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盾構越江隧道囊狀沼氣爆炸風險的事故樹分析

文檔作者：代仁平周順華宮全美周冠南文檔來源：同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室		點擊數：	更新時間： 2021年09月17日
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盾構越江隧道囊狀沼氣爆炸
風險的事故樹分析
代仁平 周順華 宮全美 周冠南
(同濟大學道路與交通工程教育部重點實驗室，201804，上海∥第一作者，博士生)
摘要 為保證盾構越江隧道工程順利實施，利用事故樹分
析法對其開挖過程中的沼氣爆炸風險進行了分析。首先建
立了盾構隧道沼氣爆炸事故樹，并對其進行了定性分析。分
析結果表明：沼氣爆炸事故樹共有81個最小割集，說明有
81種途徑能夠導致沼氣發生爆炸，故系統危險度高；有6個
最小徑集，說明有6種途徑能夠避免沼氣發生爆炸。控制沼
氣溢出和提前釋放沼氣是控制沼氣爆炸的關鍵因素。從沼
氣的釋放、隧道通風、火源控制和沼氣監測四方面提出了控
制措施。
關鍵詞盾構隧道；沼氣；爆炸風險；事故樹分析；控制
措施
中圖分類號U 455．43；U 458
Fault Tree Analysis of Biogas Explosion in Shield Tunneling
Dai Renping，Zhou Shunhua，Gong Quanmei，Zhou Guan—
nan
Abstract For the smooth engineering of shield tunnel un·
der rivers，an accident tree is set up and a qualitative analy·
sis of the accident tree is done．The result shows that the ac．
cident tree has 81 minimal cut sets，meaning there are 81
kinds of ways leading to biogas explosion；and another 6
minimal diametral sets mean there are 6 kinds of ways that
can be adopted to avoid biogas explosion．Controlling bio—
gas overflow and the advanced emission are the key factors
of controlling biogas explosion．Finally this paper proposes
the control measures of biogas explosion accident from as—
pects of biogas mission，tunnel ventilation，fire source con·
trol and biogas monitoring．
Key words shield tunneling；biogas；explosion risk；fault
tree analysis；control measures
Hrst-author’s address Key Lab of Rood and Traffic Engi．of
the Ministry of Education，Tongji Univ．，Shanghai，China
盾構隧道施工中，一旦發生沼氣爆炸將對人員
造成傷亡，對施工設備和隧道結構造成破壞。如
