基于層次分析法的DFT城市綜合管廊盾構施工風險評價研究

黃 萍，林杰欽

(福州大學環境與資源學院，福建 福州 350116)

近年來，隨著經濟的發展，綜合管廊在全國各大小城市的建設工作進一步推進。城市綜合管廊的鋪設方法一般采用明挖法施工，這種施工方法簡單、快捷、經濟、安全，但也不是完全適用于任何路段[1]。明挖法施工工期普遍較長，對周圍建筑及公路的影響較大，處于施工中的“拉鏈路”對道路交通的影響也大，且受老城區環狀交通量大、地下管線復雜等因素的制約，因此采用明挖法施工選段以及建設綜合管廊幾乎是不可行的。另外，在一些沿海沿江城市，若采用明挖法跨江鋪設綜合管廊，其成本高昂、事故風險大，故發展非開挖路面方法來建設城市綜合管廊是十分有必要的。采用盾構法施工來建設城市綜合管廊，其優點在于不受地面交通、河道、航運、潮汐、季節、氣候等條件的影響，對城市交通以及環境的影響較小,不僅可以提高管廊建設的效率，還可以極大地減少施工中的揚塵和噪聲[2]。截止目前，北京、廣州、沈陽、西安，成都、南昌、海口等城市均有采用盾構法施工來建設綜合管廊的報道[3]。

目前，現行的《城市綜合管廊工程技術規范》(GB 50838—2015)對盾構法施工建設城市綜合管廊過程中技術參數的規定較為模糊，沒有具體、明確的技術規定。由于在盾構法施工中沒有特定技術參數支持，而且盾構法施工一般用于無法采用明挖法的復雜地質背景或跨江河水域的路段，施工過程風險較大[4]，因此需要建立一種較為完善的城市綜合管廊盾構施工風險分析與評價方法。

事故樹分析方法作為最基礎且可靠的的系統分析方法，已普遍應用于電子通信、建筑工程、醫療、能源、軍事和航空航天等領域，其優點在于通過簡單的邏輯推理和計算就可獲得較為準確的事故致因事件結構重要度，從而得出底下事件對事故影響的大小[5]。然而傳統的事故樹分析方法具有一定的局限性，其底下事件僅通過或、與、表決等靜態門來表示對頂上事件的影響，忽略了各底下事件之間相互作用的影響及其各自的優先關系與順序關系，因而在復雜系統中定量計算出的結果與實際情況的偏差較大[6]。動態事故樹(Dynamic Fault-Tree，DFT)即是在傳統事故樹基礎上，添加了優先與門、(溫、冷、熱)備件門、順序相關門、功能觸發門等動態邏輯門[7-8]，相對于傳統事故樹分析方法，DFT分析方法能更好地分析時序相關事件、動態以及人因可靠性問題。在城市綜合管廊盾構施工過程中，事故致因往往相互關聯，故可嘗試利用DFT分析方法對城市綜合管廊盾構施工風險進行評價。為此，本文提出采用DFT分析方法來分析城市綜合管廊盾構施工過程中的危險因素，并以管廊盾構施工導致地面沉降事故為例，基于層次分析法建立城市綜合管廊盾構施工風險分類層次及架構，并構建城市綜合管廊盾構施工動態事故樹(DFT)，用于開展城市綜合管廊盾構施工過程中風險因素辨識與事故致因分析以及風險定性與定量評價，可為城市綜合管廊施工風險分析提供新的思路。

1 城市綜合管廊盾構施工風險評價體系的建立

1.1 城市綜合管廊盾構施工風險分類層次及架構

城市綜合管廊盾構施工過程中的風險與地鐵盾構施工相仿，主要風險可分為機械損壞、地面沉降、建筑物破壞、地下管線破壞、開挖軸偏離以及透水事故[9-10]。利用層次分析法將城市綜合管廊盾構施工風險劃分為動態安全風險因素和靜態安全風險因素兩個一級安全風險因素。所謂靜態安全風險因素定義為不受時間與其他風險因素變化影響的因素，動態安全風險因素則與之相反，會受到時間與其他風險因素變化的影響。根據靜態安全風險因素和動態安全風險因素的特征，同時避免一些復雜交錯因素之間的關聯，如人為失誤、機械損壞或故障、施工方法有誤三者關聯并相互作用，即人的判斷失誤會導致施工方法有誤進而導致機械損壞或故障，而環境惡劣和材料不合格受其他因素的影響較小，故將人、機、法因素歸于動態安全風險因素，環、材因素歸于靜態安全風險因素，建立了城市綜合管廊盾構施工風險分類層次及架構，詳見圖1。

