基于模糊事故樹的地鐵隧道下穿既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)評估

林震

(福州市地鐵建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站福建福州350011)

基于模糊事故樹的地鐵隧道下穿既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)評估

林震

(福州市地鐵建設(shè)工程質(zhì)量安全監(jiān)督站福建福州350011)

地鐵隧道下穿既有橋梁，易造成橋梁失穩(wěn)破壞，影響交通運(yùn)行，應(yīng)在施工前對橋梁失穩(wěn)破壞進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估。文章基于福州地鐵1號(hào)線隧道下穿既有橋梁工程實(shí)例，建立造成橋梁失穩(wěn)破壞的主要風(fēng)險(xiǎn)因素的事故樹模型。通過運(yùn)用事故樹分析方法對橋梁失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量分析，得出橋梁失穩(wěn)破壞事故的發(fā)生概率及事故樹底事件的重要度。對于底事件發(fā)生概率采用專家評估后的模糊性問題，應(yīng)用模糊集理論進(jìn)行處理。該方法為地鐵隧道下穿既有橋梁的風(fēng)險(xiǎn)控制提供參考。

地鐵隧道;下穿既有橋梁;風(fēng)險(xiǎn)評估;模糊故障樹分析

0 引言

近年來，我國的地鐵正處于大規(guī)模的建設(shè)當(dāng)中，為了不過多地占用土地和降低對周圍環(huán)境產(chǎn)生的不利影響，新建地鐵與既有的建(構(gòu))筑物、橋梁、河流等難以避免地會(huì)在某處空間位置發(fā)生交叉現(xiàn)象。而且，隧道在掘進(jìn)過程中必然會(huì)對周圍土體造成一定擾動(dòng)而引起地層損失和地面變形，甚至造成橋梁的失穩(wěn)破壞，影響交通運(yùn)行。因此，有必要對地鐵隧道下穿既有橋梁工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，分析出隧道在下穿橋梁的過程中存在的主要的風(fēng)險(xiǎn)因素，進(jìn)而采取有效的應(yīng)對措施以保證工程的順利進(jìn)行。

目前，對隧道下穿既有橋梁的風(fēng)險(xiǎn)分析中，主要采用的是數(shù)值模擬法。如王東清［1］、張金偉［2］利用FLAC3D對隧道和橋樁的沉降進(jìn)行分析;周濟(jì)民［3］利用ANSYS有限元分析軟件來模擬地層沉降和橋臺(tái)差異沉降;劉喆［4］等利用ANSYS分析隧道開挖對群樁的影響。該研究表明，利用數(shù)值模擬法可以較為充分地考慮實(shí)際工程的具體情況進(jìn)行定量分析，但建模、計(jì)算比較復(fù)雜，且模擬計(jì)算的結(jié)果與實(shí)際也存在一定的差異。

本文針對目前地鐵隧道下穿既有橋梁事故的數(shù)據(jù)資料不足難以確定風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率精確值的現(xiàn)狀，提出了基于模糊事故樹的地鐵隧道下穿既有橋梁風(fēng)險(xiǎn)評估方法。該方法分析步驟為:首先，通過已有的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，并結(jié)合理論知識(shí)，確定地鐵隧道下穿既有橋梁過程中發(fā)生概率最大，并且可能造成嚴(yán)重后果的事故為橋梁失穩(wěn)破壞;然后根據(jù)分析結(jié)果建立橋梁失穩(wěn)破壞事故樹;最后，對橋梁失穩(wěn)破壞事故樹進(jìn)行定性和定量分析，并綜合應(yīng)用專家評估與模糊集理論方法?；谑鹿蕵涞姆治鼋Y(jié)果確定了導(dǎo)致橋梁失穩(wěn)破壞事故的發(fā)生概率等級和關(guān)鍵風(fēng)險(xiǎn)因素，為地鐵隧道下穿既有橋梁過程中橋梁失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)控制提供理論依據(jù)。

1 事故樹的建立與定性分析

1.1 工程概況

福州地鐵1號(hào)線羅漢山站～福州火車站區(qū)間隧道采用的是礦山法施工，穿越里程為:上行線SK3+ 590.6～SK3+683.1(下行線XK3+605.5～XK3+ 696.7)，該區(qū)間下穿三環(huán)路輔道，SK3+609.2～SK3+ 647.589處穿機(jī)場高速高架路，機(jī)場高架橋墩采用Φ1500鉆孔灌注樁，樁長38m～42m，隧道底位于樁底12m以上部位，隧道外邊距樁位最近距離為4.8m，如圖1所示。根據(jù)現(xiàn)場補(bǔ)勘取芯結(jié)果，該段地層上部土層基本為雜填土、殘積土、全風(fēng)化巖及強(qiáng)風(fēng)化花崗巖，土體強(qiáng)度較低且地下水豐富，該段區(qū)間隧道位于散體狀強(qiáng)風(fēng)化巖層。

