智能化工程管理技術(shù)改變工程項(xiàng)目管理精度
——港珠澳大橋島隧工程智能化管理技術(shù)應(yīng)用與啟示

林鳴

（中國交通建設(shè)股份有限公司，北京 100088）

1 工程背景

港珠澳大橋是粵港澳三地首次合作共建的超大型跨海交通工程，全長55 km，考慮香港機(jī)場航空限高和未來30 萬噸級航道預(yù)留，主通航孔采用6.7 km 沉管隧道方案，設(shè)置2 個(gè)人工島實(shí)現(xiàn)橋隧轉(zhuǎn)換（圖1），島隧工程是大橋的控制性工程?？绾３凉芩淼拦こ叹哂懈卟淮_定性和高風(fēng)險(xiǎn)的特點(diǎn)，在港珠澳大橋之前世界上只有美國、荷蘭、日本擁有建造能力。島隧工程不僅是我國第一次建設(shè)，而且要建世界規(guī)模最大、最復(fù)雜的跨海沉管隧道，是復(fù)雜的巨系統(tǒng)工程，工程項(xiàng)目管理面臨3 個(gè)方面的特殊挑戰(zhàn)。

圖1 港珠澳大橋島隧工程平面示意圖Fig.1 Plan view of the island-tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

1）特殊的自然環(huán)境。工程位于珠江口伶仃洋海域，毗鄰香港水域，穿越主航道，地處生態(tài)極為敏感的中華白海豚自然保護(hù)區(qū)核心區(qū)；氣象水文環(huán)境復(fù)雜，年均臺(tái)風(fēng)達(dá)2～3 個(gè)，強(qiáng)對流等極端惡劣天氣頻發(fā)，泥沙回淤影響嚴(yán)重，難以預(yù)見的自然環(huán)境條件嚴(yán)重制約項(xiàng)目管理決策。

2）特殊的作業(yè)條件。工程作業(yè)區(qū)域分散在近千平方公里的海域，6.7 km 沉管隧道深水基礎(chǔ)施工精度管理要求極高，33 節(jié)沉管水下安裝對接全過程不可視，大規(guī)模海上水下特殊作業(yè)條件使得項(xiàng)目管理過程極易出現(xiàn)“盲區(qū)”和“盲點(diǎn)”。

3）特有的管理要求。工程是珠江口的重要地標(biāo)，要在7 年內(nèi)完成工程詳勘、施工圖設(shè)計(jì)、裝備研發(fā)、科研和施工，要在三地共管環(huán)境下國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)120 年建設(shè)標(biāo)準(zhǔn)；工程兼具超長周期、跨海孤島、高度分散的特點(diǎn)，數(shù)百艘船舶及裝備協(xié)同聯(lián)動(dòng)、高效配合，數(shù)百道工序環(huán)環(huán)相扣，都要求做到萬無一失。

2 島隧工程智能化管理技術(shù)內(nèi)涵

島隧工程智能化管理技術(shù)是在項(xiàng)目管理實(shí)踐中逐步形成的并在其中發(fā)揮了重要作用。島隧工程第一次超過100 d 的停工是因?yàn)榈?0 節(jié)沉管安裝偏差超過標(biāo)準(zhǔn)的1 倍。該節(jié)沉管是世界首次在深水深槽環(huán)境下進(jìn)行安裝，徑流與海流在30 多m深槽形成重力流，造成深水深槽水流齒輪效應(yīng)，引起意外偏差，當(dāng)時(shí)的沉管安裝保障系統(tǒng)不具備實(shí)時(shí)準(zhǔn)確監(jiān)控橫斷面水流的管理功能。在完善了該功能后，由于系統(tǒng)不具備精確監(jiān)控基床回淤的管理功能，再次導(dǎo)致第15 節(jié)沉管安裝遭遇異常回淤時(shí)，造成長達(dá)半年的又一次停工。島隧工程單節(jié)沉管重達(dá)8 萬t，33 節(jié)沉管預(yù)制過程采用智能化管理系統(tǒng)進(jìn)行管控，實(shí)現(xiàn)了百萬立方米混凝土無一澆筑裂縫的高質(zhì)量管理。最終接頭是沉管隧道建造中最困難的工作，常規(guī)合龍方法需要大量潛水作業(yè)，工期半年以上，通過建立最終接頭整體安裝高精度管理系統(tǒng)，并創(chuàng)新整體式最終接頭新技術(shù)，創(chuàng)造了1 d 完成對接、貫通精度2.6 mm的工程紀(jì)錄。

