基于FCTA与AHP方法的沉管隧道施工风险评估

陈　岚， 宋吉荣

(西南交通大学土木工程学院，四川成都 610031)

二十一世纪，全球经济的快速发展，人口数量的急剧增长，城市、城际交通的需求量与日俱增，土地资源的消耗规模范围逐渐扩大，地下空间的开发和利用已成为一种新常态。作为江河两岸联系的枢纽，跨越江河湖海的沉管隧道工程正日益得到青睐。但在实际工程中，沉管施工地质水文条件复杂多变、对周边既有建筑影响大、不可预见风险因素众多、技术和管理难以保证、施工安全认识不够深入、风险管理投入不到位等一系列的问题导致施工事故频发。如何有效、高效、全面地控制事故的发生，对沉管隧道施工的风险管理和控制都提出了更高的要求。

自1825年第一条水下隧道建成以来，其风险研究就愈发受到重视。Heinz·D通过分析大量穿越海峡的隧道工程案例，对隧道施工风险评估进行了深入地探讨和研究[1]。Harald Wagner从施工条件、结构设计等方面比较了沉管法和盾构法的风险[2]。Henrik Bjelland等在分析不确定性研究现状的基础上，针对Rogfast海底隧道工程，调整了对类似工程风险评估的框架和方法[3]。

近年我国水下隧道建设受到广泛关注，建设规模和施工技术发展迅速。大量水下隧道相继建成，为推动水下隧道风险评估和管理体系的发展奠定了基础。但针对于用沉管法修建水下隧道的风险管理研究还处于发展阶段，风险理论研究和工程应用实践都不足。

本文在众多的沉管隧道工程案例样本中，重点参考了近年国内外著名沉管隧道的技术和风险分析资料，其事故案例如表1所示[4]。结合沉管法施工特点，确定风险评估方法，将评估模型应用于佛山市汾江路南延线沉管隧道工程建设，并根据评价结果提出相应防控措施，为该工程进一步进行建设管理提供依据。

1　风险评估模型建立

工程项目的风险评估流程主要是风险辨识、风险衡量、风险评价三个步骤。采用FCTA方法使得风险辨识更系统、全面、有针对性。由于具体工程项目的风险损失和事故发生概率无法精准确定[5]，采用专家调查法进行风险等级衡量。

表1　沉管隧道风险事故调查案例

通过AHP方法的定性分析和定量计算确定各风险因素的权重。最后通过综合考虑风险的等级和权重确定该因素的风险度。

1.1　FCTA法辨识风险

失败学是现代管理学的一个分支，与传统思维方式不同，失败学是通过逆向推演，找出失败的原因。以失败学作为理论支撑，着眼于已发生的失败事件，根据其事故源、事故路径以及失控条件，确定其逻辑路线，构建出失败树结构脉络[6]。

依据大量代表性案例，系统科学地归纳失败的特征，总结失败的规律，形成失败理论列出风险清单，以此作为事前预测、事中控制以及事后决策的工具，避免事故、减少损失。

失败学研究涉及社会、经济、技术、管理等多个学科领域，失败树的建立需依托于各个学科，以工程类的失败树构建为例，技术路线和步骤如下[7]：

(1)收集类似工程失败样本，着眼于现实案例，使逻辑推演更具有说服力。

(2)从技术、管理的角度出发，探究导致失败的因素。

(3)整合建立事件源、事件知识库，使失败知识有序、有效。

(4)还原事故源、控制条件、失败路径，研究失败形成的机制。

(5)构建失败树，逆向推演逻辑脉络结构。

(6)形成失败应对系统，以便进行超前控制。

以某护岸工程滑坡事故为例[8]，建立失败树，如图1。

图1　南方某港护岸工程滑坡失败树逻辑

图1中的条件事件是从监测管理角度拟定的，若在源基本事件发生前落实对应的条件措施1，则与中间事件之间的逻辑路线不能打开，而该工程并没有监管检查保证足够的加载时间，导致中间事件的发生。同时未采取条件措施2，不重视碾压质量的检验，以致逻辑联通，触发顶上事件，堤身失稳、护岸滑坡。从失败树来看，若管理监控措施能确保执行，则可避免失败。

