長距離大口徑鋼頂管施工風險管理研究

汪洪濤

上海城投水務工程項目管理有限公司 上海 201103

1 概述

頂管施工是繼盾構施工技術之后發展起來的一種非開挖的地下管道施工方法，可在不影響地面設施的情況下穿越河道、公路、地面與地下建（構）筑物及各種地下管線等進行施工，具有土層適用范圍廣、對周圍土體擾動少、噪聲及振動小、不影響地面交通等諸多優點。近幾年，頂管施工行業逐漸走向成熟，地下頂管工程在各大、中城市的市政工程中陸續加以應用，推動著頂管施工向著長距離、大口徑、深埋藏、鋼結構的方向發展，必要時還會呈現曲線頂進的趨勢。長距離、大口徑、深埋藏、曲線頂進、鋼管管節等新工藝、新材料的應用，在挑戰施工技術難度的同時，必然也伴隨著巨大的風險[1-5]。例如，管徑越大，靈活性越差，越容易出現軸線偏差；距離越長，中繼間數量越多，越容易發生滲漏；埋藏越深，工作井越深，坍塌失穩的可能性越大；鋼管的焊縫越多、越長，則焊接質量控制的難度也越大等等。當這些高難度、高風險的頂管施工技術被應用于城市重要區域時，一旦發生事故，其后果將十分嚴重。例如，當軸線偏差并觸碰到燃氣管道時，可能導致爆炸，造成人員傷亡；當中繼間滲漏時，可能引起地面過度沉降，危及建筑物安全，造成人民群眾的財產損失；當焊接質量不好、發生爆管時，也會導致地面沉降及鄰近管線、建筑物的破壞等等。因此我們必須高度重視頂管工程的施工風險管理，故對長距離大口徑頂管施工風險管理進行研究就顯得很有必要。本文以上海市重點工程——青草沙水源地嚴橋支線工程為背景，研究長距離、大口徑鋼頂管施工中的風險管理，通過研究以確保背景工程的順利實施，并為今后類似工程提供經驗參考。

2 背景工程概況

上海青草沙水源地原水工程由青草沙水庫及取輸水泵閘工程、長江原水過江管工程、陸域輸水管線及增壓泵站工程3個主體工程組成。嚴橋支線工程是青草沙水源地原水工程陸域輸水系統的重要組成部分之一，承擔著向6座水廠輸送青草沙原水的重任，工程設計規模為4 400 000 m3/d。

嚴橋支線工程內容為2根DN3 600 mm鋼管，全線采用鋼頂管施工工藝，布設頂管井約54座。同時具有大口徑（外徑3 668 mm）、長距離（一次頂進距離最長達1 960 m）、深埋藏（15～20 m）、高水頭（約70 m）以及整體規模大（線路全長約27.10 km）、施工條件多樣（沿途穿越磁懸浮軌道、交通高架橋、河道、污水管道等重要市政工程）、技術難度高（國內首次鋼頂管曲線頂進）、管理難度大（參與方眾多，施工工藝復雜）等特點，這些特點使得該項目具有很大的風險性。

3 施工特點及風險分析

1）工程為上海市重點工程，建設工期緊，工序多，工作線長，在施工過程中必須精心組織，合理安排，使工程的各個部位環環相扣，交叉進行，以確保工程在保證質量的同時按時完工。

2）施工段多，場地狹小，沉降控制要求高。工程部分工作井位于交通主干線附近，施工期間將穿越大量民房、河浜、地面道路及天橋樁區域，必須高度重視對地面沉降的控制。一旦出現較大沉降，極有可能造成相關路段交通癱瘓，引發交通事故，甚至造成人員傷亡等嚴重后果。

3）長距離頂管，頂進技術要求高。工程有多段頂管一次頂進距離比較長，最長達1 960 m，管材采用鋼管，外徑3 668 mm，管節一般采用6.6 m長，糾偏較為困難。在實際頂進中，由于土層性質變化、注漿效果等會造成頂進阻力的變化，頂進軸線和設計軸線經常發生偏差，需要采取糾偏措施，減小頂進軸線和設計軸線間的偏差值，使之盡量趨于一致。