圖1 城市綜合管廊盾構施工風險分類層次及架構Fig.1 Classification levels and structure of shield cons- truction risk of urban integrated pipe gallery

1.2 城市綜合管廊盾構施工動態事故樹構建流程

城市綜合管廊盾構施工按階段可分為盾構掘進、管片安裝、同步注漿三個施工階段，管廊盾構施工事故的發生大多是由這三個施工階段中的一個或幾個施工階段出現異常導致。根據城市綜合管廊盾構施工事故的類型、特征可選用一個或幾個施工階段進行事故致因分析，構建城市綜合管廊盾構施工動態事故樹(DFT)的具體流程路線見圖2。

圖2 城市綜合管廊盾構施工動態事故樹(DTF)構建路線Fig.2 Roadmap of dynamic Fault Tree (DFT) for shield construction of urban integrated pipe gallery

2 管廊盾構施工案例分析(以地面沉降事故為例)

2016年4月，廣州市成功申報地下綜合管廊試點城市、試點項目，其中包括軌道交通十一號線地下綜合管廊、天河智慧城地下綜合管廊、廣花一級公路地下綜合管廊3個子項目，管廊總長度82.9 km，總投資約113億元，計劃于2020年底竣工[11]。本文以天河智慧城地下綜合管廊為例，該綜合管廊總長19.4 km，其中盾構段為8.6 km，明挖段為10.8 km，以其中盾構路段進行管廊盾構施工案例分析。根據入廊管線種類及規模，管廊內徑設置為6 m(外徑為8.4 m),分上、下2艙。其中，上部艙室為高壓電力艙；下部艙室為綜合艙，左邊為通信艙，右邊為供水艙。盾構管廊標準斷面圖見圖3。

圖3 盾構管廊標準斷面圖(單位：mm)Fig.3 Standard section of shield pipe gallery (unit:mm)

基于DFT進行管廊盾構施工風險分析的基本思路與步驟如下：首先對管廊盾構施工事故的風險因素進行識別，即對管廊盾構施工導致地面沉降事故的風險因素進行辨識與分類，并根據動態與靜態安全風險因素分類對管廊盾構施工導致地面沉降事故進行致因分析；然后建立管廊盾構施工導致地面沉降事故的DFT；最后根據建立的DFT對管廊盾構施工導致地面沉降事故的風險進行定性與定量分析。具體步驟為：①風險因素辨識及事故致因分析；②建立管廊盾構施工導致地面沉降事故的DFT；③風險定性與定量分析。

2. 1 風險因素辨識及事故致因分析

本文首先基于管廊盾構施工風險分類層次與構架分析，通過查閱相關文獻與實地調查，并類比地鐵盾構施工事故案例經驗，從人、機、法、環、材五個方面歸納得到管廊盾構施工導致地面沉降事故的風險因素，主要包括[12-14]:施工人員技術失誤或經驗不足、盾尾密封系統失效、主軸承受損、未及時采取相應的補救措施、盾構參數設置不當、盾尾密封技術不當、掘進時遭遇不良地質、工程材料質量不達標等。

然后，根據動態與靜態安全風險因素分類得到管廊盾構施工導致地面沉降事故的致因分析結果，具體見表1。

表1 城市綜合管廊盾構施工導致地面沉降事故的致因分析

2.2 建立管廊盾構施工導致地表沉降事故的DFT

為了更加方便地建立管廊盾構施工DFT并進行風險分析，需要對管廊盾構施工導致地面沉降事故的風險因素按盾構掘進、管片安裝、同步注漿三個施工階段進行分析、分類和匯總，進而得到管廊盾構施工導致地面沉降事故的風險因素，見表2。

