張青海

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071）

外海沉管隧道浮運安裝施工的風(fēng)險管理研究

張青海

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071）

沉管隧道基礎(chǔ)鋪設(shè)、浮運系泊、沉放對接、鎖固回填等施工技術(shù)及工藝復(fù)雜，施工風(fēng)險管理難度大。目前，有關(guān)外海沉管隧道浮運安裝施工的風(fēng)險管理文獻資料很少，沉管隧道項目組織施工可借鑒的風(fēng)險管理經(jīng)驗緊缺。為解決上述難題，首先調(diào)研了國內(nèi)國外沉管隧道安裝施工風(fēng)險案例，結(jié)合港珠澳大橋島隧工程項目，總結(jié)了項目施工內(nèi)容和施工特點；其次，根據(jù)項目特點比選風(fēng)險評估方法，首次提出應(yīng)用風(fēng)險矩陣法對外海沉管隧道浮運安裝施工的風(fēng)險因素進行評價、管理分析，并將該法應(yīng)用于正在施工的港珠澳大橋島隧工程項目的風(fēng)險管理中，在該項目風(fēng)險管理過程中辨識出施工風(fēng)險點主要集中的工序，有效地預(yù)防了重大風(fēng)險事件的發(fā)生，以期為類似工程項目的施工管理提供可借鑒的風(fēng)險管理方法和經(jīng)驗。

沉管隧道；浮運安裝；風(fēng)險管理；矩陣法；風(fēng)險點

0 引言

沉管隧道的研究及應(yīng)用歷史久遠，1896年美國首次利用沉管法建成波士頓港輸水隧洞，自1970年以來沉管隧道發(fā)展迅速，并被世界各國普遍采用［1］。2013年，土耳其正式開通世界首條連接歐亞大陸的博斯普魯斯外海沉管隧道，由于該沉管隧道對地質(zhì)水文適應(yīng)能力強、可淺埋、易與兩岸道路銜接、工期短、造價低等優(yōu)勢顯著，激發(fā)了世界各國對沉管隧道應(yīng)用的熱情［2］。我國于2003年建成了上海外環(huán)沉管隧道［3］，2010年開始籌劃港珠澳大橋島隧工程項目的建設(shè)，截至2015年7月港珠澳大橋的沉管隧道安裝施工進展順利，已完成19個管節(jié)的安裝，這也標(biāo)志著我國沉管隧道施工技術(shù)已經(jīng)成熟，未來的瓊州海峽隧道、臺灣海峽隧道，甚至渤海灣隧道等項目具備了沉管隧道施工技術(shù)條件，沉管隧道施工技術(shù)將在我國隧道工程中得到廣泛應(yīng)用［4］。

隨著沉管隧道工藝的推廣應(yīng)用，相關(guān)的技術(shù)研究成為熱點，但施工風(fēng)險管理卻僅停留在實踐經(jīng)驗的積累上，尚未形成系統(tǒng)的沉管隧道風(fēng)險管理方法，很難查詢到有價值的施工管理方面的經(jīng)驗總結(jié)文獻。由于外海沉管隧道浮運安裝施工的風(fēng)險管理研究匱乏，在施工過程中風(fēng)險事故頻發(fā)，如厄勒海峽沉管隧道在安裝施工過程中發(fā)生端封門破裂灌水事故、釜山巨濟沉管隧道在安裝施工過程中發(fā)生止水帶側(cè)翻事故等，每一起事故都會造成項目成本倍增、工期長時間延后，影響整個交通設(shè)施的正常通行營運，給社會和企業(yè)帶來巨大的損失［5-6］。

為最大可能地減少在外海沉管隧道安裝施工中發(fā)生重大風(fēng)險事故，本文對外海沉管隧道浮運安裝施工的風(fēng)險管理進行了總結(jié)、分析和研究，首次提出了運用風(fēng)險矩陣法評價外海沉管隧道浮運安裝的施工風(fēng)險，總結(jié)出包括風(fēng)險辨識、分析、評價方法在內(nèi)的一套具有針對性的風(fēng)險管理方法。文中結(jié)合正在施工的港珠澳大橋沉管隧道項目，總結(jié)風(fēng)險管理經(jīng)驗教訓(xùn)，辨識出在外海沉管隧道浮運安裝施工中風(fēng)險點較集中的工序。