島隧工程實(shí)踐中形成的一系列工程案例，都印證了錢學(xué)森先生早年提出的關(guān)于系統(tǒng)工程如何改進(jìn)組織和效率的著名論述[1]。他指出：“系統(tǒng)工程的任務(wù)是改進(jìn)我們的組織管理，提高效率，……，系統(tǒng)工程采用了什么好方法來達(dá)到這個(gè)目的呢? 是科學(xué)的方法，……，不能滿足于定性，要定量?！彼€指出：“系統(tǒng)工程不能光談系統(tǒng)，要有具體分析一個(gè)系統(tǒng)的方法，要有一套數(shù)學(xué)理論，要定量地處理系統(tǒng)內(nèi)部關(guān)系?！?/p>

工程項(xiàng)目運(yùn)用以信息技術(shù)為核心的現(xiàn)代科技手段，可以使得工程項(xiàng)目管理視域更寬、管理末節(jié)更細(xì)、管理層次更深、管理效能更高，能夠更好地實(shí)現(xiàn)宏觀與微觀、定性與定量的綜合集成，為實(shí)現(xiàn)高精度的工程管理提供了可能[2-8]。基于此，島隧工程研發(fā)施工環(huán)境精細(xì)化預(yù)報(bào)管理，泥沙回淤預(yù)警管理，船舶海上安全監(jiān)控管理，隧道基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)、安裝線形監(jiān)控管理等系統(tǒng)與模塊，形成了智能化工程環(huán)境、過程、現(xiàn)場管理技術(shù)，改變海上施工被動(dòng)、粗放狀態(tài)，為實(shí)現(xiàn)超大型工程海上施工精準(zhǔn)指揮、精準(zhǔn)決策提供支撐。島隧工程智能化管理技術(shù)就是運(yùn)用大數(shù)據(jù)、物聯(lián)網(wǎng)、云計(jì)算等現(xiàn)代信息技術(shù)，構(gòu)建“人機(jī)結(jié)合、以人為主”的智能化管控系統(tǒng)，形成融貫全過程、覆蓋全場域、集成全要素的“智”理體系，擴(kuò)展延伸預(yù)測能力、感知能力及控制能力，實(shí)現(xiàn)更高精度的工程項(xiàng)目管理。其本質(zhì)是通過構(gòu)建工程項(xiàng)目高精度管理體系，改進(jìn)工程項(xiàng)目組織管理方式，提高管理效率，實(shí)現(xiàn)工程的高質(zhì)量建設(shè)目標(biāo)。

3 島隧工程智能化管理技術(shù)體系

針對外海復(fù)雜環(huán)境、跨海域高度分散、海上水下大規(guī)模作業(yè)的工程條件，運(yùn)用現(xiàn)代信息技術(shù)手段，建立了由智能化環(huán)境管理技術(shù)、智能化過程管理技術(shù)、智能化現(xiàn)場管理技術(shù)組成的島隧工程智能化管理技術(shù)體系（圖2），實(shí)現(xiàn)可預(yù)測、管理路徑可確定、精準(zhǔn)精細(xì)高效率的高精度工程項(xiàng)目管理。

圖2 島隧工程智能化管理技術(shù)體系Fig.2 Intelligent management technology system of the island and tunnel project

3.1 智能化環(huán)境管理技術(shù)

綜合運(yùn)用海洋環(huán)境預(yù)報(bào)、大數(shù)據(jù)采集與分析、高精度數(shù)值預(yù)報(bào)模型等構(gòu)建了智能化施工環(huán)境管理技術(shù)，主要包括小區(qū)域精細(xì)化氣象水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)、精細(xì)化泥沙預(yù)報(bào)預(yù)警管理、異常波預(yù)報(bào)預(yù)警管理、作業(yè)窗口管理、對接窗口管理等系統(tǒng)與模塊，實(shí)現(xiàn)透明、精準(zhǔn)預(yù)測并管控的工程自然環(huán)境，提升了工程防范災(zāi)害性天氣、應(yīng)對海洋環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)的能力，掌握了海上施工的主動(dòng)權(quán)。

