外海沉管隧道浮運安裝施工的風險管理研究

張青海

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071）

外海沉管隧道浮運安裝施工的風險管理研究

張青海

（中交一航局第二工程有限公司，山東青島 266071）

沉管隧道基礎鋪設、浮運系泊、沉放對接、鎖固回填等施工技術及工藝復雜，施工風險管理難度大。目前，有關外海沉管隧道浮運安裝施工的風險管理文獻資料很少，沉管隧道項目組織施工可借鑒的風險管理經驗緊缺。為解決上述難題，首先調研了國內國外沉管隧道安裝施工風險案例，結合港珠澳大橋島隧工程項目，總結了項目施工內容和施工特點；其次，根據項目特點比選風險評估方法，首次提出應用風險矩陣法對外海沉管隧道浮運安裝施工的風險因素進行評價、管理分析，并將該法應用于正在施工的港珠澳大橋島隧工程項目的風險管理中，在該項目風險管理過程中辨識出施工風險點主要集中的工序，有效地預防了重大風險事件的發生，以期為類似工程項目的施工管理提供可借鑒的風險管理方法和經驗。

沉管隧道；浮運安裝；風險管理；矩陣法；風險點

0 引言

沉管隧道的研究及應用歷史久遠，1896年美國首次利用沉管法建成波士頓港輸水隧洞，自1970年以來沉管隧道發展迅速，并被世界各國普遍采用［1］。2013年，土耳其正式開通世界首條連接歐亞大陸的博斯普魯斯外海沉管隧道，由于該沉管隧道對地質水文適應能力強、可淺埋、易與兩岸道路銜接、工期短、造價低等優勢顯著，激發了世界各國對沉管隧道應用的熱情［2］。我國于2003年建成了上海外環沉管隧道［3］，2010年開始籌劃港珠澳大橋島隧工程項目的建設，截至2015年7月港珠澳大橋的沉管隧道安裝施工進展順利，已完成19個管節的安裝，這也標志著我國沉管隧道施工技術已經成熟，未來的瓊州海峽隧道、臺灣海峽隧道，甚至渤海灣隧道等項目具備了沉管隧道施工技術條件，沉管隧道施工技術將在我國隧道工程中得到廣泛應用［4］。

隨著沉管隧道工藝的推廣應用，相關的技術研究成為熱點，但施工風險管理卻僅停留在實踐經驗的積累上，尚未形成系統的沉管隧道風險管理方法，很難查詢到有價值的施工管理方面的經驗總結文獻。由于外海沉管隧道浮運安裝施工的風險管理研究匱乏，在施工過程中風險事故頻發，如厄勒海峽沉管隧道在安裝施工過程中發生端封門破裂灌水事故、釜山巨濟沉管隧道在安裝施工過程中發生止水帶側翻事故等，每一起事故都會造成項目成本倍增、工期長時間延后，影響整個交通設施的正常通行營運，給社會和企業帶來巨大的損失［5-6］。

為最大可能地減少在外海沉管隧道安裝施工中發生重大風險事故，本文對外海沉管隧道浮運安裝施工的風險管理進行了總結、分析和研究，首次提出了運用風險矩陣法評價外海沉管隧道浮運安裝的施工風險，總結出包括風險辨識、分析、評價方法在內的一套具有針對性的風險管理方法。文中結合正在施工的港珠澳大橋沉管隧道項目，總結風險管理經驗教訓，辨識出在外海沉管隧道浮運安裝施工中風險點較集中的工序。

1 沉管隧道風險案例

在眾多的沉管隧道工程案例中，重點參考了位于丹麥、瑞典間的厄勒海峽沉管隧道、韓國釜山巨濟沉管隧道、日本多摩川沉管隧道、寧波常洪沉管隧道以及上海外環沉管隧道。前2個工程均為外海沉管隧道，也是橋隧結合工程，是典型的沉管隧道外海安裝施工的案例。寧波常洪隧道與上海外環隧道均為國內沉管隧道項目，技術資料齊全，風險分析資料相對可靠。案例調查如表1所示。

