胶州湾二隧钻爆法施工安全风险评价

孙丰森，王海亮，张 勇，蒋克文

(1.山东科技大学安全与环境工程学院,山东 青岛 266590;2.青岛市政空间开发集团有限责任公司城轨分公司,山东 青岛 266000)

据统计,在建的青岛胶州湾二隧是开挖规模世界最大、长度世界最长、穿越大规模断层的断面面积世界最大的海底公路隧道,也是世界上第一座超大直径盾构隧道与大断面钻爆法隧道对接的海底隧道,隧道在海域将穿越规模较大的区域性沧口断裂带,施工过程将面临突涌水、坍塌、海水倒灌的风险,具有建设难度极大、风险极高的特点。

国内学者在对隧道及地下工程风险进行分析和评估时,大多采用专家调查法、层析分析法或模糊层次分析法、贝叶斯网络分析法和事故树分析法[1-2],一般的层次分析法也需要用到专家调查法,不同专家因为认知水平差异给出的结果可能不一致,即层次分析法进行一致性检验不通过,这时就需要将调查表返回给专家进行调整。另外海底隧道钻爆法施工不同阶段风险因素存在着互相关联,贝叶斯网络分析法考虑到了风险因素的这种交互影响,但是它没有考虑到风险因素的另一个特定,即模糊性。模糊数学能够在一定程度上反映专家对客观事物评价的不确定性,只使用这种能考虑到专家对风险的不确定性,但却没有考虑到风险因素间的交互影响。

本文将直觉模糊集理论(IFS)[3]与质量功能展开理论(QFD)[4]相结合,建立基于直觉模糊质量功能展开(IFQFD)的海底隧道钻爆法施工风险排序模型,根据专家评价结果,将自然语言转化为模糊数学,集成胶州湾二隧钻爆法施工各阶段事故风险权重矩阵、施工各阶段与风险因素关联矩阵以及风险因素自相关矩阵,根据风险因素权重得分对风险因素进行排序,提出胶州湾二遂现场施工风险分析及控制措施,为胶州湾二遂施工安全提供可靠依据。

1 工程概况

青岛胶州湾二隧工程主线全长17.47 km,隧道布置方式为主隧道双向六车道,中间一条服务隧道,其中主隧道长14.37 km(海域段9.95 km+陆域段4.42 km)。

隧道段采用明挖、钻爆(西侧)与盾构(东侧)的组合工法施工。本工程第TJ-01—TJ-04共4个标段为钻爆法施工,青岛端的第TJ-05,TJ-06标段为盾构法施工,其中钻爆法施工段单向总长9 942 m,占暗挖隧道全长(13 195 m)的75.35%,海域钻爆段单向长7 094.5 m,占钻爆法隧道施工的71.35%,占暗挖隧道总长的53.76%。

2 胶州湾二隧钻爆法施工风险排序

构建基于IFQFD的海底隧道钻爆法施工风险因素排序模型,大体可以按以下几个步骤进行:确定研究范围,将海底隧道钻爆法施工划分为不同施工阶段,辨识风险因素,这些工作也属于构建模型前期准备工作。然后根据阶段划分和风险辨识结果建立施工风险质量屋;邀请业内专家就不同施工阶段风险权重、风险因素间相关度及施工阶段与风险因素的关系进行评价,再将自然语言转化为模糊数,根据直觉模糊层次分析法计算权重;对不同专家评价的各施工阶段与风险因素的关系矩阵风险因素自相关矩阵进行集结;根据集结后的施工阶段权重矩阵、风险因素自相关矩阵及施工阶段与风险因素的关系矩阵求出各风险因素的权重,并进行综合排序[5]。

2.1 构建海底隧道钻爆法施工风险质量屋

“质量屋”(House of Quality,简称HOQ),是用来强调QFD中各成分的互相联系及内在联系的模型,这是QFD方法的最重要的功能,也是用于本文风险管理最主要的部分,即通过该模型进行风险评估能够综合考虑不同阶段风险因素互相联系及内部联系。

首先利用WBS-鱼刺图法,将胶州湾二隧钻爆法施工分为5个主要的施工阶段和20个具体的事故风险因素(见表1),再以5个施工阶段为左墙、20个风险因素为天花板、各施工阶段与风险因素的关系矩阵为房间主体、风险因素自相关矩阵为天花板等构建海底隧道钻爆法施工风险质量屋如图1所示。

表1 海底隧道钻爆法施工安全风险清单

2.2 计算施工各阶段事故风险权重

对于海底隧道施工的不同阶段,风险发生的概率和导致的损失严重性大有不同,领域内的专家评价时根据工程经验和专业知识,对不同阶段安全风险进行比较并赋值,然后根据IFAHP进行权重计算。

2.2.1 构造直觉模糊判断矩阵

2.2.2 一致性检验和修正

(1)

(2)

(3)

2.2.3 施工各阶段事故风险权重计算

根据相同的方法对E(2)～E(5)进行一致性检验并修正[10],分别计算由5名专家评价得出的事故风险权重矩阵wc(1)～wc(5),然后通过IFPA算子式[11]集结5个权重矩阵,得到海底隧道钻爆法施工各阶段事故风险权重矩阵:

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

2.3 风险因素排序

由5名专家分别对胶州湾二隧钻爆法施工5个阶段与20个风险因素之间的关联性,以及20个风险因素的自相关性进行判断,此部分由于风险因素多数据量大,仅列出第一位专家给出的5个施工阶段与风险因素间的关联性评价,用自然语言的字母缩写表示为表2所示结果[12]。对专家给出的5个关系矩阵和5个自相关矩阵,分别使用IFPA算子进行集结,得出关系矩阵WH=hip5×20,以及风险因素自相关矩阵WR=rpq20×20。

