張姣

(上海城市管理職業(yè)技術(shù)學(xué)院土木工程與交通學(xué)院，上?！?00432)

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沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)體系綜合評估及應(yīng)用研究

張姣

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

摘要:從沉管隧道施工中的修建干塢及預(yù)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(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，結(jié)合相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)評估和管理規(guī)范、專家法和隧道實(shí)際施工技術(shù)，構(gòu)建沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)。確立評估流程，即考慮專家的學(xué)術(shù)背景、職稱和對沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)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(jì)算底事件的風(fēng)險(xiǎn)值。將該評估系統(tǒng)應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施，為該工程的風(fēng)險(xiǎn)管理提供理論參考。

關(guān)鍵詞:沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)體系權(quán)重指標(biāo)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(yán)格。沉管隧道在施工和運(yùn)營過程中會(huì)受到復(fù)雜的水文地質(zhì)條件、工程進(jìn)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(yùn)營不可避免會(huì)存在不確定性的風(fēng)險(xiǎn)。施工技術(shù)具有危險(xiǎn)程度大、安全隱患多、復(fù)雜性、不確定性等突出特點(diǎn)，一旦工程事故發(fā)生將會(huì)造成人員傷亡、巨大的經(jīng)濟(jì)損失及嚴(yán)重的社會(huì)影響。

近年來隧道風(fēng)險(xiǎn)評估方法在國外得到了大量的研究及應(yīng)用，除了將其他工程行業(yè)已有的風(fēng)險(xiǎn)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(diǎn)發(fā)展了一些風(fēng)險(xiǎn)評估模型。比如文獻(xiàn)［1］等針對Rogfast海底隧道工程，提出了管理此類不確定性風(fēng)險(xiǎn)的評估框架，文獻(xiàn)［2］對公路隧道進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)概率的優(yōu)化。其他隧道風(fēng)險(xiǎn)評估方法還有風(fēng)險(xiǎn)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(luò)、模糊綜合評價(jià)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(yīng)用和推薦。

我國在沉管隧道工程的理論研究和工程實(shí)踐時(shí)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(diǎn)，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(fēng)險(xiǎn)值，評價(jià)中間層風(fēng)險(xiǎn)，從而實(shí)現(xiàn)對沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)的客觀評價(jià)。根據(jù)評價(jià)結(jié)果提出風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施，為工程建設(shè)管理提供參考。

1沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估流程

沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)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(shí)例，按照沉管隧道施工工藝流程，從修建干塢及預(yù)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(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，構(gòu)建施工風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)。由專家的職稱、對沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)的底事件采用專家打分法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評估，根據(jù)專家的權(quán)重則可確定單個(gè)底事件的風(fēng)險(xiǎn)值。最后對中層風(fēng)險(xiǎn)事件風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算分析，找出風(fēng)險(xiǎn)值較大的風(fēng)險(xiǎn)因素，提出相應(yīng)的預(yù)防和控制措施。風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)評估流程見圖1。

圖1沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)系統(tǒng)評估流程

2沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)

2. 1風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)

根據(jù)以往工程經(jīng)驗(yàn)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(fēng)險(xiǎn)事件和相應(yīng)的致險(xiǎn)因子，結(jié)合初步設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)事件進(jìn)行識(shí)別。

2. 2風(fēng)險(xiǎn)評估方法及標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)從沉管隧道工程設(shè)計(jì)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(shí)工程各階段風(fēng)險(xiǎn)事件的類型;借助工程經(jīng)驗(yàn)因時(shí)因地，具體分析并確定采取的措施。以概率統(tǒng)計(jì)(專家調(diào)查打分法)為基礎(chǔ)，并結(jié)合《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評估與管理暫行規(guī)定》中的風(fēng)險(xiǎn)等級標(biāo)準(zhǔn)和ALARP接受準(zhǔn)則［8-9］進(jìn)行綜合評價(jià)。

2. 3構(gòu)建沉管施工風(fēng)險(xiǎn)評估體系

隧道沉管施工風(fēng)險(xiǎn)是一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，施工期的風(fēng)險(xiǎn)因素會(huì)隨著隧道工程建設(shè)的推進(jìn)而改變。因此，建立的風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)體系必須是動(dòng)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(wù)工程勘測設(shè)計(jì)院、上海隧道股份有限公司、上海建工集團(tuán)等多個(gè)隧道工程設(shè)計(jì)或施工單位調(diào)研，統(tǒng)計(jì)分析以往的沉管隧道工程風(fēng)險(xiǎn)事故資料，并進(jìn)行沉管隧道施工安全風(fēng)險(xiǎn)的專家調(diào)研，根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評估與管理暫行規(guī)定》和相關(guān)資料［10］，從立項(xiàng)、規(guī)劃、勘察、設(shè)計(jì)、施工等不同階段識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)因素的類型，建立隧道施工整體風(fēng)險(xiǎn)的評價(jià)體系。

