基于肯特危險指數(shù)法的盾構(gòu)隧道刀具磨損風險評價

王 淵，吳永忠，冷 星，吳永春

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007; 2.安徽富煌鋼結(jié)構(gòu)建筑工程設計研究有限公司，安徽合肥 230088)

基于肯特危險指數(shù)法的盾構(gòu)隧道刀具磨損風險評價

王 淵1，吳永忠1，冷 星1，吳永春2

(1.解放軍理工大學國防工程學院，江蘇南京 210007; 2.安徽富煌鋼結(jié)構(gòu)建筑工程設計研究有限公司，安徽合肥 230088)

根據(jù)肯特危險指數(shù)法的原理，結(jié)合盾構(gòu)隧道工程特點，建立了適用于盾構(gòu)隧道工程的指數(shù)法風險評價模型，利用該模型對某越江隧道盾構(gòu)掘進過程中刀具磨損進行了風險評價，得出該施工段盾構(gòu)刀具磨損風險為不可接受的風險，初步驗證了模型的可用性。

隧道工程; 指數(shù)法; 刀具磨損; 風險評價

盾構(gòu)以其固有優(yōu)勢在我國地下工程建設中得到了廣泛應用，但其在地下隧道施工中面臨著諸多復雜工況，其中長距離復雜地層掘進、刀盤選型不合理、刀具設計不適應地質(zhì)條件等原因?qū)е碌牡毒哌^度磨損及非計劃換刀成為嚴重的工程問題之一［1］。為保證施工順利實施，在施工前和過程中對刀具磨損風險進行評估，根據(jù)評估結(jié)果為施工提供風險應對措施，以避免出現(xiàn)因刀具嚴重磨損帶來的水下?lián)Q刀等高風險事故，是十分必要的。本文基于肯特危險指數(shù)法，提出一種適用于地下盾構(gòu)隧道工程的風險評價模型，并對利用該模型對某越江隧道盾構(gòu)掘進過程刀具磨損風險進行評價。

1 風險評價模型的建立

1.1 肯特危險指數(shù)法簡介

肯特危險指數(shù)分析法，用于長輸管道風險分析，具有方法獨特、簡單易懂、結(jié)果直觀及便于操作的特點，在長輸管道的安全分析、評價中發(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］。

肯特危險指數(shù)法的基本評價過程，是在分析各段管道的獨立影響因素后，求取它們的指數(shù)和，再分析介質(zhì)的危險性和影響系數(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，即相對風險數(shù)，以此確定各管段的風險程度。相對風險數(shù)越大，管道的風險越小，相對風險數(shù)越小，管道越安全［3］。其基本評價流程如圖1所示。了概率的因素，符合隧道工程同時存在多種不確定風險因素、難以確定準確概率等實際情況，某種程度上更具實用性。借鑒肯特危險指數(shù)法的思想，對其指數(shù)分類及評價模型進行改進，使之適用于盾構(gòu)隧道工程風險評價。

圖1 肯特危險指數(shù)法評價程序

1.2.1 指數(shù)分類

根據(jù)盾構(gòu)隧道施工的特點，將指數(shù)分為四大類:基本條件指數(shù)、選型設計指數(shù)、施工綜合指數(shù)、風險后果指數(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)選型設計指數(shù)是在考慮工程客觀基礎(chǔ)條件后做出的有針對性的設備選型及輔助施工技術(shù)。例如盾構(gòu)機的選型和設計、進出洞加固設計、環(huán)境保護加固設計、降水止水設計、施工方法設計、管片的選型和設計等。

(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)境以及施工預控措施五個方面。

(4)風險后果指數(shù)是指風險事件發(fā)生造成的人員傷亡、社會、環(huán)境、經(jīng)濟等方面的不良結(jié)果和影響。

1.2.2 風險評價模型

結(jié)合風險評價的基本模型［4］，構(gòu)建指數(shù)法評價模型:

式中:B為基本條件指數(shù);D為選型設計指數(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，而是一個具有概率意義的指數(shù)值，該值越大，風險發(fā)生的概率越大，該值越小，相應的風險概率也越小。基本條件指數(shù)、選型設計指數(shù)、施工綜合指

1.2 指數(shù)法風險評價模型

肯特危險指數(shù)法中的指數(shù)評分不是確切的概率，但包含數(shù)共同構(gòu)成了風險概率指數(shù)，后果指數(shù)代表事故產(chǎn)生的損失，兩者的乘積為風險值。指數(shù)法風險評價的流程見圖2。

圖2 指數(shù)法風險評價框圖

1.2.3 風險概率指數(shù)計算公式

各指數(shù)相對獨立是肯特危險指數(shù)法的基本假設之一，總體上與管道風險發(fā)生的實際情況相適應，但不適用于致險因素復雜多變的盾構(gòu)隧道工程風險評價。在隧道工程客觀基礎(chǔ)條件一定的情況下，設備選型、工法選擇的合理性，施工人員技術(shù)、管理水平的高低，都會對施工結(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，建立本模型的風險概率值計算公式:

式中:D0為選型設計標準值;C0為施工綜合標準值，均為根據(jù)經(jīng)驗確定的定值。該值表明設計、施工水平處于一般水平，該水平的選型設計及施工不會對由工程客觀基礎(chǔ)條件導致的災害事故風險概率大小產(chǎn)生影響。

引入選型設計系數(shù)Dk及施工綜合系數(shù)Ck，令Dk=D/ D0，Ck=C/C0，則風險概率計算公式變?yōu)?

