，

(1.上海城建職業(yè)學(xué)院 土木與交通工程學(xué)院，上海 200432;2.浙江省地礦勘察院 上海分院，上海 200433)

海峽的存在造成兩岸間的交通障礙及文化差異。修建跨海沉管隧道可連接海峽兩岸，且具有不受天氣影響、不影響景觀和航運(yùn)等優(yōu)點(diǎn)，因此成為工程首選并廣泛使用。如荷蘭的首座沉管隧道Maas隧道，由丹麥和瑞典兩國合資修建的Oresund海峽沉管隧道，新加坡Tuas電纜沉管隧道，中國的港珠澳大橋沉管隧道。這些隧道代表著沉管隧道修建達(dá)到了先進(jìn)水平。

沉管隧道工程各個(gè)工序的施工難度都非常大。所需要的施工機(jī)械和施工工法與修建其他隧道不同，在施工過程中會(huì)遇到很多突發(fā)狀況。特別是大跨度的海底隧道，必須分析其施工風(fēng)險(xiǎn)及其控制措施，否則將會(huì)發(fā)生不可預(yù)計(jì)的事故，對(duì)社會(huì)造成負(fù)面影響和巨大經(jīng)濟(jì)損失。

我國沉管隧道施工的成功案例之一是上海外環(huán)越江隧道工程，它也為后來其他許多沉管隧道工程施工提供了寶貴經(jīng)驗(yàn)。然而，目前對(duì)沉管隧道工程的風(fēng)險(xiǎn)分析和控制研究不多。本文采用熵度量法[1-2]，計(jì)算沉管隧道施工期的風(fēng)險(xiǎn)，針對(duì)各個(gè)工序中的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素[3-5]，比如突發(fā)自然狀況、人為差錯(cuò)、施工機(jī)械等，計(jì)算各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的熵權(quán)值，并結(jié)合模糊綜合評(píng)判法，對(duì)沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行整體分析，最后應(yīng)用于工程實(shí)例，得出熵權(quán)值，并提出控制措施。

1 沉管隧道工程風(fēng)險(xiǎn)分析

1.1 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)度

風(fēng)險(xiǎn)度r是風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生及其產(chǎn)生后果的似然估計(jì)，可用來分析沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)的大小。計(jì)算公式為：

r=f(P,C)=1-PfCf=1-(1-Ps)(1-Cs)=

Ps+Cs-PsCs

(1)

式中：P為概率，P∈[0,1]；C為后果，C∈[0,1]；Pf為風(fēng)險(xiǎn)因素尚未發(fā)生的概率；Ps為風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率；Cf為風(fēng)險(xiǎn)因素尚未發(fā)生的后果值；Cs為風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生的后果值。

1.2 計(jì)算熵權(quán)值

由于沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)事件的發(fā)生具有不可預(yù)測(cè)性，且一旦發(fā)生后果非常嚴(yán)重，可結(jié)合模糊綜合評(píng)判法[6-7]計(jì)算各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的熵權(quán)值。

1.2.1 建立模糊綜合評(píng)判集合

工程風(fēng)險(xiǎn)因素模糊集合U={u1,u2,…,un}，包含突發(fā)自然狀況、人為差錯(cuò)、施工機(jī)械、現(xiàn)場管理等風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)建相對(duì)應(yīng)的評(píng)判集合V={v1,v2,…,vn}，此集合為風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生的后果等級(jí)。

1.2.2 建立隸屬度矩陣R

采用專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)判法，通過評(píng)判集合V對(duì)模糊集合U中的各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行評(píng)判，隸屬度矩陣R為

(2)

式中：rij為風(fēng)險(xiǎn)因素ui對(duì)vj的隸屬度，i=1,2,…,n，j=1,2,…,m，即風(fēng)險(xiǎn)因素ui對(duì)評(píng)判集合V的隸屬度矩陣Ri={ri1,ri2,…,rim}。