跨海沉管安裝是島隧工程成敗的關(guān)鍵，其管控核心是在外海復(fù)雜氣象水文條件下找到一個(gè)適合的作業(yè)窗口實(shí)現(xiàn)40 m 水下沉管的精準(zhǔn)對接。作業(yè)窗口時(shí)間僅為14 d，要在窗口期內(nèi)連續(xù)不間斷完成拋石夯平層清淤、碎石基床高精度鋪設(shè)、沉管浮運(yùn)、沉放、對接和鎖定回填等一系列緊密關(guān)聯(lián)、相互制約的海上作業(yè)工序。通過小區(qū)域精細(xì)化氣象水文預(yù)報(bào)系統(tǒng)，篩選發(fā)現(xiàn)工程區(qū)域每年僅有20 個(gè)左右的沉管安裝作業(yè)窗口，再綜合考慮泥沙回淤、異常波及臺(tái)風(fēng)等突發(fā)惡劣天氣影響，每年僅有8～10 個(gè)作業(yè)窗口可以選擇，每個(gè)窗口都異常寶貴。第11 節(jié)沉管安裝作業(yè)窗口出現(xiàn)之際，安裝海域還處于1409 號臺(tái)風(fēng)“威馬遜”影響期，同時(shí)預(yù)報(bào)系統(tǒng)又預(yù)判出1410 號臺(tái)風(fēng)“麥德姆”即將生成，面對這種嚴(yán)峻的氣象形勢和不利預(yù)報(bào)的壓力，島隧工程科學(xué)合理地利用小區(qū)域精細(xì)化氣象水文預(yù)報(bào)與作業(yè)窗口管理系統(tǒng)，精準(zhǔn)預(yù)測本次窗口正好處于2 個(gè)臺(tái)風(fēng)的間隔期，綜合精細(xì)化泥沙預(yù)報(bào)預(yù)警管理、異常波預(yù)報(bào)預(yù)警管理及對接窗口管理系統(tǒng)對其他影響安裝的作業(yè)條件進(jìn)行精準(zhǔn)判斷，這給項(xiàng)目是否使用本次窗口的決策提供了精確支撐（圖3）。同時(shí)，根據(jù)環(huán)境預(yù)測信息不斷調(diào)整優(yōu)化安裝計(jì)劃，集中調(diào)配現(xiàn)場資源，安全順利地利用2 個(gè)臺(tái)風(fēng)間隙的窗口期成功完成了該節(jié)沉管的安裝。

圖3 島隧工程沉管安裝決策流程圖Fig.3 Decision-making flow chart for immersed tunnel element installation in the island and tunnel project

3.2 智能化過程管理技術(shù)

智能化過程管理技術(shù)主要包括隧道結(jié)構(gòu)安全及線形控制系統(tǒng)、海洋環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測管理、基床回淤實(shí)時(shí)監(jiān)測管理、沉管安裝過程運(yùn)動(dòng)姿態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測管理、沉管安裝過程結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測管理、隧道基礎(chǔ)監(jiān)測監(jiān)控管理等系統(tǒng)與模塊，集成物聯(lián)網(wǎng)、精密測控、大數(shù)據(jù)分析成像、遠(yuǎn)程操控等功能，能夠?qū)崟r(shí)提供準(zhǔn)確的環(huán)境參數(shù)、高精度工程質(zhì)量控制參數(shù)、結(jié)構(gòu)受力與運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)水下可視化準(zhǔn)確感知和清晰精準(zhǔn)的過程管控，有效避免了工程施工質(zhì)量與安全管理中的“盲區(qū)”與“盲點(diǎn)”，提升了工程風(fēng)險(xiǎn)預(yù)判及施工精度控制能力?；A(chǔ)不牢地動(dòng)山搖，隧道基礎(chǔ)施工精度及質(zhì)量控制直接影響隧道的基礎(chǔ)沉降，對隧道結(jié)構(gòu)及防水安全至關(guān)重要。島隧工程沉管隧道基礎(chǔ)施工包括基槽粗挖、基槽精挖、拋石前清淤、拋石夯平、墊層鋪設(shè)前清淤、碎石墊層鋪設(shè)、墊層面回淤控制等，十余道水下施工工序環(huán)環(huán)相扣。由于基礎(chǔ)施工全程水下作業(yè)、且精度遠(yuǎn)高于一般工程，加之要嚴(yán)格控制基槽回淤，這就要求對基礎(chǔ)每道工序進(jìn)行精細(xì)管控。島隧工程建立的隧道基礎(chǔ)監(jiān)測監(jiān)控管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對每一節(jié)沉管基礎(chǔ)施工的精細(xì)化管控。在基槽粗挖與精挖階段，利用精細(xì)化勘察建立的數(shù)據(jù)庫監(jiān)控地層變化與地質(zhì)吻合度；運(yùn)用水下測控與大數(shù)據(jù)分析成像技術(shù)對基槽精挖、拋石夯平、碎石墊層鋪設(shè)精度全過程監(jiān)測管理，確保每一米施工精度都滿足設(shè)計(jì)要求；利用基床回淤實(shí)時(shí)監(jiān)測管理系統(tǒng)對安裝前的碎石墊層回淤進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測管理，為沉管安裝提供決策依據(jù)。第21 節(jié)沉管安裝，利用完善了精確監(jiān)控基床回淤管理功能的沉管安裝保障系統(tǒng)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)碎石基床面回淤超標(biāo)，并據(jù)此調(diào)整安裝計(jì)劃進(jìn)行基床面無損清淤，有效防范了重大工程風(fēng)險(xiǎn)，避免了第15節(jié)沉管停工事件的重演。

3.3 智能化現(xiàn)場管理技術(shù)