Dk、Ck的值分別在1的左右。若它們大于1，表明設計、施工會增大事故風險概率指數(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分是一個非常困難的過程，需要綜合大量專家意見、工程經(jīng)驗及數(shù)據(jù)的支持，并在實際應用中不斷完善，使得打分更具科學性、可信性。

1.2.4 風險發(fā)生可能性等級

風險發(fā)生的可能性大小采用指數(shù)評分的方式來表達。三類指數(shù)的取值范圍均為0～100，各標準值的取值為50，具體見表1。

表1 風險可能性分級

1.2.5 風險發(fā)生后果等級

風險后果指數(shù)包括環(huán)境影響、人員傷亡、工期影響、經(jīng)濟損失和社會影響五個方面。參考《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》，對后果指數(shù)進行分級，具體見表2。

表2 后果指數(shù)分級

一個風險事件通常會帶來幾種風險后果，綜合考慮后果等級劃分方法，以最嚴重的風險后果等級為總的風險后果等級。

1.2.6 風險接受準則

參考《城市軌道交通地下工程建設風險管理規(guī)范》中的風險接受準則劃分方法，根據(jù)指數(shù)法評分規(guī)律和特點，劃定風險接受標準。

表3 指數(shù)法風險接受準則

2 某越江隧道盾構(gòu)刀具磨損風險評價

2.1 工程概況

某越江盾構(gòu)隧道全長約 3 000 m，穿越江底段長超過2 500 m。隧道穿越段主要地層為:粉細砂層、礫砂層、圓礫層和極少的強風化泥巖。各地層中砂石含量普遍較高，部分地段高達70%以上，對刀具的耐磨性是很大的考驗［5］?，F(xiàn)采用指數(shù)法對某工程K4+462至K5+988標段施工過程刀具磨損風險進行評估。

2.2 指數(shù)的確定及風險值的計算

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［6］～［9］對刀具磨損原因的分析，確定其基本指數(shù)、選型設計指數(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距離是反比的關(guān)系，B1、B2的取值為地層土體條件評分與掘進距離評分的乘積。具體見表4。

表4 基本條件指數(shù)評分

2.2.2 選型設計指數(shù)

刀具選型設計指數(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)測裝置D4。具體評分見表5。

計算公式為:D=D1+D2+D3+D4

表5 選型設計指數(shù)評分

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，預防措施實施指數(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 風險評價

由以上各項，計算風險概率值:

p=B×Dk×Ck=46.5×1.32×1=61.38

由于該段處于江底，一旦刀具嚴重磨損導致江底帶壓開艙換刀，工期延誤長，經(jīng)濟損失大，查看表2，風險后果值取: A=80。

則本掘進段盾構(gòu)刀具磨損風險值為:

R=p×c=61.38×80=4910.4

由表3可知，該風險為一級風險，屬不可接受的風險，必須采取相應措施降低風險。

3 結(jié)論

(1)借鑒肯特管道風險指數(shù)評價法的原理，結(jié)合盾構(gòu)隧道工程特點，建立了適用于盾構(gòu)隧道施工的指數(shù)法風險評價模型，該模型簡單、易用。

(2)用該模型對某越江盾構(gòu)隧道江底段刀具磨損風險進行了評價，得出該段刀具磨損風險為不可接受的一級風險，初步驗證了該評價法的可用性。

［1］ 黃清飛.砂卵石地層盾構(gòu)刀盤刀具與土相互作用及其選型設計研究［D］.北京交通大學，2010

［2］ W·Kent Muhlbauer.管道風險管理手冊［M］.北京:中國石化出版社，2004

［3］ 張華兵，程五一，周利劍，等.管道公司管道風險評價實踐［J］.油氣儲運，2012，31(2):96－98

［4］ 吳賢國，王鋒.R=P×C法評價水下盾構(gòu)隧道施工風險［J］.華中科技大學學報(城市自然版)，2005，22(4):44－46

［5］ 郭信軍，閔凡路，鐘小春，等.南京長江隧道工程難點分析及關(guān)鍵技術(shù)總［J］.巖石力學與工程學報，2012，31(10):2154－2160

［6］ 鄒積波.盾構(gòu)刀具磨損原因探析［J］.建筑機械化，2003，24 (11):57－58

［7］ 劉高峰，宋天田.成都地鐵盾構(gòu)刀具磨損分析研究［J］.隧道建設，2007，27(6):89－93

［8］ 張公社.南京長江隧道盾構(gòu)刀具設計改進及工程應用研究［J］.國防交通工程與技術(shù)，2009(4):39－44

［9］ 張鳳祥，朱合華，傅德明.盾構(gòu)隧道［M］.北京:人民交通出版社，2004

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險評估研究。