沉管隧道施工风险分析与控制

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(1.上海城建职业学院 土木与交通工程学院，上海 200432;2.浙江省地矿勘察院 上海分院，上海 200433)

海峡的存在造成两岸间的交通障碍及文化差异。修建跨海沉管隧道可连接海峡两岸，且具有不受天气影响、不影响景观和航运等优点，因此成为工程首选并广泛使用。如荷兰的首座沉管隧道Maas隧道，由丹麦和瑞典两国合资修建的Oresund海峡沉管隧道，新加坡Tuas电缆沉管隧道，中国的港珠澳大桥沉管隧道。这些隧道代表着沉管隧道修建达到了先进水平。

沉管隧道工程各个工序的施工难度都非常大。所需要的施工机械和施工工法与修建其他隧道不同，在施工过程中会遇到很多突发状况。特别是大跨度的海底隧道，必须分析其施工风险及其控制措施，否则将会发生不可预计的事故，对社会造成负面影响和巨大经济损失。

我国沉管隧道施工的成功案例之一是上海外环越江隧道工程，它也为后来其他许多沉管隧道工程施工提供了宝贵经验。然而，目前对沉管隧道工程的风险分析和控制研究不多。本文采用熵度量法[1-2]，计算沉管隧道施工期的风险，针对各个工序中的各个风险因素[3-5]，比如突发自然状况、人为差错、施工机械等，计算各个风险因素的熵权值，并结合模糊综合评判法，对沉管隧道风险进行整体分析，最后应用于工程实例，得出熵权值，并提出控制措施。

1 沉管隧道工程风险分析

1.1 计算风险度

风险度r是风险因素发生及其产生后果的似然估计，可用来分析沉管隧道风险的大小。计算公式为：

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

Ps+Cs-PsCs

(1)

式中：P为概率，P∈[0,1]；C为后果，C∈[0,1]；Pf为风险因素尚未发生的概率；Ps为风险因素发生的概率；Cf为风险因素尚未发生的后果值；Cs为风险因素产生的后果值。

1.2 计算熵权值

由于沉管隧道风险事件的发生具有不可预测性，且一旦发生后果非常严重，可结合模糊综合评判法[6-7]计算各个风险因素的熵权值。

1.2.1 建立模糊综合评判集合

工程风险因素模糊集合U={u1,u2,…,un}，包含突发自然状况、人为差错、施工机械、现场管理等风险因素，构建相对应的评判集合V={v1,v2,…,vn}，此集合为风险因素产生的后果等级。

1.2.2 建立隶属度矩阵R

采用专家经验评判法，通过评判集合V对模糊集合U中的各个风险因素进行评判，隶属度矩阵R为

(2)

式中：rij为风险因素ui对vj的隶属度，i=1,2,…,n，j=1,2,…,m，即风险因素ui对评判集合V的隶属度矩阵Ri={ri1,ri2,…,rim}。

Rp为概率隶属度矩阵，Rc为后果隶属度矩阵。

1.2.3 计算风险因素的熵权值

根据熵的概念，通过对各个风险因素的定量和定性计算可以决定它的权重。如果风险因素ui的第j个分析值和其他分析值相同或近似相同，即熵值为最大值1，熵权为最小值0，则风险因素ui的第j个分析值不能为决策者提供任何有用的信息，因为此风险因素对风险分析结果的影响最小。如果风险因素ui的第j个分析值对分析结果影响大，即熵值为最小值0，熵权为最大值1，应重点考虑。

当风险因素ui的第j个分析值与rij越近似，此因素在风险综合分析中不需特别重视。由熵原理可知，工程的熵表示工程的有序程度，结合隶属度矩阵R中的rij，计算风险因素ui的相对重要性ei，确定各个风险因素的熵权φi。风险因素ui的熵值Hi为

(3)

rij各数值越近似，风险因素ui的熵值Hi越大，其对工程风险分析的作用越小。当rij各数值相等时，熵值Hmax=lnm。对式(3)进行归一化处理后，可得风险因素ui的相对重要性ei。

