外海沉管隧道浮运安装施工的风险管理研究

张青海

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

外海沉管隧道浮运安装施工的风险管理研究

张青海

（中交一航局第二工程有限公司，山东青岛 266071）

沉管隧道基础铺设、浮运系泊、沉放对接、锁固回填等施工技术及工艺复杂，施工风险管理难度大。目前，有关外海沉管隧道浮运安装施工的风险管理文献资料很少，沉管隧道项目组织施工可借鉴的风险管理经验紧缺。为解决上述难题，首先调研了国内国外沉管隧道安装施工风险案例，结合港珠澳大桥岛隧工程项目，总结了项目施工内容和施工特点；其次，根据项目特点比选风险评估方法，首次提出应用风险矩阵法对外海沉管隧道浮运安装施工的风险因素进行评价、管理分析，并将该法应用于正在施工的港珠澳大桥岛隧工程项目的风险管理中，在该项目风险管理过程中辨识出施工风险点主要集中的工序，有效地预防了重大风险事件的发生，以期为类似工程项目的施工管理提供可借鉴的风险管理方法和经验。

沉管隧道；浮运安装；风险管理；矩阵法；风险点

0 引言

沉管隧道的研究及应用历史久远，1896年美国首次利用沉管法建成波士顿港输水隧洞，自1970年以来沉管隧道发展迅速，并被世界各国普遍采用［1］。2013年，土耳其正式开通世界首条连接欧亚大陆的博斯普鲁斯外海沉管隧道，由于该沉管隧道对地质水文适应能力强、可浅埋、易与两岸道路衔接、工期短、造价低等优势显著，激发了世界各国对沉管隧道应用的热情［2］。我国于2003年建成了上海外环沉管隧道［3］，2010年开始筹划港珠澳大桥岛隧工程项目的建设，截至2015年7月港珠澳大桥的沉管隧道安装施工进展顺利，已完成19个管节的安装，这也标志着我国沉管隧道施工技术已经成熟，未来的琼州海峡隧道、台湾海峡隧道，甚至渤海湾隧道等项目具备了沉管隧道施工技术条件，沉管隧道施工技术将在我国隧道工程中得到广泛应用［4］。

随着沉管隧道工艺的推广应用，相关的技术研究成为热点，但施工风险管理却仅停留在实践经验的积累上，尚未形成系统的沉管隧道风险管理方法，很难查询到有价值的施工管理方面的经验总结文献。由于外海沉管隧道浮运安装施工的风险管理研究匮乏，在施工过程中风险事故频发，如厄勒海峡沉管隧道在安装施工过程中发生端封门破裂灌水事故、釜山巨济沉管隧道在安装施工过程中发生止水带侧翻事故等，每一起事故都会造成项目成本倍增、工期长时间延后，影响整个交通设施的正常通行营运，给社会和企业带来巨大的损失［5-6］。

为最大可能地减少在外海沉管隧道安装施工中发生重大风险事故，本文对外海沉管隧道浮运安装施工的风险管理进行了总结、分析和研究，首次提出了运用风险矩阵法评价外海沉管隧道浮运安装的施工风险，总结出包括风险辨识、分析、评价方法在内的一套具有针对性的风险管理方法。文中结合正在施工的港珠澳大桥沉管隧道项目，总结风险管理经验教训，辨识出在外海沉管隧道浮运安装施工中风险点较集中的工序。

1 沉管隧道风险案例

在众多的沉管隧道工程案例中，重点参考了位于丹麦、瑞典间的厄勒海峡沉管隧道、韩国釜山巨济沉管隧道、日本多摩川沉管隧道、宁波常洪沉管隧道以及上海外环沉管隧道。前2个工程均为外海沉管隧道，也是桥隧结合工程，是典型的沉管隧道外海安装施工的案例。宁波常洪隧道与上海外环隧道均为国内沉管隧道项目，技术资料齐全，风险分析资料相对可靠。案例调查如表1所示。

