基于FCTA與AHP方法的沉管隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

陳　嵐， 宋吉榮

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，四川成都 610031)

二十一世紀(jì)，全球經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，人口數(shù)量的急劇增長(zhǎng)，城市、城際交通的需求量與日俱增，土地資源的消耗規(guī)模范圍逐漸擴(kuò)大，地下空間的開發(fā)和利用已成為一種新常態(tài)。作為江河兩岸聯(lián)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(shí)際工程中，沉管施工地質(zhì)水文條件復(fù)雜多變、對(duì)周邊既有建筑影響大、不可預(yù)見風(fēng)險(xiǎn)因素眾多、技術(shù)和管理難以保證、施工安全認(rèn)識(shí)不夠深入、風(fēng)險(xiǎn)管理投入不到位等一系列的問(wèn)題導(dǎo)致施工事故頻發(fā)。如何有效、高效、全面地控制事故的發(fā)生，對(duì)沉管隧道施工的風(fēng)險(xiǎn)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(lái)，其風(fēng)險(xiǎn)研究就愈發(fā)受到重視。Heinz·D通過(guò)分析大量穿越海峽的隧道工程案例，對(duì)隧道施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了深入地探討和研究[1]。Harald Wagner從施工條件、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等方面比較了沉管法和盾構(gòu)法的風(fēng)險(xiǎn)[2]。Henrik Bjelland等在分析不確定性研究現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，針對(duì)Rogfast海底隧道工程，調(diào)整了對(duì)類似工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的框架和方法[3]。

近年我國(guó)水下隧道建設(shè)受到廣泛關(guān)注，建設(shè)規(guī)模和施工技術(shù)發(fā)展迅速。大量水下隧道相繼建成，為推動(dòng)水下隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理體系的發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。但針對(duì)于用沉管法修建水下隧道的風(fēng)險(xiǎn)管理研究還處于發(fā)展階段，風(fēng)險(xiǎn)理論研究和工程應(yīng)用實(shí)踐都不足。

本文在眾多的沉管隧道工程案例樣本中，重點(diǎn)參考了近年國(guó)內(nèi)外著名沉管隧道的技術(shù)和風(fēng)險(xiǎn)分析資料，其事故案例如表1所示[4]。結(jié)合沉管法施工特點(diǎn)，確定風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，將評(píng)估模型應(yīng)用于佛山市汾江路南延線沉管隧道工程建設(shè)，并根據(jù)評(píng)價(jià)結(jié)果提出相應(yīng)防控措施，為該工程進(jìn)一步進(jìn)行建設(shè)管理提供依據(jù)。

1　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型建立

工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估流程主要是風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)、風(fēng)險(xiǎn)衡量、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)三個(gè)步驟。采用FCTA方法使得風(fēng)險(xiǎn)辨識(shí)更系統(tǒng)、全面、有針對(duì)性。由于具體工程項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)損失和事故發(fā)生概率無(wú)法精準(zhǔn)確定[5]，采用專家調(diào)查法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)衡量。

表1　沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)事故調(diào)查案例

通過(guò)AHP方法的定性分析和定量計(jì)算確定各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重。最后通過(guò)綜合考慮風(fēng)險(xiǎn)的等級(jí)和權(quán)重確定該因素的風(fēng)險(xiǎn)度。

1.1　FCTA法辨識(shí)風(fēng)險(xiǎn)

失敗學(xué)是現(xiàn)代管理學(xué)的一個(gè)分支，與傳統(tǒng)思維方式不同，失敗學(xué)是通過(guò)逆向推演，找出失敗的原因。以失敗學(xué)作為理論支撐，著眼于已發(fā)生的失敗事件，根據(jù)其事故源、事故路徑以及失控條件，確定其邏輯路線，構(gòu)建出失敗樹結(jié)構(gòu)脈絡(luò)[6]。

依據(jù)大量代表性案例，系統(tǒng)科學(xué)地歸納失敗的特征，總結(jié)失敗的規(guī)律，形成失敗理論列出風(fēng)險(xiǎn)清單，以此作為事前預(yù)測(cè)、事中控制以及事后決策的工具，避免事故、減少損失。

失敗學(xué)研究涉及社會(huì)、經(jīng)濟(jì)、技術(shù)、管理等多個(gè)學(xué)科領(lǐng)域，失敗樹的建立需依托于各個(gè)學(xué)科，以工程類的失敗樹構(gòu)建為例，技術(shù)路線和步驟如下[7]：

