智能化工程管理技术改变工程项目管理精度——港珠澳大桥岛隧工程智能化管理技术应用与启示

林鸣

（中国交通建设股份有限公司，北京 100088）

1 工程背景

港珠澳大桥是粤港澳三地首次合作共建的超大型跨海交通工程，全长55 km，考虑香港机场航空限高和未来30 万吨级航道预留，主通航孔采用6.7 km 沉管隧道方案，设置2 个人工岛实现桥隧转换（图1），岛隧工程是大桥的控制性工程。跨海沉管隧道工程具有高不确定性和高风险的特点，在港珠澳大桥之前世界上只有美国、荷兰、日本拥有建造能力。岛隧工程不仅是我国第一次建设，而且要建世界规模最大、最复杂的跨海沉管隧道，是复杂的巨系统工程，工程项目管理面临3 个方面的特殊挑战。

图1 港珠澳大桥岛隧工程平面示意图Fig.1 Plan view of the island-tunnel project of Hongkong-Zhuhai-Macao Bridge

1）特殊的自然环境。工程位于珠江口伶仃洋海域，毗邻香港水域，穿越主航道，地处生态极为敏感的中华白海豚自然保护区核心区；气象水文环境复杂，年均台风达2～3 个，强对流等极端恶劣天气频发，泥沙回淤影响严重，难以预见的自然环境条件严重制约项目管理决策。

2）特殊的作业条件。工程作业区域分散在近千平方公里的海域，6.7 km 沉管隧道深水基础施工精度管理要求极高，33 节沉管水下安装对接全过程不可视，大规模海上水下特殊作业条件使得项目管理过程极易出现“盲区”和“盲点”。

3）特有的管理要求。工程是珠江口的重要地标，要在7 年内完成工程详勘、施工图设计、装备研发、科研和施工，要在三地共管环境下国内首次实现120 年建设标准；工程兼具超长周期、跨海孤岛、高度分散的特点，数百艘船舶及装备协同联动、高效配合，数百道工序环环相扣，都要求做到万无一失。

2 岛隧工程智能化管理技术内涵

岛隧工程智能化管理技术是在项目管理实践中逐步形成的并在其中发挥了重要作用。岛隧工程第一次超过100 d 的停工是因为第10 节沉管安装偏差超过标准的1 倍。该节沉管是世界首次在深水深槽环境下进行安装，径流与海流在30 多m深槽形成重力流，造成深水深槽水流齿轮效应，引起意外偏差，当时的沉管安装保障系统不具备实时准确监控横断面水流的管理功能。在完善了该功能后，由于系统不具备精确监控基床回淤的管理功能，再次导致第15 节沉管安装遭遇异常回淤时，造成长达半年的又一次停工。岛隧工程单节沉管重达8 万t，33 节沉管预制过程采用智能化管理系统进行管控，实现了百万立方米混凝土无一浇筑裂缝的高质量管理。最终接头是沉管隧道建造中最困难的工作，常规合龙方法需要大量潜水作业，工期半年以上，通过建立最终接头整体安装高精度管理系统，并创新整体式最终接头新技术，创造了1 d 完成对接、贯通精度2.6 mm的工程纪录。

岛隧工程实践中形成的一系列工程案例，都印证了钱学森先生早年提出的关于系统工程如何改进组织和效率的著名论述[1]。他指出：“系统工程的任务是改进我们的组织管理，提高效率，……，系统工程采用了什么好方法来达到这个目的呢? 是科学的方法，……，不能满足于定性，要定量。”他还指出：“系统工程不能光谈系统，要有具体分析一个系统的方法，要有一套数学理论，要定量地处理系统内部关系。”

