[13]中提供的對各相關施工事故原因的描述與上述建樹原則，以文獻[4]中118起地鐵施工地表坍塌事故為實例背景進行原因類比分析與研究，最終分析出土體失穩事故等4類常見的典型事故樹模型。這樣，決策者就可以依據具體的地鐵施工現場地表塌陷情況選擇相應的事故樹分析模型；如遇特殊情況，則僅需對基本事件做出略微調整即可，以便快速查找地表塌陷原因并采取有效防治措施，將損失降低到最小。

3.1 土體失穩事故樹

在地鐵施工過程中，基底隆起、支護時冒頂涌水及整體滑移等事故是很容易造成土體失穩事故的發生，故土體失穩事故樹模型如圖2所示。

3.2 支護結構強度事故樹

支護結構強度事故也是在地鐵建設過程中致使地表塌陷的主要原因之一，它主要包括地連墻強度不足(鋼筋籠強度、剛度不足，澆筑不密實，維護漏筋)及支撐體系不穩定等。對此，所構建的結構強度事故樹模型如圖3所示。

圖3 支護結構強度事故樹

3.3 盾構施工安全事故樹

在地鐵工程建設施工中，所用到的盾構機在始發和掘進過程中都易發生施工擾動事故，故盾構施工安全施工事故模型如圖4所示。

圖4 盾構施工安全事故樹

3.4 淺埋暗挖施工安全事故樹

施工的不規范行為、地表土層的不安全狀態以及管理上的缺陷和環境因素等這些都會導致地表塌陷事故的產生，同時，這些因素也涉及到別的事件。對此，地鐵工程施工中淺埋暗挖事故樹如圖5所示。

圖5 淺埋暗挖施工安全事故樹

4 事故樹模型分析計算

4.1 事故樹的定性分析

對事故樹進行定性分析的主要目的是為了找出導致頂事件發生的所有可能的事故模式，即弄清系統出現某種最不希望發生的事件有多少種可能性。而本文通過采用割集的定性分析的方法，并借助最小割集來描繪處于事故狀態的系統所必須要注意的基本事件，表征出系統失效的充要條件。假設事故樹有k個最小割集C=(C1，C2，…，Ck)，只要任一個最小割集Cj={xi|xi∈Cj}(i=1，2，3，…，n)中的全部底事件xi發生時，則事故樹的頂事件必然發生，同時采用布爾代數法計算最小割集[14]。

考慮到支護結構強度事故樹、盾構施工安全事故樹與淺埋暗挖施工安全事故樹中底事件較多，計算復雜，而且因為無法獲得各底事件的相關概率數據，故采用定性分析。根據圖3～圖5中各事件之間的邏輯關系，可以分別得出結構強度事故樹、盾構施工安全事故樹、淺埋暗挖施工安全事故樹的最小割集，并根據割集結構對各自底事件結構重要度進行排序。采用最小割集進行結構重要度分析，主要是依據以下原則來判斷基本事件結構重要度的大小，并排列各事件的結構重要度順序，無須求出結構重要系數的精確值。即：單事件最小割集的基本事件的結構重要系數最大；若兩基本事件僅出現在基本事件個數相等的若干最小割集中時，出現次數相等則各事件結構重要系數相等，出現次數多的基本事件的結構重要系數大，反之結構重要系數小；兩事件僅出現在基本事件個數不等的若干最小割集中，若最小割集中出現的次數相等，則在少事件最小割集中出現的基本事件的結構重要系數大，在少事件最小割集中出現的基本事件的結構重要系數大于在多事件最小割集中出現次數多的事件的結構重要系數。

4.2 基于事故樹的定量分析

在已有的事故樹的基礎上，若已知影響頂事件的基本事件數量較少，為更加準確地判斷基本事件對頂事件發生的結構重要度影響，則有必要用最小割集推導出的結構函數，并運用容斥原理中或事件和與事件積得出概率公式，進而對事故樹頂事件的發生概率進行定量評定[15]。

考慮到土體失穩事故樹中基本事件數量較少，便于計算，故采用事故樹的結構函數來進行定量分析。下面將以土體失穩事故樹為例，按以下方式進行定量分析。因目前無法獲得其中基本事件的概率，所以選用結構重要度進行分析，運用結構重要系數公式與結構函數計算各基本事件的結構重要系數，并進行排序。

事故樹的結構函數可以表示為式(1)、式(2)，結構重要系數的計算公式見式(3)

(1)

(2)

(3)

由布爾代數法可以得出土體失穩事故的最小割集KX=(X1X3，X2X3，X3X6)，從而土體失穩事故的結構函數可表示為式(4)

φ=max[X1X3，X2X3，X3X6]

(4)

結合式(3)與所有統計數據計算各基本事件的結構重要系數結果如下：Iφ(3)=0.875；Iφ(1)=0.125；Iφ(2)=0.125；Iφ(6)=0.125；Iφ(4)=0；Iφ(5)=0，其中施工支護不足最重要，應對其進行重點防范。