1.2　矩阵衡量风险

根据《铁路隧道风险评估和管理暂行规定》，将风险损失分为人员伤亡、经济损失、工期延误和环境破坏4种类别，并按照损失的不同程度可分为5个等级；将事故发生概率按照可能性大小划分成5个等级，最后通过风险矩阵将风险度(D)分为4个等级(表2)。

表2　风险等级关系

若单一风险因素导致多种损失类型，可根据投资者风险损失类型接收偏好综合考虑，最后确定风险度[9]。多种损失的风险网络非常复杂，在此不展开研究。

1.3　AHP法评价风险

在运用FCTA方法识别出风险清单的基础上，建立风险层次模型，根据具体沉管隧道工程项目客观存在的施工场地条件和主观确定的施工技术和管理要求，使用AHP法确定各风险因素的权值。

1.3.1构造判断矩阵

通过专家调查法，在依据该沉管隧道工程特点的基础上，分别两两比较同层风险因素的重要程度，构造判断矩阵(rij)n×n。判断矩阵的元素rij(同层i因素与j因素相较)按1～9标度给定，rij和rji互为倒数关系(表3)。

表3　AHP的标度定义

1.3.2计算权重

通过根法计算确定判断矩阵的特征向量W=(W1W2...Wi...Wn)，Wi表示第i个风险因素的权重，计算公式如下：

1.3.3一致性检验

为避免构造判断矩阵时，由于主观评判标准的不一致，而使得矩阵出现矛盾的情况，需对其进行一致性检验，步骤如下。

确定最大特征值：

一致性指标：

一致性比例：

式中：RI按表4取值，通常CR越小，认为一致性越好，当CR≤0.10时，即满足一致性检验。

表4　RI取值

2　沉管隧道风险

2.1　风险特征

不同于一般隧道工程，水下隧道作为高风险建设工程，而施工工法的选择很大程度上决定了风险的来源和类型。综合考虑技术、经济、环境等各方面因素，本工程选择了沉管法施工，它带来的风险主要有以下特征[10]。

2.1.1不确定性

沉管隧道的不确定性主要是体现在缺乏相关施工经验、不确定的地质水文和气候条件。我国的沉管隧道技术研究起步较晚，施工技术与国外先进水平还有不小的差距；种类繁多且关系错综复杂的施工地质构造、水文水质特征、气候动向等环境条件带来的不确定性，都给施工的风险管理提出了严峻的挑战。

2.1.2损害性

沉管隧道耗资大、工期长、影响面广，一旦发生风险，其造成的直接损害和间接损害都是巨大的。直接损害包括经济损失、工期损失、人员伤亡等；间接损害包括生态功能破坏、社会群体影响、周边环境影响等。这就要求项目建设、管理及参与人员增强风险管理意识。

2.1.3复杂性

沉管隧道施工包括地上的护岸、基坑及干坞部分、水下沉放部分，其涉及的专业众多，施工技术、工艺流程复杂，施工机械设备多样，这对各方的沟通协调、安全管理和施工质量提出了更高的要求。

2.2　施工风险清单

基于失败学理论，运用失败树的分析方法，根据类似沉管隧道工程实际案例，建立重大危险源辨识表，为沉管隧道工程快速识别风险、有效监测风险、及时控制风险建立基础，使风险管理更加完善。根据大量沉管事故案例进行综合分析，按照施工工法顺序：护岸工程、干坞施工、沉管预制、基槽开挖、浮运系泊、沉放对接、最终接头，整理出相应阶段的技术危险源；管理风险贯穿整个施工流程，按照信息、计划、资源3个不同管理内容，整理出相关管理危险源(表5)。

