盾构越江隧道囊状沼气爆炸风险的事故树分析

代仁平 周顺华 宫全美 周冠南

(同济大学道路与交通工程教育部重点实验室,201804,上海∥第一作者,博士生)

盾构隧道施工中,一旦发生沼气爆炸将对人员造成伤亡,对施工设备和隧道结构造成破坏。如1993年东京江东区越中岛三段附近的东京都水道局输水管道盾构隧道发生沼气爆炸事故,造成4人死亡、1人受伤,盾构机和隧道都遭到不同程度的破坏[1]。煤矿发生沼气爆炸的事故也数不胜数。煤矿行业,主要应用模糊数学、层次分析法、安全调查表和事故树分析方法对瓦斯的爆炸风险进行评估,并提出相应的控制措施[2-3]。盾构隧道建设中,主要从通风管理、沼气的监测、盾构机选型等几个方面进行风险控制与管理[4]。本文结合某盾构越江隧道的具体情况,利用事故树分析法对盾构隧道施工中沼气爆炸风险进行分析,寻找沼气爆炸的关键控制点,并结合实际情况提出控制措施。

1 工程概况

某越江隧道为全地下区间,其中区间左线总长为2.946 km,右线总长为2.956 km,越江段长度约为1.34 km。圆形区间隧道采用盾构法施工。盾构机选用国产直径为6 340 mm的加泥式土压平衡盾构机。圆形隧道的衬砌环由3块标准块、2块邻接块和1块封顶块构成。管片内径5 500 mm,厚度350 mm,采用错缝拼装。接缝防水采用弹性橡筋密封垫加嵌缝材料。

根据补充勘测资料,隧道区间的江南岸段和江中段均存在有害气体。江南岸段地下气体主要为沼气,其体积分数约为90.4%～92.8%,以囊状形式赋存在⑥3层粉细砂层中;含气层顶埋深在地面以下26～27 m处,含气层底埋深在地面以下28～30 m处;中心最大气压为0.4 MPa,最大流量为26.8 m3/h。江中段地下气体主要也为沼气,其体积分数约为91.6%～94.6%,以囊状形式赋存于细砂及圆砾层上部;含气层顶埋深在地面以下21～23 m处;含气层底埋深在地面以下24～28 m处;最大气压约0.22～0.39 MPa,最大流量为48.85 m3/h。图1和图2为沼气释放图片。

图1 陆地上沼气释放情况照片

图2 江中沼气释放情况照片

2 沼气爆炸事故树分析

2.1 事故树分析法(FTA)

事故树分析法(Fault Tree Analysis,简为FTA)是从结果到原因找出与事故有关的各种因素之间因果关系、逻辑关系的作图分析法,目的是分析系统中事故产生的原因和评价系统潜在危险。FTA简单明晰、使用范围广,既能定性分析也能定量分析,是比较常用的事故分析方法之一。利用事故树进行分析,不仅能分析出事故的直接原因,而且能深入挖掘事故的潜在原因。通过这种分析,可以经济、便捷地寻找到控制事故的方法,作出安全评价的微观指导,又可检测出系统中是否设有可靠的防患于未然的保护措施[5-6]。FTA的分析过程如图3所示。

图3 事故树分析流程

2.2 沼气爆炸事故树的编制

根据沼气爆炸理论,沼气爆炸必须同时具备3个基本条件,即沼气积聚、供氧及引爆火源[7-8]。在大多数条件下,供氧条件都满足,只要有一定浓度(达到爆炸极限)的沼气和引爆火源同时存在,沼气爆炸就必然发生。因此,氧气不作为基本事件进行分析,而把沼气监测控制作为基本事件。

根据沼气爆炸条件,引起沼气爆炸的基本事件[9-10]如表1所示;构建沼气爆炸的事故树如图4所示。

2.3 事故树定性分析

2.3.1 事故树的最小割集

最小割集是导致顶上事件发生的最低限度的基本事件组合,它表示系统的危险性。最小割集越多,系统越危险。研究最小割集是研究系统发生事故的规律和表现形式,发现系统中的薄弱环节。由图4的沼气爆炸事故树分析可得出事故树的结构函数为:

图4 沼气爆炸事故树分析

通过进一步化解,得到沼气爆炸事故树的81个最小割集,即:

2.3.2 事故树的最小径集

最小径集是导致顶上事件不发生的最低限度的基本事件组合,它表示系统不发生事故的几种可能方案,即表示系统的可靠性。研究最小径集是研究保证正常运行需要那些基本环节应正常发挥作用的问题。通过沼气爆炸事故树的对偶数可得:

则沼气爆炸事故树的6个最小径集分别为:

根据最小径集绘制沼气爆炸事故树的成功数,如图5所示。

图5 沼气爆炸事故树的成功树

2.4 结构重要度分析

在实际调查中,判断某个基本事件的发生概率相当复杂。本文根据事故树的结构特点,从其敏感度出发,求出基本事件的结构重要度。结构重要度是指不考虑基本事件自身的发生概率,或假定各基本事件的发生概率相等,仅从结构上分析各个基本事件对顶上事件发生所产生的影响程度,一般可采用结构重要系数、最小割集或最小径集来判断。本文采用最小径集对其进行判断,基本原则如下:

1)单事件最小径集中基本事件结构重要度系数为最大。由此可得:

2)仅出现在同一最小径集中的所有基本事件结构重要度相同。

3)分别出现在不同的最小径集中,基本事件个数越少的最小径集中基本事件的结构重要度越大。则可得:

2.5 事故树分析结论

1)沼气爆炸事故树有81个最小割集,说明引发沼气爆炸的途径有81条,系统很危险。

2)沼气爆炸事故树有6个最小径集,说明有6种途径可避免沼气爆炸。

3)从结构重要度中可知,X 0,X 11,X12结构重要度最大,说明在沼气爆炸风险控制时,可通过释放沼气压力到安全范围内,就能减小沼气的涌出,避免沼气聚集而达到爆炸极限。火源的控制和通风控制也是非常重要的因素。

3 沼气爆炸风险控制措施

从沼气爆炸理论和沼气爆炸事故树分析可知,要防止沼气发生爆炸,就应在实际施工中采取相应的控制措施,消除引发沼气爆炸的基本条件。

3.1 控制沼气涌出

在隧道掘进前,释放沼气压力使其在安全范围内,以减小沼气涌出、积聚的可能性。本工程陆上段和江中段的沼气释放孔平面布置如图6和图7。

图6 陆上放气孔平面布置图

图7 江中段放气孔平面布置图

3.2 加强通风

为确保盾构安全掘进、防止沼气积聚,应建立和完善隧道通风系统,保证工作面有足够的风量,并加强局部通风管理。根据以往类似工程施工经验,参考《瓦斯隧道施工技术规范》,本工程盾构隧道施工通风方式将选用混合式通风,作为预防沼气的体积分数超标的主要措施。具体操作如下:

1)当沼气的体积分数≤0.25%时,按正常通风采用压入式向隧道内输送新鲜空气,以稀释隧道内少量的沼气;

2)当沼气的体积分数＞0.25%时,开始考虑加强通风,启动混合式通风系统(即同时开启抽出式风机)。尽量将隧道内沼气的体积分数控制在0.25%以下,以保障隧道掘进施工的正常进行。

3.3 杜绝火源

1)禁止在盾构内使用明火;

2)严禁携带烟草、点火物和其它易燃物品及穿化纤衣服进入盾构工作区,必须带入的易燃品要经总工程师批准;

3)不得在盾构隧道内从事焊接作业,如非进行不可,必须制定安全措施,报经项目经理批准,并遵守有关规定;

4)盾构隧道内电气设备必须有防雷和防短路保护装置,应采取有效措施防治隧道内杂散电流;

5)加强机电设备及供电线路的管理,完善机电设备的各类保护措施,并定期进行检查维修。

3.4 加强沼气监测控制

1)监测标准:参照《瓦斯隧道施工技术规范》,沼气段施工时的正常施工、警戒施工、中止作业及人员撤离的沼气体积分数以及所采取的措施见表2。

表2 沼气监测标准及处理措施

2)监测设备:盾构越江施工时,在盾构机的螺旋机出口、盾尾和第一节车架处,设置固定式自动有毒有害气体监测报警装置;在第二和第三节车架间固定放置一台移动手持式有害气体监测仪器,作为该区域特定的检测设备;在隧道施工面及成形隧道内再配置1台手持式有害气体监测仪器(可监测沼气、一氧化碳、硫化氢和氧气的浓度)和3台手持式沼气监测仪器,进行人工昼夜不间断的监测。

3)完善安全生产规章制度:认真落实好各项安全生产规章制度和操作规程,严格沼气检查制度,从组织制度上避免沼气漏检;建立健全教育培训机制,提高沼气检查员和安全管理人员的专业素质及安全意识,让其充分认识到沼气漏检的危害性。

4 结语

1)对沼气爆炸的风险事故原因及条件进行了分析与总结,建立了沼气爆炸事故树。

2)在沼气爆炸事故树分析中,通过对16个基本事件的定性分析,明确了沼气爆炸的薄弱环节;在沼气爆炸事故树的基础上建立沼气爆炸的成功树,提出了避免沼气爆炸的6种途径;确定了发生风险的关键因素集合,并对各项影响因素进行了重要度排序。

3)根据沼气爆炸事故的发生机理,从沼气的排放、隧道通风、火源的控制和沼气的监测等四方面提出了相应的控制措施,为盾构越江隧道的顺利实施提供保障。

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