表2 施工各阶段与各风险因素关联度

2.4 风险因素排序

将以上计算得到的三个矩阵相乘,即wgWHWR=wR可以求得各风险因素的权重矩阵wR=(wp)1×20。利用直觉模糊数得分函数式s(a)=μa-va对风险因素权重进行计算,得到风险因素综合排序如表3所示。

表3 胶州湾二隧钻爆法施工风险因素排序

根据表3计算结果和综合排序可知,风险因素排序在前10位的依次为:c2,c5,a5,d2,e2,a6,c3,c4,a2。

3 胶州湾二遂钻爆法施工风险控制

前10位风险权重的排序中,海底隧道钻爆法开挖阶段占了4个,接近前10位的40%,在该阶段出现风险的概率和损失最大,是风险事故发生的主要阶段,这与前文描述的规划勘察阶段及设计阶段风险在此阶段的积累效应一致。根据风险排序结果,本文对排名靠前几的风险因素结合施工现场工况给出相应的风险应对措施,降低胶州湾二隧钻爆法施工风险。

3.1 斜/竖井爆破施工控制

两竖井周边170 m范围内有大小建筑物7栋,50 m～60 m范围有建构筑物4栋,其中最危险的是水平距离55 m的砖混结构建筑望海宾馆。根据GB 6722—2014爆破安全规程的有关规定其振速要求不超过1.5 cm/s,由于该建筑属于砖混结构且已建成时间超过20 a,因此综合考虑后施工单位规定其爆破振速不超过1.0 cm/s。两竖井周边100 m范围内有黄岛输油管道、通信管线(光纤)、10 kV电力管线、消防管道等9种地下管线,其中保护要求较严格的是直线距离55 m的燃气管线及直线距离58 m的信号基站,其最大振速要求不超过0.5 cm/s。

1)将安全爆破施工放在第一位,以《爆破安全规程》及爆破参数设计图表为依据,编制经济合理、切实可行的爆破方案。

2)严格执行日循环进尺0.75 m的要求,竖井炮孔为竖直方向,钻孔完成后必须及时对炮孔进行封堵,否则松动爆破可能转变为强抛掷爆破。

3)严格控制爆破振动强度、飞散物、冲击波的危害以及减少对地层的扰动。

4)对周边管线及建构筑物,遵循保护对象距离最近及最弱原则。

5)要充分考虑周围环境条件、现场地质条件以及现有施工设备,合理选择技术参数,争取“安全、优质、高效、低耗”完成本工程。

3.2 隧道开挖爆破风险控制

爆破是隧道施工中最常见的施工过程,对其施工方式进行控制能有效地预防塌方的出现。在爆破前,可采取浅孔爆破或松动爆破的方式,这能在一定程度上降低爆破振动的影响范围,使隧道的爆破施工在更正确的方位进行施工。与此同时,还要严格把控爆破的炸药使用量,这是隧道施工安全的重要保证。

穿越断裂带施工期间采用控制爆破如光面爆破技术或预裂爆破技术,减少围岩松驰圈的厚度,保护隧道围岩及结构的稳定。控制超欠挖的重点是控制钻孔精度、爆破技术和施工管理:

1)改变“宁超勿欠”的传统观念,树立“少超少欠”的观点。

2)提高钻孔技术水平,使用凿岩台车代替人工钻孔。

3)进一步解决好爆破技术参数的合理配置。

4)在控制隧道超欠挖中,建立一个比较完善、系统的质量保证体系,对作业全过程及相关因素实行严格科学的管理是非常重要和必要的。

5)提高放线精度:采取全站仪控制隧道掘进方向,提高中线和标高的精度;提高轮廓线放线精度;提高作业人员的操作水平。

6)在施工中,紧跟开挖面对围岩进行观测描述,并对围岩的节理裂隙状态进行预测,据此调整爆破参数和施工方法或采取局部内移炮眼、局部空孔不装药、加密炮眼、局部调整起爆顺序等辅助措施。

爆破后除了检查爆破效果的工作人员,炮烟消散前禁止其他人员立即进入爆破区。加强通风,主线竖井贯通后应通过竖井给主线工作面通风,改善洞内通风。

4 结论

1)本研究将改进的质量功能展开(QFD)方法首次应用在海底隧道钻爆法施工风险因素排序中,建立海底隧道施工风险质量屋,构建基于直觉模糊质量功能展开(IFQFD)的风险排序模型。该模型运用符合客观情况的直觉模糊集理论,集成海底隧道钻爆法施工各阶段事故风险重要度、施工各阶段风险因素权重以及风险因素之间关联度,使海底隧道施工风险因素排序更加合理[13]。

2)采用基于直觉模糊质量功能展开法(IFQFD)对5个施工阶段的风险因素进行评价。其中高风险等级因素主要有10个,隧道开挖阶段占4个,斜/竖井施工阶段占3个,说明这两个阶段的风险发生概率比较大,产生的损失最严重,因此在钻爆法施工过程中需要进行重点关注。

3)针对胶州湾二隧钻爆法施工最突出的风险因素:松动爆破、光面爆破和预裂爆破等风险控制技术措施,有利于降低胶州湾二隧钻爆法施工安全事故的风险发生概率。