沉管隧道施工風險分析與控制

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(1.上海城建職業(yè)學院 土木與交通工程學院，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、不影響景觀和航運等優(yōu)點，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到了先進水平。

沉管隧道工程各個工序的施工難度都非常大。所需要的施工機械和施工工法與修建其他隧道不同，在施工過程中會遇到很多突發(fā)狀況。特別是大跨度的海底隧道，必須分析其施工風險及其控制措施，否則將會發(fā)生不可預計的事故，對社會造成負面影響和巨大經(jīng)濟損失。

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。然而，目前對沉管隧道工程的風險分析和控制研究不多。本文采用熵度量法[1-2]，計算沉管隧道施工期的風險，針對各個工序中的各個風險因素[3-5]，比如突發(fā)自然狀況、人為差錯、施工機械等，計算各個風險因素的熵權值，并結合模糊綜合評判法，對沉管隧道風險進行整體分析，最后應用于工程實例，得出熵權值，并提出控制措施。

1 沉管隧道工程風險分析

1.1 計算風險度

風險度r是風險因素發(fā)生及其產(chǎn)生后果的似然估計，可用來分析沉管隧道風險的大小。計算公式為：

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為風險因素尚未發(fā)生的概率；Ps為風險因素發(fā)生的概率；Cf為風險因素尚未發(fā)生的后果值；Cs為風險因素產(chǎn)生的后果值。

1.2 計算熵權值

由于沉管隧道風險事件的發(fā)生具有不可預測性，且一旦發(fā)生后果非常嚴重，可結合模糊綜合評判法[6-7]計算各個風險因素的熵權值。

1.2.1 建立模糊綜合評判集合

工程風險因素模糊集合U={u1,u2,…,un}，包含突發(fā)自然狀況、人為差錯、施工機械、現(xiàn)場管理等風險因素，構建相對應的評判集合V={v1,v2,…,vn}，此集合為風險因素產(chǎn)生的后果等級。

1.2.2 建立隸屬度矩陣R

采用專家經(jīng)驗評判法，通過評判集合V對模糊集合U中的各個風險因素進行評判，隸屬度矩陣R為

(2)

式中：rij為風險因素ui對vj的隸屬度，i=1,2,…,n，j=1,2,…,m，即風險因素ui對評判集合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 計算風險因素的熵權值

根據(jù)熵的概念，通過對各個風險因素的定量和定性計算可以決定它的權重。如果風險因素ui的第j個分析值和其他分析值相同或近似相同，即熵值為最大值1，熵權為最小值0，則風險因素ui的第j個分析值不能為決策者提供任何有用的信息，因為此風險因素對風險分析結果的影響最小。如果風險因素ui的第j個分析值對分析結果影響大，即熵值為最小值0，熵權為最大值1，應重點考慮。

當風險因素ui的第j個分析值與rij越近似，此因素在風險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，結合隸屬度矩陣R中的rij，計算風險因素ui的相對重要性ei，確定各個風險因素的熵權φi。風險因素ui的熵值Hi為

(3)

rij各數(shù)值越近似，風險因素ui的熵值Hi越大，其對工程風險分析的作用越小。當rij各數(shù)值相等時，熵值Hmax=lnm。對式(3)進行歸一化處理后，可得風險因素ui的相對重要性ei。

(4)

當rij各數(shù)值相等時，相對重要性ei=1，0≤ei≤1。由于ei最大時在風險分析中該風險因素的作用可忽略不計，故用1-ei來計算風險因素ui的熵權，對其進行歸一化處理后，可得風險因素ui的熵權φi為

(5)

1.3 計算Ps和Cs

首先確定各個風險因素權重，建立向量φ=(φ1,φ2,…,φn)。對評判集合V中的各個指標賦予相應的權重，得到各指標權重組成的向量B=(b1,b2,…,bm)，則風險因素發(fā)生的概率Ps為

Ps=φRpBT

(6)

(7)

將求出的Ps和Cs代入式(1)，確定工程的風險度r。r>0.7為高風險，0.3≤r≤0.7為中等風險，r<0.3為低風險。根據(jù)風險度的級別，制訂相應的風險控制措施和應急處理方案。

2 工程實例

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，預制沉管共分33節(jié)，采用混凝土自防水進行管節(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每個22.5 m的節(jié)段進行施工，保障管節(jié)的施工效果。

該沉管隧道施工中管節(jié)預制難度高、水文氣象復雜、施工作業(yè)環(huán)境差、管節(jié)浮運沉放難點多等，這些都是較易引起事故的風險源，因此很有必要進行風險分析。

2.2 各工序風險因素熵權及風險度計算

沉管隧道管節(jié)工廠化預制施工中的風險因素構成模糊集合U={u1,u2,u3,u4}，其中u1,u2,u3,u4分別為風險因素“鋼端殼安裝精度不足”、“預制尺寸精度不足”、“混凝土重度控制不足”、“管節(jié)的早期裂縫控制不足”。風險因素模糊集合U的評判集合V={v1,v2,…,v5}。通過對近年國內(nèi)外沉管隧道施工中發(fā)生的安全事故原因的收集，進行風險因素辨識，并根據(jù)預先制定的風險評價準則[7-8]，做好風險因素概率調查表。邀請高校教授10名和具有沉管隧道設計或施工經(jīng)驗的高級職稱的專家12名。每個專家對調查表中的各個因素進行風險概率分析，建立各個風險因素發(fā)生概率的隸屬度矩陣Rp。