Rp為概率隸屬度矩陣，Rc為后果隸屬度矩陣。

1.2.3 計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素的熵權(quán)值

根據(jù)熵的概念，通過對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的定量和定性計(jì)算可以決定它的權(quán)重。如果風(fēng)險(xiǎn)因素ui的第j個(gè)分析值和其他分析值相同或近似相同，即熵值為最大值1，熵權(quán)為最小值0，則風(fēng)險(xiǎn)因素ui的第j個(gè)分析值不能為決策者提供任何有用的信息，因?yàn)榇孙L(fēng)險(xiǎn)因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)分析結(jié)果的影響最小。如果風(fēng)險(xiǎn)因素ui的第j個(gè)分析值對(duì)分析結(jié)果影響大，即熵值為最小值0，熵權(quán)為最大值1，應(yīng)重點(diǎn)考慮。

當(dāng)風(fēng)險(xiǎn)因素ui的第j個(gè)分析值與rij越近似，此因素在風(fēng)險(xiǎn)綜合分析中不需特別重視。由熵原理可知，工程的熵表示工程的有序程度，結(jié)合隸屬度矩陣R中的rij，計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素ui的相對(duì)重要性ei，確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的熵權(quán)φi。風(fēng)險(xiǎn)因素ui的熵值Hi為

(3)

rij各數(shù)值越近似，風(fēng)險(xiǎn)因素ui的熵值Hi越大，其對(duì)工程風(fēng)險(xiǎn)分析的作用越小。當(dāng)rij各數(shù)值相等時(shí)，熵值Hmax=lnm。對(duì)式(3)進(jìn)行歸一化處理后，可得風(fēng)險(xiǎn)因素ui的相對(duì)重要性ei。

(4)

當(dāng)rij各數(shù)值相等時(shí)，相對(duì)重要性ei=1，0≤ei≤1。由于ei最大時(shí)在風(fēng)險(xiǎn)分析中該風(fēng)險(xiǎn)因素的作用可忽略不計(jì)，故用1-ei來計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)因素ui的熵權(quán)，對(duì)其進(jìn)行歸一化處理后，可得風(fēng)險(xiǎn)因素ui的熵權(quán)φi為

(5)

1.3 計(jì)算Ps和Cs

首先確定各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素權(quán)重，建立向量φ=(φ1,φ2,…,φn)。對(duì)評(píng)判集合V中的各個(gè)指標(biāo)賦予相應(yīng)的權(quán)重，得到各指標(biāo)權(quán)重組成的向量B=(b1,b2,…,bm)，則風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率Ps為

Ps=φRpBT

(6)

(7)

將求出的Ps和Cs代入式(1)，確定工程的風(fēng)險(xiǎn)度r。r>0.7為高風(fēng)險(xiǎn)，0.3≤r≤0.7為中等風(fēng)險(xiǎn)，r<0.3為低風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)度的級(jí)別，制訂相應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)控制措施和應(yīng)急處理方案。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

港珠澳大橋建成后將成為世界上最長的跨海大橋，其沉管隧道是全球最長的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道，沉管隧道長 5 664 m，頂部最大埋深超過20 m，沿線的最大水下深度超過45 m，預(yù)制沉管共分33節(jié)，采用混凝土自防水進(jìn)行管節(jié)防水，接頭長度為2.5 m，采用水下止水板方式施工。采用全斷面一次澆筑工藝對(duì)每個(gè)22.5 m的節(jié)段進(jìn)行施工，保障管節(jié)的施工效果。

該沉管隧道施工中管節(jié)預(yù)制難度高、水文氣象復(fù)雜、施工作業(yè)環(huán)境差、管節(jié)浮運(yùn)沉放難點(diǎn)多等，這些都是較易引起事故的風(fēng)險(xiǎn)源，因此很有必要進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析。