工程项目运用以信息技术为核心的现代科技手段，可以使得工程项目管理视域更宽、管理末节更细、管理层次更深、管理效能更高，能够更好地实现宏观与微观、定性与定量的综合集成，为实现高精度的工程管理提供了可能[2-8]。基于此，岛隧工程研发施工环境精细化预报管理，泥沙回淤预警管理，船舶海上安全监控管理，隧道基础、结构、安装线形监控管理等系统与模块，形成了智能化工程环境、过程、现场管理技术，改变海上施工被动、粗放状态，为实现超大型工程海上施工精准指挥、精准决策提供支撑。岛隧工程智能化管理技术就是运用大数据、物联网、云计算等现代信息技术，构建“人机结合、以人为主”的智能化管控系统，形成融贯全过程、覆盖全场域、集成全要素的“智”理体系，扩展延伸预测能力、感知能力及控制能力，实现更高精度的工程项目管理。其本质是通过构建工程项目高精度管理体系，改进工程项目组织管理方式，提高管理效率，实现工程的高质量建设目标。

3 岛隧工程智能化管理技术体系

针对外海复杂环境、跨海域高度分散、海上水下大规模作业的工程条件，运用现代信息技术手段，建立了由智能化环境管理技术、智能化过程管理技术、智能化现场管理技术组成的岛隧工程智能化管理技术体系（图2），实现可预测、管理路径可确定、精准精细高效率的高精度工程项目管理。

图2 岛隧工程智能化管理技术体系Fig.2 Intelligent management technology system of the island and tunnel project

3.1 智能化环境管理技术

综合运用海洋环境预报、大数据采集与分析、高精度数值预报模型等构建了智能化施工环境管理技术，主要包括小区域精细化气象水文预报系统、精细化泥沙预报预警管理、异常波预报预警管理、作业窗口管理、对接窗口管理等系统与模块，实现透明、精准预测并管控的工程自然环境，提升了工程防范灾害性天气、应对海洋环境风险的能力，掌握了海上施工的主动权。

跨海沉管安装是岛隧工程成败的关键，其管控核心是在外海复杂气象水文条件下找到一个适合的作业窗口实现40 m 水下沉管的精准对接。作业窗口时间仅为14 d，要在窗口期内连续不间断完成抛石夯平层清淤、碎石基床高精度铺设、沉管浮运、沉放、对接和锁定回填等一系列紧密关联、相互制约的海上作业工序。通过小区域精细化气象水文预报系统，筛选发现工程区域每年仅有20 个左右的沉管安装作业窗口，再综合考虑泥沙回淤、异常波及台风等突发恶劣天气影响，每年仅有8～10 个作业窗口可以选择，每个窗口都异常宝贵。第11 节沉管安装作业窗口出现之际，安装海域还处于1409 号台风“威马逊”影响期，同时预报系统又预判出1410 号台风“麦德姆”即将生成，面对这种严峻的气象形势和不利预报的压力，岛隧工程科学合理地利用小区域精细化气象水文预报与作业窗口管理系统，精准预测本次窗口正好处于2 个台风的间隔期，综合精细化泥沙预报预警管理、异常波预报预警管理及对接窗口管理系统对其他影响安装的作业条件进行精准判断，这给项目是否使用本次窗口的决策提供了精确支撑（图3）。同时，根据环境预测信息不断调整优化安装计划，集中调配现场资源，安全顺利地利用2 个台风间隙的窗口期成功完成了该节沉管的安装。

图3 岛隧工程沉管安装决策流程图Fig.3 Decision-making flow chart for immersed tunnel element installation in the island and tunnel project