表2 城市綜合管廊盾構施工導致地面沉降事故的風險因素

根據以上基本事件之間的邏輯關系以及與動態靜態安全風險因素分類，構建了城市綜合管廊盾構施工DFT(動態安全風險因素需用DFT邏輯門連接)，并可構建相對應的DFT模型，見圖4。

2. 3 風險定性與定量分析

本文首先將DFT分為靜態子樹和動態子樹兩個模塊來進行定量分析。其中，靜態子樹可用二元決策圖進行分析[15]；動態子樹無法采用傳統的事故樹定量公式進行分析，一般采用梯形公式、離散貝葉斯網絡或馬爾科夫鏈模型(Markov)來進行定量分析，而在這三種方法中，馬爾科夫鏈模型的運用較廣，公式簡單且可以利用MATLAB或其他軟件來計算，較為便捷[16]。結合城市綜合管廊盾構施工導致地面沉降事故的動態事故樹DFT的特點，選擇馬爾科夫鏈模型來進行動態子樹的分析比較合適。這里以y1模塊為例，其馬爾科夫鏈事件狀態轉移圖見圖5。限于篇幅，其他動態子樹原理相同，不再贅述。

圖4 城市綜合管廊盾構施工導致地面沉降事故的DFTFig.4 DFT of the ground subsidence incident caused by pipe gallery shield construction注：SEQ表示順序相關門；PAND表示優先與門；CSP表示冷備件門；FDEP表示功能相關門。

然后確定Makov事件狀態轉移鏈及對應的事故演變模式，可以利用事件狀態轉移鏈的鏈長來計算頂事件發生的概率。鏈長為n的事件狀態轉移鏈發生故障的概率Pn(t)可表示為[17-18]

(1)

式中：λi,j為系統的轉移率;t為時間參數。

基于馬爾科夫鏈的DFT模型計算的研究文獻很多，計算過程也相對簡單，但由于城市綜合管廊盾構施工數據不完善，且本文側重于風險識別與DFT構建思路，故這里僅提供構建動態事故樹的思路和計算公式，不再一一寫出計算過程。然而即使不計算，假定各事件轉移率相同，也可以輕易看出馬爾科夫鏈鏈短的事件容易導致事故的發生，建立的DFT相對于傳統事故樹可以直觀地定性分析出哪些事件的發生對頂上事件的影響程度(即事件的重要度)大，即表示處于鏈子重復事件越多(如x8)、鏈長越短(如x17、x25)的事件對頂上事件的影響程度越大。根據上述分析可知，誤選規格不當的管片(x13)、工程材料不合格(x17、x25)和未及時采取相應的補救措施(x8)對頂上事件的影響最大。此外，建立DFT可以直觀地看出整個事故的發展演變趨勢，進而制定有效的措施去改進施工流程，降低或掐斷鏈子事件發生的概率，并降低事故發生的可能性。故本文建立的DFT可以定性分析城市綜合管廊盾構施工風險，但具體的定量分析還需通過專家對現有作業條件進行預先模糊綜合評定給出。

3 結 論

本文提出采用動態事故樹(DFT)來分析城市綜合管廊盾構施工過程中的危險因素，以管廊盾構施工導致地面沉降事故為例，基于層次分析法建立了城市綜合管廊盾構施工風險分類層次與構架，并建立相應的動態事故樹，得到如下結論：

(1) 從定性的角度出發分析得出管廊盾構施工中，選擇適當管片、合格的工程材料以及事件發生后采取相應的補救措施對城市綜合管廊盾構施工導致地面沉降事故的影響程度最大。

(2) 以管廊盾構施工導致地面沉降事故為例，可以側面反映管廊盾構施工中對風險辨識分類的重要性，利用風險進行層次分類可以有效、清晰地建立DFT。

(3) 本文的研究結果可運用于城市綜合管廊盾構施工中其他事故的風險分析與評價，為城市綜合管廊盾構施工風險分析提供新的思路。