基于FCTA與AHP方法的沉管隧道施工風險評估

陳　嵐， 宋吉榮

(西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031)

二十一世紀，全球經濟的快速發展，人口數量的急劇增長，城市、城際交通的需求量與日俱增，土地資源的消耗規模范圍逐漸擴大，地下空間的開發和利用已成為一種新常態。作為江河兩岸聯系的樞紐，跨越江河湖海的沉管隧道工程正日益得到青睞。但在實際工程中，沉管施工地質水文條件復雜多變、對周邊既有建筑影響大、不可預見風險因素眾多、技術和管理難以保證、施工安全認識不夠深入、風險管理投入不到位等一系列的問題導致施工事故頻發。如何有效、高效、全面地控制事故的發生，對沉管隧道施工的風險管理和控制都提出了更高的要求。

自1825年第一條水下隧道建成以來，其風險研究就愈發受到重視。Heinz·D通過分析大量穿越海峽的隧道工程案例，對隧道施工風險評估進行了深入地探討和研究[1]。Harald Wagner從施工條件、結構設計等方面比較了沉管法和盾構法的風險[2]。Henrik Bjelland等在分析不確定性研究現狀的基礎上，針對Rogfast海底隧道工程，調整了對類似工程風險評估的框架和方法[3]。

近年我國水下隧道建設受到廣泛關注，建設規模和施工技術發展迅速。大量水下隧道相繼建成，為推動水下隧道風險評估和管理體系的發展奠定了基礎。但針對于用沉管法修建水下隧道的風險管理研究還處于發展階段，風險理論研究和工程應用實踐都不足。

本文在眾多的沉管隧道工程案例樣本中，重點參考了近年國內外著名沉管隧道的技術和風險分析資料，其事故案例如表1所示[4]。結合沉管法施工特點，確定風險評估方法，將評估模型應用于佛山市汾江路南延線沉管隧道工程建設，并根據評價結果提出相應防控措施，為該工程進一步進行建設管理提供依據。

1　風險評估模型建立

工程項目的風險評估流程主要是風險辨識、風險衡量、風險評價三個步驟。采用FCTA方法使得風險辨識更系統、全面、有針對性。由于具體工程項目的風險損失和事故發生概率無法精準確定[5]，采用專家調查法進行風險等級衡量。

表1　沉管隧道風險事故調查案例

通過AHP方法的定性分析和定量計算確定各風險因素的權重。最后通過綜合考慮風險的等級和權重確定該因素的風險度。

1.1　FCTA法辨識風險

失敗學是現代管理學的一個分支，與傳統思維方式不同，失敗學是通過逆向推演，找出失敗的原因。以失敗學作為理論支撐，著眼于已發生的失敗事件，根據其事故源、事故路徑以及失控條件，確定其邏輯路線，構建出失敗樹結構脈絡[6]。

依據大量代表性案例，系統科學地歸納失敗的特征，總結失敗的規律，形成失敗理論列出風險清單，以此作為事前預測、事中控制以及事后決策的工具，避免事故、減少損失。

失敗學研究涉及社會、經濟、技術、管理等多個學科領域，失敗樹的建立需依托于各個學科，以工程類的失敗樹構建為例，技術路線和步驟如下[7]：

(1)收集類似工程失敗樣本，著眼于現實案例，使邏輯推演更具有說服力。

(2)從技術、管理的角度出發，探究導致失敗的因素。

(3)整合建立事件源、事件知識庫，使失敗知識有序、有效。

(4)還原事故源、控制條件、失敗路徑，研究失敗形成的機制。

(5)構建失敗樹，逆向推演邏輯脈絡結構。

(6)形成失敗應對系統，以便進行超前控制。

以某護岸工程滑坡事故為例[8]，建立失敗樹，如圖1。

圖1　南方某港護岸工程滑坡失敗樹邏輯

圖1中的條件事件是從監測管理角度擬定的，若在源基本事件發生前落實對應的條件措施1，則與中間事件之間的邏輯路線不能打開，而該工程并沒有監管檢查保證足夠的加載時間，導致中間事件的發生。同時未采取條件措施2，不重視碾壓質量的檢驗，以致邏輯聯通，觸發頂上事件，堤身失穩、護岸滑坡。從失敗樹來看，若管理監控措施能確保執行，則可避免失敗。