2.2 各工序風(fēng)險(xiǎn)因素熵權(quán)及風(fēng)險(xiǎn)度計(jì)算

沉管隧道管節(jié)工廠化預(yù)制施工中的風(fēng)險(xiǎn)因素構(gòu)成模糊集合U={u1,u2,u3,u4}，其中u1,u2,u3,u4分別為風(fēng)險(xiǎn)因素“鋼端殼安裝精度不足”、“預(yù)制尺寸精度不足”、“混凝土重度控制不足”、“管節(jié)的早期裂縫控制不足”。風(fēng)險(xiǎn)因素模糊集合U的評(píng)判集合V={v1,v2,…,v5}。通過對(duì)近年國內(nèi)外沉管隧道施工中發(fā)生的安全事故原因的收集，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素辨識(shí)，并根據(jù)預(yù)先制定的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)準(zhǔn)則[7-8]，做好風(fēng)險(xiǎn)因素概率調(diào)查表。邀請(qǐng)高校教授10名和具有沉管隧道設(shè)計(jì)或施工經(jīng)驗(yàn)的高級(jí)職稱的專家12名。每個(gè)專家對(duì)調(diào)查表中的各個(gè)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)概率分析，建立各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率的隸屬度矩陣Rp。

由式(4)可得出風(fēng)險(xiǎn)因素ui的相對(duì)重要性組成的向量e=(0.276,0.800,0.710,0.630)。由式(5)得出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的熵權(quán)，組成向量φ=(0.454,0.127,0.184,0.234)。

被邀請(qǐng)的專家根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果損失等級(jí)表[9-10]對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果損失進(jìn)行分析，建立風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果隸屬度矩陣Rc。

由式(4)可得出風(fēng)險(xiǎn)因素ui產(chǎn)生后果的相對(duì)重要性組成的向量e′=(0.690,0.670,0.886,0.630)，由式(5)得到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果的熵權(quán)，組成向量φ′=(0.261,0.283,0.103,0.333)。

由式(1)得：r=Ps+Cs-PsCs=0.282。

同理，針對(duì)基槽開挖和沉管隧道基礎(chǔ)處理過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)成模糊集合U={u1,u2,u3,u4,u5}，u1,u2,u3,u4,u5分別為風(fēng)險(xiǎn)因素“精挖淤泥設(shè)備不良”,“底部擾動(dòng)過大、產(chǎn)生浮泥”,“基槽清淤不及時(shí)”,“刮鋪碎石狀態(tài)不良(偏差)”,“刮鋪設(shè)備或填料設(shè)備未能靈活調(diào)整”。構(gòu)建各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率隸屬度矩陣Rp，由熵權(quán)法得到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的熵權(quán)，組成向量φ=(0.286,0.125,0.216,0.247,0.185)。

計(jì)算得出風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率Ps=0.154。

構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果隸屬度矩陣Rc，由式(5)計(jì)算出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果的熵權(quán),組成向量φ′=(0.212,0.154,0.189,0.206,0.286)。

計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生的后果值Cs=0.161。

由式(1)得：r=Ps+Cs-PsCs=0.290。

同理，針對(duì)管節(jié)浮運(yùn)與沉放安裝施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)因素，構(gòu)成模糊集合U={u1,u2,…,u5}，其中u1,u2,u3,u4,u5分別為風(fēng)險(xiǎn)因素“水文氣象條件復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境差”，“管節(jié)浮運(yùn)、沉放設(shè)備選用不當(dāng)”，“深水條件下水下測(cè)量定位、調(diào)整偏差大”，“管節(jié)安裝軸線精度控制不良”，“接頭漏水”。構(gòu)建各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生概率隸屬度矩陣Rp，由熵權(quán)法得到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的熵權(quán),組成向量φ=(0.322,0.142,0.385,0.219,0.282)。

計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)因素發(fā)生的概率Ps=0.218。

構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果隸屬度矩陣Rc，由式(5)計(jì)算各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果的熵權(quán),組成向量φ′=(0.226,0.255,0.154,0.216,0.287)。

計(jì)算出風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生后果值Cs=0.159。

由式(1)得：r=Ps+Cs-PsCs=0.342。

3 控制措施

3.1 沉管隧道管節(jié)工廠化預(yù)制風(fēng)險(xiǎn)控制措施

沉管隧道管節(jié)工廠化預(yù)制的風(fēng)險(xiǎn)度為0.282，屬于低風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)因素“鋼端殼安裝精度不足”的權(quán)重最大?？刂拼胧孩賴?yán)格控制鋼端殼安裝焊接施工工藝；②采用精密的、足夠頻率的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)技術(shù)。

