基于层次分析法的DFT城市综合管廊盾构施工风险评价研究

黄 萍，林杰钦

(福州大学环境与资源学院，福建 福州 350116)

近年来，随着经济的发展，综合管廊在全国各大小城市的建设工作进一步推进。城市综合管廊的铺设方法一般采用明挖法施工，这种施工方法简单、快捷、经济、安全，但也不是完全适用于任何路段[1]。明挖法施工工期普遍较长，对周围建筑及公路的影响较大，处于施工中的“拉链路”对道路交通的影响也大，且受老城区环状交通量大、地下管线复杂等因素的制约，因此采用明挖法施工选段以及建设综合管廊几乎是不可行的。另外，在一些沿海沿江城市，若采用明挖法跨江铺设综合管廊，其成本高昂、事故风险大，故发展非开挖路面方法来建设城市综合管廊是十分有必要的。采用盾构法施工来建设城市综合管廊，其优点在于不受地面交通、河道、航运、潮汐、季节、气候等条件的影响，对城市交通以及环境的影响较小,不仅可以提高管廊建设的效率，还可以极大地减少施工中的扬尘和噪声[2]。截止目前，北京、广州、沈阳、西安，成都、南昌、海口等城市均有采用盾构法施工来建设综合管廊的报道[3]。

目前，现行的《城市综合管廊工程技术规范》(GB 50838—2015)对盾构法施工建设城市综合管廊过程中技术参数的规定较为模糊，没有具体、明确的技术规定。由于在盾构法施工中没有特定技术参数支持，而且盾构法施工一般用于无法采用明挖法的复杂地质背景或跨江河水域的路段，施工过程风险较大[4]，因此需要建立一种较为完善的城市综合管廊盾构施工风险分析与评价方法。

事故树分析方法作为最基础且可靠的的系统分析方法，已普遍应用于电子通信、建筑工程、医疗、能源、军事和航空航天等领域，其优点在于通过简单的逻辑推理和计算就可获得较为准确的事故致因事件结构重要度，从而得出底下事件对事故影响的大小[5]。然而传统的事故树分析方法具有一定的局限性，其底下事件仅通过或、与、表决等静态门来表示对顶上事件的影响，忽略了各底下事件之间相互作用的影响及其各自的优先关系与顺序关系，因而在复杂系统中定量计算出的结果与实际情况的偏差较大[6]。动态事故树(Dynamic Fault-Tree，DFT)即是在传统事故树基础上，添加了优先与门、(温、冷、热)备件门、顺序相关门、功能触发门等动态逻辑门[7-8]，相对于传统事故树分析方法，DFT分析方法能更好地分析时序相关事件、动态以及人因可靠性问题。在城市综合管廊盾构施工过程中，事故致因往往相互关联，故可尝试利用DFT分析方法对城市综合管廊盾构施工风险进行评价。为此，本文提出采用DFT分析方法来分析城市综合管廊盾构施工过程中的危险因素，并以管廊盾构施工导致地面沉降事故为例，基于层次分析法建立城市综合管廊盾构施工风险分类层次及架构，并构建城市综合管廊盾构施工动态事故树(DFT)，用于开展城市综合管廊盾构施工过程中风险因素辨识与事故致因分析以及风险定性与定量评价，可为城市综合管廊施工风险分析提供新的思路。

1 城市综合管廊盾构施工风险评价体系的建立

1.1 城市综合管廊盾构施工风险分类层次及架构

城市综合管廊盾构施工过程中的风险与地铁盾构施工相仿，主要风险可分为机械损坏、地面沉降、建筑物破坏、地下管线破坏、开挖轴偏离以及透水事故[9-10]。利用层次分析法将城市综合管廊盾构施工风险划分为动态安全风险因素和静态安全风险因素两个一级安全风险因素。所谓静态安全风险因素定义为不受时间与其他风险因素变化影响的因素，动态安全风险因素则与之相反，会受到时间与其他风险因素变化的影响。根据静态安全风险因素和动态安全风险因素的特征，同时避免一些复杂交错因素之间的关联，如人为失误、机械损坏或故障、施工方法有误三者关联并相互作用，即人的判断失误会导致施工方法有误进而导致机械损坏或故障，而环境恶劣和材料不合格受其他因素的影响较小，故将人、机、法因素归于动态安全风险因素，环、材因素归于静态安全风险因素，建立了城市综合管廊盾构施工风险分类层次及架构，详见图1。