3沉管隧道工程風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)系統(tǒng)實(shí)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(fù)雜、環(huán)保要求最高、建設(shè)要求及標(biāo)準(zhǔn)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(yù)制由工廠化標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)，海上氣候條件要求嚴(yán)格，很大程度決定了沉管浮運(yùn)和對接的成敗。在沉管隧道安裝前，要在挖好的“最精細(xì)”基槽中做碎石基床基礎(chǔ)。水下對接在環(huán)境復(fù)雜的海底進(jìn)行，受多種環(huán)境介質(zhì)影響。因此對沉管隧道的整個(gè)施工過程風(fēng)險(xiǎn)、環(huán)境因素風(fēng)險(xiǎn)、安全管理因素風(fēng)險(xiǎn)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(dǎo)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(shí)，用數(shù)字2，3，4和5表示，然后，歸一化處理，則得相應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)理論的了解程度等指標(biāo)得到相對權(quán)值，用數(shù)字表示，根據(jù)每位調(diào)研專家實(shí)際情況求和，然后再進(jìn)行歸一化處理，結(jié)果見表2。

3. 3構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評估體系和底事件風(fēng)險(xiǎn)值計(jì)算

首先根據(jù)本工程的施工特點(diǎn)，構(gòu)建沉管隧道施工整體評價(jià)指標(biāo)體系(如表3)，然后由8位專家對沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)底事件的風(fēng)險(xiǎn)評估值進(jìn)行打分確定，其中評判矩陣中V1i，j表示第j個(gè)專家對第i個(gè)指標(biāo)所確定的風(fēng)險(xiǎn)值。針對修建干塢及預(yù)制管段評判矩陣為

表2每位專家定量化實(shí)際權(quán)重

表3沉管隧道施工整體評價(jià)指標(biāo)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(yù)制管段底事件的風(fēng)險(xiǎn)值

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

4　風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對措施

對以上風(fēng)險(xiǎn)評價(jià)結(jié)果進(jìn)行分析，對風(fēng)險(xiǎn)值較大的底事件提出應(yīng)對措施:

1)修建干塢及預(yù)制管段的底事件中，水密性不滿足設(shè)計(jì)要求，風(fēng)險(xiǎn)值最大為2. 14，介于中度風(fēng)險(xiǎn)和高度風(fēng)險(xiǎn)之間，其次風(fēng)險(xiǎn)值較高的是塢底承載力不足、預(yù)制管段對稱性均勻性差。這說明在修建干塢前，要提前進(jìn)行工程地質(zhì)和水文地質(zhì)勘查，進(jìn)行土工試驗(yàn)，確保塢底有足夠的承載力。同時(shí)對預(yù)制管段的防水材料和防水部位都要達(dá)到設(shè)計(jì)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(fēng)險(xiǎn)較大。表明施工海域底下的地質(zhì)條件非常復(fù)雜，應(yīng)盡量使用技術(shù)成熟、生產(chǎn)效率高、費(fèi)用低的浚挖方式，管段基槽浚挖亦可分粗挖和精挖兩次進(jìn)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(shí)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(dāng)和鋼剪力鍵承載能力不足風(fēng)險(xiǎn)較大，在中度和高度風(fēng)險(xiǎn)之間。必須嚴(yán)格按照規(guī)定漿液和施工工藝，待管節(jié)混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)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(fēng)險(xiǎn)較大，為中度風(fēng)險(xiǎn)。分別針對不同隧道段采取降水堆載預(yù)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(jìn)行結(jié)構(gòu)整體受力計(jì)算和設(shè)計(jì)，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(fēng)和波浪風(fēng)險(xiǎn)較大，為中度風(fēng)險(xiǎn)，其次是霧、雨、霾(能見度)風(fēng)險(xiǎn)。沉管隧道施工需要精細(xì)化，必須提早做小區(qū)域的海洋環(huán)境氣象預(yù)報(bào)，盡量提高預(yù)報(bào)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(shí)淡薄和計(jì)劃不周、施工組織不嚴(yán)密風(fēng)險(xiǎn)值較大。需要建立安全管理體系，從組織上落實(shí)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(shí)加強(qiáng)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(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)，構(gòu)建沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)，根據(jù)專家法計(jì)算底事件風(fēng)險(xiǎn)值，對沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行客觀評價(jià)。

2)將該風(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)應(yīng)用到沉管法修建港珠澳大橋的水下隧道工程中，找出風(fēng)險(xiǎn)值較大的風(fēng)險(xiǎn)，并對這些風(fēng)險(xiǎn)提出應(yīng)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(fēng)險(xiǎn)評估系統(tǒng)可準(zhǔn)確、綜合地把握風(fēng)險(xiǎn)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(jìn)行動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)控制。

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(責(zé)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(xué)博士。

基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)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(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A

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