基于FMEA的地铁盾构始发与到达施工风险识别及评估
摘要： 盾构始发与到达施工是盾构法建造区间隧道的关键工序，也是施工频繁的常见工序。一旦发生事故，将造成较大人员伤亡和经济损失。将失效模式与效应分析（FMEA）法引入地铁盾构始发与到达施工风险评估。通过对该施工工序特点剖析，识别失效模式，制定风险评估标准；通过专家问卷调研，按FMEA法计算风险优先指数（RPN），并对各类风险进行灾害严重性定级；最后，通过对国内地铁施工典型事故案例分析，验证FMEA法评估风险的有效性。
Abstract： The construction at TBM launching & break through area is a critical and frequent common process of tunneling construction. The accident will result in severe casualties and economic losses. This paper presents construction risk identification and evaluation at TBM launching & break through area based on Failure Mode and Effect Analysis（FMEA）. Firstly tunneling construction process features are analyzed， failure modes are identified， and risk evaluation criterions are formulated. Secondly Risk Priority Number （RPN） is calculated according to expert questionnaires， risk-disastrous severity is classified. Lastly the validity of risk evaluation is verified through case analysis of typical metro accidents at TBM launching & break through area.
关键词： 地铁盾构；FMEA；风险评估；始发与到达
Key words： TBM；FMEA；risk evaluation；launching & break through
中图分类号：U455.43 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2014）10-0123-03
0 引言
地铁工程具有投资规模大、建设周期长、施工技术复杂，不可预见致险因素多、社会环境影响大等特点，地铁工程建设是一项高风险建设工程[1]。盾构始发与到达施工是盾构法建造地铁区间隧道的关键工序，也是施工频繁的常见工序。若以一条地铁线路15个车站，80%的双线区间隧道为盾构法施工计，每段区间隧道修建过程中，盾构机一般进出工作竖井各2次，也就是说盾构始发与到达施工次数将达48次。
然而，由于受盾构始发与到达施工工期短、工作竖井及周边地质条件复杂、端头加固效果不良等诸多不利因素影响，施工中稍有不慎就会引发事故，造成较大或重大损失。例如：上海地铁2号线某盾构到达施工时，洞门土体坍塌，导致下方施工人员受伤；上海地铁1号线所有7台盾构机在始发与到达施工过程中，均遇到不同程度的涌泥涌水工程事故；南京地铁某盾构标段，曾发生多起应盾构始发工作竖井端头地层加固不当而造成的事故[2]。
地铁隧道盾构施工风险评估方法主要包括：风险矩阵法、故障树分析法、层次分析法、模糊评价法等[3]。本文将失效模式与效应分析（Failure Mode and Effect Analysis，FMEA）引入地铁盾构始发与到达施工风险评估，通过对盾构始发与到达施工工序特点的剖析，识别失效模式，制定风险评估标准，通过专家问卷调研，按FMEA法计算风险优先指数（Risk Priority Number，RPN），对各类风险进行灾害严重性定级，通过国内地铁施工典型事故案例分析验证FMEA法评估风险的有效性。
1 FMEA基本原理及研究现状
FMEA主要针对各种可能的风险进行评价、分析，并通过对失效问题的严重度（Severity）、发生频率（Occurrence）与可检度（Detection）相乘的结果分析，帮助项目管理人员通过实施合理措施，将这些风险消除或减小至可接受的水准。FMEA的主要步骤包括：①分析系统组成、工作模式和环境；②拟订系统潜在失效模式清单，辨识可能存在的危害，确认失效模式发生原因；③进行FMEA关键评估，获得严重性（S），发生率（O），可检度（D）的分值；④计算风险优先指数的数值RPN=（S）×（O）×（D）；⑤进行风险灾害严重性定级评估，提出关键风险控制点和应对措施。
1.1 FMEA在国内外应用现状 国外FMEA方法广泛应用于安全评估、可靠度分析及质量管理等领域，是一项重要的、具事先预防性（Proactive）的安全评估方法。Stamatis（1995）详细阐述了FMEA工作流程及其在不同领域的应用[4]；Price CJ（1995）提出将FMEA方法运用于自动电气设备失效分析[5]；Pillay（2003）提出一种改进的FMEA方法，并运用与近似推理领域[6]；Tellefsen（2005）提出将FMEA运用于医院TB治疗过程[7]。