图1 城市综合管廊盾构施工风险分类层次及架构Fig.1 Classification levels and structure of shield cons- truction risk of urban integrated pipe gallery

1.2 城市综合管廊盾构施工动态事故树构建流程

城市综合管廊盾构施工按阶段可分为盾构掘进、管片安装、同步注浆三个施工阶段，管廊盾构施工事故的发生大多是由这三个施工阶段中的一个或几个施工阶段出现异常导致。根据城市综合管廊盾构施工事故的类型、特征可选用一个或几个施工阶段进行事故致因分析，构建城市综合管廊盾构施工动态事故树(DFT)的具体流程路线见图2。

图2 城市综合管廊盾构施工动态事故树(DTF)构建路线Fig.2 Roadmap of dynamic Fault Tree (DFT) for shield construction of urban integrated pipe gallery

2 管廊盾构施工案例分析(以地面沉降事故为例)

2016年4月，广州市成功申报地下综合管廊试点城市、试点项目，其中包括轨道交通十一号线地下综合管廊、天河智慧城地下综合管廊、广花一级公路地下综合管廊3个子项目，管廊总长度82.9 km，总投资约113亿元，计划于2020年底竣工[11]。本文以天河智慧城地下综合管廊为例，该综合管廊总长19.4 km，其中盾构段为8.6 km，明挖段为10.8 km，以其中盾构路段进行管廊盾构施工案例分析。根据入廊管线种类及规模，管廊内径设置为6 m(外径为8.4 m),分上、下2舱。其中，上部舱室为高压电力舱；下部舱室为综合舱，左边为通信舱，右边为供水舱。盾构管廊标准断面图见图3。

图3 盾构管廊标准断面图(单位：mm)Fig.3 Standard section of shield pipe gallery (unit:mm)

基于DFT进行管廊盾构施工风险分析的基本思路与步骤如下：首先对管廊盾构施工事故的风险因素进行识别，即对管廊盾构施工导致地面沉降事故的风险因素进行辨识与分类，并根据动态与静态安全风险因素分类对管廊盾构施工导致地面沉降事故进行致因分析；然后建立管廊盾构施工导致地面沉降事故的DFT；最后根据建立的DFT对管廊盾构施工导致地面沉降事故的风险进行定性与定量分析。具体步骤为：①风险因素辨识及事故致因分析；②建立管廊盾构施工导致地面沉降事故的DFT；③风险定性与定量分析。

2. 1 风险因素辨识及事故致因分析

本文首先基于管廊盾构施工风险分类层次与构架分析，通过查阅相关文献与实地调查，并类比地铁盾构施工事故案例经验，从人、机、法、环、材五个方面归纳得到管廊盾构施工导致地面沉降事故的风险因素，主要包括[12-14]:施工人员技术失误或经验不足、盾尾密封系统失效、主轴承受损、未及时采取相应的补救措施、盾构参数设置不当、盾尾密封技术不当、掘进时遭遇不良地质、工程材料质量不达标等。

然后，根据动态与静态安全风险因素分类得到管廊盾构施工导致地面沉降事故的致因分析结果，具体见表1。

表1 城市综合管廊盾构施工导致地面沉降事故的致因分析

2.2 建立管廊盾构施工导致地表沉降事故的DFT

为了更加方便地建立管廊盾构施工DFT并进行风险分析，需要对管廊盾构施工导致地面沉降事故的风险因素按盾构掘进、管片安装、同步注浆三个施工阶段进行分析、分类和汇总，进而得到管廊盾构施工导致地面沉降事故的风险因素，见表2。