4）頂管機進出洞難度大，防水要求高。工程部分頂管覆土比較深，穿越地層含水量大，透水性強，頂管進出洞時除要進行深層地層加固處理外，還要采用安全可靠的降水措施，降低地下水位。由于頂進距離長，中繼間密封圈磨損相當厲害，施工時有必要加強對中繼間等薄弱環節的密封處理，解決好鋼管的密封防水問題，以確保鋼頂管內的施工作業安全。

5）國內首次鋼頂管曲線頂進，無經驗可尋，施工難度高。工程J45井至J42B井，因頂管線路的變更，有一段170 m左右的鋼管曲線頂進施工。如此大口徑的鋼管曲線頂進施工，屬國內首次。

6）焊接質量要求高。工程管道工作壓力比較大，管道設計工作壓力為0.80 MPa，試驗壓力為1.30 MPa，鋼管內徑為DN3 600 mm，壁厚34 mm，對鋼管接口焊接質量要求高，且工期比較緊，而在鋼頂管頂進過程中，焊接的速度大大限制了施工進度。必須采取合理的焊接工藝和應對控制措施，縮短焊接時間，提高效率。另外，僅現場環向焊縫近9 000道，長度逾90 000 m，任何一點疏忽都可能造成嚴重后果。

7）途經地況比較復雜。原水管線經過的路線，沿途地質復雜，并且將穿越磁懸浮軌道、交通高架橋、河道、污水管道等，因此頂管施工工藝要求高，需做好沿線的保護措施。磁懸浮軌道、高架橋與一般道路交通不同，一旦出現不利情況，將很難進行善后處理，損失巨大。

8）工程部分段頂管坡度較大，加大了施工難度，對施工控制要求相當高。

9）工程頂管施工一次穿越距離較大，長距離頂進存在通風難度。若因事前準備不充分，造成工人難以工作或窒息死亡等事故，將對工程造成不利影響。

10）工程為DN3 600 mm大口徑鋼管雙排頂管，雙管中心間距僅7.2 m，必須采取措施對頂管軸線進行嚴格的測量控制。

11）工程施工大型機械設備較多，且鋼管頂進施工距離較長，施工用電負荷較大，頂管管道潮濕、高溫、空間狹窄，鋼管導電性能良好、觸電危險性較大。因此，必須加強對操作人員的安全教育，嚴防觸電事故發生。

12）工程頂管管節采用焊接連接，管段越長，其對彎曲變形的適應能力要求就越高。嚴橋支線頂管埋深較深，天氣溫度的變化對管節影響不大，但輸送的水溫變化仍會使管道產生伸縮變形。由于沒有采用伸縮裝置，故管道在溫度變化下的應力完全由鋼管自身強度來承擔，這對鋼材的質量、焊接的質量以及施工安裝等都提出了較高的要求。

嚴橋支線在頂管工程領域具有明顯的代表性，幾乎涵蓋了頂管工程施工可能遇到的各種復雜技術問題和風險。因此，針對這種大口徑、長距離、深埋藏，同時又有可能采用曲線頂進新工藝或者遭遇地下障礙物的頂管工程，開展施工風險管理不僅是工程建設的需要，也是為類似頂管工程提供借鑒的一次嘗試。

4 施工風險管理措施

4.1 建立交錯有序的組織結構

為了有效地防范和控制嚴橋支線鋼頂管施工風險，該工程從加強組織措施的角度出發，建立了嚴密的、有活力的組織運行機制。

4.1.1 統一指揮、分層次管理機制

本工程建立了由建設單位統一指揮、監理和施工單位分層次管理的機制。統一指揮是指由建設單位統一對項目進行領導和部署，此為第一層面。一方面為重大風險問題決策提供技術、經濟和管理方面的業務支撐；另一方面，在分工授權的條件下，明確各參與方的風險責任，進行風險管理目標的分解和落實。第二層面是施工監理單位的跟蹤管理。通過監理跟蹤施工作業過程，進行現場監控和指導，嚴格驗收把關，防范和控制風險。第三層面是施工單位的自我監控。通過統一指揮、分層次管理，將風險總目標分解、貫徹落實到各個層面，直至基層末端作業者的崗位上，同時也就產生了逆向層對風險總目標的保證作用。