1.2　矩陣衡量風險

根據《鐵路隧道風險評估和管理暫行規定》，將風險損失分為人員傷亡、經濟損失、工期延誤和環境破壞4種類別，并按照損失的不同程度可分為5個等級；將事故發生概率按照可能性大小劃分成5個等級，最后通過風險矩陣將風險度(D)分為4個等級(表2)。

表2　風險等級關系

若單一風險因素導致多種損失類型，可根據投資者風險損失類型接收偏好綜合考慮，最后確定風險度[9]。多種損失的風險網絡非常復雜，在此不展開研究。

1.3　AHP法評價風險

在運用FCTA方法識別出風險清單的基礎上，建立風險層次模型，根據具體沉管隧道工程項目客觀存在的施工場地條件和主觀確定的施工技術和管理要求，使用AHP法確定各風險因素的權值。

1.3.1構造判斷矩陣

通過專家調查法，在依據該沉管隧道工程特點的基礎上，分別兩兩比較同層風險因素的重要程度，構造判斷矩陣(rij)n×n。判斷矩陣的元素rij(同層i因素與j因素相較)按1～9標度給定，rij和rji互為倒數關系(表3)。

表3　AHP的標度定義

1.3.2計算權重

通過根法計算確定判斷矩陣的特征向量W=(W1W2...Wi...Wn)，Wi表示第i個風險因素的權重，計算公式如下：

1.3.3一致性檢驗

為避免構造判斷矩陣時，由于主觀評判標準的不一致，而使得矩陣出現矛盾的情況，需對其進行一致性檢驗，步驟如下。

確定最大特征值：

一致性指標：

一致性比例：

式中：RI按表4取值，通常CR越小，認為一致性越好，當CR≤0.10時，即滿足一致性檢驗。

表4　RI取值

2　沉管隧道風險

2.1　風險特征

不同于一般隧道工程，水下隧道作為高風險建設工程，而施工工法的選擇很大程度上決定了風險的來源和類型。綜合考慮技術、經濟、環境等各方面因素，本工程選擇了沉管法施工，它帶來的風險主要有以下特征[10]。

2.1.1不確定性

沉管隧道的不確定性主要是體現在缺乏相關施工經驗、不確定的地質水文和氣候條件。我國的沉管隧道技術研究起步較晚，施工技術與國外先進水平還有不小的差距；種類繁多且關系錯綜復雜的施工地質構造、水文水質特征、氣候動向等環境條件帶來的不確定性，都給施工的風險管理提出了嚴峻的挑戰。

2.1.2損害性

沉管隧道耗資大、工期長、影響面廣，一旦發生風險，其造成的直接損害和間接損害都是巨大的。直接損害包括經濟損失、工期損失、人員傷亡等；間接損害包括生態功能破壞、社會群體影響、周邊環境影響等。這就要求項目建設、管理及參與人員增強風險管理意識。

2.1.3復雜性

沉管隧道施工包括地上的護岸、基坑及干塢部分、水下沉放部分，其涉及的專業眾多，施工技術、工藝流程復雜，施工機械設備多樣，這對各方的溝通協調、安全管理和施工質量提出了更高的要求。

2.2　施工風險清單

基于失敗學理論，運用失敗樹的分析方法，根據類似沉管隧道工程實際案例，建立重大危險源辨識表，為沉管隧道工程快速識別風險、有效監測風險、及時控制風險建立基礎，使風險管理更加完善。根據大量沉管事故案例進行綜合分析，按照施工工法順序：護岸工程、干塢施工、沉管預制、基槽開挖、浮運系泊、沉放對接、最終接頭，整理出相應階段的技術危險源；管理風險貫穿整個施工流程，按照信息、計劃、資源3個不同管理內容，整理出相關管理危險源(表5)。