· 30 ·
1993年東京江東區越中島三段附近的東京都水道
局輸水管道盾構隧道發生沼氣爆炸事故，造成4人
死亡、1人受傷，盾構機和隧道都遭到不同程度的破
壞_1]。煤礦發生沼氣爆炸的事故也數不勝數。煤礦
行業，主要應用模糊數學、層次分析法、安全調查表
和事故樹分析方法對瓦斯的爆炸風險進行評估，并
提出相應的控制措施_2 ]。盾構隧道建設中，主要
從通風管理、沼氣的監測、盾構機選型等幾個方面進
行風險控制與管理l4]。本文結合某盾構越江隧道的
具體情況，利用事故樹分析法對盾構隧道施工中沼
氣爆炸風險進行分析，尋找沼氣爆炸的關鍵控制點，
并結合實際情況提出控制措施。
1 工程概況
某越江隧道為全地下區間，其中區間左線總長
為2．946 km，右線總長為2．956 km，越江段長度約
為1．34 km。圓形區間隧道采用盾構法施工。盾構
機選用國產直徑為6 340 mm的加泥式土壓平衡盾
構機。圓形隧道的襯砌環由3塊標準塊、2塊鄰接
塊和1塊封頂塊構成。管片內徑5 500 mm，厚度
350 mm，采用錯縫拼裝。接縫防水采用彈性橡筋密
封墊加嵌縫材料。
根據補充勘測資料，隧道區間的江南岸段和江
中段均存在有害氣體。江南岸段地下氣體主要為沼
氣，其體積分數約為9O．4％ ～92．8％ ，以囊狀形式
賦存在⑥3層粉細砂層中；含氣層頂埋深在地面以
下26~27 m 處，含氣層底埋深在地面以下28~30
m處；中心最大氣壓為0．4 MPa，最大流量為26．8
m ／h。江中段地下氣體主要也為沼氣，其體積分數
約為91．6％～94．6％，以囊狀形式賦存于細砂及圓
礫層上部；含氣層頂埋深在地面以下21～23 m處；
含氣層底埋深在地面以下24～28 m處；最大氣壓
約0．22～O．39 MPa，最大流量為48．85 1TI ／h。圖1
第 0l_ll0。 llll_ ≤。lll__ llll 。 ≤ 謄 ≯≯◆0 00一 簟0。毒好 滾
和圖2為沼氣釋放圖片。
圖1 陸地上沼氣釋放情況照片
圖2 江中沼氣釋放情況照片
2 沼氣爆炸事故樹分析
2．1 事故樹分析法(FTA)
事故樹分析法(Fault Tree Analysis，簡為FTA)
是從結果到原因找出與事故有關的各種因素之間因
果關系、邏輯關系的作圖分析法，目的是分析系統中
事故產生的原因和評價系統潛在危險。FTA 簡單明
晰、使用范圍廣，既能定性分析也能定量分析，是比較
常用的事故分析方法之一。利用事故樹進行分析，不
僅能分析出事故的直接原因，而且能深入挖掘事故的
潛在原因。通過這種分析，可以經濟、便捷地尋找到
控制事故的方法，作出安全評價的微觀指導，又可檢
測出系統中是否設有可靠的防患于未然的保護措
施[5-63。FTA的分析過程如圖3所示。
I 堊至竺
調查事故H 確定頂上事件
復集系統資料t4 建造事故樹 H調查原因事件
千 + 千
L 修改簡化事故樹卜——
圓 圓審
+
I制度安全措施
圖3 事故樹分析流程
2．2 沼氣爆炸事故樹的編制
根據沼氣爆炸理論，沼氣爆炸必須同時具備3
個基本條件，即沼氣積聚、供氧及引爆火源 。在
大多數條件下，供氧條件都滿足，只要有一定濃度
(達到爆炸極限)的沼氣和引爆火源同時存在，沼氣
爆炸就必然發生。因此，氧氣不作為基本事件進行
分析，而把沼氣監測控制作為基本事件。
根據沼氣爆炸條件，引起沼氣爆炸的基本事
件[9 0=如表1所示；構建沼氣爆炸的事故樹如圖4
所示。
表1 沼氣爆炸基本事件
序號 事件
引爆源(A )
X1 明火(吸煙，電氣焊，大功率燈泡)
撞擊摩擦生火(機械撞擊等)
3 靜電(未穿防靜電服等)
電器火花(開關短路，設備失爆，電線老化等)，沼氣漏檢或失控
s 沼氣濃度未控制在規定范圍內
6 無沼氣檢測設備
未按規定檢查沼氣
s 沼氣報警儀失靈或安裝位置不對