3　案例验证

3.1　工程概况

佛山市汾江路南延线沉管隧道位于佛山市南部，它是国内公铁合建规模最大的沉管隧道，工程建设包括南北口岸、连接线和主体部分，隧道总长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]。隧址为内河中上游，水系复杂、河道狭窄、水流速度大、航运密集；场址位于珠江三角洲腹地冲淤积平原，属于海陆交互相冲淤积地貌，场区土类较多、层厚差距较大，局部岩石强度高，需实施爆破；工程地处南亚热带海洋性季风气候带，气候炎热、降水充沛，潮汐现象明显，偶遇灾害性天气；工程周边环境复杂、建筑物密集。

3.2　风险评价

根据佛山市汾江路南延线沉管隧道的工程特点，结合工程地质、水文资料，在沉管隧道施工初始风险清单的基础上，筛选出本工程存在的较大风险因素并建立风险清单，经过各专家现场调查和讨论风险损失和发生概率的程度，通过风险矩阵确定各因素的风险等级，再采用AHP方法，将风险因素两两比较，构造判断矩阵，计算得到各项损失的权重系数。沉管隧道施工的技术和管理风险评估结果见表6。

表5　沉管隧道施工重大危险源辨识

由风险评估表综合考虑各风险因素的权重和风险等级，佛山市汾江路南延线沉管施工风险主要存在于护岸基坑连续墙渗漏和沉管最终接头渗水，其中影响最大的技术因素是T12(混凝土浇筑质量)，其次是T82(接头钢封板失效)；管理因素主要是M11(监测不准确)，其次是M22(施工内外协调不利)。应在护岸基坑和最终接头施工过程中优化施工技术方案、加强监管控制，建立风险防范和应对体系。

3.3　风险控制

根据评估结果拟定风险控制方案，通过事前制定计划预留风险、事中监测控制风险降低发生概率、事后采取措施减小技术风险损失；管理贯穿施工全过程，针对沉管法施工环境的特殊性，应将水中作业作为重点管理对象。对佛山市汾江路南延线沉管工程施工风险采用的防控措施。

3.3.1连续墙渗漏

做好前期地勘工作，根据土质实际情况选择合适的施工技术，设置合理的施工工序；加强地下水监测管理，完善防排水措施；保证连续墙混凝土浇筑质量，监控导管埋置深度；对连续墙接头做特别处理，增加刷壁次数；控制墙体垂直度，避免墙体夹泥形成渗水通道；一旦发生渗漏现象，及时汇报，并立即采用沙包反压渗漏点，初步控制态势，后高压喷浆堵漏。

表6　佛山市沉管隧道施工技术、管理风险评估

3.3.2最终接头渗水

根据接头位置的水力水文，确定连接装置的选型和布置；确保钢封板的焊接强度和水密质量；安装止水带保护罩，避免损伤；对止水带采取硫化处理，保证耐久性；若发生接头渗水事故，在内部渗水部位采用压注水泥浆，再进行防水处理。

3.3.3监控不准确

管段沉放对接测量和定位采用先进的海洋导航定位设备，采用DGPS法定位船体、利用超短基线测定水下信标的位置和深度，通过电罗经归化同一探测结果。

3.3.4施工内外协调不利

沉管施工对外协调工作主要是组织水道交通，及早发布管制公告，内容包括管制事由、时间和范围；同时与当地海事等部门保持通信联系，确认交通疏解方案和设置水上警戒等相关事宜。

4　结论

运用失败学理论和失败树分析，在总结大量类似工程案例事故原因的基础上，将沉管隧道施工阶段的风险因素分为技术和管理两大一级风险指标，并按照施工流程和管理内容细分成12个二级风险指标，建立重大危险源辨识表，使得风险识别更加简化、全面。

通过对佛山市汾江路南延线沉管隧道风险进行深入研究，依据该沉管隧道的工程特点，进行风险评估，通过专家调查法确定了风险等级，AHP确定了各风险因素的权重系数，将定性分析和定量计算结果综合考虑，识别出连续墙渗漏、最终接头渗水、监测不准确和内外协调不利等重大风险因素，并提出相应的控制措施，为建立完善的风险管理体系提供了依据，有效地促进施工风险管理实施，从而达到工程的预期目标。