跨海橋隧樞紐人工島施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估體系研究

雷 銀， 黃曉初

(1.上海同是科技股份有限公司 研究咨詢部， 上海 200120； 2.深中通道管理中心 安全環(huán)保部， 廣東 中山 528451)

隨著經(jīng)濟(jì)建設(shè)的不斷發(fā)展，海上資源與空間不斷被開(kāi)發(fā)，海上人工島建設(shè)項(xiàng)目越來(lái)越多，其功能主要包括海上油氣開(kāi)采、跨海交通運(yùn)輸、島上觀光旅游等。

由于海上環(huán)境的不確定性，使得人工島的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)不容忽視。目前人工島建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)的研究主要集中在三個(gè)方面：一是滿足海上油氣開(kāi)采功能的人工島建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)體系的研究，梁紅玉[1]以勝利油田卸油碼頭人工島建設(shè)項(xiàng)目為例，構(gòu)建了卸油碼頭人工島的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別與評(píng)價(jià)體系；楊光勝等[2]以渤海灣典型人工島油氣開(kāi)發(fā)為研究對(duì)象，對(duì)人工島全生命周期的危險(xiǎn)有害因素進(jìn)行辨識(shí)，探索建立人工島風(fēng)險(xiǎn)分類分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)；二是以人工島分部分項(xiàng)工程或某個(gè)風(fēng)險(xiǎn)類別為研究對(duì)象進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)與穩(wěn)定性分析，王公伯[3]從工程地質(zhì)條件角度構(gòu)建了海底地質(zhì)構(gòu)造、海床地層巖性、人工島地基承載力和海洋建設(shè)環(huán)境四大風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)，分析了萊州灣西部人工島建設(shè)的穩(wěn)定性；張友棟[4]從關(guān)鍵施工工序角度識(shí)別出鋼圓筒施工、鋼圓筒存儲(chǔ)與運(yùn)輸、斜坡護(hù)岸施工以及不可抗力等四項(xiàng)關(guān)鍵工程風(fēng)險(xiǎn)源，采用層次分析-模糊綜合評(píng)定法對(duì)填海造陸工程風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了評(píng)價(jià)；王興剛等[5]應(yīng)用風(fēng)險(xiǎn)分析技術(shù)探討了人工島海堤工程的建設(shè)和運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)；三是作為交通樞紐的人工島建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)研究，港珠澳大橋建設(shè)期間，王彥林等[6]定性分析了港珠澳大橋的建設(shè)條件風(fēng)險(xiǎn)、結(jié)構(gòu)方案風(fēng)險(xiǎn)、施工組織風(fēng)險(xiǎn)以及運(yùn)營(yíng)管理風(fēng)險(xiǎn)，但沒(méi)有形成量化指標(biāo)。

本文針對(duì)施工前總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的特定階段，借鑒港口工程建設(shè)特點(diǎn)，從外部環(huán)境和內(nèi)部要素梳理人工島建設(shè)的風(fēng)險(xiǎn)因素，從工程復(fù)雜程度、施工環(huán)境、地質(zhì)條件、氣象水文、資料完整性五個(gè)方面構(gòu)建人工島施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系，結(jié)合分部分項(xiàng)工程研究成果進(jìn)行指標(biāo)分級(jí)，對(duì)各指標(biāo)采用線性插值法確定分值，然后構(gòu)建單層次判斷矩陣，計(jì)算判斷矩陣的最大特征值和特征向量，以特征向量各分量表示該層次元素的重要性權(quán)重，對(duì)最后結(jié)果進(jìn)行一致性檢驗(yàn)[7]后，得到人工島的施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分?jǐn)?shù)，劃分風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，以期達(dá)到人工島工程定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的目的，為今后類似工程提供可借鑒的依據(jù)。

1 構(gòu)建指標(biāo)體系

構(gòu)建風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系遵循科學(xué)性、層次性、全面性、代表性和獨(dú)立性等原則。本次人工島工程施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的指標(biāo)體系從工程復(fù)雜程度、施工環(huán)境、地質(zhì)條件、氣象水文、資料完整性等五大類孕險(xiǎn)環(huán)境與致險(xiǎn)因子進(jìn)行構(gòu)建[3]，在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步細(xì)化評(píng)估指標(biāo)，盡量做到可量化便于操作。