X9 人員失誤(無固定沼氣檢查員或其失職)
沼氣超標時處理不當
沼氣大量積聚(A2)
沼氣大量涌出
沼氣壓力過大
未釋放壓力或釋放不夠
通風不好
無通風設備
供風量不足(設計風量過小等)
局部通風機停止工作(故障，人為停機)
通風形式不對(如自然通風、擴散通風)
2．3 事故樹定性分析
2．3．1 事故樹的最小割集
最小割集是導致頂上事件發生的最低限度的基
本事件組合，它表示系統的危險性。最小割集越多，
系統越危險。研究最小割集是研究系統發生事故的
規律和表現形式，發現系統中的薄弱環節。由圖4的
沼氣爆炸事故樹分析可得出事故樹的結構函數為：
T = 】(A1 A2) (1)
A1=(X1+X2+ ，L{+ ，4) (2)
A2=C1 C2 C3= ( 5+ 6+ 7+
8+ 9+X 10)(X11X11)
( 13+ X14+ {5+ 16) (3)
將式(2)和式(3)代人式(1)得：
T =X()A1 A2 = X()( 1+ 2+ X3+ X4)
(X5+X6+ 7+ ，8+ 9+XlcJ)
(X 11 12)( 13+ X 14-I- 15+ X16) (4)
· 1 ·
c ¨ 幢 c2 ” xH 巧 x：寶
溺 驥 交圈l鼴
圖4 沼氣爆炸事故樹分析
通過進一步化解，得到沼氣爆炸事故樹的81個 ： + + ： + 。 +
最小割集，即：
K1= { 【l， 1， 13， 5， 12}
K2= { 【l， 2， 13， 5， 1 2}
K8(J= { 【)， 3， 1 l 2)
K Bt： ＼Xt1，X 3，XII，xl6，x1t ，Xl2＼
2．3．2 事故樹的最小徑集
最小徑集是導致頂上事件不發生的最低限度的
基本事件組合，它表示系統不發生事故的幾種可能
方案，即表示系統的可靠性。研究最小徑集是研究
保證正常運行需要那些基本環節應正常發揮作用的
問題。通過沼氣爆炸事故樹的對偶數可得：
X XbX 7X8x X tl+ X1 +
12+ 13 14 15 16 (5)
則沼氣爆炸事故樹的6個最小徑集分別為：
P ={ }
P2={ 1， 2， 3， 4}
P3={ 5， 6， 7， 8， 9， 1{】}
P4={ 1．}
P5={ 12}
P6={ 13， 14， 15， 16}
根據最小徑集繪制沼氣爆炸事故樹的成功數，
如圖5所示。
網5 沼氣爆炸事故樹的成功樹
2．4 結構重要度分析
在實際調查中，判斷某個基本事件的發生概率
· 32 ·
相當復雜。本文根據事故樹的結構特點，從其敏感
度出發，求出基本事件的結構重要度。結構重要度
第_5斕0◆。0ll 。lll 0ll_ _ 0。 ≯0ll 0___ 00 lll√0-00曩專0 0鐐_溱÷鎊 孵l
是指不考慮基本事件自身的發生概率，或假定各基
本事件的發生概率相等，僅從結構上分析各個基本
事件對頂上事件發生所產生的影響程度，一般可采
用結構重要系數、最小割集或最小徑集來判斷。本
文采用最小徑集對其進行判斷，基本原則如下：
1)單事件最小徑集中基本事件結構重要度系
數為最大。由此可得：
，IJ= ，11= ，12
2)僅出現在同一最小徑集中的所有基本事件
結構重要度相同。
I、= I 2= I 3= I 4= l、3= l t= I = It
，5= ，6= ，7= ，8= ，9= ，l()
I = l 2 = I 3 = I 4
3)分別出現在不同的最小徑集中，基本事件個
數越少的最小徑集中基本事件的結構重要度越大。
則可得：
，1]=，1】= ，】2> ，】= ，2= ，3= ，4=
，13= ，14= J15= ，16> J5=
，6 = ，7 = ，8 = ，9 = ，1()
2．5 事故樹分析結論
1)沼氣爆炸事故樹有81個最小割集，說明引
發沼氣爆炸的途徑有81條，系統很危險。
2)沼氣爆炸事故樹有6個最小徑集，說明有6