1 沉管隧道風(fēng)險案例

在眾多的沉管隧道工程案例中，重點參考了位于丹麥、瑞典間的厄勒海峽沉管隧道、韓國釜山巨濟沉管隧道、日本多摩川沉管隧道、寧波常洪沉管隧道以及上海外環(huán)沉管隧道。前2個工程均為外海沉管隧道，也是橋隧結(jié)合工程，是典型的沉管隧道外海安裝施工的案例。寧波常洪隧道與上海外環(huán)隧道均為國內(nèi)沉管隧道項目，技術(shù)資料齊全，風(fēng)險分析資料相對可靠。案例調(diào)查如表1所示。

表1 沉管隧道風(fēng)險事故調(diào)查案例Table 1 Cases of immersed tunnels

1.1 厄勒海峽沉管隧道

1.1.1 工程的總體情況

跨越厄勒海峽的連接線位于哥本哈根（丹麥）與馬爾默（瑞典）之間，管節(jié)制作采用了工廠化方法，較好地滿足了沉放施工進度，沉管段的最大水深約30 m［5］。

1.1.2 施工過程中的問題與解決辦法

在對12A管節(jié)按照正常的程序進行了壓載水箱充水后，所有人員離開管節(jié)，并按照一般程序來到指揮塔，隨后沉放工作開始。當(dāng)管段下沉至離礫石基床1.3 m的位置時，在鐵路側(cè)的端封門失效，海水涌入管段，并從人孔噴出，管節(jié)突然傾斜并沉入海底，所幸在整個過程中沒有出現(xiàn)人員傷亡（見圖1）。

圖1 管節(jié)沉放端封門開裂示意圖Fig.1 Damage of bulkhead during tube immersing

在事故發(fā)生后，對沉入海底的管節(jié)進行水下調(diào)查和結(jié)構(gòu)評估，結(jié)果表明，管節(jié)本身沒有出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。然后對管節(jié)進行打撈，拖回塢內(nèi)進行修理和重新舾裝，重新進行沉放。

1.2 釜山巨濟沉管隧道

1.2.1 工程的總體情況

韓國釜山—巨濟連線是連接韓國最南端的第2大城市釜山和巨濟島的高速公路，隧道底部最大水深約50 m［6］，如圖2所示。

圖2 釜山巨濟沉管隧道縱斷面Fig.2 Profile of Busan-Koje immersed tunnel

1.2.2 施工過程中的問題與解決辦法

在E16管節(jié)浮運就位前，GINA止水帶受意外碰撞造成損傷。事故導(dǎo)致工期延誤3個月，修復(fù)GINA止水帶及其他臨時工程的重復(fù)施工，造成嚴(yán)重的經(jīng)濟損失。

處理辦法：浮運系泊階段的方案制定嚴(yán)密，執(zhí)行嚴(yán)格；系泊區(qū)采取禁航措施；對GINA止水帶及一些易損壞的舾裝件加裝保護裝置。

1.3 寧波常洪沉管隧道

1.3.1 工程的總體情況

常洪隧道是寧波市外環(huán)路的一個重要工程，于2002年建成通車，如圖3所示。

圖3 管節(jié)制作與浮運沉放施工Fig.3 Tube prefabrication and installation

1.3.2 施工過程中的問題與解決辦法

1）某管節(jié)沉放鎖定后又出現(xiàn)上浮現(xiàn)象。由于槽底的回淤，導(dǎo)致管節(jié)的抗浮系數(shù)不夠，管節(jié)上浮。發(fā)現(xiàn)問題后立即用約3 000 t黃沙進行壓載，阻止管節(jié)上浮，并對已經(jīng)沉放就位的管節(jié)加強監(jiān)測。

2）水下截樁不到位導(dǎo)致E4管節(jié)無法沉放。寧波常洪沉管隧道采用樁基礎(chǔ)，沉樁后需要對樁頂進行處理（水下截樁），以保證樁頂標(biāo)高不高于設(shè)計的管底標(biāo)高，管節(jié)和樁頂之間通過注漿囊袋實現(xiàn)傳力。在E4管節(jié)沉放前，由于某根樁的截樁不到位，頂標(biāo)高高于管底標(biāo)高，導(dǎo)致E4管節(jié)無法沉放到位。管節(jié)被拖回干塢，對樁頂進行重新處理后再沉放。

1.4 上海外環(huán)沉管隧道

1.4.1 工程的總體情況

上海外環(huán)隧道是上海市“三環(huán)十射”快速道路系統(tǒng)中的一個重要工程，隧址距吳淞口約2 km，斷面尺寸為亞洲之最，世界第3，如圖4所示。