表1 沉管隧道風險事故調查案例Table 1 Cases of immersed tunnels

1.1 厄勒海峽沉管隧道

1.1.1 工程的總體情況

跨越厄勒海峽的連接線位于哥本哈根（丹麥）與馬爾默（瑞典）之間，管節制作采用了工廠化方法，較好地滿足了沉放施工進度，沉管段的最大水深約30 m［5］。

1.1.2 施工過程中的問題與解決辦法

在對12A管節按照正常的程序進行了壓載水箱充水后，所有人員離開管節，并按照一般程序來到指揮塔，隨后沉放工作開始。當管段下沉至離礫石基床1.3 m的位置時，在鐵路側的端封門失效，海水涌入管段，并從人孔噴出，管節突然傾斜并沉入海底，所幸在整個過程中沒有出現人員傷亡（見圖1）。

圖1 管節沉放端封門開裂示意圖Fig.1 Damage of bulkhead during tube immersing

在事故發生后，對沉入海底的管節進行水下調查和結構評估，結果表明，管節本身沒有出現結構性損傷。然后對管節進行打撈，拖回塢內進行修理和重新舾裝，重新進行沉放。

1.2 釜山巨濟沉管隧道

1.2.1 工程的總體情況

韓國釜山—巨濟連線是連接韓國最南端的第2大城市釜山和巨濟島的高速公路，隧道底部最大水深約50 m［6］，如圖2所示。

圖2 釜山巨濟沉管隧道縱斷面Fig.2 Profile of Busan-Koje immersed tunnel

1.2.2 施工過程中的問題與解決辦法

在E16管節浮運就位前，GINA止水帶受意外碰撞造成損傷。事故導致工期延誤3個月，修復GINA止水帶及其他臨時工程的重復施工，造成嚴重的經濟損失。

處理辦法：浮運系泊階段的方案制定嚴密，執行嚴格；系泊區采取禁航措施；對GINA止水帶及一些易損壞的舾裝件加裝保護裝置。

1.3 寧波常洪沉管隧道

1.3.1 工程的總體情況

常洪隧道是寧波市外環路的一個重要工程，于2002年建成通車，如圖3所示。

圖3 管節制作與浮運沉放施工Fig.3 Tube prefabrication and installation

1.3.2 施工過程中的問題與解決辦法

1）某管節沉放鎖定后又出現上浮現象。由于槽底的回淤，導致管節的抗浮系數不夠，管節上浮。發現問題后立即用約3 000 t黃沙進行壓載，阻止管節上浮，并對已經沉放就位的管節加強監測。

2）水下截樁不到位導致E4管節無法沉放。寧波常洪沉管隧道采用樁基礎，沉樁后需要對樁頂進行處理（水下截樁），以保證樁頂標高不高于設計的管底標高，管節和樁頂之間通過注漿囊袋實現傳力。在E4管節沉放前，由于某根樁的截樁不到位，頂標高高于管底標高，導致E4管節無法沉放到位。管節被拖回干塢，對樁頂進行重新處理后再沉放。

1.4 上海外環沉管隧道

1.4.1 工程的總體情況

上海外環隧道是上海市“三環十射”快速道路系統中的一個重要工程，隧址距吳淞口約2 km，斷面尺寸為亞洲之最，世界第3，如圖4所示。

1.4.2 在施工過程中所遇的問題與解決辦法

當E2管節沉放接近目標時，發現基槽有淺點，液壓絞車發生故障，管節無法沉放到位。這是一個典型的多風險源疊加出現的案例，在這次事故中有3個風險源同時出現，即基槽淺點、設備故障、設備維修不及時。事故給我們的啟示是，在每次管節沉放前，除了要對設備進行全面的維修保養外，還需要有一定的備品、備件，或者切實可行的應急預案。

圖4 干塢內的管節Fig.4 Tubes in dry dock

2 外海沉管隧道浮運安裝施工項目的工藝和特點

2.1 主要施工項目

外海沉管隧道一般為跨海大橋穿過航道的結構形式，結構的兩端需借助人工島（或自然島）作為隧道和橋梁的銜接。外海沉管隧道浮運安裝施工項目主要包括基礎處理［7］、管節舾裝、管節出塢、管節浮運系泊、管節對接、覆蓋回填等，此外，管節的浮運沉放對接作業還需要借助壓載水系統［8］、對接拉合系統［9］、測控系統等來完成。