綜上，由于篇幅有限，故對計算過程簡略，最終經過定性分析與定量計算相結合，可得到土體失穩等4個事故樹的結構重要度的順序，并將結果統計于表1所示；然后，將其評價結果與文獻[4]中通過現場調查、問卷調查等手段，對2003～2010年國內地鐵建設中118起地鐵施工事故原因的統計分析結果進行對比，結果表明具有良好的吻合性。

表1 最小割集及其排序

從表1可以看出，在支護結構強度事故中，導致圍檁壓屈的墻面不平整與圍檁強度不足最重要，而墻面不平整是指的地下連續墻墻面或鉆孔灌注樁墻體不平整，因此，應對上述結構重要度進行修正調整，應嚴格控制對地下連續墻施工質量，支撐體系次之。在盾構施工安全事故中，需要重點把控導致盾構始發事故中涌水涌砂事故的施工失當，影響因素眾多，因此，在盾構機始發前應當做好每一步工作，以確保盾構始發的安全性；另外，在掘進之前應仔細勘探開挖區間的地質條件，根據勘探結果進行相應的渣土配比與刀具選擇，因為進行刀具檢查與更換會增加開挖面失穩和地表塌陷的風險；掘進過程中，較大的推進速度與掘削壓力下圍護墻坍塌的風險仍然存在。淺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，主要為拱部承載問題和地質問題。所以，在淺埋暗挖隧道中必須做好或加固拱部超前預支護，以防止地表塌陷的發生；在地質條件不好的土層(或巖層)，地質現狀為不可控因素，施工是可控因素，因此，可采取措施盡可能降低施工擾動，做好隧道防滲漏水工作。

5 結論

本文以文獻[4]中118起地鐵施工地表坍塌事故為實例背景，對導致地鐵施工的地表塌陷原因做較為深入的分析研究與統計，最終建立了影響地鐵施工地表塌陷的4類常見的典型事故樹，并明確其各類地鐵施工事故樹內部之間的邏輯關系，以指導在地鐵施工過程中快速準確地找出最有可能造成地表塌陷的原因，提前采取相應的應對措施。

(1)通過對結構強度事故樹的定性分析可知，地下連續墻的影響最大，必須嚴格控制地下連續墻的施工質量；對盾構施工安全事故樹的定性分析可知，要做好盾構機始發前的準備工作和開挖區間的地質勘探；對淺埋暗挖施工安全事故樹的定性分析可知，拱部承載問題最為突出，要做好超前預支護。

(2)通過定性和定量結合分析土體穩定事故樹發現，施工時的支護顯得尤為重要。在開挖前、開挖時及開挖后做好支護工作，并對其進行監測，及早發現事故隱患并迅速采取措施處理。

[1] 劉宇，樊佳慧，賀力霞，等.2016年中國城市軌道交通運營線路統計與分析[J].都市快軌交通，2017，30(1)：4-6.

[2] 鄧小鵬，李啟明，周志鵬.地鐵施工安全事故規律性的統計分析[J].統計與決策，2010，10(9)：87-89.

[3] 李浩燃，李啟明，陸瑩.2002～2016年我國地鐵施工安全事故規律的統計分析[J].都市快軌交通，2017，30(1)：12-19.

[4] 李鳳偉，杜修力，張明聚.地鐵工程建設施工事故統計分析[J].地下空間與工程學報，2014，10(2)：474-479.

[5] 胡群芳，秦家寶.2003～2011年地鐵隧道施工事故統計分析[J].地下空間與工程學報，2013(3)：705-710.

[6] 麻鳳海，趙陽豪.地鐵盾構施工引起的地表沉降預測[J].地震研究.2016，39(1)：10-14.

[7] 陳偉珂，張錚燕.地鐵施工災害關鍵警兆監測指標研究[J].中國安全科學學報，2013，23(1)：148-154.

[8] 陳偉珂，李彎，陳紅，等.基于Aprirori算法的地鐵施工致險非線性因素的映射指標研究[J].系統科學與數學，2015，35(10)：1178-1193.

[9] Paul M. Salmon， Miranda Cornelissen， Margaret J. Trotter. Systems-based accident analysis methods： A comparison of Accimap， HFACS， and STAMP[J]. Safety Science， 2012，50 (4)：1158-1170.

[10] Miltos Kyriakidis， Robin Hirsch， Arnab Majumdar. Metro railway safety： An analysis of accident precursors[J]. Safety Science，2012，50(7)：1535-1548

[11] 朱繼洲.故障樹原理應用[M].西安：西安交通大學出版社，1989.

[12] 王洪德.安全系統工程[M].北京：國防工業出版社，2013.

[13] 周順華.城市軌道地下工程計算與分析[M].北京：人民交通出版社股份有限公司，2014.

[14] 江榮漢.高壓電壓互感器的故障樹機器分析[J].電力系統及其自動化學報，1990，2(1)：102-109.

[15] 江榮漢，陳宗穆，屈梁材.高壓電流互感器的故障樹及其分析[J].電工技術學報，1989(11)：45-49.