4.1.2 “小業主、大社會”的建設單位管理模式

“小業主、大社會”項目管理模式是一種管理層次和管理職能的重劃分，是在建設單位充分授權的條件下，建設單位管理職能主動后退，監理和咨詢管理職能向前延伸的一種高效管理模式。在該工程中，建設單位一方面挑選高素質的人員組成項目管理部門并有效分工授權，另一方面充分發揮監理、監測、設計等單位的力量，建立了由技術、經濟、管理、法律等專家組成的專家庫，利用專家、設計院、咨詢單位等社會化資源為整個項目的風險管理提供服務，走社會化、科學化和專業化的管理道路。盡管建設單位項目管理部僅有4位管理人員，但仍然實現了項目的有序管理。

4.1.3 依托監理和監測單位的協調監控機制

監理和監測單位是建設單位對施工風險進行管理的左膀右臂，站在各自的專業角度，起到強化建設單位管理的作用。一是要求“監幫結合”，即要求監理和監測單位建立科學的工作流程，對施工單位、關鍵部位進行監督管理。在數據監測過程中，還應幫助、引導施工單位開展工作，實行“監幫結合”。二是要求監理“全過程覆蓋，重心下移”。“全過程覆蓋”即要求監理工作落實到各個環節、各個過程和各個工序；“重心下移”即要求監理工作要深入到基層，深入到各個操作層面上，尤其對關鍵線路、重要節點、關鍵工序等進行重點控制，并做好質量、安全等控制工作。

4.1.4 借用“外腦”的技術保障機制

運用社會化的技術咨詢服務機構及工程界著名技術專家，即所謂“借用外腦”，是嚴橋支線工程強化工程技術保障機制和預防風險的重要特點。建設單位針對不同的技術問題，聘請咨詢單位和專家進行重大技術診斷，分析和輔助決策，為工程實施提供了強有力的技術保障，有效地保證了工程實施過程的受控狀態，對工程風險防范起到了重大作用。這些“外腦”包括2個專家委員會、1個專業技術咨詢公司、行業協會、法律和財務咨詢等。

4.1.5 強化履約責任的施工單位自主管理機制

強化承包商的履約責任和自主管理機制，是建設單位進行建設項目管理必須認真考慮的重要問題。本工程對施工單位實行“軟”管理，即“抓大放小”。“抓大”是指抓施工單位的資質、組織架構設置、施工進度計劃、安全生產方案等；“放小”是指不干涉具體管理工作，而是通過設置激勵機制（如立功競賽、合同獎懲措施），強化施工單位對風險的自我管理。

4.2 構建全方位的施工風險監控體系

4.2.1 三級風險監控體系

嚴橋支線工程建立了公司層、項目層、實施層三級風險監控體系，確立了全過程管理、全員參與管理、多級預警報警的基本模式。公司層面負責整個青草沙工程的管理及嚴橋支線工程與其他子項工程的協調；項目層面由嚴橋支線項管部負責各標段的總體風險管理，對各施工單位的風險管理方案實行審查，監督實施施工過程風險監控、安全狀態判定和風險事故處理，對于重大安全事故，及時上報上級主管單位和政府部門，啟動工程事故應急預案，負責組織工程現場的搶險；實施層面則是監理單位負責監督、檢查施工單位的監控量測、巡視、狀態描述、風險跟蹤等實施情況，承擔現場施工風險管理的組織、督促與協調等責任，施工單位承擔工程施工風險管理實施責任。通過設立三級風險監控體系，從而做到“橫向到邊、縱向到底、不留死角”，全面、全方位地進行風險監控。