(1)收集類似工程失敗樣本，著眼于現(xiàn)實(shí)案例，使邏輯推演更具有說(shuō)服力。

(2)從技術(shù)、管理的角度出發(fā)，探究導(dǎo)致失敗的因素。

(3)整合建立事件源、事件知識(shí)庫(kù)，使失敗知識(shí)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(jī)制。

(5)構(gòu)建失敗樹，逆向推演邏輯脈絡(luò)結(jié)構(gòu)。

(6)形成失敗應(yīng)對(duì)系統(tǒng)，以便進(jìn)行超前控制。

以某護(hù)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(hù)岸工程滑坡失敗樹邏輯

圖1中的條件事件是從監(jiān)測(cè)管理角度擬定的，若在源基本事件發(fā)生前落實(shí)對(duì)應(yīng)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(méi)有監(jiān)管檢查保證足夠的加載時(shí)間，導(dǎo)致中間事件的發(fā)生。同時(shí)未采取條件措施2，不重視碾壓質(zhì)量的檢驗(yàn)，以致邏輯聯(lián)通，觸發(fā)頂上事件，堤身失穩(wěn)、護(hù)岸滑坡。從失敗樹來(lái)看，若管理監(jiān)控措施能確保執(zhí)行，則可避免失敗。

1.2　矩陣衡量風(fēng)險(xiǎn)

根據(jù)《鐵路隧道風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理暫行規(guī)定》，將風(fēng)險(xiǎn)損失分為人員傷亡、經(jīng)濟(jì)損失、工期延誤和環(huán)境破壞4種類別，并按照損失的不同程度可分為5個(gè)等級(jí)；將事故發(fā)生概率按照可能性大小劃分成5個(gè)等級(jí)，最后通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)矩陣將風(fēng)險(xiǎn)度(D)分為4個(gè)等級(jí)(表2)。

表2　風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)關(guān)系

若單一風(fēng)險(xiǎn)因素導(dǎo)致多種損失類型，可根據(jù)投資者風(fēng)險(xiǎn)損失類型接收偏好綜合考慮，最后確定風(fēng)險(xiǎn)度[9]。多種損失的風(fēng)險(xiǎn)網(wǎng)絡(luò)非常復(fù)雜，在此不展開研究。

1.3　AHP法評(píng)價(jià)風(fēng)險(xiǎn)

在運(yùn)用FCTA方法識(shí)別出風(fēng)險(xiǎn)清單的基礎(chǔ)上，建立風(fēng)險(xiǎn)層次模型，根據(jù)具體沉管隧道工程項(xiàng)目客觀存在的施工場(chǎng)地條件和主觀確定的施工技術(shù)和管理要求，使用AHP法確定各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)值。

1.3.1構(gòu)造判斷矩陣

通過(guò)專家調(diào)查法，在依據(jù)該沉管隧道工程特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，分別兩兩比較同層風(fēng)險(xiǎn)因素的重要程度，構(gòu)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(biāo)度給定，rij和rji互為倒數(shù)關(guān)系(表3)。

表3　AHP的標(biāo)度定義

1.3.2計(jì)算權(quán)重

通過(guò)根法計(jì)算確定判斷矩陣的特征向量W=(W1W2...Wi...Wn)，Wi表示第i個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重，計(jì)算公式如下：

1.3.3一致性檢驗(yàn)

為避免構(gòu)造判斷矩陣時(shí)，由于主觀評(píng)判標(biāo)準(zhǔn)的不一致，而使得矩陣出現(xiàn)矛盾的情況，需對(duì)其進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，步驟如下。

確定最大特征值：

一致性指標(biāo)：

一致性比例：

式中：RI按表4取值，通常CR越小，認(rèn)為一致性越好，當(dāng)CR≤0.10時(shí)，即滿足一致性檢驗(yàn)。

表4　RI取值

2　沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)