圖1 隧道與橋樁剖面關(guān)系

1.2 事故樹的建立

地鐵隧道在穿越既有橋梁過程中，由于必然對周圍土體造成一定的擾動(dòng)，會(huì)引起不同程度的隧道變形及地面變形，而導(dǎo)致既有橋梁的失穩(wěn)甚至破壞，進(jìn)而影響交通運(yùn)行。因此，取橋梁失穩(wěn)破壞作為事故樹中最不希望它發(fā)生的頂事件。橋梁失穩(wěn)破壞是由隧道變形、地面變形以及橋梁自身失穩(wěn)破壞引起的。將這3個(gè)因素作為中間事件，用同樣的方法再繼續(xù)往下分析，找出導(dǎo)致中間事件發(fā)生的各種因素，一直分解到可以表示各事故形式的底事件為止。由此建立的事故樹，如圖2所示。

1.3 事故樹的定性分析

事故樹定性分析的主要內(nèi)容是分析出導(dǎo)致事故樹頂事件發(fā)生的主要因素以及各因素的組合，由此對各事故發(fā)生的規(guī)律和特點(diǎn)進(jìn)行分析，進(jìn)而了解每個(gè)底事件的重要性程度。通過定性分析，可以更準(zhǔn)確地對事故進(jìn)行判斷和將潛在的事故辨識(shí)出來，有助于選擇有效的事故預(yù)防措施。根據(jù)所建的事故樹，利用下行法［5］，分析出該事故樹的全部最小割集，如表1所示。

表1 最小割集

由表1可知，橋梁失穩(wěn)破壞事故樹共有14個(gè)一階最小割集和1個(gè)三階最小割集。

2 事故樹底事件發(fā)生概率的模糊確定

圖2 橋梁失穩(wěn)破壞事故樹示意圖

2.1 專家判斷的概率模糊數(shù)

由于在實(shí)際工程中，各底事件的發(fā)生概率很難通過已有的數(shù)據(jù)得到精確的評估，因此需要相關(guān)專家根據(jù)自身經(jīng)驗(yàn)來進(jìn)行評估，專家在進(jìn)行估計(jì)時(shí)，通常更傾向于采用諸如“小”“大”等這類描述程度的自然語言來對事件發(fā)生概率進(jìn)行估計(jì)。而自然語言帶有一定的模糊性，用傳統(tǒng)的數(shù)學(xué)方法無法進(jìn)行計(jì)算，因此本文利用模糊集理論來處理這些不確定的自然語言信息。將專家評估時(shí)的自然語言定為“很小、小、較小、中等、較大、大、很大”，將專家評估的自然語言用梯形、三角形模糊數(shù)表示［6］，如圖3所示。

圖3 表示自然語言的模糊數(shù)

設(shè)三角形模糊數(shù)的表達(dá)式為f=(a，b，c)，梯形模糊數(shù)的表達(dá)式為f=(a，b，c，d)，則兩者的隸屬度函數(shù)表達(dá)式均表示的是事件發(fā)生的概率:

表2為模糊數(shù)形式和λ截集，其中VL、L、FL、M、FH、H、VH分別表示的是模糊語言:很小、小、較小、中等、較大、大、很大［7］。

表2 模糊數(shù)形式和λ截集

2.2 專家意見權(quán)重的確定

在對底事件的發(fā)生概率進(jìn)行評估時(shí)，本文邀請了5位專家，由于不同的專家對相關(guān)工程的了解程度和理論知識(shí)水平等方面存在差異，因此對不同專家判斷的結(jié)果不能一概而論，較為合理的做法是對不同專家的評估意見賦予不同的權(quán)值。本文考慮6個(gè)權(quán)重項(xiàng)，每個(gè)項(xiàng)分為4個(gè)或5個(gè)等級，應(yīng)用強(qiáng)制比較法對權(quán)值進(jìn)行賦值，具體分值的分配情況，如表3所示。利用公式(3)可求得第i位專家的權(quán)重，即:

其中，i為專家號(hào)，i=1，2，3，4，5;j為項(xiàng)目號(hào)，j= 1，2，3，4，5，6。

表3 專家權(quán)重因素

根據(jù)表3，利用式(3)計(jì)算可得，專家1權(quán)重為0.2 381，專家2權(quán)重0.1 984，專家3權(quán)重0.1 799，專家4權(quán)重0.2 169，專家5權(quán)重0.1 667。

2.3 底事件發(fā)生概率的計(jì)算

基于已構(gòu)建的橋梁失穩(wěn)破壞事故樹，現(xiàn)以底事件X4開挖方法選擇不當(dāng)為例，計(jì)算該底事件的發(fā)生概率。

(1)將自然語言轉(zhuǎn)化為模糊數(shù)