(4)

当rij各数值相等时，相对重要性ei=1，0≤ei≤1。由于ei最大时在风险分析中该风险因素的作用可忽略不计，故用1-ei来计算风险因素ui的熵权，对其进行归一化处理后，可得风险因素ui的熵权φi为

(5)

1.3 计算Ps和Cs

首先确定各个风险因素权重，建立向量φ=(φ1,φ2,…,φn)。对评判集合V中的各个指标赋予相应的权重，得到各指标权重组成的向量B=(b1,b2,…,bm)，则风险因素发生的概率Ps为

Ps=φRpBT

(6)

(7)

将求出的Ps和Cs代入式(1)，确定工程的风险度r。r>0.7为高风险，0.3≤r≤0.7为中等风险，r<0.3为低风险。根据风险度的级别，制订相应的风险控制措施和应急处理方案。

2 工程实例

2.1 工程概况

港珠澳大桥建成后将成为世界上最长的跨海大桥，其沉管隧道是全球最长的公路沉管隧道和全球唯一的深埋沉管隧道，沉管隧道长 5 664 m，顶部最大埋深超过20 m，沿线的最大水下深度超过45 m，预制沉管共分33节，采用混凝土自防水进行管节防水，接头长度为2.5 m，采用水下止水板方式施工。采用全断面一次浇筑工艺对每个22.5 m的节段进行施工，保障管节的施工效果。

该沉管隧道施工中管节预制难度高、水文气象复杂、施工作业环境差、管节浮运沉放难点多等，这些都是较易引起事故的风险源，因此很有必要进行风险分析。

2.2 各工序风险因素熵权及风险度计算

沉管隧道管节工厂化预制施工中的风险因素构成模糊集合U={u1,u2,u3,u4}，其中u1,u2,u3,u4分别为风险因素“钢端壳安装精度不足”、“预制尺寸精度不足”、“混凝土重度控制不足”、“管节的早期裂缝控制不足”。风险因素模糊集合U的评判集合V={v1,v2,…,v5}。通过对近年国内外沉管隧道施工中发生的安全事故原因的收集，进行风险因素辨识，并根据预先制定的风险评价准则[7-8]，做好风险因素概率调查表。邀请高校教授10名和具有沉管隧道设计或施工经验的高级职称的专家12名。每个专家对调查表中的各个因素进行风险概率分析，建立各个风险因素发生概率的隶属度矩阵Rp。

由式(4)可得出风险因素ui的相对重要性组成的向量e=(0.276,0.800,0.710,0.630)。由式(5)得出各个风险因素的熵权，组成向量φ=(0.454,0.127,0.184,0.234)。

被邀请的专家根据风险因素产生后果损失等级表[9-10]对风险因素产生后果损失进行分析，建立风险因素产生后果隶属度矩阵Rc。

由式(4)可得出风险因素ui产生后果的相对重要性组成的向量e′=(0.690,0.670,0.886,0.630)，由式(5)得到各个风险因素产生后果的熵权，组成向量φ′=(0.261,0.283,0.103,0.333)。

由式(1)得：r=Ps+Cs-PsCs=0.282。

同理，针对基槽开挖和沉管隧道基础处理过程中的风险因素，构成模糊集合U={u1,u2,u3,u4,u5}，u1,u2,u3,u4,u5分别为风险因素“精挖淤泥设备不良”,“底部扰动过大、产生浮泥”,“基槽清淤不及时”,“刮铺碎石状态不良(偏差)”,“刮铺设备或填料设备未能灵活调整”。构建各个风险因素发生概率隶属度矩阵Rp，由熵权法得到各个风险因素的熵权，组成向量φ=(0.286,0.125,0.216,0.247,0.185)。