表1 沉管隧道风险事故调查案例Table 1 Cases of immersed tunnels

1.1 厄勒海峡沉管隧道

1.1.1 工程的总体情况

跨越厄勒海峡的连接线位于哥本哈根（丹麦）与马尔默（瑞典）之间，管节制作采用了工厂化方法，较好地满足了沉放施工进度，沉管段的最大水深约30 m［5］。

1.1.2 施工过程中的问题与解决办法

在对12A管节按照正常的程序进行了压载水箱充水后，所有人员离开管节，并按照一般程序来到指挥塔，随后沉放工作开始。当管段下沉至离砾石基床1.3 m的位置时，在铁路侧的端封门失效，海水涌入管段，并从人孔喷出，管节突然倾斜并沉入海底，所幸在整个过程中没有出现人员伤亡（见图1）。

图1 管节沉放端封门开裂示意图Fig.1 Damage of bulkhead during tube immersing

在事故发生后，对沉入海底的管节进行水下调查和结构评估，结果表明，管节本身没有出现结构性损伤。然后对管节进行打捞，拖回坞内进行修理和重新舾装，重新进行沉放。

1.2 釜山巨济沉管隧道

1.2.1 工程的总体情况

韩国釜山—巨济连线是连接韩国最南端的第2大城市釜山和巨济岛的高速公路，隧道底部最大水深约50 m［6］，如图2所示。

图2 釜山巨济沉管隧道纵断面Fig.2 Profile of Busan-Koje immersed tunnel

1.2.2 施工过程中的问题与解决办法

在E16管节浮运就位前，GINA止水带受意外碰撞造成损伤。事故导致工期延误3个月，修复GINA止水带及其他临时工程的重复施工，造成严重的经济损失。

处理办法：浮运系泊阶段的方案制定严密，执行严格；系泊区采取禁航措施；对GINA止水带及一些易损坏的舾装件加装保护装置。

1.3 宁波常洪沉管隧道

1.3.1 工程的总体情况

常洪隧道是宁波市外环路的一个重要工程，于2002年建成通车，如图3所示。

图3 管节制作与浮运沉放施工Fig.3 Tube prefabrication and installation

1.3.2 施工过程中的问题与解决办法

1）某管节沉放锁定后又出现上浮现象。由于槽底的回淤，导致管节的抗浮系数不够，管节上浮。发现问题后立即用约3 000 t黄沙进行压载，阻止管节上浮，并对已经沉放就位的管节加强监测。

2）水下截桩不到位导致E4管节无法沉放。宁波常洪沉管隧道采用桩基础，沉桩后需要对桩顶进行处理（水下截桩），以保证桩顶标高不高于设计的管底标高，管节和桩顶之间通过注浆囊袋实现传力。在E4管节沉放前，由于某根桩的截桩不到位，顶标高高于管底标高，导致E4管节无法沉放到位。管节被拖回干坞，对桩顶进行重新处理后再沉放。

1.4 上海外环沉管隧道

1.4.1 工程的总体情况

上海外环隧道是上海市“三环十射”快速道路系统中的一个重要工程，隧址距吴淞口约2 km，断面尺寸为亚洲之最，世界第3，如图4所示。

1.4.2 在施工过程中所遇的问题与解决办法

当E2管节沉放接近目标时，发现基槽有浅点，液压绞车发生故障，管节无法沉放到位。这是一个典型的多风险源叠加出现的案例，在这次事故中有3个风险源同时出现，即基槽浅点、设备故障、设备维修不及时。事故给我们的启示是，在每次管节沉放前，除了要对设备进行全面的维修保养外，还需要有一定的备品、备件，或者切实可行的应急预案。

图4 干坞内的管节Fig.4 Tubes in dry dock

2 外海沉管隧道浮运安装施工项目的工艺和特点

2.1 主要施工项目

外海沉管隧道一般为跨海大桥穿过航道的结构形式，结构的两端需借助人工岛（或自然岛）作为隧道和桥梁的衔接。外海沉管隧道浮运安装施工项目主要包括基础处理［7］、管节舾装、管节出坞、管节浮运系泊、管节对接、覆盖回填等，此外，管节的浮运沉放对接作业还需要借助压载水系统［8］、对接拉合系统［9］、测控系统等来完成。

2.2 施工特点

外海沉管隧道浮运安装施工一般远离陆地、外海无掩护施工、作业条件差、技术难点多、安装作业强度大、环保要求严、施工风险大。本文以港珠澳大桥岛隧工程在建项目为例，该工程隧道总长度5 664 m，为东西走向，两端与人工岛暗埋段相接。隧道位于珠江口的伶仃洋海域，由33个管节组成，管节宽37.95 m、高11.4 m，隧道与人工岛衔接布置如图5所示［10］。