2.2 施工特點

外海沉管隧道浮運安裝施工一般遠離陸地、外海無掩護施工、作業條件差、技術難點多、安裝作業強度大、環保要求嚴、施工風險大。本文以港珠澳大橋島隧工程在建項目為例，該工程隧道總長度5 664 m，為東西走向，兩端與人工島暗埋段相接。隧道位于珠江口的伶仃洋海域，由33個管節組成，管節寬37.95 m、高11.4 m，隧道與人工島銜接布置如圖5所示［10］。

圖5 外海沉管隧道與人工島連接Fig.5 Connection between immersed tunnel and artificial islands

施工特點如下：1）隧道往往穿過運輸繁忙的航道，水上交通事故易發；2）隧道與人工島銜接部位作業面狹窄、水流條件復雜、安裝難度大；3）在復雜水流和航運條件下的管節浮運難度大；4）水文與氣象作業窗口精確選擇難度大；5）在外海深水壓力條件下的管節端封門使用安全風險大，深水條件的潛水作業安全風險大，突發災害天氣（如突風、臺風、海嘯等）現場作業安全風險大。

3 風險管理最優方法

3.1 風險管理原則

目前，在隧道工程風險管理中普遍采用ALARP原則，即在合理可行的范圍內將風險降到最低［11］。沉管隧道外海安裝施工的規模大、不可預見的風險多，風險管理非常重要。風險管理要遵守ALARP原則，如圖6所示。

3.2 最優風險分析評價法

分析上述已調研的沉管隧道風險事故案例，結合沉管隧道外海安裝施工內容和主要特點，對適合該項目的風險評估方法進行比較分析，最終確定風險矩陣法為最優風險評估方法。

圖6 ALARP原則示意圖Fig.6 Sketch diagram of ALARP

風險矩陣法是采用概率理論對風險因素發生的概率和后果進行評估的方法［12］，一般步驟為：1）確定風險評估指標；2）確定每個風險因素的后果等級；3）確定每個風險因素的概率等級；4）將風險發生的后果等級和概率等級分別列在風險矩陣圖上，二者垂直坐標交點區域即為風險等級。該方法操作簡單，容易得到風險評估的結果，屬于半定量分析法［13］。

文中風險評估與管理研究所采用的風險評估打分方法和評價準則，是參照文獻［14］中的相關數據和總結項目施工風險管理工作經驗來確定的。

3.2.1 風險量

風險量，即某項風險事故發生后的損失程度。按照風險發生后造成事故的損失程度，將風險劃分為可忽略、需考慮、嚴重、非常嚴重、災難性5級，并賦予相應分值。

在風險管理活動中，風險辨識三級會議的參會者對照本級會議風險辨識成果清單，并結合自身學識和經驗對各風險的損失進行打分，各損失風險在每級會議中的平均分值為其在該級會議中最終確定的損失分值［15］，針對一項風險用數學語言表達，即

式中：m為會議級別，m＝1、2、3分別表示一級、二級、三級會議；pm為對應級別會議的損失分值；pmi為m級風險會議第i個專家風險損失打分；n為該級會議參與討論辨識打分者人數。

將三級會議的損失分值分別賦予相應的權值，再取平均值作為該項風險的風險量，較專家直接打分得出的分值更為科學、理性，在一定程度上剔除了個人原因造成的偏差。將一級、二級、三級會議的損失分值分

式中：p為該項風險的風險量；p1、p2、p3分別為該項風險一級會議、二級會議、三級會議的風險損失分值。

最后，將該項風險的風險量值與文獻［14］中的風險量分級和分值對應表進行對照，即可確定風險量的等級。

3.2.2 風險概率

風險概率，即某項風險事件發生并導致事故損失的概率。按照風險發生的概率將風險劃分為罕遇、偶遇、可能、預期、頻繁5級，參考國際隧協最新頒布的《隧道工程風險管理指南》的評分表進行打分評級。