2.1　風(fēng)險(xiǎn)特征

不同于一般隧道工程，水下隧道作為高風(fēng)險(xiǎn)建設(shè)工程，而施工工法的選擇很大程度上決定了風(fēng)險(xiǎn)的來(lái)源和類型。綜合考慮技術(shù)、經(jīng)濟(jì)、環(huán)境等各方面因素，本工程選擇了沉管法施工，它帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)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(xiàn)在缺乏相關(guān)施工經(jīng)驗(yàn)、不確定的地質(zhì)水文和氣候條件。我國(guó)的沉管隧道技術(shù)研究起步較晚，施工技術(shù)與國(guó)外先進(jìn)水平還有不小的差距；種類繁多且關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜的施工地質(zhì)構(gòu)造、水文水質(zhì)特征、氣候動(dòng)向等環(huán)境條件帶來(lái)的不確定性，都給施工的風(fēng)險(xiǎn)管理提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。

2.1.2損害性

沉管隧道耗資大、工期長(zhǎng)、影響面廣，一旦發(fā)生風(fēng)險(xiǎn)，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(jīng)濟(jì)損失、工期損失、人員傷亡等；間接損害包括生態(tài)功能破壞、社會(huì)群體影響、周邊環(huán)境影響等。這就要求項(xiàng)目建設(shè)、管理及參與人員增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)管理意識(shí)。

2.1.3復(fù)雜性

沉管隧道施工包括地上的護(hù)岸、基坑及干塢部分、水下沉放部分，其涉及的專業(yè)眾多，施工技術(shù)、工藝流程復(fù)雜，施工機(jī)械設(shè)備多樣，這對(duì)各方的溝通協(xié)調(diào)、安全管理和施工質(zhì)量提出了更高的要求。

2.2　施工風(fēng)險(xiǎn)清單

基于失敗學(xué)理論，運(yùn)用失敗樹的分析方法，根據(jù)類似沉管隧道工程實(shí)際案例，建立重大危險(xiǎn)源辨識(shí)表，為沉管隧道工程快速識(shí)別風(fēng)險(xiǎn)、有效監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)、及時(shí)控制風(fēng)險(xiǎn)建立基礎(chǔ)，使風(fēng)險(xiǎn)管理更加完善。根據(jù)大量沉管事故案例進(jìn)行綜合分析，按照施工工法順序：護(hù)岸工程、干塢施工、沉管預(yù)制、基槽開挖、浮運(yùn)系泊、沉放對(duì)接、最終接頭，整理出相應(yīng)階段的技術(shù)危險(xiǎn)源；管理風(fēng)險(xiǎn)貫穿整個(gè)施工流程，按照信息、計(jì)劃、資源3個(gè)不同管理內(nèi)容，整理出相關(guān)管理危險(xiǎn)源(表5)。

3　案例驗(yàn)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(guó)內(nèi)公鐵合建規(guī)模最大的沉管隧道，工程建設(shè)包括南北口岸、連接線和主體部分，隧道總長(zhǎng)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(nèi)河中上游，水系復(fù)雜、河道狹窄、水流速度大、航運(yùn)密集；場(chǎng)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(chǎng)區(qū)土類較多、層厚差距較大，局部巖石強(qiáng)度高，需實(shí)施爆破；工程地處南亞熱帶海洋性季風(fēng)氣候帶，氣候炎熱、降水充沛，潮汐現(xiàn)象明顯，偶遇災(zāi)害性天氣；工程周邊環(huán)境復(fù)雜、建筑物密集。

3.2　風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

根據(jù)佛山市汾江路南延線沉管隧道的工程特點(diǎn)，結(jié)合工程地質(zhì)、水文資料，在沉管隧道施工初始風(fēng)險(xiǎn)清單的基礎(chǔ)上，篩選出本工程存在的較大風(fēng)險(xiǎn)因素并建立風(fēng)險(xiǎn)清單，經(jīng)過(guò)各專家現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和討論風(fēng)險(xiǎn)損失和發(fā)生概率的程度，通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)矩陣確定各因素的風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，再采用AHP方法，將風(fēng)險(xiǎn)因素兩兩比較，構(gòu)造判斷矩陣，計(jì)算得到各項(xiàng)損失的權(quán)重系數(shù)。沉管隧道施工的技術(shù)和管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果見表6。

表5　沉管隧道施工重大危險(xiǎn)源辨識(shí)

由風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估表綜合考慮各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，佛山市汾江路南延線沉管施工風(fēng)險(xiǎn)主要存在于護(hù)岸基坑連續(xù)墻滲漏和沉管最終接頭滲水，其中影響最大的技術(shù)因素是T12(混凝土澆筑質(zhì)量)，其次是T82(接頭鋼封板失效)；管理因素主要是M11(監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確)，其次是M22(施工內(nèi)外協(xié)調(diào)不利)。應(yīng)在護(hù)岸基坑和最終接頭施工過(guò)程中優(yōu)化施工技術(shù)方案、加強(qiáng)監(jiān)管控制，建立風(fēng)險(xiǎn)防范和應(yīng)對(duì)體系。