由式(4)可得出風險因素ui的相對重要性組成的向量e=(0.276,0.800,0.710,0.630)。由式(5)得出各個風險因素的熵權，組成向量φ=(0.454,0.127,0.184,0.234)。

被邀請的專家根據(jù)風險因素產(chǎn)生后果損失等級表[9-10]對風險因素產(chǎn)生后果損失進行分析，建立風險因素產(chǎn)生后果隸屬度矩陣Rc。

由式(4)可得出風險因素ui產(chǎn)生后果的相對重要性組成的向量e′=(0.690,0.670,0.886,0.630)，由式(5)得到各個風險因素產(chǎn)生后果的熵權，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，針對基槽開挖和沉管隧道基礎處理過程中的風險因素，構成模糊集合U={u1,u2,u3,u4,u5}，u1,u2,u3,u4,u5分別為風險因素“精挖淤泥設備不良”,“底部擾動過大、產(chǎn)生浮泥”,“基槽清淤不及時”,“刮鋪碎石狀態(tài)不良(偏差)”,“刮鋪設備或填料設備未能靈活調整”。構建各個風險因素發(fā)生概率隸屬度矩陣Rp，由熵權法得到各個風險因素的熵權，組成向量φ=(0.286,0.125,0.216,0.247,0.185)。

計算得出風險因素發(fā)生的概率Ps=0.154。

構建風險因素產(chǎn)生后果隸屬度矩陣Rc，由式(5)計算出各個風險因素產(chǎn)生后果的熵權,組成向量φ′=(0.212,0.154,0.189,0.206,0.286)。

計算出風險因素產(chǎn)生的后果值Cs=0.161。

由式(1)得：r=Ps+Cs-PsCs=0.290。

同理，針對管節(jié)浮運與沉放安裝施工過程中的風險因素，構成模糊集合U={u1,u2,…,u5}，其中u1,u2,u3,u4,u5分別為風險因素“水文氣象條件復雜、作業(yè)環(huán)境差”，“管節(jié)浮運、沉放設備選用不當”，“深水條件下水下測量定位、調整偏差大”，“管節(jié)安裝軸線精度控制不良”，“接頭漏水”。構建各個風險因素發(fā)生概率隸屬度矩陣Rp，由熵權法得到各個風險因素的熵權,組成向量φ=(0.322,0.142,0.385,0.219,0.282)。

計算出風險因素發(fā)生的概率Ps=0.218。

構建風險因素產(chǎn)生后果隸屬度矩陣Rc，由式(5)計算各個風險因素產(chǎn)生后果的熵權,組成向量φ′=(0.226,0.255,0.154,0.216,0.287)。

計算出風險因素產(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)工廠化預制風險控制措施

沉管隧道管節(jié)工廠化預制的風險度為0.282，屬于低風險。風險因素“鋼端殼安裝精度不足”的權重最大。控制措施：①嚴格控制鋼端殼安裝焊接施工工藝；②采用精密的、足夠頻率的動態(tài)監(jiān)測技術。

風險因素“管節(jié)的早期裂縫控制不足”的權重較大。控制措施：①養(yǎng)護措施要正確，控制水化熱的大小；②降低出機溫度和澆注溫度；③分塊澆注要合理。

3.2 基槽開挖和沉管隧道基礎處理風險控制措施

基槽開挖和沉管隧道基礎處理的風險度為0.290，屬于低風險。風險因素“精挖淤泥設備不良”的權重最大。控制措施：①機械操作人員必須通過資質培訓，必須持證上崗，特別是精挖機械操作人員；②可 以采用精挖挖泥船提高效率，并借助于計算機和精確測量技術提高開挖基槽的精度。

同時，風險因素“刮鋪碎石狀態(tài)不良(偏差)”的權重也較大。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置超聲波探測裝置，并及時進行數(shù)據(jù)的反饋；②必須采用先進的GPS定位的刮鋪船，精確定位。

3.3 管節(jié)浮運與沉放安裝施工風險控制措施

管節(jié)浮運與沉放安裝施工的風險度為0.342，屬于中等風險，需加強控制。風險因素“深水條件下水下測量定位、調整偏差大”的權重最大。控制措施：①采用合理的管節(jié)沉放實時定位測量技術；②選用高精度的現(xiàn)代水下測量定位設備。

風險因素“水文氣象條件復雜、作業(yè)環(huán)境差”的權重較大。控制措施：①做好精細化、小區(qū)域的海洋環(huán)境預報；②每天堅持監(jiān)測預報。

風險因素“接頭漏水”的權重較大。控制措施：①進 行合理的管節(jié)結構防水和防腐設計；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各個風險因素，使用熵度量法和模糊綜合評判法，先求出各個風險因素的權重，以及其導致事故發(fā)生的后果權重，再求出各個工序的風險度，并提出控制措施。通過風險分析和控制，從本質上了解風險因素產(chǎn)生的原因及可能造成的后果，避免經(jīng)濟損失和人員傷亡。

2)由于港珠澳大橋設計和施工均采用了最新技術，水文、氣象條件復雜，投資巨大，同時由于沉管隧道工程建設中人員和機械設備的復雜性，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，較接近工程實際，可為以后類似工程的風險分析及控制提供借鑒。