王 淵，吳永忠，冷 星，吳永春

(1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇南京 210007; 2.安徽富煌鋼結(jié)構(gòu)建筑工程設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽合肥 230088)

基于肯特危險(xiǎn)指數(shù)法的盾構(gòu)隧道刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

王 淵1，吳永忠1，冷 星1，吳永春2

(1.解放軍理工大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院，江蘇南京 210007; 2.安徽富煌鋼結(jié)構(gòu)建筑工程設(shè)計(jì)研究有限公司，安徽合肥 230088)

根據(jù)肯特危險(xiǎn)指數(shù)法的原理，結(jié)合盾構(gòu)隧道工程特點(diǎn)，建立了適用于盾構(gòu)隧道工程的指數(shù)法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，利用該模型對(duì)某越江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程中刀具磨損進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，得出該施工段盾構(gòu)刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)為不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，初步驗(yàn)證了模型的可用性。

隧道工程; 指數(shù)法; 刀具磨損; 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

盾構(gòu)以其固有優(yōu)勢(shì)在我國(guó)地下工程建設(shè)中得到了廣泛應(yīng)用，但其在地下隧道施工中面臨著諸多復(fù)雜工況，其中長(zhǎng)距離復(fù)雜地層掘進(jìn)、刀盤選型不合理、刀具設(shè)計(jì)不適應(yīng)地質(zhì)條件等原因?qū)е碌牡毒哌^度磨損及非計(jì)劃換刀成為嚴(yán)重的工程問題之一［1］。為保證施工順利實(shí)施，在施工前和過程中對(duì)刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，根據(jù)評(píng)估結(jié)果為施工提供風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施，以避免出現(xiàn)因刀具嚴(yán)重磨損帶來的水下?lián)Q刀等高風(fēng)險(xiǎn)事故，是十分必要的。本文基于肯特危險(xiǎn)指數(shù)法，提出一種適用于地下盾構(gòu)隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，并對(duì)利用該模型對(duì)某越江隧道盾構(gòu)掘進(jìn)過程刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

1 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型的建立

1.1 肯特危險(xiǎn)指數(shù)法簡(jiǎn)介

肯特危險(xiǎn)指數(shù)分析法，用于長(zhǎng)輸管道風(fēng)險(xiǎn)分析，具有方法獨(dú)特、簡(jiǎn)單易懂、結(jié)果直觀及便于操作的特點(diǎn)，在長(zhǎng)輸管道的安全分析、評(píng)價(jià)中發(fā)揮了巨大作用，成為現(xiàn)代安全管理系統(tǒng)工程的重要組成部分［2］。

肯特危險(xiǎn)指數(shù)法的基本評(píng)價(jià)過程，是在分析各段管道的獨(dú)立影響因素后，求取它們的指數(shù)和，再分析介質(zhì)的危險(xiǎn)性和影響系數(shù)，最后求取各段管道的指數(shù)和與泄漏影響系數(shù)的比值，即相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)，以此確定各管段的風(fēng)險(xiǎn)程度。相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)越大，管道的風(fēng)險(xiǎn)越小，相對(duì)風(fēng)險(xiǎn)數(shù)越小，管道越安全［3］。其基本評(píng)價(jià)流程如圖1所示。了概率的因素，符合隧道工程同時(shí)存在多種不確定風(fēng)險(xiǎn)因素、難以確定準(zhǔn)確概率等實(shí)際情況，某種程度上更具實(shí)用性。借鑒肯特危險(xiǎn)指數(shù)法的思想，對(duì)其指數(shù)分類及評(píng)價(jià)模型進(jìn)行改進(jìn)，使之適用于盾構(gòu)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。

圖1 肯特危險(xiǎn)指數(shù)法評(píng)價(jià)程序

1.2.1 指數(shù)分類

根據(jù)盾構(gòu)隧道施工的特點(diǎn)，將指數(shù)分為四大類:基本條件指數(shù)、選型設(shè)計(jì)指數(shù)、施工綜合指數(shù)、風(fēng)險(xiǎn)后果指數(shù)。

(1)基本條件指數(shù)是指工程客觀基礎(chǔ)條件。此類指數(shù)包括:工程水文地質(zhì)條件、周邊環(huán)境條件、隧道特性條件等。周邊環(huán)境條件指施工中需要考慮相互作用、影響的建筑物等情況;隧道特性指數(shù)是指隧道的尺寸、坡度、轉(zhuǎn)彎半徑等隧道自身的特性。

