岩溶隧道突水突泥风险事故树分析

赵红光，夏沅谱，施烨辉，，程荷兰

(1.南京地铁建设有限责任公司，江苏南京210007;2.解放军理工大学爆炸冲击防灾减灾国家重点实验室，江苏南京210007，3.江苏省隧道与地下工程技术研究中心，江苏南京210000)

随着我国基础设施的大规模建设，在岩溶地区修建的富水高压隧道也越来越多，由于岩溶发育的复杂性以及隧道内多工序交叉作业等多种不利因素，突水突泥事故屡发。然而，人们往往仅限于查清事故原因，然后采取相应的补救措施，这种方法只能发现表层原因，很难达到预防事故悲剧重演的目的。所以要运用科学的方法进行系统的分析，着眼于事故发生的整个过程，找出事故发生的根本原因。

1 突水突泥事故原因分析

隧道突水突泥的发生主要包括内因和外因，内因主要是指设计、施工等方面人为因素，外因主要是指工程地质和水文地质等自然条件。

1.1 不良地质的影响

对隧道突水突泥有重要影响的不良地质主要包括:(1)断层破碎带。(2)可溶性岩石的向斜核部和背斜翼部。(3)可溶性岩石与非可溶岩的接触带。(4)层状隔水层形成的含水体，岩溶地层中的孤立含水体以及地下暗河等。

1.2 气象条件的影响

气候的变化决定气温的高低、总降水量、降水强度和降水量的季节分配、蒸发量以及地面径流量与渗透量之间的比例关系等。夏季雨量充沛，地表水下渗转化为岩溶水，且携带大量泥砂，特别是暴雨季节，地层水位迅速上升，水压力增大，隧道突发涌水的可能性极大。

1.3 设计失误造成突水突泥事故

隧道设计的因素主要表现在以下两个方面:

(1)地质勘探对断层、富水溶洞溶腔、暗河等特殊地质估计不足，对可能遭遇的地质灾害及灾后处理缺乏思想准备和相应措施，在施工时容易因为设计问题而引发突水突泥事故。

(2)设计者为了减少工程的造价和缩短工期，安全支护参数设置得过小，使得支护结构不足以抵抗围岩压力和岩溶水的压力而导致突水突泥事故的发生。

1.4 施工和管理因素的影响

隧道施工的影响主要表现在:

(1)隧道开挖直接导致突水突泥。

(2)隧道开挖间接导致突水突泥事故。

(3)隧道开挖支护后发生突水突泥。

2 突水突泥灾害事故树分析图的建立及定性分析

2.1 突水突泥灾害事故树的分析图建立

本文通过分析突水突泥灾害发生的机理，并详细分析了大量的突水突泥灾害的的事故案例，建立了如图1所示的隧道突水突泥灾害事故树分析图。

为了方便分析，特用如下代号表示顶上事件、中间事件以及基本事件，如表1所示。

2.2 事故树的定性分析

2.2.1 求解最小割集

根据布尔代数法则得到该事故树的结构函数式为:

由以上结构函数式展开可得事故树的最小割集Ki，共计120个，各最小割集分别为:

2.2.2 求解最小径集

用T'，A'i，X'i分别代表顶上事件、各中间事件及各基本事件不发生，将原事故树的各类事件换成不发生，重新计算 成功树的结构函数式，即:

图1 隧道突水突泥灾害事故树分析

对得到的结果即成功树最小割集做对偶变换就得到事故树的最小径集T:

每一个逻辑和就是一个最小的径集，由此得到原事故树的5个最小径集:

2.2.3 结构的重要度分析

事故树分析的最小割集有120个，数量较大，由最小割集与最小径集的对比，可知最小径集的数量少且所含基本事件数也少，计算结构重要度较简单，故采用最小径集的方法计算可得公式

根据计算公式(1)得到:

因此得到结构重要度顺序为:

2.2.4 定性分析

从最小割集、最小径集及结构重要度等方面对事故树进行定性分析，可得到以下结果:

(1)事故树的最小割集有120个，表明有120条途径能够引起事故的发生，存在的安全隐患非常大，因此在隧道施工中突水突泥灾害应是重点防治对象。

(2)事故树的最小径集只有5个，表明只要采取这5个中的一个就可以避免事故的发生，所以可以从这些最小径集入手，针对突水突泥灾害采取相应的预防措施。

(3)综合考虑基本事件的结构重要度、现场实施的可能性和预防的可靠性等方面。在预防时P2、P5各基本事件均为可控事件，故要采取有效的预防措施。由于P5结构重要度大，应切实使基本事件X11不发生，P2各基本事件尽量不要发生。P1、P3、P4中的各基本事件属难控制事件，故应采取有效的应急措施加以控制。

3 事故树的定量分析

下文结合马鹿菁隧道发生的典型突水突泥事故，采用定量分析的方法对灾害进行相关分析，并提出一些改进的建议和有效的防范措施。

3.1 工程概况

马鹿菁隧道是宜万铁路的控制性工程，为双线隧道，Ⅰ线隧道全长7 879 m，I线左侧30 m设置全长为7 850 m的平行导坑，Ⅱ线全长7 836 m。马鹿菁隧道地质复杂，地下暗河、溶腔等分布广泛，多次遭遇特大型突水突泥，为目前世界铁路建设史上瞬间突水量最大的隧道。

3.2 马鹿菁隧道突水突泥事故树定量分析

根据隧道突水突泥事故的统计经验以及对马鹿菁隧道突水突泥事故灾害的总体认识，按图1事故树分析图的基本事件进行了预估打分，评分结果见表2。本例中各基本事件的概率取值依据《地铁及地下工程风险管理指南》，风险发生的概率分为5级，具体见表3。

表2 各基本事件发生的概率和概率重要度

表3 风险发生概率等级标准

把各基本事件的概率代入下式:

求得该隧道发生突水突泥事故的概率是94.37%，说明在该地质条件及施工条件下，隧道发生突水突泥灾害的概率非常大。根据下式:

计算所得各基本事件的临界重要度如表2，各基本事件临界重要度大小排序为:

由式(6)可知引起隧道突水突泥的主要原因按临界重要度排序为:X5(溶洞填充沉积大量介质，如角砾石黏土等)、X11(爆破开挖揭穿溶腔)、X10(地表水有较好的条件下渗)等。

通过式(2)和式(6)对比可知:在式(6)中与式(2)中的基本事件的排序并没有明显的差别，特别是排头和排尾的几个排序基本一致。通过工程实例分析，验证了所编制的事故树的合理性。

3.3 主要影响因素和相应的改善措施

(1)X5(溶洞填充沉积大量介质)、X10(地表水有较好的条件下渗)、X9(与暗河连通，补给范围广)等都属于不良地质条件，要降低其对工程施工的影响，应加强地质勘探和超前预测预报工作，争取对前方地质情况有较详细的了解。

(2)X1(施工组织混乱)、X2(超前预测预报存在盲区、X3(注浆加固方案存在缺陷)等应加强施工人员的培训和管理，增强安全意识，及时监测和支护。

4 结论

通过以上对隧道突水突泥的事故树分析，可得出如下的结论:

(1)岩溶隧道突水突泥发生的原因复杂，影响事故的因素众多，通过一般方法难以对导致突水突泥的各种因素及其之间的逻辑关系做出系统的阐述。直观、逻辑性强的事故树是分析隧道突水突泥事故比较有效的方法。

(2)隧道突水突泥事故树中考虑17个基本事件，通过对事故树进行定性分析，明确了事故发生的主要潜在因素，并对相关影响因素进行重要度排序。最后结合工程实例，统计出各基本事件发生的概率，求出各基本事件的概率重要度和临界重要度，使相关的分析更加准确和可信，并提出了一些可行的建议和改进的措施。

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