各風險的風險概率確定方法同風險量的確定方法，即三級會議各與會者在對風險損失打分的同時，也為該項風險估算出發生的概率；但是，三級會議所確定的風險概率不再賦予權值［15］。

3.2.3 風險矩陣及接受準則

工程各個風險點的風險概率和風險損失的估算，以及各風險點之間的重要程度，通過三級風險會議來確定，即讓參會的施工方代表、監理代表、業主代表和專家對識別出來的風險因素按照文獻［14］的打分原則進行打分，然后將調研表格收回，將專家打出的分數進行加權統計分析，得到每個風險因素的風險概率以及風險后果的嚴重程度（即風險量）。

前文已確定了沉管隧道外海安裝施工的風險接受準則，具體劃分及表述見表2和表3。風險矩陣方法綜合考慮了風險量和風險概率2個方面的因素，可直接評估風險因素對項目的影響。依據風險量和風險概率的分級，組合得出風險可接受程度，風險可接受程度采用矩陣方式進行直觀表達。別賦予1.0、1.05、1.1的權值，該項風險的風險量用數學語言表達，即

表2 風險分析矩陣Table 2 Risk analysis matrix

4 風險辨識統計分析

以港珠澳大橋沉管隧道外海安裝施工為例，對沉管安裝各工序風險點進行逐一辨識，得出風險點101項，這些風險點在不同工序分布情況如圖7所示。

表3 風險管理接受準則Table 3 Acceptance criteria of risk management

圖7 風險點在不同工序的分布圖Fig.7 Distribution of hazards in different construction steps

由圖7可知，在沉管安裝的所有工序中，沉管沉放對接風險21項、沉管基礎處理風險20項、沉管浮運風險14項，這是風險點最集中的3道工序，約占總量的54.5%；因此，在施工中應對以上3道工序嚴格管控，在風險管理方面給予人力物力傾斜。

以港珠澳大橋沉管隧道外海安裝施工項目為例，依據3.4中確定的風險管理原則和半定量的風險矩陣評價方法，對沉管隧道外海安裝施工已辨識出的風險進行逐項分析，并評價打分，得出風險量化估值，從而可以評判出各工序不可接受的風險，具體見表4。

由表4可知，各工序不可接受的風險因素共計22個，其中，不可接受風險因素較多的工序為基床鋪設施工和沉放對接施工，均為6個。由此可見，基床鋪設施工和沉放對接施工，在沉管隧道外海安裝施工中，不可接受風險點較多、風險危害較大，是風險管理的重點。

表4 各工序不可接受的風險因素統計及分析平價Table 4 Statistics and analysis of risk factors in each construction step

5 結論與討論

本文主要以沉管隧道外海安裝風險管理工作為研究對象，結合港珠澳大橋沉管隧道外海安裝施工項目，對風險管理工作進行分析研究，為后續類似沉管隧道外海安裝工程施工提供風險管理的理論支持，以提高類似工程的風險管理水平，實現零事故、高收益的工程管理目標。

根據外海沉管隧道浮運安裝施工的特點，參照國際隧協最新編寫的《隧道工程風險管理指南》，選擇風險分析矩陣法作為沉管隧道外海安裝施工風險管理的風險評價方法。本文借助該評價方法，參考國內外沉管隧道安裝施工的風險事故案例，對沉管隧道外海安裝施工的風險進行了辨識、評價，在三級風險會議上，對各項風險因素進行分析研究，制定措施對風險進行控制，以達到避免或者削弱風險事故的目的。總結歸納沉管隧道外海安裝施工風險因素及其控制措施，并使風險管理系統化的工作非常必要，也是目前國內外尚需解決的問題，為此，希望本文的分析研究能夠為同類跨海隧道沉管安裝項目施工提供施工風險管理的可靠經驗，最大程度地減少發生風險事故。

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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

張青海（1981—），男，內蒙古通遼人，2014年畢業于華南理工大學，建筑與土木工程專業，碩士，工程師，主要從事土建、港航工程的施工管理和技術方案研究工作。