4.2.2 風險動態監控系統

嚴橋支線頂管施工風險具有環境的敏感性和危害的社會性特點。施工穿越道路、地鐵、磁懸浮、河道、電力隧道、既有建筑等，施工中可能破壞原先土體的靜力平衡，從而產生各種巖土力學現象，引發各種環境問題，如房屋開裂傾斜、道路沉陷變形、地下管網斷裂等，部分現象會產生放大效應，造成不良的社會影響。因此，在施工中需對工程風險狀態進行動態跟蹤與管理，督促風險規避措施的實施，同時及時發現和處理尚未識別的風險，包括工程總體風險水平的變化、重大風險的發展趨勢、規避措施實施情況以及風險損失情況等。

根據風險評估結果，施工前，建設單位將風險控制點（為了保證施工過程質量而確定的重點控制對象、關鍵部位風險或薄弱環節）通告施工單位，施工單位提交專門的風險處置方案，上報建設單位，審批通過后方可施工。施工中施工單位和監理單位實時跟蹤，如發現異常情況，及時提交監理，監理上報建設單位決定是否需采取規避措施，如發生風險事故，選擇實施事故預案。

4.3 建立科學合理的風險管理制度和機制

為了有效地管理風險，該工程建立了一系列科學的風險管理制度（如協調會議制度、風險交底制度、施工旁站和巡視制度、重大危險源管理制度、安全管理責任制度等）和有效的風險控制機制（質量責任機制、風險管理激勵機制、安全生產責任機制）等。通過這些制度和機制，明確各參與單位的風險管理職責，實行風險的分級歸口管理，從而將風險管理落到實處，使各參與方、各部門職責明確并各司其職，切實保障工程的順利進行。

4.4 制訂科學的施工方案和風險預案

目前超長距離、大口徑鋼頂管工程的相關規范還不夠完善，嚴橋支線工程存在許多技術難題。這也成為項目重要的技術風險源。建設單位組織各監理、施工單位等根據不同施工階段進行風險點動態識別，對已知的、可預測的重大風險點，編制詳細的專項施工方案和應急預案。方案和預案中明確通過風險點所需的材料、機具數量和規格、人員準備、水電準備、信息聯絡方法等，并組織專家進行方案論證。同時，為了加強對風險點的適時控制，還全面統計和整理了風險點的基本情況，積極做好各方面的準備工作。

5 施工風險管理實施效果

嚴橋支線鋼頂管具有一次頂進距離長、口徑大、頂管經過區域情況復雜等特點，整個施工過程和各個節點都充滿了不同類型的風險，通過實施風險管理，取得了良好的實施效果。

5.1 風險管理成果

嚴橋支線的鋼頂管施工從2008年6月起，至2010年12月止，共計2.5 a，完成直徑3.6 m的鋼頂管頂進距離共54 km（雙管），做到了無人員死亡事故、重大人員傷亡事故；對周圍環境或風險源未產生危害，從而沒有風險賠償，也沒有社會性群體事件。

5.2 工程質量控制

嚴橋支線的風險控制和管理，不僅規避了工程風險，而且從實施效果來看，也全面提高了工程質量，為工程的順利進行打下基礎。

6 結語

由于鋼頂管施工風險具有隱蔽性和不確定性，如果風險管理意識淡漠，采取“等出了事情再說”的被動性管理，缺乏主動風險管理的理念，就會給項目管理留下不同程度的隱患。所以必須樹立風險意識，把風險管理作為項目管理的重要內容之一，加強風險信息的收集和整理，掌握風險規律，全面排查項目在施工中的各種風險因素，及時確認項目中的風險事件，列出潛在的風險清單，根據不同的風險采取不同的應對措施。本文所述施工風險管理建立在嚴橋支線工程的基礎上，其他工程應根據自身的條件和差異，進行選擇性的借鑒。