沉管隧道施工风险体系综合评估及应用研究

张姣

(上海城市管理职业技术学院土木工程与交通学院，上海　200432)



沉管隧道施工风险体系综合评估及应用研究

张姣

(上海城市管理职业技术学院土木工程与交通学院，上海200432)

摘要:从沉管隧道施工中的修建干坞及预制管段、沉管隧道的浚挖、管段沉放与连接、基础处理及回填、环境因素、安全管理因素等方面进行风险辨识，结合相关风险评估和管理规范、专家法和隧道实际施工技术，构建沉管隧道施工风险评估系统。确立评估流程，即考虑专家的学术背景、职称和对沉管隧道风险理论掌握程度等因素，定量化专家的权重，根据专家法计算底事件的风险值。将该评估系统应用于港珠澳大桥的水下沉管隧道工程中，根据评估分析结果提出了具体的风险应对措施，为该工程的风险管理提供理论参考。

关键词:沉管隧道施工风险体系权重指标专家法

沉管法隧道与明挖法、新奥法和盾构法等施工隧道方法不同，起步较晚，适用条件较严格。沉管隧道在施工和运营过程中会受到复杂的水文地质条件、工程进度、成本、环境、安全管理等因素的影响，使得沉管隧道的建设和运营不可避免会存在不确定性的风险。施工技术具有危险程度大、安全隐患多、复杂性、不确定性等突出特点，一旦工程事故发生将会造成人员伤亡、巨大的经济损失及严重的社会影响。

近年来隧道风险评估方法在国外得到了大量的研究及应用，除了将其他工程行业已有的风险评估方法成功地用于隧道与地下工程中外，还根据隧道工程的特点发展了一些风险评估模型。比如文献［1］等针对Rogfast海底隧道工程，提出了管理此类不确定性风险的评估框架，文献［2］对公路隧道进行风险概率的优化。其他隧道风险评估方法还有风险矩阵法、层次分析法、蒙特卡罗模拟法、故障树分析法、决策树分析法、贝叶斯网络、模糊综合评价法、影响图、熵权分析法等［3-6］，在隧道工程界得到了一些应用和推荐。

我国在沉管隧道工程的理论研究和工程实践时间都比较短，还处于发展阶段。本文结合沉管隧道工程的特点，确立评估流程，考虑专家相关信息，量化专家权重，根据专家法确定底事件风险值，评价中间层风险，从而实现对沉管隧道施工风险的客观评价。根据评价结果提出风险应对措施，为工程建设管理提供参考。

1沉管隧道施工风险评估流程

沉管隧道施工风险因素评估流程，首先根据国内外收集的已发生沉管隧道事故和沉管隧道工程实例，按照沉管隧道施工工艺流程，从修建干坞及预制管段、沉管隧道的浚挖、管段沉放与连接［7］、基础处理及回填、环境因素、安全管理因素等方面进行风险辨识，构建施工风险评估系统。由专家的职称、对沉管隧道风险了解、从事相关工作年限、对沉管隧道了解程度等方面，定量化每位专家的权重。再对风险评估系统的底事件采用专家打分法进行风险评估，根据专家的权重则可确定单个底事件的风险值。最后对中层风险事件风险值计算分析，找出风险值较大的风险因素，提出相应的预防和控制措施。风险系统评估流程见图1。

图1沉管隧道施工风险系统评估流程

2沉管隧道施工风险评估系统

2. 1风险辨识

根据以往工程经验结合拟建工程的具体情况，如水文、地质和气象条件等，参考类似工程中风险事件和相应的致险因子，结合初步设计风险评估结果，通过专家调查，针对施工工艺流程，对工程施工中可能产生的风险事件进行识别。

2. 2风险评估方法及标准

风险评估系统从沉管隧道工程设计单位、施工单位、高校专家调查等方面获得大量代表性沉管隧道工程事故案例，辨识工程各阶段风险事件的类型;借助工程经验因时因地，具体分析并确定采取的措施。以概率统计(专家调查打分法)为基础，并结合《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》中的风险等级标准和ALARP接受准则［8-9］进行综合评价。

2. 3构建沉管施工风险评估体系

隧道沉管施工风险是一个动态过程，施工期的风险因素会随着隧道工程建设的推进而改变。因此，建立的风险评价体系必须是动态的。

通过对上海中交三航局、上海中交四航局、中交第四航务工程勘测设计院、上海隧道股份有限公司、上海建工集团等多个隧道工程设计或施工单位调研，统计分析以往的沉管隧道工程风险事故资料，并进行沉管隧道施工安全风险的专家调研，根据《铁路隧道风险评估与管理暂行规定》和相关资料［10］，从立项、规划、勘察、设计、施工等不同阶段识别风险因素的类型，建立隧道施工整体风险的评价体系。

3沉管隧道工程风险评价系统实例

3. 1工程简介

港珠澳大桥全长接近50 km，主体工程长约35 km，包含离岸人工岛及海底隧道，是中国交通建设史上技术最复杂、环保要求最高、建设要求及标准最高的工程之一。其中海底隧道全长5 664 m，建好后是双向六车道的公路隧道，使用沉管法修建港珠澳大桥的水下隧道工程，由33节钢筋混凝土结构的沉管对接而成，是世界上最大的海底沉管隧道。

此隧道沉管预制由工厂化标准生产，海上气候条件要求严格，很大程度决定了沉管浮运和对接的成败。在沉管隧道安装前，要在挖好的“最精细”基槽中做碎石基床基础。水下对接在环境复杂的海底进行，受多种环境介质影响。因此对沉管隧道的整个施工过程风险、环境因素风险、安全管理因素风险的控制要求非常高，本文的研究成果对后期的沉管隧道工程施工能起到一定的指导作用。

