膠州灣二隧鉆爆法施工安全風險評價

孫豐森，王海亮，張 勇，蔣克文

(1.山東科技大學安全與環境工程學院,山東 青島 266590;2.青島市政空間開發集團有限責任公司城軌分公司,山東 青島 266000)

據統計,在建的青島膠州灣二隧是開挖規模世界最大、長度世界最長、穿越大規模斷層的斷面面積世界最大的海底公路隧道,也是世界上第一座超大直徑盾構隧道與大斷面鉆爆法隧道對接的海底隧道,隧道在海域將穿越規模較大的區域性滄口斷裂帶,施工過程將面臨突涌水、坍塌、海水倒灌的風險,具有建設難度極大、風險極高的特點。

國內學者在對隧道及地下工程風險進行分析和評估時,大多采用專家調查法、層析分析法或模糊層次分析法、貝葉斯網絡分析法和事故樹分析法[1-2],一般的層次分析法也需要用到專家調查法,不同專家因為認知水平差異給出的結果可能不一致,即層次分析法進行一致性檢驗不通過,這時就需要將調查表返回給專家進行調整。另外海底隧道鉆爆法施工不同階段風險因素存在著互相關聯,貝葉斯網絡分析法考慮到了風險因素的這種交互影響,但是它沒有考慮到風險因素的另一個特定,即模糊性。模糊數學能夠在一定程度上反映專家對客觀事物評價的不確定性,只使用這種能考慮到專家對風險的不確定性,但卻沒有考慮到風險因素間的交互影響。

本文將直覺模糊集理論(IFS)[3]與質量功能展開理論(QFD)[4]相結合,建立基于直覺模糊質量功能展開(IFQFD)的海底隧道鉆爆法施工風險排序模型,根據專家評價結果,將自然語言轉化為模糊數學,集成膠州灣二隧鉆爆法施工各階段事故風險權重矩陣、施工各階段與風險因素關聯矩陣以及風險因素自相關矩陣,根據風險因素權重得分對風險因素進行排序,提出膠州灣二遂現場施工風險分析及控制措施,為膠州灣二遂施工安全提供可靠依據。

1 工程概況

青島膠州灣二隧工程主線全長17.47 km,隧道布置方式為主隧道雙向六車道,中間一條服務隧道,其中主隧道長14.37 km(海域段9.95 km+陸域段4.42 km)。

隧道段采用明挖、鉆爆(西側)與盾構(東側)的組合工法施工。本工程第TJ-01—TJ-04共4個標段為鉆爆法施工,青島端的第TJ-05,TJ-06標段為盾構法施工,其中鉆爆法施工段單向總長9 942 m,占暗挖隧道全長(13 195 m)的75.35%,海域鉆爆段單向長7 094.5 m,占鉆爆法隧道施工的71.35%,占暗挖隧道總長的53.76%。

2 膠州灣二隧鉆爆法施工風險排序

構建基于IFQFD的海底隧道鉆爆法施工風險因素排序模型,大體可以按以下幾個步驟進行:確定研究范圍,將海底隧道鉆爆法施工劃分為不同施工階段,辨識風險因素,這些工作也屬于構建模型前期準備工作。然后根據階段劃分和風險辨識結果建立施工風險質量屋;邀請業內專家就不同施工階段風險權重、風險因素間相關度及施工階段與風險因素的關系進行評價,再將自然語言轉化為模糊數,根據直覺模糊層次分析法計算權重;對不同專家評價的各施工階段與風險因素的關系矩陣風險因素自相關矩陣進行集結;根據集結后的施工階段權重矩陣、風險因素自相關矩陣及施工階段與風險因素的關系矩陣求出各風險因素的權重,并進行綜合排序[5]。

2.1 構建海底隧道鉆爆法施工風險質量屋

“質量屋”(House of Quality,簡稱HOQ),是用來強調QFD中各成分的互相聯系及內在聯系的模型,這是QFD方法的最重要的功能,也是用于本文風險管理最主要的部分,即通過該模型進行風險評估能夠綜合考慮不同階段風險因素互相聯系及內部聯系。

首先利用WBS-魚刺圖法,將膠州灣二隧鉆爆法施工分為5個主要的施工階段和20個具體的事故風險因素(見表1),再以5個施工階段為左墻、20個風險因素為天花板、各施工階段與風險因素的關系矩陣為房間主體、風險因素自相關矩陣為天花板等構建海底隧道鉆爆法施工風險質量屋如圖1所示。

表1 海底隧道鉆爆法施工安全風險清單

2.2 計算施工各階段事故風險權重

對于海底隧道施工的不同階段,風險發生的概率和導致的損失嚴重性大有不同,領域內的專家評價時根據工程經驗和專業知識,對不同階段安全風險進行比較并賦值,然后根據IFAHP進行權重計算。

2.2.1 構造直覺模糊判斷矩陣

2.2.2 一致性檢驗和修正

(1)

(2)

(3)

2.2.3 施工各階段事故風險權重計算

根據相同的方法對E(2)～E(5)進行一致性檢驗并修正[10],分別計算由5名專家評價得出的事故風險權重矩陣wc(1)～wc(5),然后通過IFPA算子式[11]集結5個權重矩陣,得到海底隧道鉆爆法施工各階段事故風險權重矩陣:

wg=[(0.06,0.94)(0.27,0.72)(0.28,0.72)(0.21,0.77)(0.13,0.86)]。

2.3 風險因素排序

由5名專家分別對膠州灣二隧鉆爆法施工5個階段與20個風險因素之間的關聯性,以及20個風險因素的自相關性進行判斷,此部分由于風險因素多數據量大,僅列出第一位專家給出的5個施工階段與風險因素間的關聯性評價,用自然語言的字母縮寫表示為表2所示結果[12]。對專家給出的5個關系矩陣和5個自相關矩陣,分別使用IFPA算子進行集結,得出關系矩陣WH=hip5×20,以及風險因素自相關矩陣WR=rpq20×20。