3.2 智能化过程管理技术

智能化过程管理技术主要包括隧道结构安全及线形控制系统、海洋环境实时监测管理、基床回淤实时监测管理、沉管安装过程运动姿态实时监测管理、沉管安装过程结构安全监测管理、隧道基础监测监控管理等系统与模块，集成物联网、精密测控、大数据分析成像、远程操控等功能，能够实时提供准确的环境参数、高精度工程质量控制参数、结构受力与运动状态，实现水下可视化准确感知和清晰精准的过程管控，有效避免了工程施工质量与安全管理中的“盲区”与“盲点”，提升了工程风险预判及施工精度控制能力。基础不牢地动山摇，隧道基础施工精度及质量控制直接影响隧道的基础沉降，对隧道结构及防水安全至关重要。岛隧工程沉管隧道基础施工包括基槽粗挖、基槽精挖、抛石前清淤、抛石夯平、垫层铺设前清淤、碎石垫层铺设、垫层面回淤控制等，十余道水下施工工序环环相扣。由于基础施工全程水下作业、且精度远高于一般工程，加之要严格控制基槽回淤，这就要求对基础每道工序进行精细管控。岛隧工程建立的隧道基础监测监控管理系统，实现了对每一节沉管基础施工的精细化管控。在基槽粗挖与精挖阶段，利用精细化勘察建立的数据库监控地层变化与地质吻合度；运用水下测控与大数据分析成像技术对基槽精挖、抛石夯平、碎石垫层铺设精度全过程监测管理，确保每一米施工精度都满足设计要求；利用基床回淤实时监测管理系统对安装前的碎石垫层回淤进行实时监测管理，为沉管安装提供决策依据。第21 节沉管安装，利用完善了精确监控基床回淤管理功能的沉管安装保障系统，及时发现碎石基床面回淤超标，并据此调整安装计划进行基床面无损清淤，有效防范了重大工程风险，避免了第15节沉管停工事件的重演。

3.3 智能化现场管理技术

利用信息采集与动态监控、信息传输、可视化平台、实时控制等手段建立了智能化现场管理技术，主要包括海上船舶调度管理、灾害应急指挥管理、隧道内作业管理、施工现场监控管理等系统与模块，并构建了友好、人性化的管理界面，实现了分散海域即时远程“面对面”沟通协调、集约化扁平化有序管理，提升了现场管理效率与现场精确掌控能力。岛隧工程建设期间，每天都有百余艘船舶在中华白海豚保护区内协同作业，每次沉管安装需要40 多艘船舶协同配合，并需经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），运用海上船舶调度管理系统，结合施工现场监控管理系统，项目监控室能够提供24 h“面对面”服务，实现了7 年建设期内12 多万次船舶调度无一失误，超过240 万n mile 船舶作业无一事故，无一次伤害白海豚事故发生，且将海上施工对白海豚的影响降到了最低。根据政府相关部门发布的报告，施工期白海豚数量呈稳步上升趋势。岛隧工程共经历38 次台风及数百次强对流恶劣天气，通过灾害应急指挥管理系统的指挥调度，应急管理有条不紊、及时精准，确保了工程安全防台防灾。一般隧道内施工往往由于环境恶劣、通讯不畅、安全风险大，导致工人不愿从事隧道内作业，岛隧工程通过建立包括环境监测、通风照明、通讯应急救援等组成隧道内作业管理系统，实现了管内作业空气优良、作业安全、救援及时精准，施工期管内作业未发生任何影响工人职业健康与安全的情况。

4 启示与展望

在我国国力日益强盛的新时代，大型复杂工程日渐成为工程建设领域发展的新趋势，通过与智能化技术深度融合，就能更好地实现可持续、高品质、绿色生态的工程建设，这对于践行工程新发展理念、推进工程建设高质量发展意义重大。

1）工程项目运用信息技术为核心的现代科技手段，能够实现工程管理宏观与微观、定性与定量的更好融合，使得管理视域更宽、管理末节更细、管理层次更深、管理效能更高，由此形成的智能化管理技术使得工程管理能够与工程技术一样追求高精度。

2）智能化技术实现了传统技术的飞跃，解决了工程实践活动中力所不能及的困境，也改变了工程管理方式，提高了对工程的认知能力和掌控能力，为构建“理想工程管理模型”提供了可能。岛隧工程智能化管理技术实现了“透明、可预测的工程环境，清晰、精准的管控过程，友好、高效率的工程现场”，使得工程项目管理初步达到了一种“智性”的状态。

3）由此，可以认为智能建造应该包括智能建造技术和智能管理技术两个部分，是一种融合技术与管理双轮驱动的先进技术，所以在工程实践中智能建造处处都彰显出强大的能力。

智能化工程管理技术是工程管理与智能化技术有机结合的实践产物，也是岛隧工程实践者深入探索、汲取经验、总结规律、创新思维的集体智慧结晶。