沉管隧道施工風險體系綜合評估及應用研究

張姣

(上海城市管理職業技術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

(上海城市管理職業技術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、基礎處理及回填、環境因素、安全管理因素等方面進行風險辨識，結合相關風險評估和管理規范、專家法和隧道實際施工技術，構建沉管隧道施工風險評估系統。確立評估流程，即考慮專家的學術背景、職稱和對沉管隧道風險理論掌握程度等因素，定量化專家的權重，根據專家法計算底事件的風險值。將該評估系統應用于港珠澳大橋的水下沉管隧道工程中，根據評估分析結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。

關鍵詞:沉管隧道施工風險體系權重指標專家法

沉管法隧道與明挖法、新奧法和盾構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條件、工程進度、成本、環境、安全管理等因素的影響，使得沉管隧道的建設和運營不可避免會存在不確定性的風險。施工技術具有危險程度大、安全隱患多、復雜性、不確定性等突出特點，一旦工程事故發生將會造成人員傷亡、巨大的經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，還根據隧道工程的特點發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、貝葉斯網絡、模糊綜合評價法、影響圖、熵權分析法等［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，還處于發展階段。本文結合沉管隧道工程的特點，確立評估流程，考慮專家相關信息，量化專家權重，根據專家法確定底事件風險值，評價中間層風險，從而實現對沉管隧道施工風險的客觀評價。根據評價結果提出風險應對措施，為工程建設管理提供參考。

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，首先根據國內外收集的已發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］、基礎處理及回填、環境因素、安全管理因素等方面進行風險辨識，構建施工風險評估系統。由專家的職稱、對沉管隧道風險了解、從事相關工作年限、對沉管隧道了解程度等方面，定量化每位專家的權重。再對風險評估系統的底事件采用專家打分法進行風險評估，根據專家的權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。風險系統評估流程見圖1。

圖1沉管隧道施工風險系統評估流程

2沉管隧道施工風險評估系統

2. 1風險辨識

根據以往工程經驗結合擬建工程的具體情況，如水文、地質和氣象條件等，參考類似工程中風險事件和相應的致險因子，結合初步設計風險評估結果，通過專家調查，針對施工工藝流程，對工程施工中可能產生的風險事件進行識別。

2. 2風險評估方法及標準

風險評估系統從沉管隧道工程設計單位、施工單位、高校專家調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;借助工程經驗因時因地，具體分析并確定采取的措施。以概率統計(專家調查打分法)為基礎，并結合《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》中的風險等級標準和ALARP接受準則［8-9］進行綜合評價。

2. 3構建沉管施工風險評估體系

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

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計或施工單位調研，統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研，根據《鐵路隧道風險評估與管理暫行規定》和相關資料［10］，從立項、規劃、勘察、設計、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，是中國交通建設史上技術最復雜、環保要求最高、建設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節鋼筋混凝土結構的沉管對接而成，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，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。水下對接在環境復雜的海底進行，受多種環境介質影響。因此對沉管隧道的整個施工過程風險、環境因素風險、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專家權重的定量化

本文根據專家的相關信息確定專家的權重，在對有關專家調研時，用數字2，3，4和5表示，然后，歸一化處理，則得相應的權重，如表1所示。

表1求解專家權重體系

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值，用數字表示，根據每位調研專家實際情況求和，然后再進行歸一化處理，結果見表2。

3. 3構建風險評估體系和底事件風險值計算

首先根據本工程的施工特點，構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、基礎處理及回填底事件的風險值、環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和水文地質勘查，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條件非常復雜，應盡量使用技術成熟、生產效率高、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。必須嚴格按照規定漿液和施工工藝，待管節混凝土達到設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生。

4)基礎處理及回填的底事件中，隧道不均勻沉降和首節管節基礎對結構影響風險較大，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。專門進行結構整體受力計算和設計，避免首節管節內基礎剛度變化過大。

5)環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，必須提早做小區域的海洋環境氣象預報，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，做好安全施工技術教育，制定健全的法規制度和安全規范。同時加強現場施工管理，兼顧工程建設和航道通航。

5　結語

1)依據沉管隧道施工工藝流程，通過風險辨識，構建沉管隧道施工風險評估系統，根據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，為工程建設提供理論參考。

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

參考文獻

［1］BJELLAND H，AVEN T．Treatment of Uncertainty in Risk Assessments in the Rogfast Road Tunnel Project［J］．Safety Science，2013，55( 2) : 34-44．

［2］HOLICKY M．Probabilistic Risk Optimization of Road Tunnels ［J］．Structural Safety，2009，31( 3) : 260-266．

［3］張姣，賈敏才，張建．地鐵隧道盾構法施工全過程風險分析［J］．公路工程，2013，38( 3) : 38-41，56．

［4］張姣．基于貝葉斯網絡的地鐵盾構隧道工程風險評估方法［J］．城市軌道交通研究，2014，17( 3) : 30-34．

［5］嚴中，陽軍生，王飛，等．半江子隧道巖體接觸帶施工風險分析與評估［J］．公路工程，2012，37( 6) : 171-175．

［6］張敏．濱海新區海河沉管隧道工程施工安全研究［D］．大連:大連海事大學，2013．

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［8］周楊．長大隧道工程建設期風險接受準則研究［D］．上海:同濟大學，2007．

［9］中華人民共和國鐵道部．鐵建設［2007］200號鐵路隧道風險評估與管理暫行規定［S］．北京:中國鐵道出版社，2007．

［10］閔美仿，孫志，何金安．淺談海底隧道預算補充定額的編制［J］．公路工程，2010，35( 6) : 107-109．

(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．as 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