图5 外海沉管隧道与人工岛连接Fig.5 Connection between immersed tunnel and artificial islands

施工特点如下：1）隧道往往穿过运输繁忙的航道，水上交通事故易发；2）隧道与人工岛衔接部位作业面狭窄、水流条件复杂、安装难度大；3）在复杂水流和航运条件下的管节浮运难度大；4）水文与气象作业窗口精确选择难度大；5）在外海深水压力条件下的管节端封门使用安全风险大，深水条件的潜水作业安全风险大，突发灾害天气（如突风、台风、海啸等）现场作业安全风险大。

3 风险管理最优方法

3.1 风险管理原则

目前，在隧道工程风险管理中普遍采用ALARP原则，即在合理可行的范围内将风险降到最低［11］。沉管隧道外海安装施工的规模大、不可预见的风险多，风险管理非常重要。风险管理要遵守ALARP原则，如图6所示。

3.2 最优风险分析评价法

分析上述已调研的沉管隧道风险事故案例，结合沉管隧道外海安装施工内容和主要特点，对适合该项目的风险评估方法进行比较分析，最终确定风险矩阵法为最优风险评估方法。

图6 ALARP原则示意图Fig.6 Sketch diagram of ALARP

风险矩阵法是采用概率理论对风险因素发生的概率和后果进行评估的方法［12］，一般步骤为：1）确定风险评估指标；2）确定每个风险因素的后果等级；3）确定每个风险因素的概率等级；4）将风险发生的后果等级和概率等级分别列在风险矩阵图上，二者垂直坐标交点区域即为风险等级。该方法操作简单，容易得到风险评估的结果，属于半定量分析法［13］。

文中风险评估与管理研究所采用的风险评估打分方法和评价准则，是参照文献［14］中的相关数据和总结项目施工风险管理工作经验来确定的。

3.2.1 风险量

风险量，即某项风险事故发生后的损失程度。按照风险发生后造成事故的损失程度，将风险划分为可忽略、需考虑、严重、非常严重、灾难性5级，并赋予相应分值。

在风险管理活动中，风险辨识三级会议的参会者对照本级会议风险辨识成果清单，并结合自身学识和经验对各风险的损失进行打分，各损失风险在每级会议中的平均分值为其在该级会议中最终确定的损失分值［15］，针对一项风险用数学语言表达，即

式中：m为会议级别，m＝1、2、3分别表示一级、二级、三级会议；pm为对应级别会议的损失分值；pmi为m级风险会议第i个专家风险损失打分；n为该级会议参与讨论辨识打分者人数。

将三级会议的损失分值分别赋予相应的权值，再取平均值作为该项风险的风险量，较专家直接打分得出的分值更为科学、理性，在一定程度上剔除了个人原因造成的偏差。将一级、二级、三级会议的损失分值分

式中：p为该项风险的风险量；p1、p2、p3分别为该项风险一级会议、二级会议、三级会议的风险损失分值。

最后，将该项风险的风险量值与文献［14］中的风险量分级和分值对应表进行对照，即可确定风险量的等级。

3.2.2 风险概率

风险概率，即某项风险事件发生并导致事故损失的概率。按照风险发生的概率将风险划分为罕遇、偶遇、可能、预期、频繁5级，参考国际隧协最新颁布的《隧道工程风险管理指南》的评分表进行打分评级。

各风险的风险概率确定方法同风险量的确定方法，即三级会议各与会者在对风险损失打分的同时，也为该项风险估算出发生的概率；但是，三级会议所确定的风险概率不再赋予权值［15］。

3.2.3 风险矩阵及接受准则

工程各个风险点的风险概率和风险损失的估算，以及各风险点之间的重要程度，通过三级风险会议来确定，即让参会的施工方代表、监理代表、业主代表和专家对识别出来的风险因素按照文献［14］的打分原则进行打分，然后将调研表格收回，将专家打出的分数进行加权统计分析，得到每个风险因素的风险概率以及风险后果的严重程度（即风险量）。

前文已确定了沉管隧道外海安装施工的风险接受准则，具体划分及表述见表2和表3。风险矩阵方法综合考虑了风险量和风险概率2个方面的因素，可直接评估风险因素对项目的影响。依据风险量和风险概率的分级，组合得出风险可接受程度，风险可接受程度采用矩阵方式进行直观表达。别赋予1.0、1.05、1.1的权值，该项风险的风险量用数学语言表达，即