邀請5位相關(guān)領(lǐng)域的專家組成評估小組，對地鐵隧道下穿既有橋梁過程中對發(fā)生橋梁失穩(wěn)破壞的風(fēng)險(xiǎn)產(chǎn)生影響的各底事件的發(fā)生概率進(jìn)行評估。5位專家對福州地鐵1號(hào)線隧道下穿既有橋梁區(qū)間的工程水文地質(zhì)情況、近接情況、施工方案、既有橋梁情況等方面初步了解后，對底事件X4開挖方法選擇不當(dāng)引起橋梁失穩(wěn)破壞的可能性大小做出評估，專家1至專家5的評估意見分別為:中等、中等、中等、小、中等。5位專家的評估意見在截集下的總模糊數(shù)M％(4)，為:

由模糊集的拓展理論可知M％(4)也是模糊集，令:

(2)將模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊可能性值

因?yàn)橐粋€(gè)模糊數(shù)可能包含有各不同隸屬函數(shù)中的多個(gè)實(shí)數(shù)，所以很難在事故樹中把最終求出的模糊數(shù)進(jìn)行比較，因此可以將模糊數(shù)再轉(zhuǎn)化為一個(gè)更加清晰的值——模糊可能性值。模糊可能性值表示的是專家對于某個(gè)事件發(fā)生可能性的信任程度。結(jié)合左右模糊排序法［8］將已求得的模糊數(shù)轉(zhuǎn)化為模糊可能性值。左右模糊排序法將最大、最小模糊集定義為:

則模糊數(shù)W的左、右模糊可能性值為:

(3)將模糊可能性值轉(zhuǎn)化為模糊失效率

事故樹各底事件的發(fā)生概率中，有一部分是通過數(shù)據(jù)資料統(tǒng)計(jì)分析而得到的，還有一部分則是通過專家評估后再結(jié)合模糊集理論運(yùn)算得到的。為了使兩者之間具有一致性，因此要把FPS再轉(zhuǎn)化為模糊失效率(FFR)［9］，即:

計(jì)算得:K=2．3 168，F(xiàn)FR=4．8 221×10－3，即底事件X4開挖方法選擇不當(dāng)?shù)陌l(fā)生概率為4．8 221×10－3。

基于專家評估結(jié)果，重復(fù)上述分析步驟，可以計(jì)算出事故樹其余底事件的發(fā)生概率，如表4所示。

在雞群內(nèi)發(fā)現(xiàn)球蟲病、白痢病等，并且雞體表面存在虱、螨等寄生蟲，容易導(dǎo)致雞群感染。相關(guān)設(shè)備在使用期間給雞帶來外傷或者母雞的病原性、生理性等，都將導(dǎo)致雞啄癖的發(fā)生。

表4 底事件的發(fā)生概率

3 事故樹定量分析

3.1 頂事件發(fā)生概率的計(jì)算

由1.3小節(jié)中對橋梁失穩(wěn)破壞事故樹的定性分析得，該事故樹有15個(gè)最小割集，并且彼此之間都相互獨(dú)立，因此可以采用式(15)來計(jì)算頂事件的發(fā)生概率:

式中:Ki——第i個(gè)最小割集的集合。

表5為工程風(fēng)險(xiǎn)概率等級標(biāo)準(zhǔn)［9］，將頂事件橋梁失穩(wěn)破壞事故的發(fā)生概率代入表5可得出，該事故的風(fēng)險(xiǎn)概率等級為D級，為可能發(fā)生的風(fēng)險(xiǎn)。因此有必要對該風(fēng)險(xiǎn)事故作進(jìn)一步分析，以便確定針對有效的措施來降低地鐵隧道在下穿既有橋梁時(shí)引起橋梁失穩(wěn)破壞風(fēng)險(xiǎn)事故發(fā)生的概率。

表5 工程風(fēng)險(xiǎn)概率等級標(biāo)準(zhǔn)

3.2 底事件的重要度分析

(1)概率重要度

式中:qi——第i個(gè)底事件發(fā)生的概率。

表6 底事件的概率重要度

根據(jù)概率重要度的排序可以看出，降低底事件X13土體加固方案不當(dāng)?shù)陌l(fā)生概率能使橋梁失穩(wěn)變形的發(fā)生概率得到迅速降低，X13與其他底事件相比，在都降低相同的概率值的情況下，對降低頂事件發(fā)生概率的效果最為明顯，其次是X14土體加固效果不好以及X6鋼拱架安裝不到位。

(2)臨界重要度

臨界重要度主要考慮的是底事件的發(fā)生概率和敏感度。通常對于發(fā)生概率較大的底事件，要降低它的概率會(huì)相對簡單，概率重要度則不能反映出這一性質(zhì)，這時(shí)便可以考慮臨界重要度。利用公式(17)計(jì)算出底事件的臨界重要度，如表7所示。