1.4.2 在施工過程中所遇的問題與解決辦法

當(dāng)E2管節(jié)沉放接近目標(biāo)時，發(fā)現(xiàn)基槽有淺點，液壓絞車發(fā)生故障，管節(jié)無法沉放到位。這是一個典型的多風(fēng)險源疊加出現(xiàn)的案例，在這次事故中有3個風(fēng)險源同時出現(xiàn)，即基槽淺點、設(shè)備故障、設(shè)備維修不及時。事故給我們的啟示是，在每次管節(jié)沉放前，除了要對設(shè)備進行全面的維修保養(yǎng)外，還需要有一定的備品、備件，或者切實可行的應(yīng)急預(yù)案。

圖4 干塢內(nèi)的管節(jié)Fig.4 Tubes in dry dock

2 外海沉管隧道浮運安裝施工項目的工藝和特點

2.1 主要施工項目

外海沉管隧道一般為跨海大橋穿過航道的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)構(gòu)的兩端需借助人工島（或自然島）作為隧道和橋梁的銜接。外海沉管隧道浮運安裝施工項目主要包括基礎(chǔ)處理［7］、管節(jié)舾裝、管節(jié)出塢、管節(jié)浮運系泊、管節(jié)對接、覆蓋回填等，此外，管節(jié)的浮運沉放對接作業(yè)還需要借助壓載水系統(tǒng)［8］、對接拉合系統(tǒng)［9］、測控系統(tǒng)等來完成。

2.2 施工特點

外海沉管隧道浮運安裝施工一般遠離陸地、外海無掩護施工、作業(yè)條件差、技術(shù)難點多、安裝作業(yè)強度大、環(huán)保要求嚴(yán)、施工風(fēng)險大。本文以港珠澳大橋島隧工程在建項目為例，該工程隧道總長度5 664 m，為東西走向，兩端與人工島暗埋段相接。隧道位于珠江口的伶仃洋海域，由33個管節(jié)組成，管節(jié)寬37.95 m、高11.4 m，隧道與人工島銜接布置如圖5所示［10］。

圖5 外海沉管隧道與人工島連接Fig.5 Connection between immersed tunnel and artificial islands

施工特點如下：1）隧道往往穿過運輸繁忙的航道，水上交通事故易發(fā)；2）隧道與人工島銜接部位作業(yè)面狹窄、水流條件復(fù)雜、安裝難度大；3）在復(fù)雜水流和航運條件下的管節(jié)浮運難度大；4）水文與氣象作業(yè)窗口精確選擇難度大；5）在外海深水壓力條件下的管節(jié)端封門使用安全風(fēng)險大，深水條件的潛水作業(yè)安全風(fēng)險大，突發(fā)災(zāi)害天氣（如突風(fēng)、臺風(fēng)、海嘯等）現(xiàn)場作業(yè)安全風(fēng)險大。

3 風(fēng)險管理最優(yōu)方法

3.1 風(fēng)險管理原則

目前，在隧道工程風(fēng)險管理中普遍采用ALARP原則，即在合理可行的范圍內(nèi)將風(fēng)險降到最低［11］。沉管隧道外海安裝施工的規(guī)模大、不可預(yù)見的風(fēng)險多，風(fēng)險管理非常重要。風(fēng)險管理要遵守ALARP原則，如圖6所示。

3.2 最優(yōu)風(fēng)險分析評價法

分析上述已調(diào)研的沉管隧道風(fēng)險事故案例，結(jié)合沉管隧道外海安裝施工內(nèi)容和主要特點，對適合該項目的風(fēng)險評估方法進行比較分析，最終確定風(fēng)險矩陣法為最優(yōu)風(fēng)險評估方法。

圖6 ALARP原則示意圖Fig.6 Sketch diagram of ALARP

風(fēng)險矩陣法是采用概率理論對風(fēng)險因素發(fā)生的概率和后果進行評估的方法［12］，一般步驟為：1）確定風(fēng)險評估指標(biāo)；2）確定每個風(fēng)險因素的后果等級；3）確定每個風(fēng)險因素的概率等級；4）將風(fēng)險發(fā)生的后果等級和概率等級分別列在風(fēng)險矩陣圖上，二者垂直坐標(biāo)交點區(qū)域即為風(fēng)險等級。該方法操作簡單，容易得到風(fēng)險評估的結(jié)果，屬于半定量分析法［13］。