计算得出风险因素发生的概率Ps=0.154。

构建风险因素产生后果隶属度矩阵Rc，由式(5)计算出各个风险因素产生后果的熵权,组成向量φ′=(0.212,0.154,0.189,0.206,0.286)。

计算出风险因素产生的后果值Cs=0.161。

由式(1)得：r=Ps+Cs-PsCs=0.290。

同理，针对管节浮运与沉放安装施工过程中的风险因素，构成模糊集合U={u1,u2,…,u5}，其中u1,u2,u3,u4,u5分别为风险因素“水文气象条件复杂、作业环境差”，“管节浮运、沉放设备选用不当”，“深水条件下水下测量定位、调整偏差大”，“管节安装轴线精度控制不良”，“接头漏水”。构建各个风险因素发生概率隶属度矩阵Rp，由熵权法得到各个风险因素的熵权,组成向量φ=(0.322,0.142,0.385,0.219,0.282)。

计算出风险因素发生的概率Ps=0.218。

构建风险因素产生后果隶属度矩阵Rc，由式(5)计算各个风险因素产生后果的熵权,组成向量φ′=(0.226,0.255,0.154,0.216,0.287)。

计算出风险因素产生后果值Cs=0.159。

由式(1)得：r=Ps+Cs-PsCs=0.342。

3 控制措施

3.1 沉管隧道管节工厂化预制风险控制措施

沉管隧道管节工厂化预制的风险度为0.282，属于低风险。风险因素“钢端壳安装精度不足”的权重最大。控制措施：①严格控制钢端壳安装焊接施工工艺；②采用精密的、足够频率的动态监测技术。

风险因素“管节的早期裂缝控制不足”的权重较大。控制措施：①养护措施要正确，控制水化热的大小；②降低出机温度和浇注温度；③分块浇注要合理。

3.2 基槽开挖和沉管隧道基础处理风险控制措施

基槽开挖和沉管隧道基础处理的风险度为0.290，属于低风险。风险因素“精挖淤泥设备不良”的权重最大。控制措施：①机械操作人员必须通过资质培训，必须持证上岗，特别是精挖机械操作人员；②可 以采用精挖挖泥船提高效率，并借助于计算机和精确测量技术提高开挖基槽的精度。

同时，风险因素“刮铺碎石状态不良(偏差)”的权重也较大。控制措施：①为了解刮铺碎石状态，施工人员需在填料刮铺筒出料口处设置超声波探测装置，并及时进行数据的反馈；②必须采用先进的GPS定位的刮铺船，精确定位。

3.3 管节浮运与沉放安装施工风险控制措施

管节浮运与沉放安装施工的风险度为0.342，属于中等风险，需加强控制。风险因素“深水条件下水下测量定位、调整偏差大”的权重最大。控制措施：①采用合理的管节沉放实时定位测量技术；②选用高精度的现代水下测量定位设备。

风险因素“水文气象条件复杂、作业环境差”的权重较大。控制措施：①做好精细化、小区域的海洋环境预报；②每天坚持监测预报。

风险因素“接头漏水”的权重较大。控制措施：①进 行合理的管节结构防水和防腐设计；②选用合适的止水带；③选择合理的管节水下连接方式。

4 结论与建议

1)从历年的国内外沉管隧道施工的安全事故中辨识各个风险因素，使用熵度量法和模糊综合评判法，先求出各个风险因素的权重，以及其导致事故发生的后果权重，再求出各个工序的风险度，并提出控制措施。通过风险分析和控制，从本质上了解风险因素产生的原因及可能造成的后果，避免经济损失和人员伤亡。

2)由于港珠澳大桥设计和施工均采用了最新技术，水文、气象条件复杂，投资巨大，同时由于沉管隧道工程建设中人员和机械设备的复杂性，很精确、全面地定量分析还比较困难。本文提出的熵度量法是一种较新的定量计算方法，吸取熟悉沉管隧道工程的专家的宝贵意见，较接近工程实际，可为以后类似工程的风险分析及控制提供借鉴。