工程復(fù)雜程度主要從場(chǎng)區(qū)已有結(jié)構(gòu)保護(hù)措施復(fù)雜性、人工島護(hù)岸工程建設(shè)總體長(zhǎng)度、人工島回填噸級(jí)、地基與基礎(chǔ)工程、島上隧道開(kāi)挖圍護(hù)結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)及防水、附屬設(shè)施、施工技術(shù)復(fù)雜性、施工工藝成熟度、同類項(xiàng)目建設(shè)管理經(jīng)驗(yàn)、施工組織便利性等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

施工環(huán)境主要從工程離岸距離、工程水域掩護(hù)條件、工程水域水深、工程施工場(chǎng)地周邊妨礙物、水生物保護(hù)區(qū)、防臺(tái)避風(fēng)錨地等方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

地質(zhì)條件主要從工程所處的不良地質(zhì)與特殊性巖土、新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)及地震方面進(jìn)行評(píng)價(jià)。

氣象水文條件包括臺(tái)(突、季)風(fēng)、浪高、潮差、潮流、霧、冰凍、冰凌、回淤程度等。

資料完整性主要包括地質(zhì)水文氣象資料的完整性以及勘察設(shè)計(jì)資料的完整性。

具體的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系見(jiàn)表1。

表1 人工島工程總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系

續(xù)表1

續(xù)表1

2 確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

重要性指標(biāo)包括：權(quán)重大、對(duì)施工安全風(fēng)險(xiǎn)影響不能忽略的指標(biāo)，指標(biāo)取值變化對(duì)評(píng)估結(jié)果影響大的敏感指標(biāo)，若干指標(biāo)組合后對(duì)風(fēng)險(xiǎn)影響大的指標(biāo)等。采用權(quán)重系數(shù)γ對(duì)各評(píng)估指標(biāo)重要性進(jìn)行區(qū)分。為盡可能避免人為取值的隨機(jī)性波動(dòng)，采用層次排序法計(jì)算權(quán)重，層次排序法大體可分為四個(gè)步驟:

1)建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)。

2)構(gòu)造兩兩判斷矩陣。將評(píng)價(jià)指標(biāo)進(jìn)行兩兩比較，采用美國(guó)運(yùn)籌學(xué)家T. L. Saaty教授提出的1-9刻度[8-9]進(jìn)行標(biāo)注得到判斷矩陣。

3)由判斷矩陣計(jì)算被比較的評(píng)估指標(biāo)的相對(duì)權(quán)值。

圖1 層次結(jié)構(gòu)圖

表2 判斷矩陣表

4)計(jì)算各層次因子的組合權(quán)重。

①求判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值wi：

其中，i=1,2,…n，n為判斷矩陣階數(shù)。

③計(jì)算判斷矩陣的最大特征值λmax：

式中，A為判斷矩陣；w=(1，2，…，n)T；(AW)i為向量(A·W)的第i個(gè)元素。

④一致性檢驗(yàn)。為了考察判斷矩陣對(duì)于各元素重要性的對(duì)比設(shè)定是否標(biāo)準(zhǔn)一致，需要在各層次排序中進(jìn)行一致性檢驗(yàn)。當(dāng)檢驗(yàn)指標(biāo)CR<0.10時(shí)，判斷矩陣才有滿意的一致性，否則需要調(diào)整判斷矩陣，直到檢驗(yàn)通過(guò)。

式中,CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo)，計(jì)算方法為：

其中，一致性指標(biāo)，平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI可由表3查得。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值表

3 計(jì)算總體風(fēng)險(xiǎn)值和風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)

人工島工程施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)大小計(jì)算公式為：

F=∑Xij(6)

Xij=Rijγij(7)

式中，Xij-評(píng)估指標(biāo)的分值，Rij-每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的取值，γij-每個(gè)評(píng)估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。i=1、2、3、4、5，j=1、2、…n，n為對(duì)應(yīng)第i個(gè)項(xiàng)別包括的評(píng)估指標(biāo)的數(shù)量。

根據(jù)大量的應(yīng)用實(shí)例，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果分級(jí)呈現(xiàn)正態(tài)分布的特點(diǎn)，在大部分港口工程中評(píng)估結(jié)論與工程實(shí)際相契合[10]。基于此，構(gòu)建人工島工程的風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)分?jǐn)?shù)F值確定人工島施工總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)和風(fēng)險(xiǎn)管控措施，如表4所示。

表4 人工島工程施工安全總體風(fēng)險(xiǎn)分級(jí)標(biāo)準(zhǔn)