表2 风险分析矩阵Table 2 Risk analysis matrix

4 风险辨识统计分析

以港珠澳大桥沉管隧道外海安装施工为例，对沉管安装各工序风险点进行逐一辨识，得出风险点101项，这些风险点在不同工序分布情况如图7所示。

表3 风险管理接受准则Table 3 Acceptance criteria of risk management

图7 风险点在不同工序的分布图Fig.7 Distribution of hazards in different construction steps

由图7可知，在沉管安装的所有工序中，沉管沉放对接风险21项、沉管基础处理风险20项、沉管浮运风险14项，这是风险点最集中的3道工序，约占总量的54.5%；因此，在施工中应对以上3道工序严格管控，在风险管理方面给予人力物力倾斜。

以港珠澳大桥沉管隧道外海安装施工项目为例，依据3.4中确定的风险管理原则和半定量的风险矩阵评价方法，对沉管隧道外海安装施工已辨识出的风险进行逐项分析，并评价打分，得出风险量化估值，从而可以评判出各工序不可接受的风险，具体见表4。

由表4可知，各工序不可接受的风险因素共计22个，其中，不可接受风险因素较多的工序为基床铺设施工和沉放对接施工，均为6个。由此可见，基床铺设施工和沉放对接施工，在沉管隧道外海安装施工中，不可接受风险点较多、风险危害较大，是风险管理的重点。

表4 各工序不可接受的风险因素统计及分析平价Table 4 Statistics and analysis of risk factors in each construction step

5 结论与讨论

本文主要以沉管隧道外海安装风险管理工作为研究对象，结合港珠澳大桥沉管隧道外海安装施工项目，对风险管理工作进行分析研究，为后续类似沉管隧道外海安装工程施工提供风险管理的理论支持，以提高类似工程的风险管理水平，实现零事故、高收益的工程管理目标。

根据外海沉管隧道浮运安装施工的特点，参照国际隧协最新编写的《隧道工程风险管理指南》，选择风险分析矩阵法作为沉管隧道外海安装施工风险管理的风险评价方法。本文借助该评价方法，参考国内外沉管隧道安装施工的风险事故案例，对沉管隧道外海安装施工的风险进行了辨识、评价，在三级风险会议上，对各项风险因素进行分析研究，制定措施对风险进行控制，以达到避免或者削弱风险事故的目的。总结归纳沉管隧道外海安装施工风险因素及其控制措施，并使风险管理系统化的工作非常必要，也是目前国内外尚需解决的问题，为此，希望本文的分析研究能够为同类跨海隧道沉管安装项目施工提供施工风险管理的可靠经验，最大程度地减少发生风险事故。

（References）：

［1］ 陈韶章.沉管隧道设计与施工［M］.北京：科学出版社，2002.（CHEN Shaozhang.The design and construction for immersed tunnel［M］.Beijing：Science Press，2002.（in Chinese））

［2］ 邵根大.穿越博斯普鲁斯海峡的铁路工程［J］.现代城市轨道交通，2010（1）：60-62.（SHAO Genda.Railway project crossing Bosphorus Strait［J］.Modern Urban Transit，2010（1）：60-62.（in Chinese））

［3］ 朱家祥，陈彬.外海沉管隧道工程［M］.上海：上海科学技术出版社，2005.（ZHU Jiaxiang，CHEN Bin.Off the coast of immersed tube tunnel engineering［M］.Shanghai：ShanghaiScienceandTechnologyPress，2005.（in Chinese））

［4］ 陈韶章，苏宗贤，陈越.港珠澳大桥沉管隧道新技术［J］.隧道建设，2015，35（5）：396-403.（CHEN Shaozhang，SU Zongxian，CHEN Yue.New technologies used for immersed tunnel of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge project ［J］.Tunnel Construction，2015，35（5）：396-403.（in Chinese））

［5］ 甄士孝.厄勒海峡固定联络线及其沉管隧道段的设计［J］.世界隧道，1997（6）：4-11.（ZHEN Shixiao.The fixed link across the Oresund：tunnel section under the Drogden［J］.World Tunnel，1997（6）：4-11.（in Chinese））

