长距离大口径钢顶管施工风险管理研究

汪洪涛

上海城投水务工程项目管理有限公司 上海 201103

1 概述

顶管施工是继盾构施工技术之后发展起来的一种非开挖的地下管道施工方法，可在不影响地面设施的情况下穿越河道、公路、地面与地下建（构）筑物及各种地下管线等进行施工，具有土层适用范围广、对周围土体扰动少、噪声及振动小、不影响地面交通等诸多优点。近几年，顶管施工行业逐渐走向成熟，地下顶管工程在各大、中城市的市政工程中陆续加以应用，推动着顶管施工向着长距离、大口径、深埋藏、钢结构的方向发展，必要时还会呈现曲线顶进的趋势。长距离、大口径、深埋藏、曲线顶进、钢管管节等新工艺、新材料的应用，在挑战施工技术难度的同时，必然也伴随着巨大的风险[1-5]。例如，管径越大，灵活性越差，越容易出现轴线偏差；距离越长，中继间数量越多，越容易发生渗漏；埋藏越深，工作井越深，坍塌失稳的可能性越大；钢管的焊缝越多、越长，则焊接质量控制的难度也越大等等。当这些高难度、高风险的顶管施工技术被应用于城市重要区域时，一旦发生事故，其后果将十分严重。例如，当轴线偏差并触碰到燃气管道时，可能导致爆炸，造成人员伤亡；当中继间渗漏时，可能引起地面过度沉降，危及建筑物安全，造成人民群众的财产损失；当焊接质量不好、发生爆管时，也会导致地面沉降及邻近管线、建筑物的破坏等等。因此我们必须高度重视顶管工程的施工风险管理，故对长距离大口径顶管施工风险管理进行研究就显得很有必要。本文以上海市重点工程——青草沙水源地严桥支线工程为背景，研究长距离、大口径钢顶管施工中的风险管理，通过研究以确保背景工程的顺利实施，并为今后类似工程提供经验参考。

2 背景工程概况

上海青草沙水源地原水工程由青草沙水库及取输水泵闸工程、长江原水过江管工程、陆域输水管线及增压泵站工程3个主体工程组成。严桥支线工程是青草沙水源地原水工程陆域输水系统的重要组成部分之一，承担着向6座水厂输送青草沙原水的重任，工程设计规模为4 400 000 m3/d。

严桥支线工程内容为2根DN3 600 mm钢管，全线采用钢顶管施工工艺，布设顶管井约54座。同时具有大口径（外径3 668 mm）、长距离（一次顶进距离最长达1 960 m）、深埋藏（15～20 m）、高水头（约70 m）以及整体规模大（线路全长约27.10 km）、施工条件多样（沿途穿越磁悬浮轨道、交通高架桥、河道、污水管道等重要市政工程）、技术难度高（国内首次钢顶管曲线顶进）、管理难度大（参与方众多，施工工艺复杂）等特点，这些特点使得该项目具有很大的风险性。

3 施工特点及风险分析

1）工程为上海市重点工程，建设工期紧，工序多，工作线长，在施工过程中必须精心组织，合理安排，使工程的各个部位环环相扣，交叉进行，以确保工程在保证质量的同时按时完工。

2）施工段多，场地狭小，沉降控制要求高。工程部分工作井位于交通主干线附近，施工期间将穿越大量民房、河浜、地面道路及天桥桩区域，必须高度重视对地面沉降的控制。一旦出现较大沉降，极有可能造成相关路段交通瘫痪，引发交通事故，甚至造成人员伤亡等严重后果。

3）长距离顶管，顶进技术要求高。工程有多段顶管一次顶进距离比较长，最长达1 960 m，管材采用钢管，外径3 668 mm，管节一般采用6.6 m长，纠偏较为困难。在实际顶进中，由于土层性质变化、注浆效果等会造成顶进阻力的变化，顶进轴线和设计轴线经常发生偏差，需要采取纠偏措施，减小顶进轴线和设计轴线间的偏差值，使之尽量趋于一致。

4）顶管机进出洞难度大，防水要求高。工程部分顶管覆土比较深，穿越地层含水量大，透水性强，顶管进出洞时除要进行深层地层加固处理外，还要采用安全可靠的降水措施，降低地下水位。由于顶进距离长，中继间密封圈磨损相当厉害，施工时有必要加强对中继间等薄弱环节的密封处理，解决好钢管的密封防水问题，以确保钢顶管内的施工作业安全。

5）国内首次钢顶管曲线顶进，无经验可寻，施工难度高。工程J45井至J42B井，因顶管线路的变更，有一段170 m左右的钢管曲线顶进施工。如此大口径的钢管曲线顶进施工，属国内首次。

6）焊接质量要求高。工程管道工作压力比较大，管道设计工作压力为0.80 MPa，试验压力为1.30 MPa，钢管内径为DN3 600 mm，壁厚34 mm，对钢管接口焊接质量要求高，且工期比较紧，而在钢顶管顶进过程中，焊接的速度大大限制了施工进度。必须采取合理的焊接工艺和应对控制措施，缩短焊接时间，提高效率。另外，仅现场环向焊缝近9 000道，长度逾90 000 m，任何一点疏忽都可能造成严重后果。