種途徑可避免沼氣爆炸。
3)從結構重要度中可知， ， ：結構重
要度最大，說明在沼氣爆炸風險控制時，可通過釋放
沼氣壓力到安全范圍內，就能減小沼氣的涌出，避免
沼氣聚集而達到爆炸極限。火源的控制和通風控制
也是非常重要的因素。
3 沼氣爆炸風險控制措施
從沼氣爆炸理論和沼氣爆炸事故樹分析可知，
要防止沼氣發生爆炸，就應在實際施工中采取相應
的控制措施，消除引發沼氣爆炸的基本條件。
3．1 控制沼氣涌出
在隧道掘進前，釋放沼氣壓力使其在安全范圍
內，以減小沼氣涌出、積聚的可能性。本工程陸上段
和江中段的沼氣釋放孔平面布置如圖6和圖7。
圖6 陸上放氣孔平面布置圖
：·：∥ t：· }
圖7 江中段放氣孔平面布置圖
3．2 加強通風
為確保盾構安全掘進、防止沼氣積聚，應建立和
完善隧道通風系統，保證工作面有足夠的風量，并加
強局部通風管理。根據以往類似工程施工經驗，參
考《瓦斯隧道施工技術規范》，本工程盾構隧道施工
通風方式將選用混合式通風，作為預防沼氣的體積
· 33 ·
l 溺 濯 圈爨曩 曩㈡ 0 蚤
分數超標的主要措施。具體操作如下：
1)當沼氣的體積分數≤0．25％時，按正常通風
采用壓入式向隧道內輸送新鮮空氣，以稀釋隧道內
少量的沼氣；
2)當沼氣的體積分數>O．25％時，開始考慮加
強通風，啟動混合式通風系統(即同時開啟抽出式風
機)。盡量將隧道內沼氣的體積分數控制在0．25％
以下，以保障隧道掘進施工的正常進行。
3．3 杜絕火源
1)禁止在盾構內使用明火；
2)嚴禁攜帶煙草、點火物和其它易燃物品及穿
化纖衣服進入盾構工作區，必須帶入的易燃品要經
總工程師批準；
3)不得在盾構隧道內從事焊接作業，如非進行
不可，必須制定安全措施，報經項目經理批準，并遵
守有關規定；
4)盾構隧道內電氣設備必須有防雷和防短路
保護裝置，應采取有效措施防治隧道內雜散電流；
5)加強機電設備及供電線路的管理，完善機電
設備的各類保護措施，并定期進行檢查維修。
3．4 加強沼氣監測控制
1)監測標準：參照《瓦斯隧道施工技術規范》，
沼氣段施工時的正常施工、警戒施工、中止作業及人
員撤離的沼氣體積分數以及所采取的措施見表2。
表2 沼氣監測標準及處理措施
2)監測設備：盾構越江施工時，在盾構機的螺
旋機出口、盾尾和第一節車架處，設置固定式自動有
毒有害氣體監測報警裝置；在第二和第三節車架問
固定放置一臺移動手持式有害氣體監測儀器，作為
該區域特定的檢測設備；在隧道施工面及成形隧道
內再配置1臺手持式有害氣體監測儀器(可監測沼
氣、一氧化碳、硫化氫和氧氣的濃度)和3臺手持式
沼氣監測儀器，進行人工晝夜不間斷的監測。
3)完善安全生產規章制度：認真落實好各項安
全生產規章制度和操作規程，嚴格沼氣檢查制度，從
組織制度上避免沼氣漏檢；建立健全教育培訓機制，
提高沼氣檢查員和安全管理人員的專業素質及安全
意識，讓其充分認識到沼氣漏檢的危害性。
4 結語
1)對沼氣爆炸的風險事故原因及條件進行了
分析與總結，建立了沼氣爆炸事故樹。
2)在沼氣爆炸事故樹分析中，通過對16個基本
事件的定性分析，明確了沼氣爆炸的薄弱環節；在沼
氣爆炸事故樹的基礎上建立沼氣爆炸的成功樹，提出
了避免沼氣爆炸的6種途徑；確定了發生風險的關鍵
因素集合，并對各項影響因素進行了重要度排序。
3)根據沼氣爆炸事故的發生機理，從沼氣的排
· 34 ·
放、隧道通風、火源的控制和沼氣的監測等四方面提
出了相應的控制措施，為盾構越江隧道的順利實施
提供保障。
參考文獻
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(收稿日期：2009—02—26)

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