表2 施工各階段與各風險因素關聯度

2.4 風險因素排序

將以上計算得到的三個矩陣相乘,即wgWHWR=wR可以求得各風險因素的權重矩陣wR=(wp)1×20。利用直覺模糊數得分函數式s(a)=μa-va對風險因素權重進行計算,得到風險因素綜合排序如表3所示。

表3 膠州灣二隧鉆爆法施工風險因素排序

根據表3計算結果和綜合排序可知,風險因素排序在前10位的依次為:c2,c5,a5,d2,e2,a6,c3,c4,a2。

3 膠州灣二遂鉆爆法施工風險控制

前10位風險權重的排序中,海底隧道鉆爆法開挖階段占了4個,接近前10位的40%,在該階段出現風險的概率和損失最大,是風險事故發生的主要階段,這與前文描述的規劃勘察階段及設計階段風險在此階段的積累效應一致。根據風險排序結果,本文對排名靠前幾的風險因素結合施工現場工況給出相應的風險應對措施,降低膠州灣二隧鉆爆法施工風險。

3.1 斜/豎井爆破施工控制

兩豎井周邊170 m范圍內有大小建筑物7棟,50 m～60 m范圍有建構筑物4棟,其中最危險的是水平距離55 m的磚混結構建筑望海賓館。根據GB 6722—2014爆破安全規程的有關規定其振速要求不超過1.5 cm/s,由于該建筑屬于磚混結構且已建成時間超過20 a,因此綜合考慮后施工單位規定其爆破振速不超過1.0 cm/s。兩豎井周邊100 m范圍內有黃島輸油管道、通信管線(光纖)、10 kV電力管線、消防管道等9種地下管線,其中保護要求較嚴格的是直線距離55 m的燃氣管線及直線距離58 m的信號基站,其最大振速要求不超過0.5 cm/s。

1)將安全爆破施工放在第一位,以《爆破安全規程》及爆破參數設計圖表為依據,編制經濟合理、切實可行的爆破方案。

2)嚴格執行日循環進尺0.75 m的要求,豎井炮孔為豎直方向,鉆孔完成后必須及時對炮孔進行封堵,否則松動爆破可能轉變為強拋擲爆破。

3)嚴格控制爆破振動強度、飛散物、沖擊波的危害以及減少對地層的擾動。

4)對周邊管線及建構筑物,遵循保護對象距離最近及最弱原則。

5)要充分考慮周圍環境條件、現場地質條件以及現有施工設備,合理選擇技術參數,爭取“安全、優質、高效、低耗”完成本工程。

3.2 隧道開挖爆破風險控制

爆破是隧道施工中最常見的施工過程,對其施工方式進行控制能有效地預防塌方的出現。在爆破前,可采取淺孔爆破或松動爆破的方式,這能在一定程度上降低爆破振動的影響范圍,使隧道的爆破施工在更正確的方位進行施工。與此同時,還要嚴格把控爆破的炸藥使用量,這是隧道施工安全的重要保證。

穿越斷裂帶施工期間采用控制爆破如光面爆破技術或預裂爆破技術,減少圍巖松馳圈的厚度,保護隧道圍巖及結構的穩定。控制超欠挖的重點是控制鉆孔精度、爆破技術和施工管理:

1)改變“寧超勿欠”的傳統觀念,樹立“少超少欠”的觀點。

2)提高鉆孔技術水平,使用鑿巖臺車代替人工鉆孔。

3)進一步解決好爆破技術參數的合理配置。

4)在控制隧道超欠挖中,建立一個比較完善、系統的質量保證體系,對作業全過程及相關因素實行嚴格科學的管理是非常重要和必要的。

5)提高放線精度:采取全站儀控制隧道掘進方向,提高中線和標高的精度;提高輪廓線放線精度;提高作業人員的操作水平。

6)在施工中,緊跟開挖面對圍巖進行觀測描述,并對圍巖的節理裂隙狀態進行預測,據此調整爆破參數和施工方法或采取局部內移炮眼、局部空孔不裝藥、加密炮眼、局部調整起爆順序等輔助措施。

爆破后除了檢查爆破效果的工作人員,炮煙消散前禁止其他人員立即進入爆破區。加強通風,主線豎井貫通后應通過豎井給主線工作面通風,改善洞內通風。

4 結論

1)本研究將改進的質量功能展開(QFD)方法首次應用在海底隧道鉆爆法施工風險因素排序中,建立海底隧道施工風險質量屋,構建基于直覺模糊質量功能展開(IFQFD)的風險排序模型。該模型運用符合客觀情況的直覺模糊集理論,集成海底隧道鉆爆法施工各階段事故風險重要度、施工各階段風險因素權重以及風險因素之間關聯度,使海底隧道施工風險因素排序更加合理[13]。

2)采用基于直覺模糊質量功能展開法(IFQFD)對5個施工階段的風險因素進行評價。其中高風險等級因素主要有10個,隧道開挖階段占4個,斜/豎井施工階段占3個,說明這兩個階段的風險發生概率比較大,產生的損失最嚴重,因此在鉆爆法施工過程中需要進行重點關注。

3)針對膠州灣二隧鉆爆法施工最突出的風險因素:松動爆破、光面爆破和預裂爆破等風險控制技術措施,有利于降低膠州灣二隧鉆爆法施工安全事故的風險發生概率。