英语原文共 9 页
Quantitative risk evaluation based on event tree analysis technique:Application to the design of shield TBM
基于事件树技术的定量风险评估：在盾构TBM设计中的应用
Eun-Soo Hong a, In-Mo Lee b, Hee-Soon Shin a,
Seok-Woo Nam c, Jung-Sik Kong b,*
摘要
本文分析了采用土压平衡 (EPB)型隧道掘进机(TBM)进行水下隧道开挖的风险概率。采用事件树分析法(ETA)对隧道设计初期的风险进行量化。分析了可能产生的结果，这些结果可以从特定的初始事件中进行排序，并选择适当的一般对策(安全功能)来确保安全防范风险。为确定初始事件，搜集水下盾构的各种数据，例如：如经验分析、设计报告;实际问题的案例研究;数值分析和模型试验结果；并利用水文分析结果。构建了三个重要初始事件对应的事件树。每个事件树由5个对策组成，构造了32条路径，并计算了每条路径的概率。采用定量的风险评估方法，考虑了初始事件对路径的发生概率和危险性的影响。基于这些ETA结果，我们发现尽管采取了共同的对策，选定的水下隧道场地仍然具有相当大的事故概率。在对风险进行估计的基础上，提出了改进的目标概率，以降低施工过程中发生灾害的概率。考虑与新目标相对应的其他对策，即减轻行动。从而系统地降低技术风险和财产经济损失。研究发现，ETA是一种有效的评估和定量分析潜在风险的方法，是对海底隧道等危险环境危害提出对策的有效方法。
- 引言
通常，隧道施工现场进行的安全管理是保证施工安全的最基本途径。然而，这种类型的安全管理很少能够很好地防止遇到危险，特别是如果现场需要高度复杂的施工和风险管理技术来处理极其危险的环境条件。
根据2004年对韩国因灾难导致的工业死亡的调查，与建筑业相关的死亡人数比其他行业高出28%。此外，在1993-1997年期间由政府部门赞助的所有建筑中，隧道和地铁建筑工地的死亡人数占83%(汉城视察厅，1997年)。
通过分析和预测所有可能的风险来量化事故的可能性是很重要的。可以在此过程中检测和消除危险的发生。本研究采用事件树分析法(ETA)作为一种新的可能风险分析方法，并将其应用于隧道设计阶段，以识别隧道施工过程中可能发生的问题。
对潜在的重要风险进行分析，并对其发生概率进行了定量评价。研究了与分析结果相关的可重用对策，以减轻或消除评估过程中预测的主要问题。
该方法作为本当线49.9公里的一部分，应用于汉江下的单线平行水下隧道，连接Wangsipri和Suwon(见图1)。最终的设计使用了土压力平衡(EPB)类型隧道掘进机(TBM),直径8.1米。隧道全长1.660公里，工作空间十分狭窄。由于建设的起点和终点都在城市中心区，因此预测了城市居民提起民事诉讼的可能性。因此，确保水下隧道段的结构安全，在施工环境恶劣的情况下保证施工的可施工性，防止土建施工是施工的三大重点。因此，全长1.270公里的隧道部分，包括盾构隧道(385米新奥米隧道 845.5米盾构隧道)已于2003年重新设计。
在钻孔试验的基础上，在北向270米进行了定向取心(DCD)试验，以控制钻孔方向，进行岩土工程勘察。此外，在床层岩石中还存在20-30个钻孔，其中包括之前设计的15个钻孔。开展了三维电阻率法、反射法等多种物理勘探方法。发现北界存在一条宽度为60m的断裂带，与汉江平行(N80W)，汉江南界存在两条断裂带。一般情况下，隧道位于坚硬岩石内部，平均单轴强度为170 MN/ m2。总覆盖层厚度一般约为14-22 m，但在某些区域可低至2 m(图2)。汉江(宽773米)的平均水压一般在0.3 MN/ m2左右，但在洪涝期间和洪涝后不久就会上升到0.5 MN/ m2。因此，高水压会影响施工过程中的安全。
图2 地质条件
图1 施工平面图
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研究方法
- 风险分析
风险分析是指对设施的安全性进行评估、从识别危险中验证风险、确定特定事件的模型以及定量地评估风险的所有方法。可以使用检查表技术和危害与可操作性方法(HAZOP)来验证风险，并使用故障树分析(FTA)和事件树分析(ETA)来建模事件和估计风险。
检查表技术是一种通过使用事先准备好的检查表来确认风险的方法，其中包括过程中的危险成分。这项技术将在初始阶段使用，但它不是一个完美的方法。特别是列表中遗漏的组件无法检查;因此，它往往严重依赖于经验。
HAZOP是一种用于定性地评估过程风险的技术。一般来说，在设计和操作阶段会成立一个特别工作组并加以利用。在这种技术中，过程被划分为节点。根据与节点关联的关键字级别，根据安全指南和风险级别完成HAZOP表单。因此，将每个节点的风险级别划分为不同的级别。
FTA技术利用布尔代数和各部件的击穿率来评估顶级事件的击穿概率。对所有的故障场景分别进行了量化和归纳研究，然后构造了一个从顶部事件开始的故障树。
直到现在，建筑风险分析的研究还非常有限(Blockley, 1980;Hadipriono等，1986;Al-Bahar, 1988;贝姆和霍布斯，1997;Fujino, 1994;Salmon等，1997;惠特曼,2000;Frangopol等，1997)。此外，只有少数研究人员(Abdel Salaml, 1995;爱因斯坦,1996;Sturk等，1996;安德森,1998;Guglielemetti等人，2007)对隧道施工进行了风险分析。最近Sturk等(1996)和ITA (Eskesen et al.， 2004)提出ETA技术是定量风险管理技术之一，但本研究中ETA技术在盾构TBM水下隧道风险管理中的实际应用并不多见。
-
- 事件树分析