国内FMEA方法的应用集中在航空、化工[8]、设备维
护[9]等行业应用。在工程建设领域，周荣义（2005）给出TBM隧道施工风险FMEA分析结果，但未对分析过程进行阐述[10]。程卫帅（2006）将FMEA运用于高拱坝施工阶段失效模式分析，列举了大坝系统组成和功能级划分，编制了主要失效模式和效应分析表格，并进行了危害度分
析[11]。但在地铁工程施工安全风险评估领域运用FMEA法的研究成果还较少。
1.2 盾构始发与到达施工风险评估研究现状 宫志群（2006）、严长征等（2007）、王海平（2009）采用层次分析法（AHP）建立地铁盾构始发与到达施工风险评价指标体系，目标层为施工风险，准则层为风险因素，基于多层次模糊综合评判模型进行施工风险评估，获得盾构始发与到达施工过程的风险因素、风险等级及风险的模糊分布[12][13][14]。
周红波等（2006）列举出软土环境下盾构始发与到达的7项施工风险因素，提出可用故障树法（FTA）查明风险因素及风险事件间的关系，但文中未指出故障树中各因子权重取值方法[15]。
陈龙等（2006）辨识出盾构始发与到达的4项施工风险因素，通过分析调查问卷数据，采用信心指数法研究软土盾构隧道施工期风险损失[16]。
陈罡等（2009）提出采用模糊层次分析法及专家信心指数法对上海长江隧道超大直径盾构水中进洞风险进行分析，确定了进洞施工过程中的风险点及其权重，并基于风险分析的结果提出了相应的风险规避措施[17]。
杨太华等（2011）针对上海复兴东路越江隧道工程大型泥水盾构施工技术特点，采用故障树法对盾构始发与到达施工风险进行识别并建立风险清单，运用模糊数学综合模型进行评价[18]。
综上所述，国内盾构始发与到达施工风险识别主要采用AHP法和FTA法，风险评估主要采用模糊综合评判模型，除文献[15]外，其余文献对施工风险因素识别数量
过少。
2 盾构始发与到达施工风险识别及评估
盾构始发与到达施工风险识别及评估包括以下主要步骤：①根据地铁盾构始发与到达施工工序特点，综合国内外相关文献，列出失效模式清单，构建适合于地铁盾构始发与到达施工风险评估的FMEA分析表；②参考通用的FMEA评估原则和专家意见，修订设计适合本研究的FMEA评估标准；③以专家问卷形式进行FMEA各项作业的关键分析；④计算各失效模式分项的风险优先指数（RPN），结合FMEA灾害严重性标准，对各类风险因素进行分级，找出重点监控的风险因素，并制定控制措施。
2.1 盾构始发与到达施工风险识别 地铁盾构始发与到达常见事故包括：凿除洞门涌水、涌土；工作井坍塌；盾构机“抬头”“叩头”；加固土体掘进困难等。地铁盾构始发与到达作为一个系统进行考察，按施工顺序可划分为：设备安装调试S1，破除洞门S2，初期掘进S3，到达作业S4，临时工程和设备拆除S5这五个子系统。对每一子系统进行失效模式、失效原因分析，列出失效模式清单（含失效模式10类，失效原因40项），以S2系统为例，如表1所示。
在辨识地铁盾构始发与到达施工风险后，编制FMEA评估分析表作为专家问卷的核心内容。分析表主要列举分析项目、失效模式、失效原因及关键分析评分栏。
2.2 盾构始发与到达施工风险FMEA评估标准设计
参考通用的FMEA评估原则，根据地铁盾构施工特点和专家意见，设计适合地铁盾构始发与到达施工风险评估的FMEA评估标准。盾构始发与到达FMEA-严重度（S）评估标准分为危险的-无预警、危险的-有预警、很高的、高度的等10项，对应分值为10-1；盾构始发与到达FMEA-发生率（O）评估标准分为非常高、高度的、中度的、低度的、机会微小5项；可能失效频率分为10档，对应的分值为10-1；盾构始发与到达FMEA-可检度（D）评估标准分为几乎无法检测出、机会非常微小、低度的、非常高等10项，对应分值为10-1（限于篇幅，详细的评估标准列表从略）。
根据FMEA评估结果，引入FEMCA（Failure Modes， and Effects Criticality Analysis；失效模式、影响与危险度分析）中灾害严重性分类法，对风险因素进行分级，找出重点监控的风险因素。其灾害严重性分为5级：I（严重度（S）？叟7，RPN？叟150）；II（严重度（S）？叟7，150>（RPN）？叟130）；III（严重度（S）？叟7，130>RPN？叟115）；IV（严重度（S）？叟7，115>RPN？叟100）；V（严重度<7，RPN？叟100）。
2.3 FMEA风险评估结论 将FMEA评估分析表（每套5张，限于篇幅从略）发放给10位参与调研的专家，计算各专家对风险因素的RPN值，并求平均值（限于篇幅计算过程从略）。选取RPN？叟115，严重度（S）？叟7的项目进行重点分析，其主要评估结果如表2。
3 应用案例
选取国内盾构始发与到达施工发生中发生的典型安全事故案例，分析说明失效项目/模式，并与本文识别评估结果进行对比。从分析对比结果看，发生施工安全事故的案例大部分属于RPN大于160，I类严重性灾害项目（如表3所示），和本文的分析研究成果较匹配。
4 结论
本文将FMEA方法引入地铁盾构始发与到达施工风险识别及评估领域，根据地铁盾构施工特点，编制设计了FMEA风险评估表、制定了评估标准，根据专家调研问卷，计算RPN，识别出关键风险，并通过具体工程事故案例进行验证，证明风险识别及评估结果的合理性。
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