FTA法在浅埋小净距隧道下穿铁路中的应用★

张 雪 峰

(石家庄轨道交通有限责任公司，河北 石家庄 050000)

·桥梁·隧道·

FTA法在浅埋小净距隧道下穿铁路中的应用★

张 雪 峰

(石家庄轨道交通有限责任公司，河北 石家庄 050000)

以石家庄地铁1号线一期工程张西区间为依托，针对其浅埋、小净距、下穿铁路风险高等工程特点，利用故障树分析法，梳理铁路下沉超限的风险诱因，找出了风险发生的途径，并提出了风险预控措施，实践证明，风险分析合理，控制措施有效，可为类似工程提供参考。

隧道，下穿，故障树分析，风险

0 引言

地铁暗挖隧道是高风险工程，除了自身存在风险，还易造成管线、建筑物、道路等环境风险。随着地铁建设规模的不断加大，对暗挖隧道进行风险分析，做好事故预防意义重大。故障树分析法(FTA)作为安全系统工程的重要分析方法之一，可用于地铁暗挖隧道的风险分析。张小平等[1]建造了排桩支护结构体系的事故树图，提出了将专家调查的失事基坑工程统计频率与级差概率相结合的方法来确定底事件的概率的方法。周建昆等[2]总结了岩石公路隧道塌方发生的几大因素及发生机理，编制了岩石公路隧道塌方分析事故树。刘靖[3]从新奥法施工的监控量测体系出发，通过事故树分析各量测项目对施工安全的重要度，选择其中对隧道施工安全影响较大的量测项目。本文以实际工程为依托，利用故障树法分析浅埋小净距隧道下穿多股铁路风险。

1 工程概况

石家庄地铁1号线一期工程张营停车场～西王站区间总长度约870.9 m，采用明暗挖结合的施工方法。在区间右线RK0+280.000～右RK0+371.000及左线RK0+276.600～左RK0+365.000范围，矿山法区间隧道下穿4条铁路既有线。由东向西分别为：石家庄西环下行线、石太引入线下行线、石太引入线上行线、石家庄西环上行线，均为货运线，设计时速V≤120 km/h。区间下穿铁路影响范围内，共计6个接触网线杆，1个信号灯。

下穿铁路段矿山法区间为双线单洞带仰拱马蹄形隧道，左、右线区间净距约3.0 m，区间覆土埋深约4.0 m～10.0 m。采用台阶法施工，断面开挖宽度7.0 m，开挖高度6.97 m，面积为40.4 m2。初支厚30 cm，采用C25喷射混凝土，钢格栅间距0.5 m，全断面架设φ6.5@150 mm×150 mm钢筋网。二衬和仰拱厚35 cm，采用C40钢筋混凝土。

2 水文地质概况

下穿铁路段地层从上往下依次为：人工填土层(①2素填土层)、新近沉积层(②3黄土状粉土层)、第四系全新统冲洪积层(③1黄土状粉质粘土层、③2黄土状粉土层)、第四系上更新统冲洪积层(⑤1粉质粘土层)。区间主要位于③2黄土状粉土层，③1黄土状粉质粘土层，⑤1粉质粘土层。地下水常水位在地面以下25 m～45 m，位于区间结构底板以下。暗挖段拱部土层主要位于③2黄土状粉土层。

3 风险分析

3.1 故障树分析法

故障树分析法(Fault Tree Analysis)从事故或故障开始(顶上事件)，层层分析其发生原因，直到找出事故的基本原因，即故障树的基本事件为止。

分析：按故障树的结构进行简化，并确定各基本事件的结构重要度。

基本事件结构重要度判定原则如下:

1)由单个基本事件组成的最小割集，该基本事件结构重要度最大。

2)仅在同一个最小割集中出现的所有基本事件，而且在其他最小割集中不再出现，则所有基本事件结构重要度相等。

3)若所有的最小割集中包含的基本事件数目相等，则在不同的最小割(径)集中出现次数多者基本事件结构重要度大，出现次数少者结构重要度小，出现次数相等者则结构重要度相等。

4)若事故树的各个最小割集中所含基本事件数目不相等，则各基本事件结构重要度的大小，可按下列不同情况来确定：

a.若某几个基本事件在不同的最小割集中重复出现的次数相等，则在少事件的最小割集中出现的基本事件结构重要度大，在多事件的最小割集中出现的结构重要度小。

b.若遇到在少事件的最小割集中出现次数少，而在多事件的最小割集中出现次数多的基本事件，或其他错综复杂的情况，可采用式(1)近似判别比较：

(1)

其中，Iφ(j)为基本事件Xj结构重要度的近似判别值，Iφ(j)值大者，则Iφ(j)大；Xj∈Gi为基本事件，属于最小割集Gi；nj为基本事件Xj所在的最小割(径)集中包含的基本事件的数目。

3.2 事故树编制

施工现场环境风险源为：1)石家庄西环线下行铁路跨中山西路铁路桥为三跨简支梁桥，扩大基础。道床为碎石道床。矿山法区间与桥台净距约8.6 m，路基段覆土约10.0 m。2)石太引入线下行铁路跨中山西路铁路桥为框架式连续梁桥，下部为桩基，桩长25 m。道床为碎石道床。暗挖区间与桥桩最小净距约9.97 m，路基段覆土约9.8 m。3)石太引入线上行铁路跨中山西路铁路桥为框架式连续梁桥，下部为桩基，桩长25 m。道床为碎石道床。暗挖区间与桥桩最小净距约12.51 m，路基段覆土约9.6 m。4)石家庄西环线上行铁路跨石太铁路桥在中山西路处为32+48+32三跨连续梁桥，下部为桩基，桩长32 m。道床为碎石道床。区间与桥桩最小净距约4.74 m，覆土约9.2 m。5)接触网线杆位于区间上方，与区间净距约2.8 m；信号灯位于区间上方；供电线杆位于两区间之间。