3.3　風(fēng)險(xiǎn)控制

根據(jù)評(píng)估結(jié)果擬定風(fēng)險(xiǎn)控制方案，通過(guò)事前制定計(jì)劃預(yù)留風(fēng)險(xiǎn)、事中監(jiān)測(cè)控制風(fēng)險(xiǎn)降低發(fā)生概率、事后采取措施減小技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)損失；管理貫穿施工全過(guò)程，針對(duì)沉管法施工環(huán)境的特殊性，應(yīng)將水中作業(yè)作為重點(diǎn)管理對(duì)象。對(duì)佛山市汾江路南延線沉管工程施工風(fēng)險(xiǎn)采用的防控措施。

3.3.1連續(xù)墻滲漏

做好前期地勘工作，根據(jù)土質(zhì)實(shí)際情況選擇合適的施工技術(shù)，設(shè)置合理的施工工序；加強(qiáng)地下水監(jiān)測(cè)管理，完善防排水措施；保證連續(xù)墻混凝土澆筑質(zhì)量，監(jiān)控導(dǎo)管埋置深度；對(duì)連續(xù)墻接頭做特別處理，增加刷壁次數(shù)；控制墻體垂直度，避免墻體夾泥形成滲水通道；一旦發(fā)生滲漏現(xiàn)象，及時(shí)匯報(bào)，并立即采用沙包反壓滲漏點(diǎn)，初步控制態(tài)勢(shì)，后高壓噴漿堵漏。

表6　佛山市沉管隧道施工技術(shù)、管理風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

3.3.2最終接頭滲水

根據(jù)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(qiáng)度和水密質(zhì)量；安裝止水帶保護(hù)罩，避免損傷；對(duì)止水帶采取硫化處理，保證耐久性；若發(fā)生接頭滲水事故，在內(nèi)部滲水部位采用壓注水泥漿，再進(jìn)行防水處理。

3.3.3監(jiān)控不準(zhǔn)確

管段沉放對(duì)接測(cè)量和定位采用先進(jìn)的海洋導(dǎo)航定位設(shè)備，采用DGPS法定位船體、利用超短基線測(cè)定水下信標(biāo)的位置和深度，通過(guò)電羅經(jīng)歸化同一探測(cè)結(jié)果。

3.3.4施工內(nèi)外協(xié)調(diào)不利

沉管施工對(duì)外協(xié)調(diào)工作主要是組織水道交通，及早發(fā)布管制公告，內(nèi)容包括管制事由、時(shí)間和范圍；同時(shí)與當(dāng)?shù)睾Ｊ碌炔块T保持通信聯(lián)系，確認(rèn)交通疏解方案和設(shè)置水上警戒等相關(guān)事宜。

4　結(jié)論

運(yùn)用失敗學(xué)理論和失敗樹分析，在總結(jié)大量類似工程案例事故原因的基礎(chǔ)上，將沉管隧道施工階段的風(fēng)險(xiǎn)因素分為技術(shù)和管理兩大一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并按照施工流程和管理內(nèi)容細(xì)分成12個(gè)二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，建立重大危險(xiǎn)源辨識(shí)表，使得風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別更加簡(jiǎn)化、全面。

通過(guò)對(duì)佛山市汾江路南延線沉管隧道風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行深入研究，依據(jù)該沉管隧道的工程特點(diǎn)，進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，通過(guò)專家調(diào)查法確定了風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，AHP確定了各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重系數(shù)，將定性分析和定量計(jì)算結(jié)果綜合考慮，識(shí)別出連續(xù)墻滲漏、最終接頭滲水、監(jiān)測(cè)不準(zhǔn)確和內(nèi)外協(xié)調(diào)不利等重大風(fēng)險(xiǎn)因素，并提出相應(yīng)的控制措施，為建立完善的風(fēng)險(xiǎn)管理體系提供了依據(jù)，有效地促進(jìn)施工風(fēng)險(xiǎn)管理實(shí)施，從而達(dá)到工程的預(yù)期目標(biāo)。