文中風(fēng)險評估與管理研究所采用的風(fēng)險評估打分方法和評價準(zhǔn)則，是參照文獻［14］中的相關(guān)數(shù)據(jù)和總結(jié)項目施工風(fēng)險管理工作經(jīng)驗來確定的。

3.2.1 風(fēng)險量

風(fēng)險量，即某項風(fēng)險事故發(fā)生后的損失程度。按照風(fēng)險發(fā)生后造成事故的損失程度，將風(fēng)險劃分為可忽略、需考慮、嚴(yán)重、非常嚴(yán)重、災(zāi)難性5級，并賦予相應(yīng)分值。

在風(fēng)險管理活動中，風(fēng)險辨識三級會議的參會者對照本級會議風(fēng)險辨識成果清單，并結(jié)合自身學(xué)識和經(jīng)驗對各風(fēng)險的損失進行打分，各損失風(fēng)險在每級會議中的平均分值為其在該級會議中最終確定的損失分值［15］，針對一項風(fēng)險用數(shù)學(xué)語言表達，即

式中：m為會議級別，m＝1、2、3分別表示一級、二級、三級會議；pm為對應(yīng)級別會議的損失分值；pmi為m級風(fēng)險會議第i個專家風(fēng)險損失打分；n為該級會議參與討論辨識打分者人數(shù)。

將三級會議的損失分值分別賦予相應(yīng)的權(quán)值，再取平均值作為該項風(fēng)險的風(fēng)險量，較專家直接打分得出的分值更為科學(xué)、理性，在一定程度上剔除了個人原因造成的偏差。將一級、二級、三級會議的損失分值分

式中：p為該項風(fēng)險的風(fēng)險量；p1、p2、p3分別為該項風(fēng)險一級會議、二級會議、三級會議的風(fēng)險損失分值。

最后，將該項風(fēng)險的風(fēng)險量值與文獻［14］中的風(fēng)險量分級和分值對應(yīng)表進行對照，即可確定風(fēng)險量的等級。

3.2.2 風(fēng)險概率

風(fēng)險概率，即某項風(fēng)險事件發(fā)生并導(dǎo)致事故損失的概率。按照風(fēng)險發(fā)生的概率將風(fēng)險劃分為罕遇、偶遇、可能、預(yù)期、頻繁5級，參考國際隧協(xié)最新頒布的《隧道工程風(fēng)險管理指南》的評分表進行打分評級。

各風(fēng)險的風(fēng)險概率確定方法同風(fēng)險量的確定方法，即三級會議各與會者在對風(fēng)險損失打分的同時，也為該項風(fēng)險估算出發(fā)生的概率；但是，三級會議所確定的風(fēng)險概率不再賦予權(quán)值［15］。

3.2.3 風(fēng)險矩陣及接受準(zhǔn)則

工程各個風(fēng)險點的風(fēng)險概率和風(fēng)險損失的估算，以及各風(fēng)險點之間的重要程度，通過三級風(fēng)險會議來確定，即讓參會的施工方代表、監(jiān)理代表、業(yè)主代表和專家對識別出來的風(fēng)險因素按照文獻［14］的打分原則進行打分，然后將調(diào)研表格收回，將專家打出的分?jǐn)?shù)進行加權(quán)統(tǒng)計分析，得到每個風(fēng)險因素的風(fēng)險概率以及風(fēng)險后果的嚴(yán)重程度（即風(fēng)險量）。

前文已確定了沉管隧道外海安裝施工的風(fēng)險接受準(zhǔn)則，具體劃分及表述見表2和表3。風(fēng)險矩陣方法綜合考慮了風(fēng)險量和風(fēng)險概率2個方面的因素，可直接評估風(fēng)險因素對項目的影響。依據(jù)風(fēng)險量和風(fēng)險概率的分級，組合得出風(fēng)險可接受程度，風(fēng)險可接受程度采用矩陣方式進行直觀表達。別賦予1.0、1.05、1.1的權(quán)值，該項風(fēng)險的風(fēng)險量用數(shù)學(xué)語言表達，即

表2 風(fēng)險分析矩陣Table 2 Risk analysis matrix

4 風(fēng)險辨識統(tǒng)計分析

以港珠澳大橋沉管隧道外海安裝施工為例，對沉管安裝各工序風(fēng)險點進行逐一辨識，得出風(fēng)險點101項，這些風(fēng)險點在不同工序分布情況如圖7所示。