表7 底事件的臨界重要度

從臨界重要度的排序可知，排序較為靠前的底事件為:X13土體加固方案不當(dāng)、X14土體加固效果不好、X6鋼拱架安裝不到位等，意味著針對上述底事件的發(fā)生概率進(jìn)行改進(jìn)會(huì)更為簡單，可以作為重點(diǎn)對象進(jìn)行改進(jìn)。

4 結(jié)論

運(yùn)用模糊事故樹分析法對地鐵隧道下穿既有橋梁工程進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，能夠分別求出下穿過程中橋梁失穩(wěn)破壞事故發(fā)生的概率等級及造成橋梁失穩(wěn)破壞事故發(fā)生的每個(gè)底事件的重要度，并通過對重要度的大小排序，可以進(jìn)一步分析得出對施工過程存在較大影響的風(fēng)險(xiǎn)因素主要有:土體加固方案不當(dāng)、土體加固效果不好、鋼拱架安裝不到位等。因此在施工過程中應(yīng)將以上風(fēng)險(xiǎn)因素作為重點(diǎn)關(guān)注對象，制定有效的應(yīng)對措施，保證工程順利進(jìn)行。

傳統(tǒng)的事故樹分析法中在計(jì)算頂事件發(fā)生概率時(shí)，底事件的發(fā)生概率通常為已知的精確值。然而對于實(shí)際工程來說，很難確定精確的發(fā)生概率值，因而容易導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果有較大的誤差。而對于模糊事故樹分析法，就剛好克服了傳統(tǒng)事故樹分析法中該項(xiàng)缺陷，較為合理地處理了事故樹中的模糊性問題。

［1］王東清．地鐵暗挖隧道近距離穿越橋樁施工技術(shù)［J］．都市快軌交通，2013，26(3):89－92．

［2］張金偉．暗挖地鐵區(qū)間穿越城市大型立交橋橋區(qū)風(fēng)險(xiǎn)工程設(shè)計(jì)優(yōu)化研究［J］．隧道建設(shè)，2014，34(9):887－894．

［3］周濟(jì)民．盾構(gòu)區(qū)間隧道下穿高架橋樁基群施工技術(shù)與環(huán)境影響預(yù)測［J］．現(xiàn)代隧道技術(shù)，2016(1):165－172．

［4］劉喆，何平，張安琪，等．盾構(gòu)隧道施工過程及支護(hù)方式對高速鐵路高架橋群樁基礎(chǔ)影響分析［J］．工程力學(xué)，2016(S1):219－226．

［5］宋保維．系統(tǒng)可靠性設(shè)計(jì)與分析［M］．西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社出版，2000:103－104．

［6］SJJ Chen，CL/MJ Hwang，W Krelle．Fuzzy multiple attribute decision making methods and applications［M］．Germany Springer Verlag Berlin Herdelberg，1990:220－252．

［7］劉忠，陳曼英．基于FFTA的地鐵火災(zāi)風(fēng)險(xiǎn)評估及控制研究［J］．科技管理研究，2015，11:221－224．

［8］Takehisa ONISAWA．An approach to human reliability in man_machine systems using error possibility［J］．Fuzzy sets and system，1988，27:87－103．

［9］中國土木工程學(xué)會(huì)，同濟(jì)大學(xué)，上海城建集團(tuán)，等．地鐵及地下工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)管理指南［M］．北京:中國建筑工業(yè)出版社，2007，14．

Risk Assessment of Metro Tunnel Under－passing the Existing Bridge Based on Fuzzy Fault Tree Analysis Method

LIN Zhen
(Fuzhou subway Construction Engineering Quality Safety Surveillance，F(xiàn)uzhou 350011)

It is easy to cause bridge failure and affect the traffic operation when the metro tunnel traversing under the existing bridge.So we should evaluate the risk of bridge failure before construction.A fault tree model of the main risk factors causing bridge failure was established on the basis example of the Fuzhou Metro Line 1 which tunnel traversing under the existing bridge.The importance degree of fault tree’s bottom events and probability of the bridge failure accident were worked out by using fuzzy fault tree analysis method in the quantitatively of the bridge failure risk.The problem of fuzzy when evaluate the probability of bottom events by using expert judgement method was handled with the fuzzy set theories.The reference for risk control of metro tunnel under－passing the existing bridge was provided by the method.

Metro tunnel;Under－passing the existing bridge;Risk assessment;Fuzzy fault tree analysis

U231

:A

:1004－6135(2017)01－0097－05

林震(1963．2－)，男，高級工程師。

E-mail:1450471118@qq.com

2016－11－07