沉管隧道施工風險體系綜合評估及應用研究

張姣

(上海城市管理職業(yè)技術(shù)學院土木工程與交通學院，上海　200432)

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沉管隧道施工風險體系綜合評估及應用研究

張姣

(上海城市管理職業(yè)技術(shù)學院土木工程與交通學院，上海200432)

摘要:從沉管隧道施工中的修建干塢及預制管段、沉管隧道的浚挖、管段沉放與連接、基礎(chǔ)處理及回填、環(huán)境因素、安全管理因素等方面進行風險辨識，結(jié)合相關(guān)風險評估和管理規(guī)范、專家法和隧道實際施工技術(shù)，構(gòu)建沉管隧道施工風險評估系統(tǒng)。確立評估流程，即考慮專家的學術(shù)背景、職稱和對沉管隧道風險理論掌握程度等因素，定量化專家的權(quán)重，根據(jù)專家法計算底事件的風險值。將該評估系統(tǒng)應用于港珠澳大橋的水下沉管隧道工程中，根據(jù)評估分析結(jié)果提出了具體的風險應對措施，為該工程的風險管理提供理論參考。

關(guān)鍵詞:沉管隧道施工風險體系權(quán)重指標專家法

沉管法隧道與明挖法、新奧法和盾構(gòu)法等施工隧道方法不同，起步較晚，適用條件較嚴格。沉管隧道在施工和運營過程中會受到復雜的水文地質(zhì)條件、工程進度、成本、環(huán)境、安全管理等因素的影響，使得沉管隧道的建設(shè)和運營不可避免會存在不確定性的風險。施工技術(shù)具有危險程度大、安全隱患多、復雜性、不確定性等突出特點，一旦工程事故發(fā)生將會造成人員傷亡、巨大的經(jīng)濟損失及嚴重的社會影響。

近年來隧道風險評估方法在國外得到了大量的研究及應用，除了將其他工程行業(yè)已有的風險評估方法成功地用于隧道與地下工程中外，還根據(jù)隧道工程的特點發(fā)展了一些風險評估模型。比如文獻［1］等針對Rogfast海底隧道工程，提出了管理此類不確定性風險的評估框架，文獻［2］對公路隧道進行風險概率的優(yōu)化。其他隧道風險評估方法還有風險矩陣法、層次分析法、蒙特卡羅模擬法、故障樹分析法、決策樹分析法、貝葉斯網(wǎng)絡、模糊綜合評價法、影響圖、熵權(quán)分析法等［3-6］，在隧道工程界得到了一些應用和推薦。

我國在沉管隧道工程的理論研究和工程實踐時間都比較短，還處于發(fā)展階段。本文結(jié)合沉管隧道工程的特點，確立評估流程，考慮專家相關(guān)信息，量化專家權(quán)重，根據(jù)專家法確定底事件風險值，評價中間層風險，從而實現(xiàn)對沉管隧道施工風險的客觀評價。根據(jù)評價結(jié)果提出風險應對措施，為工程建設(shè)管理提供參考。

1沉管隧道施工風險評估流程

沉管隧道施工風險因素評估流程，首先根據(jù)國內(nèi)外收集的已發(fā)生沉管隧道事故和沉管隧道工程實例，按照沉管隧道施工工藝流程，從修建干塢及預制管段、沉管隧道的浚挖、管段沉放與連接［7］、基礎(chǔ)處理及回填、環(huán)境因素、安全管理因素等方面進行風險辨識，構(gòu)建施工風險評估系統(tǒng)。由專家的職稱、對沉管隧道風險了解、從事相關(guān)工作年限、對沉管隧道了解程度等方面，定量化每位專家的權(quán)重。再對風險評估系統(tǒng)的底事件采用專家打分法進行風險評估，根據(jù)專家的權(quán)重則可確定單個底事件的風險值。最后對中層風險事件風險值計算分析，找出風險值較大的風險因素，提出相應的預防和控制措施。風險系統(tǒng)評估流程見圖1。

圖1沉管隧道施工風險系統(tǒng)評估流程

2沉管隧道施工風險評估系統(tǒng)

2. 1風險辨識

根據(jù)以往工程經(jīng)驗結(jié)合擬建工程的具體情況，如水文、地質(zhì)和氣象條件等，參考類似工程中風險事件和相應的致險因子，結(jié)合初步設(shè)計風險評估結(jié)果，通過專家調(diào)查，針對施工工藝流程，對工程施工中可能產(chǎn)生的風險事件進行識別。