風(fēng)險(xiǎn)因素“管節(jié)的早期裂縫控制不足”的權(quán)重較大?？刂拼胧孩兖B(yǎng)護(hù)措施要正確，控制水化熱的大??；②降低出機(jī)溫度和澆注溫度；③分塊澆注要合理。

3.2 基槽開挖和沉管隧道基礎(chǔ)處理風(fēng)險(xiǎn)控制措施

基槽開挖和沉管隧道基礎(chǔ)處理的風(fēng)險(xiǎn)度為0.290，屬于低風(fēng)險(xiǎn)。風(fēng)險(xiǎn)因素“精挖淤泥設(shè)備不良”的權(quán)重最大。控制措施：①機(jī)械操作人員必須通過資質(zhì)培訓(xùn)，必須持證上崗，特別是精挖機(jī)械操作人員；②可 以采用精挖挖泥船提高效率，并借助于計(jì)算機(jī)和精確測(cè)量技術(shù)提高開挖基槽的精度。

同時(shí)，風(fēng)險(xiǎn)因素“刮鋪碎石狀態(tài)不良(偏差)”的權(quán)重也較大。控制措施：①為了解刮鋪碎石狀態(tài)，施工人員需在填料刮鋪筒出料口處設(shè)置超聲波探測(cè)裝置，并及時(shí)進(jìn)行數(shù)據(jù)的反饋；②必須采用先進(jìn)的GPS定位的刮鋪船，精確定位。

3.3 管節(jié)浮運(yùn)與沉放安裝施工風(fēng)險(xiǎn)控制措施

管節(jié)浮運(yùn)與沉放安裝施工的風(fēng)險(xiǎn)度為0.342，屬于中等風(fēng)險(xiǎn)，需加強(qiáng)控制。風(fēng)險(xiǎn)因素“深水條件下水下測(cè)量定位、調(diào)整偏差大”的權(quán)重最大?？刂拼胧孩俨捎煤侠淼墓芄?jié)沉放實(shí)時(shí)定位測(cè)量技術(shù)；②選用高精度的現(xiàn)代水下測(cè)量定位設(shè)備。

風(fēng)險(xiǎn)因素“水文氣象條件復(fù)雜、作業(yè)環(huán)境差”的權(quán)重較大?？刂拼胧孩僮龊镁?xì)化、小區(qū)域的海洋環(huán)境預(yù)報(bào)；②每天堅(jiān)持監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)。

風(fēng)險(xiǎn)因素“接頭漏水”的權(quán)重較大。控制措施：①進(jìn) 行合理的管節(jié)結(jié)構(gòu)防水和防腐設(shè)計(jì)；②選用合適的止水帶；③選擇合理的管節(jié)水下連接方式。

4 結(jié)論與建議

1)從歷年的國內(nèi)外沉管隧道施工的安全事故中辨識(shí)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，使用熵度量法和模糊綜合評(píng)判法，先求出各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，以及其導(dǎo)致事故發(fā)生的后果權(quán)重，再求出各個(gè)工序的風(fēng)險(xiǎn)度，并提出控制措施。通過風(fēng)險(xiǎn)分析和控制，從本質(zhì)上了解風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生的原因及可能造成的后果，避免經(jīng)濟(jì)損失和人員傷亡。

2)由于港珠澳大橋設(shè)計(jì)和施工均采用了最新技術(shù)，水文、氣象條件復(fù)雜，投資巨大，同時(shí)由于沉管隧道工程建設(shè)中人員和機(jī)械設(shè)備的復(fù)雜性，很精確、全面地定量分析還比較困難。本文提出的熵度量法是一種較新的定量計(jì)算方法，吸取熟悉沉管隧道工程的專家的寶貴意見，較接近工程實(shí)際，可為以后類似工程的風(fēng)險(xiǎn)分析及控制提供借鑒。