3　案例驗證

3.1　工程概況

佛山市汾江路南延線沉管隧道位于佛山市南部，它是國內公鐵合建規模最大的沉管隧道，工程建設包括南北口岸、連接線和主體部分，隧道總長925 m，其中北岸敞口段375 m，暗埋段220 m，沉管段460 m，南岸暗埋段245 m，敞口段150 m[11]。隧址為內河中上游，水系復雜、河道狹窄、水流速度大、航運密集；場址位于珠江三角洲腹地沖淤積平原，屬于海陸交互相沖淤積地貌，場區土類較多、層厚差距較大，局部巖石強度高，需實施爆破；工程地處南亞熱帶海洋性季風氣候帶，氣候炎熱、降水充沛，潮汐現象明顯，偶遇災害性天氣；工程周邊環境復雜、建筑物密集。

3.2　風險評價

根據佛山市汾江路南延線沉管隧道的工程特點，結合工程地質、水文資料，在沉管隧道施工初始風險清單的基礎上，篩選出本工程存在的較大風險因素并建立風險清單，經過各專家現場調查和討論風險損失和發生概率的程度，通過風險矩陣確定各因素的風險等級，再采用AHP方法，將風險因素兩兩比較，構造判斷矩陣，計算得到各項損失的權重系數。沉管隧道施工的技術和管理風險評估結果見表6。

表5　沉管隧道施工重大危險源辨識

由風險評估表綜合考慮各風險因素的權重和風險等級，佛山市汾江路南延線沉管施工風險主要存在于護岸基坑連續墻滲漏和沉管最終接頭滲水，其中影響最大的技術因素是T12(混凝土澆筑質量)，其次是T82(接頭鋼封板失效)；管理因素主要是M11(監測不準確)，其次是M22(施工內外協調不利)。應在護岸基坑和最終接頭施工過程中優化施工技術方案、加強監管控制，建立風險防范和應對體系。

3.3　風險控制

根據評估結果擬定風險控制方案，通過事前制定計劃預留風險、事中監測控制風險降低發生概率、事后采取措施減小技術風險損失；管理貫穿施工全過程，針對沉管法施工環境的特殊性，應將水中作業作為重點管理對象。對佛山市汾江路南延線沉管工程施工風險采用的防控措施。

3.3.1連續墻滲漏

做好前期地勘工作，根據土質實際情況選擇合適的施工技術，設置合理的施工工序；加強地下水監測管理，完善防排水措施；保證連續墻混凝土澆筑質量，監控導管埋置深度；對連續墻接頭做特別處理，增加刷壁次數；控制墻體垂直度，避免墻體夾泥形成滲水通道；一旦發生滲漏現象，及時匯報，并立即采用沙包反壓滲漏點，初步控制態勢，后高壓噴漿堵漏。

表6　佛山市沉管隧道施工技術、管理風險評估

3.3.2最終接頭滲水

根據接頭位置的水力水文，確定連接裝置的選型和布置；確保鋼封板的焊接強度和水密質量；安裝止水帶保護罩，避免損傷；對止水帶采取硫化處理，保證耐久性；若發生接頭滲水事故，在內部滲水部位采用壓注水泥漿，再進行防水處理。

3.3.3監控不準確

管段沉放對接測量和定位采用先進的海洋導航定位設備，采用DGPS法定位船體、利用超短基線測定水下信標的位置和深度，通過電羅經歸化同一探測結果。

3.3.4施工內外協調不利

沉管施工對外協調工作主要是組織水道交通，及早發布管制公告，內容包括管制事由、時間和范圍；同時與當地海事等部門保持通信聯系，確認交通疏解方案和設置水上警戒等相關事宜。

4　結論

運用失敗學理論和失敗樹分析，在總結大量類似工程案例事故原因的基礎上，將沉管隧道施工階段的風險因素分為技術和管理兩大一級風險指標，并按照施工流程和管理內容細分成12個二級風險指標，建立重大危險源辨識表，使得風險識別更加簡化、全面。

通過對佛山市汾江路南延線沉管隧道風險進行深入研究，依據該沉管隧道的工程特點，進行風險評估，通過專家調查法確定了風險等級，AHP確定了各風險因素的權重系數，將定性分析和定量計算結果綜合考慮，識別出連續墻滲漏、最終接頭滲水、監測不準確和內外協調不利等重大風險因素，并提出相應的控制措施，為建立完善的風險管理體系提供了依據，有效地促進施工風險管理實施，從而達到工程的預期目標。