(2)選型設(shè)計(jì)指數(shù)是在考慮工程客觀基礎(chǔ)條件后做出的有針對(duì)性的設(shè)備選型及輔助施工技術(shù)。例如盾構(gòu)機(jī)的選型和設(shè)計(jì)、進(jìn)出洞加固設(shè)計(jì)、環(huán)境保護(hù)加固設(shè)計(jì)、降水止水設(shè)計(jì)、施工方法設(shè)計(jì)、管片的選型和設(shè)計(jì)等。

(3)施工綜合指數(shù)指施工期間的操作和管理水平，主要包括具體施工方法的選用、施工技術(shù)水平、工期影響、外界環(huán)境以及施工預(yù)控措施五個(gè)方面。

(4)風(fēng)險(xiǎn)后果指數(shù)是指風(fēng)險(xiǎn)事件發(fā)生造成的人員傷亡、社會(huì)、環(huán)境、經(jīng)濟(jì)等方面的不良結(jié)果和影響。

1.2.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

結(jié)合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的基本模型［4］，構(gòu)建指數(shù)法評(píng)價(jià)模型:

式中:B為基本條件指數(shù);D為選型設(shè)計(jì)指數(shù);C為施工綜合指數(shù);A為后果指數(shù)。

模型中p不是確切的概率，而是一個(gè)具有概率意義的指數(shù)值，該值越大，風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的概率越大，該值越小，相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)概率也越小?；緱l件指數(shù)、選型設(shè)計(jì)指數(shù)、施工綜合指

1.2 指數(shù)法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型

肯特危險(xiǎn)指數(shù)法中的指數(shù)評(píng)分不是確切的概率，但包含數(shù)共同構(gòu)成了風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)，后果指數(shù)代表事故產(chǎn)生的損失，兩者的乘積為風(fēng)險(xiǎn)值。指數(shù)法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)的流程見圖2。

圖2 指數(shù)法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)框圖

1.2.3 風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)計(jì)算公式

各指數(shù)相對(duì)獨(dú)立是肯特危險(xiǎn)指數(shù)法的基本假設(shè)之一，總體上與管道風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的實(shí)際情況相適應(yīng)，但不適用于致險(xiǎn)因素復(fù)雜多變的盾構(gòu)隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)。在隧道工程客觀基礎(chǔ)條件一定的情況下，設(shè)備選型、工法選擇的合理性，施工人員技術(shù)、管理水平的高低，都會(huì)對(duì)施工結(jié)果產(chǎn)生影響。因此，在隧道工程中，指數(shù)的關(guān)聯(lián)性必須加以考慮。

基于以上思想，建立本模型的風(fēng)險(xiǎn)概率值計(jì)算公式:

式中:D0為選型設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值;C0為施工綜合標(biāo)準(zhǔn)值，均為根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定的定值。該值表明設(shè)計(jì)、施工水平處于一般水平，該水平的選型設(shè)計(jì)及施工不會(huì)對(duì)由工程客觀基礎(chǔ)條件導(dǎo)致的災(zāi)害事故風(fēng)險(xiǎn)概率大小產(chǎn)生影響。

引入選型設(shè)計(jì)系數(shù)Dk及施工綜合系數(shù)Ck，令Dk=D/ D0，Ck=C/C0，則風(fēng)險(xiǎn)概率計(jì)算公式變?yōu)?

Dk、Ck的值分別在1的左右。若它們大于1，表明設(shè)計(jì)、施工會(huì)增大事故風(fēng)險(xiǎn)概率指數(shù)，增大事故發(fā)生的概率;反之亦然。

指數(shù)取值范圍的確定及定量評(píng)分是一個(gè)非常困難的過程，需要綜合大量專家意見、工程經(jīng)驗(yàn)及數(shù)據(jù)的支持，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷完善，使得打分更具科學(xué)性、可信性。

1.2.4 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生可能性等級(jí)

風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生的可能性大小采用指數(shù)評(píng)分的方式來表達(dá)。三類指數(shù)的取值范圍均為0～100，各標(biāo)準(zhǔn)值的取值為50，具體見表1。

表1 風(fēng)險(xiǎn)可能性分級(jí)

1.2.5 風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生后果等級(jí)

風(fēng)險(xiǎn)后果指數(shù)包括環(huán)境影響、人員傷亡、工期影響、經(jīng)濟(jì)損失和社會(huì)影響五個(gè)方面。參考《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》，對(duì)后果指數(shù)進(jìn)行分級(jí)，具體見表2。

表2 后果指數(shù)分級(jí)