［6］ 王青华.釜山巨济跨海通道项目沉管隧道技术分析［J］.现代商贸工业，2009（14）：267-268.（WANG Qinghua.Technical analysis on Busan-Koje sea-crossing immersed tube tunnel［J］.Modern Commerce and Industry，2009 （14）：267-268.（in Chinese））

［7］ 李一勇，刘德进，李增军，等.离岸深水港抛石基床整平关键技术［J］.中国港湾建设，2010（增刊1）：128-131.（LI Yiyong，LIU Dejin，LI Zengjun，et al.Key technology of rubble base leveling in offshore deepwater port［J］.China Harbour Engineering，2010（S1）：128-131.（in Chinese））

［8］ 林巍.港珠澳大桥沉管隧道管节压舱水系统［J］.中国港湾建设，2014（2）：11-16，44.（LIN Wei.Ballast tank system of immersed tunnel element for Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge［J］.China Harbour Engineering，2014（2）：11-16，44.（in Chinese））

［9］ 郭建文.海河隧道沉管沉放对接的主要施工技术［J］.隧道标准设计，2013（4）：73-77.（GUO Jianwen.Key construction technologies of sinking and docking of immersed tube of Haihe River tunnel［J］.Railway Standard Design，2013（4）：73-77.（in Chinese））

［10］ 尹海卿.港珠澳大桥岛隧工程设计施工关键技术［J］.隧道建设，2014，34（1）：60-66.（YIN Haiqing.Key technologies applied in design and construction of artificial islands and immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge（HZMB）project［J］.Tunnel Construction，2014，34（1）：60-66.（in Chinese））

［11］ 顾孟迪，雷鹏.风险管理［M］.北京：清华大学出版社，2009.（GU Mengdi，LEI Peng.Risk management［M］.Beijing：Tsinghua University Press，2009.（in Chinese））

［12］ 常虹，高云莉.风险矩阵方法在工程项目风险管理中的应用［J］.工业技术经济，2007，26（11）：134-137.（CHANG Hong，GAO Yunli.Application of risk matrix method inprojectriskmanagement［J］.Industrial Technology＆Economy，2007，26（11）：134-137.（in Chinese））

［13］ 王晓.大型工程项目管理理论与方法研究［D］.成都：西南交通大学，2005.（WANG Xiao.Study on theory and method of large-scale engineering project administration ［D］.Chengdu：Southwest Jiaotong University，2005.（in Chinese））

［14］ Eskesen S D，Tengborg P，Kampmann J，et al.Guidelines for tunnellingriskmanagement［J］.Tunnellingand Underground Space Technology，2004，19（3）：217-237.

［15］ 尹志军，陈立文，王双正，等.我国工程项目风险管理进展研究［J］.基建优化，2002，23（4）：6-9.（YIN Zhijun，CHEN Liwen，WANG Shuangzheng，et al.Study on the advance of project risk management in China［J］.Optimization of Capital Construction，2002，23（4）：6-9.（in Chinese））

Risk Management in Offshore Towing and Installation of
Immersed Tunnel Tubes

ZHANG Qinghai

（No.2 Engineering Company Ltd.of CCCC First Harbor Engineering Company Ltd.，Qingdao 266071，Shandong，China）

Due to the complexity in the foundation treatment，towing transportation，immersing，locking and backfilling in the construction of immersed tunnels，there is great difficulty in the risk management in the construction of immersed tunnels.In the paper，the risk management in the offshore towing and installation of the tubes of the immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge Project is studied.Firstly，some immersed tunnel cases abroad and at home are investigated，and the features of the immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge Project is summarized；Secondly，risk matrix method is applied in the management of the risks in the offshore towing and installation of the tubes of the immersed tunnel of Hong Kong-Zhuhai-Macau Bridge Project，and the major construction steps with risks are analyzed.In the end，good risk control effect has been achieved.

immersed tunnel；towing and installation；risk management；risk Matrix；hazard

10.3973/j.issn.1672-741X.2015.11.006

U 459.5

A

1672-741X（2015）11-1150-07

2015-05-05；

2015-09-30

张青海（1981—），男，内蒙古通辽人，2014年毕业于华南理工大学，建筑与土木工程专业，硕士，工程师，主要从事土建、港航工程的施工管理和技术方案研究工作。