7）途经地况比较复杂。原水管线经过的路线，沿途地质复杂，并且将穿越磁悬浮轨道、交通高架桥、河道、污水管道等，因此顶管施工工艺要求高，需做好沿线的保护措施。磁悬浮轨道、高架桥与一般道路交通不同，一旦出现不利情况，将很难进行善后处理，损失巨大。

8）工程部分段顶管坡度较大，加大了施工难度，对施工控制要求相当高。

9）工程顶管施工一次穿越距离较大，长距离顶进存在通风难度。若因事前准备不充分，造成工人难以工作或窒息死亡等事故，将对工程造成不利影响。

10）工程为DN3 600 mm大口径钢管双排顶管，双管中心间距仅7.2 m，必须采取措施对顶管轴线进行严格的测量控制。

11）工程施工大型机械设备较多，且钢管顶进施工距离较长，施工用电负荷较大，顶管管道潮湿、高温、空间狭窄，钢管导电性能良好、触电危险性较大。因此，必须加强对操作人员的安全教育，严防触电事故发生。

12）工程顶管管节采用焊接连接，管段越长，其对弯曲变形的适应能力要求就越高。严桥支线顶管埋深较深，天气温度的变化对管节影响不大，但输送的水温变化仍会使管道产生伸缩变形。由于没有采用伸缩装置，故管道在温度变化下的应力完全由钢管自身强度来承担，这对钢材的质量、焊接的质量以及施工安装等都提出了较高的要求。

严桥支线在顶管工程领域具有明显的代表性，几乎涵盖了顶管工程施工可能遇到的各种复杂技术问题和风险。因此，针对这种大口径、长距离、深埋藏，同时又有可能采用曲线顶进新工艺或者遭遇地下障碍物的顶管工程，开展施工风险管理不仅是工程建设的需要，也是为类似顶管工程提供借鉴的一次尝试。

4 施工风险管理措施

4.1 建立交错有序的组织结构

为了有效地防范和控制严桥支线钢顶管施工风险，该工程从加强组织措施的角度出发，建立了严密的、有活力的组织运行机制。

4.1.1 统一指挥、分层次管理机制

本工程建立了由建设单位统一指挥、监理和施工单位分层次管理的机制。统一指挥是指由建设单位统一对项目进行领导和部署，此为第一层面。一方面为重大风险问题决策提供技术、经济和管理方面的业务支撑；另一方面，在分工授权的条件下，明确各参与方的风险责任，进行风险管理目标的分解和落实。第二层面是施工监理单位的跟踪管理。通过监理跟踪施工作业过程，进行现场监控和指导，严格验收把关，防范和控制风险。第三层面是施工单位的自我监控。通过统一指挥、分层次管理，将风险总目标分解、贯彻落实到各个层面，直至基层末端作业者的岗位上，同时也就产生了逆向层对风险总目标的保证作用。

4.1.2 “小业主、大社会”的建设单位管理模式

“小业主、大社会”项目管理模式是一种管理层次和管理职能的重划分，是在建设单位充分授权的条件下，建设单位管理职能主动后退，监理和咨询管理职能向前延伸的一种高效管理模式。在该工程中，建设单位一方面挑选高素质的人员组成项目管理部门并有效分工授权，另一方面充分发挥监理、监测、设计等单位的力量，建立了由技术、经济、管理、法律等专家组成的专家库，利用专家、设计院、咨询单位等社会化资源为整个项目的风险管理提供服务，走社会化、科学化和专业化的管理道路。尽管建设单位项目管理部仅有4位管理人员，但仍然实现了项目的有序管理。

4.1.3 依托监理和监测单位的协调监控机制

监理和监测单位是建设单位对施工风险进行管理的左膀右臂，站在各自的专业角度，起到强化建设单位管理的作用。一是要求“监帮结合”，即要求监理和监测单位建立科学的工作流程，对施工单位、关键部位进行监督管理。在数据监测过程中，还应帮助、引导施工单位开展工作，实行“监帮结合”。二是要求监理“全过程覆盖，重心下移”。“全过程覆盖”即要求监理工作落实到各个环节、各个过程和各个工序；“重心下移”即要求监理工作要深入到基层，深入到各个操作层面上，尤其对关键线路、重要节点、关键工序等进行重点控制，并做好质量、安全等控制工作。

4.1.4 借用“外脑”的技术保障机制

运用社会化的技术咨询服务机构及工程界著名技术专家，即所谓“借用外脑”，是严桥支线工程强化工程技术保障机制和预防风险的重要特点。建设单位针对不同的技术问题，聘请咨询单位和专家进行重大技术诊断，分析和辅助决策，为工程实施提供了强有力的技术保障，有效地保证了工程实施过程的受控状态，对工程风险防范起到了重大作用。这些“外脑”包括2个专家委员会、1个专业技术咨询公司、行业协会、法律和财务咨询等。