表2 城市综合管廊盾构施工导致地面沉降事故的风险因素

根据以上基本事件之间的逻辑关系以及与动态静态安全风险因素分类，构建了城市综合管廊盾构施工DFT(动态安全风险因素需用DFT逻辑门连接)，并可构建相对应的DFT模型，见图4。

2. 3 风险定性与定量分析

本文首先将DFT分为静态子树和动态子树两个模块来进行定量分析。其中，静态子树可用二元决策图进行分析[15]；动态子树无法采用传统的事故树定量公式进行分析，一般采用梯形公式、离散贝叶斯网络或马尔科夫链模型(Markov)来进行定量分析，而在这三种方法中，马尔科夫链模型的运用较广，公式简单且可以利用MATLAB或其他软件来计算，较为便捷[16]。结合城市综合管廊盾构施工导致地面沉降事故的动态事故树DFT的特点，选择马尔科夫链模型来进行动态子树的分析比较合适。这里以y1模块为例，其马尔科夫链事件状态转移图见图5。限于篇幅，其他动态子树原理相同，不再赘述。

图4 城市综合管廊盾构施工导致地面沉降事故的DFTFig.4 DFT of the ground subsidence incident caused by pipe gallery shield construction注：SEQ表示顺序相关门；PAND表示优先与门；CSP表示冷备件门；FDEP表示功能相关门。

然后确定Makov事件状态转移链及对应的事故演变模式，可以利用事件状态转移链的链长来计算顶事件发生的概率。链长为n的事件状态转移链发生故障的概率Pn(t)可表示为[17-18]

(1)

式中：λi,j为系统的转移率;t为时间参数。

基于马尔科夫链的DFT模型计算的研究文献很多，计算过程也相对简单，但由于城市综合管廊盾构施工数据不完善，且本文侧重于风险识别与DFT构建思路，故这里仅提供构建动态事故树的思路和计算公式，不再一一写出计算过程。然而即使不计算，假定各事件转移率相同，也可以轻易看出马尔科夫链链短的事件容易导致事故的发生，建立的DFT相对于传统事故树可以直观地定性分析出哪些事件的发生对顶上事件的影响程度(即事件的重要度)大，即表示处于链子重复事件越多(如x8)、链长越短(如x17、x25)的事件对顶上事件的影响程度越大。根据上述分析可知，误选规格不当的管片(x13)、工程材料不合格(x17、x25)和未及时采取相应的补救措施(x8)对顶上事件的影响最大。此外，建立DFT可以直观地看出整个事故的发展演变趋势，进而制定有效的措施去改进施工流程，降低或掐断链子事件发生的概率，并降低事故发生的可能性。故本文建立的DFT可以定性分析城市综合管廊盾构施工风险，但具体的定量分析还需通过专家对现有作业条件进行预先模糊综合评定给出。

3 结 论

本文提出采用动态事故树(DFT)来分析城市综合管廊盾构施工过程中的危险因素，以管廊盾构施工导致地面沉降事故为例，基于层次分析法建立了城市综合管廊盾构施工风险分类层次与构架，并建立相应的动态事故树，得到如下结论：

(1) 从定性的角度出发分析得出管廊盾构施工中，选择适当管片、合格的工程材料以及事件发生后采取相应的补救措施对城市综合管廊盾构施工导致地面沉降事故的影响程度最大。

(2) 以管廊盾构施工导致地面沉降事故为例，可以侧面反映管廊盾构施工中对风险辨识分类的重要性，利用风险进行层次分类可以有效、清晰地建立DFT。

(3) 本文的研究结果可运用于城市综合管廊盾构施工中其他事故的风险分析与评价，为城市综合管廊盾构施工风险分析提供新的思路。