4 深中通道東人工島評(píng)估實(shí)例

深圳至中山跨海通道是我國(guó)繼港珠澳大橋后又一具有世界影響力的重大交通運(yùn)輸基礎(chǔ)設(shè)施工程，線路起于深圳市寶安區(qū)廣深沿江高速機(jī)場(chǎng)互通立交，向東通過(guò)廣深沿江高速支線與機(jī)荷高速公路對(duì)接，向西以島隧橋集群工程跨越珠江口，在中山市馬鞍島登陸。

東人工島東西向長(zhǎng)930 m，南北向1 136 m，形成陸域面積34.38萬(wàn)m2，海域使用面積47.63萬(wàn)m2，北側(cè)為深圳機(jī)場(chǎng)，緊鄰深圳福永碼頭布置與沿江高速下方。島上主線隧道855 m，機(jī)場(chǎng)互通匝道隧道是為實(shí)現(xiàn)深中通道與沿江高速互通、互聯(lián)而設(shè)置，E、F、G、H匝道總長(zhǎng)1 839 m。周邊環(huán)境如圖2。

圖2 深中通道東人工島周邊環(huán)境

在對(duì)具體人工島工程進(jìn)行總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估時(shí)，合理選取評(píng)估指標(biāo)并對(duì)其重要性進(jìn)行排序。本文根據(jù)深中通道人工島的具體情況，選取具有代表性的11個(gè)因素，作為風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)(見(jiàn)表5)。

表5 東人工島工程總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分?jǐn)?shù)取值

評(píng)估指標(biāo)取值首先根據(jù)工程實(shí)際情況和指標(biāo)分級(jí)情況，確定指標(biāo)所在的分級(jí)區(qū)間，然后，根據(jù)工程特征線性插值確定指標(biāo)的分值。在確定指標(biāo)所在的分級(jí)區(qū)間時(shí)，遵循最不利原則，越不利的情況取值越大。

根據(jù)MATLAB編程計(jì)算結(jié)果，深中通道東人工島工程各指標(biāo)權(quán)重向量：

γij={0.13,0.10,0.05,0.10,0.10,0.16,0.13,0.06,0.07,0.08,0.02}T；

最大特征值λmax=11.47；

一般一致性指標(biāo)CI=0.05；

一致性比率CR=0.03<0.10，判斷矩陣通過(guò)一致性診斷；

施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分?jǐn)?shù)F=∑Xij=73.51。

由此確定深中通道東人工島施工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分?jǐn)?shù)F=73.51，屬于Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)。

因此，深中通道東人工島按Ⅳ級(jí)風(fēng)險(xiǎn)制定分級(jí)管理措施，包括日常管理、監(jiān)控預(yù)警、全面專項(xiàng)整治以及必要的應(yīng)急準(zhǔn)備，與實(shí)際建設(shè)情況一致。

5 結(jié)論

1)從工程復(fù)雜程度、地質(zhì)條件、施工環(huán)境、氣象水文、資料完整性五大致險(xiǎn)因素構(gòu)建滿足人工島工程施

工總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系，基本涵蓋全方位孕險(xiǎn)因素，有利于對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的全方位把控。

2)將明挖隧道工程按基坑開(kāi)挖深度劃定分值范圍進(jìn)行分級(jí)，并納入人工島工程總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系中，完善了承擔(dān)海上交通運(yùn)輸功能的人工島工程總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指標(biāo)體系。

3)基于層次結(jié)構(gòu)的風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重計(jì)算比單純的重要性排序更為客觀，運(yùn)用MATLAB編程計(jì)算結(jié)果經(jīng)過(guò)一致性檢驗(yàn)，顯示出風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估分?jǐn)?shù)的合理性。

4)總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果代表施工準(zhǔn)備階段評(píng)估對(duì)象風(fēng)險(xiǎn)的整體印象，后續(xù)根據(jù)總體風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的結(jié)果針對(duì)性的做好專項(xiàng)評(píng)估工作，完善風(fēng)險(xiǎn)管理過(guò)程，施工中的風(fēng)險(xiǎn)管控根據(jù)施工進(jìn)度重點(diǎn)關(guān)注當(dāng)前階段風(fēng)險(xiǎn)情況，進(jìn)行動(dòng)態(tài)跟蹤與決策。

5)最后借深中通道東人工島工程驗(yàn)證前文構(gòu)建的用于評(píng)估承擔(dān)交通運(yùn)輸功能的人工島施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)體系，其結(jié)果表明，該方法具有合理性和可靠性，可為未來(lái)類似海上島隧樞紐人工島工程的建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)總體評(píng)估及管理提供參考依據(jù)。