一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)事件通常會(huì)帶來幾種風(fēng)險(xiǎn)后果，綜合考慮后果等級(jí)劃分方法，以最嚴(yán)重的風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)為總的風(fēng)險(xiǎn)后果等級(jí)。

1.2.6 風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

參考《城市軌道交通地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理規(guī)范》中的風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則劃分方法，根據(jù)指數(shù)法評(píng)分規(guī)律和特點(diǎn)，劃定風(fēng)險(xiǎn)接受標(biāo)準(zhǔn)。

表3 指數(shù)法風(fēng)險(xiǎn)接受準(zhǔn)則

2 某越江隧道盾構(gòu)刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

2.1 工程概況

某越江盾構(gòu)隧道全長(zhǎng)約 3 000 m，穿越江底段長(zhǎng)超過2 500 m。隧道穿越段主要地層為:粉細(xì)砂層、礫砂層、圓礫層和極少的強(qiáng)風(fēng)化泥巖。各地層中砂石含量普遍較高，部分地段高達(dá)70%以上，對(duì)刀具的耐磨性是很大的考驗(yàn)［5］。現(xiàn)采用指數(shù)法對(duì)某工程K4+462至K5+988標(biāo)段施工過程刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估。

2.2 指數(shù)的確定及風(fēng)險(xiǎn)值的計(jì)算

刀具的磨損可分為兩類:一是正常磨損;二是刀刃崩裂及刀刃硬質(zhì)合金脫落等非正常磨損。通過文獻(xiàn)［6］～［9］對(duì)刀具磨損原因的分析，確定其基本指數(shù)、選型設(shè)計(jì)指數(shù)及施工綜合指數(shù)。

2.2.1 基本條件指數(shù)

地層土體條件因素對(duì)兩類磨損的影響程度差異較大，因此基本指數(shù)包括:正常磨損指數(shù)B1，非正常磨損指數(shù)B2。

計(jì)算公式為:B=B1+B2

考慮到在刀具磨損量一定情況下，地層土體的可挖性與掘進(jìn)距離是反比的關(guān)系，B1、B2的取值為地層土體條件評(píng)分與掘進(jìn)距離評(píng)分的乘積。具體見表4。

表4 基本條件指數(shù)評(píng)分

2.2.2 選型設(shè)計(jì)指數(shù)

刀具選型設(shè)計(jì)指數(shù)包括:刀盤結(jié)構(gòu)的布置合理性D1，刀刃硬質(zhì)合金抗折斷能力D2，刀刃硬質(zhì)合金和刀體連接工藝D3，磨損監(jiān)測(cè)裝置D4。具體評(píng)分見表5。

計(jì)算公式為:D=D1+D2+D3+D4

表5 選型設(shè)計(jì)指數(shù)評(píng)分

本工程:D=D1+D2+D3+D4=30+12+12+12=66則，Dk= 66/50=1.32

2.2.3 施工綜合指數(shù)

施工綜合指數(shù)包括:施工技術(shù)水平指數(shù)C1，預(yù)防措施實(shí)施指數(shù)C2，兩者有權(quán)重有所不同。C=0.6C1+0.4C2

表6 施工綜合指數(shù)評(píng)分

因無法獲知本工程施工綜合指數(shù)情況，故取一般值C= 50，則Ck=1。

2.2.4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

由以上各項(xiàng)，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)概率值:

p=B×Dk×Ck=46.5×1.32×1=61.38

由于該段處于江底，一旦刀具嚴(yán)重磨損導(dǎo)致江底帶壓開艙換刀，工期延誤長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)損失大，查看表2，風(fēng)險(xiǎn)后果值取: A=80。

則本掘進(jìn)段盾構(gòu)刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)值為:

R=p×c=61.38×80=4910.4

由表3可知，該風(fēng)險(xiǎn)為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，屬不可接受的風(fēng)險(xiǎn)，必須采取相應(yīng)措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

3 結(jié)論

(1)借鑒肯特管道風(fēng)險(xiǎn)指數(shù)評(píng)價(jià)法的原理，結(jié)合盾構(gòu)隧道工程特點(diǎn)，建立了適用于盾構(gòu)隧道施工的指數(shù)法風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)模型，該模型簡(jiǎn)單、易用。

(2)用該模型對(duì)某越江盾構(gòu)隧道江底段刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)，得出該段刀具磨損風(fēng)險(xiǎn)為不可接受的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，初步驗(yàn)證了該評(píng)價(jià)法的可用性。

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U458.1

A

［定稿日期］2012－12－17

王淵(1983～)，男，碩士研究生，主要從事工程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究。