2. 2風險評估方法及標準

風險評估系統(tǒng)從沉管隧道工程設(shè)計單位、施工單位、高校專家調(diào)查等方面獲得大量代表性沉管隧道工程事故案例，辨識工程各階段風險事件的類型;借助工程經(jīng)驗因時因地，具體分析并確定采取的措施。以概率統(tǒng)計(專家調(diào)查打分法)為基礎(chǔ)，并結(jié)合《鐵路隧道風險評估與管理暫行規(guī)定》中的風險等級標準和ALARP接受準則［8-9］進行綜合評價。

2. 3構(gòu)建沉管施工風險評估體系

隧道沉管施工風險是一個動態(tài)過程，施工期的風險因素會隨著隧道工程建設(shè)的推進而改變。因此，建立的風險評價體系必須是動態(tài)的。

通過對上海中交三航局、上海中交四航局、中交第四航務工程勘測設(shè)計院、上海隧道股份有限公司、上海建工集團等多個隧道工程設(shè)計或施工單位調(diào)研，統(tǒng)計分析以往的沉管隧道工程風險事故資料，并進行沉管隧道施工安全風險的專家調(diào)研，根據(jù)《鐵路隧道風險評估與管理暫行規(guī)定》和相關(guān)資料［10］，從立項、規(guī)劃、勘察、設(shè)計、施工等不同階段識別風險因素的類型，建立隧道施工整體風險的評價體系。

3沉管隧道工程風險評價系統(tǒng)實例

3. 1工程簡介

港珠澳大橋全長接近50 km，主體工程長約35 km，包含離岸人工島及海底隧道，是中國交通建設(shè)史上技術(shù)最復雜、環(huán)保要求最高、建設(shè)要求及標準最高的工程之一。其中海底隧道全長5 664 m，建好后是雙向六車道的公路隧道，使用沉管法修建港珠澳大橋的水下隧道工程，由33節(jié)鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的沉管對接而成，是世界上最大的海底沉管隧道。

此隧道沉管預制由工廠化標準生產(chǎn)，海上氣候條件要求嚴格，很大程度決定了沉管浮運和對接的成敗。在沉管隧道安裝前，要在挖好的“最精細”基槽中做碎石基床基礎(chǔ)。水下對接在環(huán)境復雜的海底進行，受多種環(huán)境介質(zhì)影響。因此對沉管隧道的整個施工過程風險、環(huán)境因素風險、安全管理因素風險的控制要求非常高，本文的研究成果對后期的沉管隧道工程施工能起到一定的指導作用。

3. 2專家權(quán)重的定量化

本文根據(jù)專家的相關(guān)信息確定專家的權(quán)重，在對有關(guān)專家調(diào)研時，用數(shù)字2，3，4和5表示，然后，歸一化處理，則得相應的權(quán)重，如表1所示。

表1求解專家權(quán)重體系

本文邀請8位沉管隧道方面專家，按照其職稱、對隧道風險理論的了解程度等指標得到相對權(quán)值，用數(shù)字表示，根據(jù)每位調(diào)研專家實際情況求和，然后再進行歸一化處理，結(jié)果見表2。

3. 3構(gòu)建風險評估體系和底事件風險值計算

首先根據(jù)本工程的施工特點，構(gòu)建沉管隧道施工整體評價指標體系(如表3)，然后由8位專家對沉管隧道施工風險底事件的風險評估值進行打分確定，其中評判矩陣中V1i，j表示第j個專家對第i個指標所確定的風險值。針對修建干塢及預制管段評判矩陣為

表2每位專家定量化實際權(quán)重

表3沉管隧道施工整體評價指標體系

考慮各位打分專家的權(quán)重值: w = ( 0. 148，0. 155，0. 140，0. 116，0. 134，0. 116，0. 108，0. 083)，所以修建干塢及預制管段底事件的風險值

同理，可計算出沉管隧道的浚挖底事件的風險值、管段沉放與連接底事件的風險值、基礎(chǔ)處理及回填底事件的風險值、環(huán)境因素底事件的風險值、安全管理因素底事件的風險值，參見表3。

4　風險應對措施

對以上風險評價結(jié)果進行分析，對風險值較大的底事件提出應對措施:

1)修建干塢及預制管段的底事件中，水密性不滿足設(shè)計要求，風險值最大為2. 14，介于中度風險和高度風險之間，其次風險值較高的是塢底承載力不足、預制管段對稱性均勻性差。這說明在修建干塢前，要提前進行工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘查，進行土工試驗，確保塢底有足夠的承載力。同時對預制管段的防水材料和防水部位都要達到設(shè)計要求。

2)沉管隧道的浚挖的底事件中，管段基槽暴露過久、回淤沉積過多的風險較大。表明施工海域底下的地質(zhì)條件非常復雜，應盡量使用技術(shù)成熟、生產(chǎn)效率高、費用低的浚挖方式，管段基槽浚挖亦可分粗挖和精挖兩次進行。本工程基槽通過人工操縱抓斗船上的操作手柄精挖完成，暴露時間不易過久。

3)管段沉放與連接的底事件中，端鋼殼與混凝土接觸面注漿不當和鋼剪力鍵承載能力不足風險較大，在中度和高度風險之間。必須嚴格按照規(guī)定漿液和施工工藝，待管節(jié)混凝土達到設(shè)計強度后作注漿處理。避免因剪力鍵存在接觸不全或受力不均勻，致使鋼剪力鍵承載力不足的風險事故發(fā)生。

4)基礎(chǔ)處理及回填的底事件中，隧道不均勻沉降和首節(jié)管節(jié)基礎(chǔ)對結(jié)構(gòu)影響風險較大，為中度風險。分別針對不同隧道段采取降水堆載預壓、擠密砂樁、換填碎石等方法，使地基的剛度逐漸過渡，控制地基沉降。專門進行結(jié)構(gòu)整體受力計算和設(shè)計，避免首節(jié)管節(jié)內(nèi)基礎(chǔ)剛度變化過大。

5)環(huán)境因素的底事件中風和波浪風險較大，為中度風險，其次是霧、雨、霾(能見度)風險。沉管隧道施工需要精細化，必須提早做小區(qū)域的海洋環(huán)境氣象預報，盡量提高預報的精確度。

6)安全管理因素的底事件中，施工管理混亂、安全意識淡薄和計劃不周、施工組織不嚴密風險值較大。需要建立安全管理體系，從組織上落實安全措施，做好安全施工技術(shù)教育，制定健全的法規(guī)制度和安全規(guī)范。同時加強現(xiàn)場施工管理，兼顧工程建設(shè)和航道通航。

5　結(jié)語

1)依據(jù)沉管隧道施工工藝流程，通過風險辨識，構(gòu)建沉管隧道施工風險評估系統(tǒng)，根據(jù)專家法計算底事件風險值，對沉管隧道施工風險進行客觀評價。

2)將該風險評估系統(tǒng)應用到沉管法修建港珠澳大橋的水下隧道工程中，找出風險值較大的風險，并對這些風險提出應對措施，為工程建設(shè)提供理論參考。

3)本文構(gòu)建的沉管隧道施工風險評估系統(tǒng)可準確、綜合地把握風險的特征和相互關(guān)系，還可和沉管隧道施工監(jiān)測成果一起對工程施工進行動態(tài)風險控制。

參考文獻

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(責任審編趙其文)

Comprehensive evaluation of construction risk system of immersed tube tunnel and its application

ZHANG Jiao

( School of Civil Engineering and Transportation，Shanghai Technical College of Urban Management，Shanghai 200432，China)

Abstract:T he paper identified the risks in dock building，precasting of tunnel section，tunnel dredging，tube immersion and connection，foundation treatment and backfill as well as the environmental and safety management factors．Construction risk system of immersed tube is built by combining related risk evaluation management specification，expert method and actual construction techniques in tunnels．T he evaluation procedure is established by quantifying the weights of the experts with their academic background，titles，expertise in the field and etc．a(chǎn)s parameters to calculate the risk value of the bottom incidence．T he system has been applied in the construction of underwater immersed tube tunnel of Hongkong-Zhuhai-M acao Bridge．Base on the analysis results，countermeasures for any potential risks and theoretical reference for risk management are provided．

Key words:Immersed tube tunnel; Construction; Risk system; W eighted index; Expert method

文章編號:1003-1995( 2016) 02-0052-04

作者簡介:張姣( 1981—)，女，副教授，工學博士。

基金項目:國家自然科學基金面上課題( 40972214)

收稿日期:2015-04-14;修回日期: 2015-10-15

中圖分類號:U455．46

文獻標識碼:A

DOI:10．3969 /j．issn．1003-1995．2016．02．12