用于风险分析的ETA最初应用于原子能领域，并逐渐扩展到其他领域，如化学工程和机械工程(Beim and Hobbs, 1997)。在该方法中，以系统、过程或构造的故障等启动事件为起点，以图形化的方式呈现由启动事件顺序传播的可预测的意外结果。
ETA是基于子事件安全性的系统安全模型。它之所以被称为事件树，是因为随着事件数目的增加，序列事件的图形表示就像树一样增长。如图3所示，事件树由初始事件、可能的后续事件和由事件序列引起的最终结果组成。可能的后续事件彼此独立，特定的最终结果只取决于初始事件和随后的后续事件。因此，可以通过将某条路径中存在的所有后续事件的概率相乘来获得某条特定路径的发生概率。
将ETA应用于分析一个影响多种结果的初始事件，是一种分析灾难原因的合适方法。在事件树中，系统中的所有事件都以图形化的方式进行描述，对事件的时间顺序的描述非常有效，因为树与事件发生的顺序相关。在设计阶段，利用ETA验证了提高系统性能的准则;获取测试运行和管理的基本信息;并找出有效的方法来保护系统免受故障。ETA技术不仅适用于设计、施工和操作阶段，而且适用于操作的变化和事故原因的分析。
第一个后续事件
第二个后续事件
第n个后续事件
结果
起始事件
图3 事件树结构(Ang and Tang, 1984)
在本研究中，通过分析与危险初始事件相关的风险传播的结果，ETA被应用于防止系统发生故障，例如隧道的总损失。最后，它被用来作为一个指南，通过叠加额外的安全措施，对应于分析过程中识别的风险成分，以确保系统安全。在事件树分析过程中需要定性决策时，综合运用了由经验丰富的水下隧道监理人员、盾构TBM工程师和隧道设计人员组成的专家组的意见。例如，拟采用的后续对策;某些事故的可能性;这些事故的后果可能由专家估计。分析是基于ETA理论(Ang and Tang, 1984)和事件树分析技术(KOSHA CODE P-8-97)的过程进行的，这是1997年KOSHA(韩国职业安全与健康机构)编辑和出版的机器风险评估指南的一部分。本研究的分析过程如图4所示。图4所示的安全功能是预防措施和/或预防初始事件发生的干预措施。
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安全分析
- 确定初始事件
确定初始事件
安全功能选择
定量风险评估
事件树建立
分析结果报告
图4 ETA流程图(KOSHA, 1997)
风险可以定义为对隧道施工完成有重大影响的某些事件和情况。选择初始化事件是ETA最重要的一步，因为它确定了导致风险的组件。在本研究中，初始事件的选择是基于一个由各种数据和分析结果构成的清单(见表1)。隧道作业风险的工艺问题很重要，但本研究只关注客观环境下的起爆事件。因此，本研究并未明确考虑这一问题。
为了识别重要的起爆事件，人们广泛地分析了各种数据，例如某盾构隧道在较差的地基条件下开挖的经验数据;设计报告和水下隧道问题的案例研究。对水力学模型进行了数值分析和实验研究，并从水文角度进行了安全校核。结果,这个盾构隧道施工现场的初始的事件已经被确认为以下三种情况:地质条件差,高水压力,和暴雨(见表2)。这些初始的事件进行了分析,发现他们会导致事故,洪水或隧道工程的失败,和进度和成本的影响,造成损失的人最终权力和/或经济资源。
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- 安全功能选择
在本研究中，安全功能被定义为针对随后引发的某些预期问题采取的一般对策。在编写最后报告的过程中，还提出了保证所要求的安全的其他对策。研究了施工前和施工过程中与施工测量有关的各种因素。因此，已经发现，勘测/设计，工艺规划，施工机械在设计阶段的类型以及施工管理和施工阶段的加固都适用于防止诸如地质条件差，水压高和施工期间可能遇到的强降雨等事件的安全功能。 (表3)
表1水下隧道施工问题分析
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数据 |
预测的问题 |
备注 |
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1.案例 |
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2.最终设计报告 |
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3.事故案例 |
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4.数值分析和模型试验结果 |
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5.水文 |
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表2 确定初始事件
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初始事件 |
原因 |
地点 |
分析问题 |
风险 |
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地质条件差 |
断层带 |
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断裂带 |
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浅硬岩盖 |
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高水压力 |
最大的水压力 |
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