根据现有资料和上述方法编制故障树，如图1所示。其相应的符号和意义如表1所示。

表1 符号及意义

3.3 结构重要度分析

根据基本结构重要度判定原则，故障树的最小割集共有46个：{X11X21X31X6}，{X11X27X31X6}，{X12X21X31X6}，{X12X27X31X6}，{X13X21X31X6}，{X13X27X31X6}，{X14X21X31X6}，{X14X27X31X6}，{X15X21X31X6}，{X15X27X31X6}，{X11X21X32X6}，{X11X27X32X6}，{X12X21X32X6}，{X12X27X32X6}，{X13X21X32X6}，{X13X27X32X6}，{X14X21X32X6}，{X14X27X32X6}，{X15X21X32X6}，{X15X27X32X6}，{X11X21X33X6}，{X11X27X33X6}，{X12X21X33X6}，{X12X27X33X6}，{X13X21X33X6}，{X13X27X33X6}，{X14X21X33X6}，{X14X27X33X6}，{X15X21X33X6}，{X15X27X33X6}，{X41X51X6}，{X41X52X6}，{X42X51X6}，{X42X52X6}，{X43X51X6}，{X43X52X6}，{X41}，{X44}，{X28}，{X29}，{X210}，{X211}，{X6}，{X7}，{X8}，{X9}。每个最小割集代表一种导致事故发生的模式，说明铁路下沉超限有46种风险路径。

结合最小割集划分结果，基本事件重要度排序为：

I(X6)>I(X5)>I(X7)>I(X31)>I(X34)>I(X28)=I(X29)=I(X210)=I(X211)>I(X41)=I(X42)>I(X32)=I(X33)>I(X11)=I(X12)=I(X13)=I(X14)=I(X15)>I(X21)=I(X22)=I(X23)=I(X24)=I(X25)=I(X26)=I(X27)。

3.4 控制措施

松散地层浅埋小净距地铁区间隧道下穿既有铁路多股道施工安全风险高，施工中严格控制每个工序和控制环节，确保铁路运营安全和隧道施工安全。针对基本事件重要度排序，分析控制重点如下：

1)严格控制大管棚和小导管超前支护施工质量，注浆改善地层参数，提高掌子面前方的土体强度，增加其自稳能力。因受施工空间限制，小导管打设角度偏大，条件允许的情况下应尽量减小小导管的打设角度。

2)严格控制临时仰拱施工质量，保证中间土体注浆加固效果，确保锁脚锚杆的打设数量和质量。台阶法施工中上下台阶连接的拱脚部位变形是控制重点，现场施工中上台阶预留核心土位置采用的内侧扩大拱脚的做法是可取的，可有效地控制拱脚部位位移。因受施工空间限制，锁脚锚杆打设角度基本水平，建议条件允许的情况下锁脚锚杆应尽量向下打设。因锁脚锚杆的方向理论上应与拱脚部位的位移方向一致，拱脚部位的位移方向受开挖应力释放和空间效应影响，一般是向下向后。

3)控制调节步距，减少围岩开挖暴露时间，支护及时封闭成环。特别是掌子面及边墙开挖部分遇砂层时，应及时喷射混凝土封闭开挖面，支护及时封闭成环，以避免开挖面失稳。

4)加强监控量测，及时预警险情。对铁路沉降超限部位及时采取措施，保障铁路安全运营。

4 结语

1)以实际工程为依托，通过事故树分析得到铁路下沉超限的46种途径，其中注浆效果差、监测体系未有效运转、结构重要度、台阶步距小结构重要度大于其他基本事件，注浆效果差结构重要度最大。故障树分析法可用于浅埋小净距隧道下穿工程风险分析。

2)暗挖隧道下穿铁路风险高，要从大管棚和小导管超前支护施工质量；临时仰拱施工质量，中间土体注浆加固效果，锁脚锚杆的打设数量和质量；步距调节，围岩开挖暴露时间，支护及时封闭成环；加强监控量测，及时预警险情等方面重点控制。

[1] 张小平,王 杰,胡明亮.事故树分析在排桩基坑工程安全评价中的应用研究[J].岩土工程学报，2011,33(6):960-965.

[2] 周建昆,吴 坚.岩石公路隧道塌方风险事故树分析[J].地下工程与工程学报，2008,4(6):991-998.

[3] 刘 靖.基于事故树和AHP分析的新奥法施工动态风险评估[J].桥隧工程，2010(7):267-274.

FTA applied in the shallow tunnels with a small clear distance beneath railways★

Zhang Xuefeng

(ShijiazhuangMetroCo.,Ltd,Shijiazhuang050000,China)

Based on the project of Zhang-Xi interval in metro No.1 in Shijiazhuang, for its buried depth, small clear distance and other engineering features, using the FTA method, combining the railway subsidence overrun risk factors, finding out the way of risk, putting forward risk pre-control measures. The practice proves that the risk analysis is reasonable and the control measures are effective, which can provide the reference for similar projects.

tunnel, beneath, FTA, risk

2015-05-01★：江苏省地质矿产局科研项目(2013-科研-02)

张雪峰(1980- )，男，工程师

1009-6825(2015)19-0135-02

U455

A