3. 2专家权重的定量化

本文根据专家的相关信息确定专家的权重，在对有关专家调研时，用数字2，3，4和5表示，然后，归一化处理，则得相应的权重，如表1所示。

表1求解专家权重体系

本文邀请8位沉管隧道方面专家，按照其职称、对隧道风险理论的了解程度等指标得到相对权值，用数字表示，根据每位调研专家实际情况求和，然后再进行归一化处理，结果见表2。

3. 3构建风险评估体系和底事件风险值计算

首先根据本工程的施工特点，构建沉管隧道施工整体评价指标体系(如表3)，然后由8位专家对沉管隧道施工风险底事件的风险评估值进行打分确定，其中评判矩阵中V1i，j表示第j个专家对第i个指标所确定的风险值。针对修建干坞及预制管段评判矩阵为

表2每位专家定量化实际权重

表3沉管隧道施工整体评价指标体系

考虑各位打分专家的权重值: w = ( 0. 148，0. 155，0. 140，0. 116，0. 134，0. 116，0. 108，0. 083)，所以修建干坞及预制管段底事件的风险值

同理，可计算出沉管隧道的浚挖底事件的风险值、管段沉放与连接底事件的风险值、基础处理及回填底事件的风险值、环境因素底事件的风险值、安全管理因素底事件的风险值，参见表3。

4　风险应对措施

对以上风险评价结果进行分析，对风险值较大的底事件提出应对措施:

1)修建干坞及预制管段的底事件中，水密性不满足设计要求，风险值最大为2. 14，介于中度风险和高度风险之间，其次风险值较高的是坞底承载力不足、预制管段对称性均匀性差。这说明在修建干坞前，要提前进行工程地质和水文地质勘查，进行土工试验，确保坞底有足够的承载力。同时对预制管段的防水材料和防水部位都要达到设计要求。

2)沉管隧道的浚挖的底事件中，管段基槽暴露过久、回淤沉积过多的风险较大。表明施工海域底下的地质条件非常复杂，应尽量使用技术成熟、生产效率高、费用低的浚挖方式，管段基槽浚挖亦可分粗挖和精挖两次进行。本工程基槽通过人工操纵抓斗船上的操作手柄精挖完成，暴露时间不易过久。

3)管段沉放与连接的底事件中，端钢壳与混凝土接触面注浆不当和钢剪力键承载能力不足风险较大，在中度和高度风险之间。必须严格按照规定浆液和施工工艺，待管节混凝土达到设计强度后作注浆处理。避免因剪力键存在接触不全或受力不均匀，致使钢剪力键承载力不足的风险事故发生。

4)基础处理及回填的底事件中，隧道不均匀沉降和首节管节基础对结构影响风险较大，为中度风险。分别针对不同隧道段采取降水堆载预压、挤密砂桩、换填碎石等方法，使地基的刚度逐渐过渡，控制地基沉降。专门进行结构整体受力计算和设计，避免首节管节内基础刚度变化过大。

5)环境因素的底事件中风和波浪风险较大，为中度风险，其次是雾、雨、霾(能见度)风险。沉管隧道施工需要精细化，必须提早做小区域的海洋环境气象预报，尽量提高预报的精确度。

6)安全管理因素的底事件中，施工管理混乱、安全意识淡薄和计划不周、施工组织不严密风险值较大。需要建立安全管理体系，从组织上落实安全措施，做好安全施工技术教育，制定健全的法规制度和安全规范。同时加强现场施工管理，兼顾工程建设和航道通航。

5　结语

1)依据沉管隧道施工工艺流程，通过风险辨识，构建沉管隧道施工风险评估系统，根据专家法计算底事件风险值，对沉管隧道施工风险进行客观评价。

2)将该风险评估系统应用到沉管法修建港珠澳大桥的水下隧道工程中，找出风险值较大的风险，并对这些风险提出应对措施，为工程建设提供理论参考。

3)本文构建的沉管隧道施工风险评估系统可准确、综合地把握风险的特征和相互关系，还可和沉管隧道施工监测成果一起对工程施工进行动态风险控制。

参考文献

［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］张姣，贾敏才，张建．地铁隧道盾构法施工全过程风险分析［J］．公路工程，2013，38( 3) : 38-41，56．

［4］张姣．基于贝叶斯网络的地铁盾构隧道工程风险评估方法［J］．城市轨道交通研究，2014，17( 3) : 30-34．

［5］严中，阳军生，王飞，等．半江子隧道岩体接触带施工风险分析与评估［J］．公路工程，2012，37( 6) : 171-175．

［6］张敏．滨海新区海河沉管隧道工程施工安全研究［D］．大连:大连海事大学，2013．

［7］沈永芳，黄醒春．沉管隧道注浆效果监测与评价的试验研究［J］．地下空间与工程学报，2013，9( 4) : 758-764．

［8］周杨．长大隧道工程建设期风险接受准则研究［D］．上海:同济大学，2007．

［9］中华人民共和国铁道部．铁建设［2007］200号铁路隧道风险评估与管理暂行规定［S］．北京:中国铁道出版社，2007．

［10］闵美仿，孙志，何金安．浅谈海底隧道预算补充定额的编制［J］．公路工程，2010，35( 6) : 107-109．

(责任审编赵其文)

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

文章编号:1003-1995( 2016) 02-0052-04

作者简介:张姣( 1981—)，女，副教授，工学博士。

基金项目:国家自然科学基金面上课题( 40972214)

收稿日期:2015-04-14;修回日期: 2015-10-15

中图分类号:U455．46

文献标识码:A

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