4.1.5 强化履约责任的施工单位自主管理机制

强化承包商的履约责任和自主管理机制，是建设单位进行建设项目管理必须认真考虑的重要问题。本工程对施工单位实行“软”管理，即“抓大放小”。“抓大”是指抓施工单位的资质、组织架构设置、施工进度计划、安全生产方案等；“放小”是指不干涉具体管理工作，而是通过设置激励机制（如立功竞赛、合同奖惩措施），强化施工单位对风险的自我管理。

4.2 构建全方位的施工风险监控体系

4.2.1 三级风险监控体系

严桥支线工程建立了公司层、项目层、实施层三级风险监控体系，确立了全过程管理、全员参与管理、多级预警报警的基本模式。公司层面负责整个青草沙工程的管理及严桥支线工程与其他子项工程的协调；项目层面由严桥支线项管部负责各标段的总体风险管理，对各施工单位的风险管理方案实行审查，监督实施施工过程风险监控、安全状态判定和风险事故处理，对于重大安全事故，及时上报上级主管单位和政府部门，启动工程事故应急预案，负责组织工程现场的抢险；实施层面则是监理单位负责监督、检查施工单位的监控量测、巡视、状态描述、风险跟踪等实施情况，承担现场施工风险管理的组织、督促与协调等责任，施工单位承担工程施工风险管理实施责任。通过设立三级风险监控体系，从而做到“横向到边、纵向到底、不留死角”，全面、全方位地进行风险监控。

4.2.2 风险动态监控系统

严桥支线顶管施工风险具有环境的敏感性和危害的社会性特点。施工穿越道路、地铁、磁悬浮、河道、电力隧道、既有建筑等，施工中可能破坏原先土体的静力平衡，从而产生各种岩土力学现象，引发各种环境问题，如房屋开裂倾斜、道路沉陷变形、地下管网断裂等，部分现象会产生放大效应，造成不良的社会影响。因此，在施工中需对工程风险状态进行动态跟踪与管理，督促风险规避措施的实施，同时及时发现和处理尚未识别的风险，包括工程总体风险水平的变化、重大风险的发展趋势、规避措施实施情况以及风险损失情况等。

根据风险评估结果，施工前，建设单位将风险控制点（为了保证施工过程质量而确定的重点控制对象、关键部位风险或薄弱环节）通告施工单位，施工单位提交专门的风险处置方案，上报建设单位，审批通过后方可施工。施工中施工单位和监理单位实时跟踪，如发现异常情况，及时提交监理，监理上报建设单位决定是否需采取规避措施，如发生风险事故，选择实施事故预案。

4.3 建立科学合理的风险管理制度和机制

为了有效地管理风险，该工程建立了一系列科学的风险管理制度（如协调会议制度、风险交底制度、施工旁站和巡视制度、重大危险源管理制度、安全管理责任制度等）和有效的风险控制机制（质量责任机制、风险管理激励机制、安全生产责任机制）等。通过这些制度和机制，明确各参与单位的风险管理职责，实行风险的分级归口管理，从而将风险管理落到实处，使各参与方、各部门职责明确并各司其职，切实保障工程的顺利进行。

4.4 制订科学的施工方案和风险预案

目前超长距离、大口径钢顶管工程的相关规范还不够完善，严桥支线工程存在许多技术难题。这也成为项目重要的技术风险源。建设单位组织各监理、施工单位等根据不同施工阶段进行风险点动态识别，对已知的、可预测的重大风险点，编制详细的专项施工方案和应急预案。方案和预案中明确通过风险点所需的材料、机具数量和规格、人员准备、水电准备、信息联络方法等，并组织专家进行方案论证。同时，为了加强对风险点的适时控制，还全面统计和整理了风险点的基本情况，积极做好各方面的准备工作。

5 施工风险管理实施效果

严桥支线钢顶管具有一次顶进距离长、口径大、顶管经过区域情况复杂等特点，整个施工过程和各个节点都充满了不同类型的风险，通过实施风险管理，取得了良好的实施效果。

5.1 风险管理成果

严桥支线的钢顶管施工从2008年6月起，至2010年12月止，共计2.5 a，完成直径3.6 m的钢顶管顶进距离共54 km（双管），做到了无人员死亡事故、重大人员伤亡事故；对周围环境或风险源未产生危害，从而没有风险赔偿，也没有社会性群体事件。

5.2 工程质量控制

严桥支线的风险控制和管理，不仅规避了工程风险，而且从实施效果来看，也全面提高了工程质量，为工程的顺利进行打下基础。

6 结语

由于钢顶管施工风险具有隐蔽性和不确定性，如果风险管理意识淡漠，采取“等出了事情再说”的被动性管理，缺乏主动风险管理的理念，就会给项目管理留下不同程度的隐患。所以必须树立风险意识，把风险管理作为项目管理的重要内容之一，加强风险信息的收集和整理，掌握风险规律，全面排查项目在施工中的各种风险因素，及时确认项目中的风险事件，列出潜在的风险清单，根据不同的风险采取不同的应对措施。本文所述施工风险管理建立在严桥支线工程的基础上，其他工程应根据自身的条件和差异，进行选择性的借鉴。