表3 風(fēng)險管理接受準(zhǔn)則Table 3 Acceptance criteria of risk management

圖7 風(fēng)險點在不同工序的分布圖Fig.7 Distribution of hazards in different construction steps

由圖7可知，在沉管安裝的所有工序中，沉管沉放對接風(fēng)險21項、沉管基礎(chǔ)處理風(fēng)險20項、沉管浮運風(fēng)險14項，這是風(fēng)險點最集中的3道工序，約占總量的54.5%；因此，在施工中應(yīng)對以上3道工序嚴(yán)格管控，在風(fēng)險管理方面給予人力物力傾斜。

以港珠澳大橋沉管隧道外海安裝施工項目為例，依據(jù)3.4中確定的風(fēng)險管理原則和半定量的風(fēng)險矩陣評價方法，對沉管隧道外海安裝施工已辨識出的風(fēng)險進行逐項分析，并評價打分，得出風(fēng)險量化估值，從而可以評判出各工序不可接受的風(fēng)險，具體見表4。

由表4可知，各工序不可接受的風(fēng)險因素共計22個，其中，不可接受風(fēng)險因素較多的工序為基床鋪設(shè)施工和沉放對接施工，均為6個。由此可見，基床鋪設(shè)施工和沉放對接施工，在沉管隧道外海安裝施工中，不可接受風(fēng)險點較多、風(fēng)險危害較大，是風(fēng)險管理的重點。

表4 各工序不可接受的風(fēng)險因素統(tǒng)計及分析平價Table 4 Statistics and analysis of risk factors in each construction step

5 結(jié)論與討論

本文主要以沉管隧道外海安裝風(fēng)險管理工作為研究對象，結(jié)合港珠澳大橋沉管隧道外海安裝施工項目，對風(fēng)險管理工作進行分析研究，為后續(xù)類似沉管隧道外海安裝工程施工提供風(fēng)險管理的理論支持，以提高類似工程的風(fēng)險管理水平，實現(xiàn)零事故、高收益的工程管理目標(biāo)。

根據(jù)外海沉管隧道浮運安裝施工的特點，參照國際隧協(xié)最新編寫的《隧道工程風(fēng)險管理指南》，選擇風(fēng)險分析矩陣法作為沉管隧道外海安裝施工風(fēng)險管理的風(fēng)險評價方法。本文借助該評價方法，參考國內(nèi)外沉管隧道安裝施工的風(fēng)險事故案例，對沉管隧道外海安裝施工的風(fēng)險進行了辨識、評價，在三級風(fēng)險會議上，對各項風(fēng)險因素進行分析研究，制定措施對風(fēng)險進行控制，以達到避免或者削弱風(fēng)險事故的目的?？偨Y(jié)歸納沉管隧道外海安裝施工風(fēng)險因素及其控制措施，并使風(fēng)險管理系統(tǒng)化的工作非常必要，也是目前國內(nèi)外尚需解決的問題，為此，希望本文的分析研究能夠為同類跨海隧道沉管安裝項目施工提供施工風(fēng)險管理的可靠經(jīng)驗，最大程度地減少發(fā)生風(fēng)險事故。

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Risk Management in Offshore Towing and Installation of
Immersed Tunnel Tubes

ZHANG Qinghai

（No.2 Engineering Company Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.，Qingdao 266071，Shandong，China）

Due to the complexity in the foundation treatment，towing transportation，immersing，locking and backfilling in the construction of immersed tunnels，there is great difficulty in the risk management in the construction of immersed tunnels.In the paper，the risk management in the offshore towing and installation of the tubes of the immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge Project is studied.Firstly，some immersed tunnel cases abroad and at home are investigated，and the features of the immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge Project is summarized；Secondly，risk matrix method is applied in the management of the risks in the offshore towing and installation of the tubes of the immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge Project，and the major construction steps with risks are analyzed.In the end，good risk control effect has been achieved.

immersed tunnel；towing and installation；risk management；risk Matrix；hazard

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.006

U 459.5

A

1672-741X（2015）11-1150-07

2015-05-05；

2015-09-30

張青海（1981—），男，內(nèi)蒙古通遼人，2014年畢業(yè)于華南理工大學(xué)，建筑與土木工程專業(yè)，碩士，工程師，主要從事土建、港航工程的施工管理和技術(shù)方案研究工作。