利用信息采集與動(dòng)態(tài)監(jiān)控、信息傳輸、可視化平臺(tái)、實(shí)時(shí)控制等手段建立了智能化現(xiàn)場管理技術(shù)，主要包括海上船舶調(diào)度管理、災(zāi)害應(yīng)急指揮管理、隧道內(nèi)作業(yè)管理、施工現(xiàn)場監(jiān)控管理等系統(tǒng)與模塊，并構(gòu)建了友好、人性化的管理界面，實(shí)現(xiàn)了分散海域即時(shí)遠(yuǎn)程“面對面”溝通協(xié)調(diào)、集約化扁平化有序管理，提升了現(xiàn)場管理效率與現(xiàn)場精確掌控能力。島隧工程建設(shè)期間，每天都有百余艘船舶在中華白海豚保護(hù)區(qū)內(nèi)協(xié)同作業(yè)，每次沉管安裝需要40 多艘船舶協(xié)同配合，并需經(jīng)常性穿越世界上最繁忙航道之一的伶仃主航道（4 000 多艘/d），運(yùn)用海上船舶調(diào)度管理系統(tǒng)，結(jié)合施工現(xiàn)場監(jiān)控管理系統(tǒng)，項(xiàng)目監(jiān)控室能夠提供24 h“面對面”服務(wù)，實(shí)現(xiàn)了7 年建設(shè)期內(nèi)12 多萬次船舶調(diào)度無一失誤，超過240 萬n mile 船舶作業(yè)無一事故，無一次傷害白海豚事故發(fā)生，且將海上施工對白海豚的影響降到了最低。根據(jù)政府相關(guān)部門發(fā)布的報(bào)告，施工期白海豚數(shù)量呈穩(wěn)步上升趨勢。島隧工程共經(jīng)歷38 次臺(tái)風(fēng)及數(shù)百次強(qiáng)對流惡劣天氣，通過災(zāi)害應(yīng)急指揮管理系統(tǒng)的指揮調(diào)度，應(yīng)急管理有條不紊、及時(shí)精準(zhǔn)，確保了工程安全防臺(tái)防災(zāi)。一般隧道內(nèi)施工往往由于環(huán)境惡劣、通訊不暢、安全風(fēng)險(xiǎn)大，導(dǎo)致工人不愿從事隧道內(nèi)作業(yè)，島隧工程通過建立包括環(huán)境監(jiān)測、通風(fēng)照明、通訊應(yīng)急救援等組成隧道內(nèi)作業(yè)管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了管內(nèi)作業(yè)空氣優(yōu)良、作業(yè)安全、救援及時(shí)精準(zhǔn)，施工期管內(nèi)作業(yè)未發(fā)生任何影響工人職業(yè)健康與安全的情況。

4 啟示與展望

在我國國力日益強(qiáng)盛的新時(shí)代，大型復(fù)雜工程日漸成為工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)展的新趨勢，通過與智能化技術(shù)深度融合，就能更好地實(shí)現(xiàn)可持續(xù)、高品質(zhì)、綠色生態(tài)的工程建設(shè)，這對于踐行工程新發(fā)展理念、推進(jìn)工程建設(shè)高質(zhì)量發(fā)展意義重大。

1）工程項(xiàng)目運(yùn)用信息技術(shù)為核心的現(xiàn)代科技手段，能夠?qū)崿F(xiàn)工程管理宏觀與微觀、定性與定量的更好融合，使得管理視域更寬、管理末節(jié)更細(xì)、管理層次更深、管理效能更高，由此形成的智能化管理技術(shù)使得工程管理能夠與工程技術(shù)一樣追求高精度。

2）智能化技術(shù)實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)技術(shù)的飛躍，解決了工程實(shí)踐活動(dòng)中力所不能及的困境，也改變了工程管理方式，提高了對工程的認(rèn)知能力和掌控能力，為構(gòu)建“理想工程管理模型”提供了可能。島隧工程智能化管理技術(shù)實(shí)現(xiàn)了“透明、可預(yù)測的工程環(huán)境，清晰、精準(zhǔn)的管控過程，友好、高效率的工程現(xiàn)場”，使得工程項(xiàng)目管理初步達(dá)到了一種“智性”的狀態(tài)。

3）由此，可以認(rèn)為智能建造應(yīng)該包括智能建造技術(shù)和智能管理技術(shù)兩個(gè)部分，是一種融合技術(shù)與管理雙輪驅(qū)動(dòng)的先進(jìn)技術(shù)，所以在工程實(shí)踐中智能建造處處都彰顯出強(qiáng)大的能力。

智能化工程管理技術(shù)是工程管理與智能化技術(shù)有機(jī)結(jié)合的實(shí)踐產(chǎn)物，也是島隧工程實(shí)踐者深入探索、汲取經(jīng)驗(yàn)、總結(jié)規(guī)律、創(chuàng)新思維的集體智慧結(jié)晶。