雷 银, 黄晓初
(1.上海同是科技股份有限公司 研究咨询部, 上海 200120; 2.深中通道管理中心 安全环保部, 广东 中山 528451)
随着经济建设的不断发展,海上资源与空间不断被开发,海上人工岛建设项目越来越多,其功能主要包括海上油气开采、跨海交通运输、岛上观光旅游等。
由于海上环境的不确定性,使得人工岛的建设风险不容忽视。目前人工岛建设风险的研究主要集中在三个方面:一是满足海上油气开采功能的人工岛建设风险体系的研究,梁红玉[1]以胜利油田卸油码头人工岛建设项目为例,构建了卸油码头人工岛的风险识别与评价体系;杨光胜等[2]以渤海湾典型人工岛油气开发为研究对象,对人工岛全生命周期的危险有害因素进行辨识,探索建立人工岛风险分类分级标准;二是以人工岛分部分项工程或某个风险类别为研究对象进行风险与稳定性分析,王公伯[3]从工程地质条件角度构建了海底地质构造、海床地层岩性、人工岛地基承载力和海洋建设环境四大风险评价指标,分析了莱州湾西部人工岛建设的稳定性;张友栋[4]从关键施工工序角度识别出钢圆筒施工、钢圆筒存储与运输、斜坡护岸施工以及不可抗力等四项关键工程风险源,采用层次分析-模糊综合评定法对填海造陆工程风险进行了评价;王兴刚等[5]应用风险分析技术探讨了人工岛海堤工程的建设和运营风险;三是作为交通枢纽的人工岛建设风险研究,港珠澳大桥建设期间,王彦林等[6]定性分析了港珠澳大桥的建设条件风险、结构方案风险、施工组织风险以及运营管理风险,但没有形成量化指标。
本文针对施工前总体风险评估的特定阶段,借鉴港口工程建设特点,从外部环境和内部要素梳理人工岛建设的风险因素,从工程复杂程度、施工环境、地质条件、气象水文、资料完整性五个方面构建人工岛施工总体风险评估的指标体系,结合分部分项工程研究成果进行指标分级,对各指标采用线性插值法确定分值,然后构建单层次判断矩阵,计算判断矩阵的最大特征值和特征向量,以特征向量各分量表示该层次元素的重要性权重,对最后结果进行一致性检验[7]后,得到人工岛的施工总体风险评估分数,划分风险等级,以期达到人工岛工程定量风险评估的目的,为今后类似工程提供可借鉴的依据。
构建风险评估指标体系遵循科学性、层次性、全面性、代表性和独立性等原则。本次人工岛工程施工安全总体风险评估的指标体系从工程复杂程度、施工环境、地质条件、气象水文、资料完整性等五大类孕险环境与致险因子进行构建[3],在此基础上进一步细化评估指标,尽量做到可量化便于操作。
工程复杂程度主要从场区已有结构保护措施复杂性、人工岛护岸工程建设总体长度、人工岛回填吨级、地基与基础工程、岛上隧道开挖围护结构、主体结构及防水、附属设施、施工技术复杂性、施工工艺成熟度、同类项目建设管理经验、施工组织便利性等方面进行评价。
施工环境主要从工程离岸距离、工程水域掩护条件、工程水域水深、工程施工场地周边妨碍物、水生物保护区、防台避风锚地等方面进行评价。
地质条件主要从工程所处的不良地质与特殊性岩土、新构造运动及地震方面进行评价。
气象水文条件包括台(突、季)风、浪高、潮差、潮流、雾、冰冻、冰凌、回淤程度等。
资料完整性主要包括地质水文气象资料的完整性以及勘察设计资料的完整性。
具体的风险评估指标体系见表1。
表1 人工岛工程总体风险评估指标体系
续表1
续表1
重要性指标包括:权重大、对施工安全风险影响不能忽略的指标,指标取值变化对评估结果影响大的敏感指标,若干指标组合后对风险影响大的指标等。采用权重系数γ对各评估指标重要性进行区分。为尽可能避免人为取值的随机性波动,采用层次排序法计算权重,层次排序法大体可分为四个步骤:
1)建立风险评价指标的层次结构。
2)构造两两判断矩阵。将评价指标进行两两比较,采用美国运筹学家T. L. Saaty教授提出的1-9刻度[8-9]进行标注得到判断矩阵。
3)由判断矩阵计算被比较的评估指标的相对权值。
图1 层次结构图
表2 判断矩阵表
4)计算各层次因子的组合权重。
①求判断矩阵每行所有元素的几何平均值wi:
其中,i=1,2,…n,n为判断矩阵阶数。
③计算判断矩阵的最大特征值λmax:
式中,A为判断矩阵;w=(1,2,…,n)T;(AW)i为向量(A·W)的第i个元素。
④一致性检验。为了考察判断矩阵对于各元素重要性的对比设定是否标准一致,需要在各层次排序中进行一致性检验。当检验指标CR<0.10时,判断矩阵才有满意的一致性,否则需要调整判断矩阵,直到检验通过。
式中,CI为判断矩阵的一般一致性指标,计算方法为:
其中,一致性指标,平均随机一致性指标RI可由表3查得。
表3 平均随机一致性指标RI取值表
人工岛工程施工安全总体风险大小计算公式为:
F=∑Xij(6)
Xij=Rijγij(7)
式中,Xij-评估指标的分值,Rij-每个评估指标的取值,γij-每个评估指标的权重系数。i=1、2、3、4、5,j=1、2、…n,n为对应第i个项别包括的评估指标的数量。
根据大量的应用实例,风险评估结果分级呈现正态分布的特点,在大部分港口工程中评估结论与工程实际相契合[10]。基于此,构建人工岛工程的风险分级标准。根据风险分数F值确定人工岛施工总体风险等级和风险管控措施,如表4所示。
表4 人工岛工程施工安全总体风险分级标准
深圳至中山跨海通道是我国继港珠澳大桥后又一具有世界影响力的重大交通运输基础设施工程,线路起于深圳市宝安区广深沿江高速机场互通立交,向东通过广深沿江高速支线与机荷高速公路对接,向西以岛隧桥集群工程跨越珠江口,在中山市马鞍岛登陆。
东人工岛东西向长930 m,南北向1 136 m,形成陆域面积34.38万m2,海域使用面积47.63万m2,北侧为深圳机场,紧邻深圳福永码头布置与沿江高速下方。岛上主线隧道855 m,机场互通匝道隧道是为实现深中通道与沿江高速互通、互联而设置,E、F、G、H匝道总长1 839 m。周边环境如图2。
图2 深中通道东人工岛周边环境
在对具体人工岛工程进行总体风险评估时,合理选取评估指标并对其重要性进行排序。本文根据深中通道人工岛的具体情况,选取具有代表性的11个因素,作为风险评估指标(见表5)。
表5 东人工岛工程总体风险评估分数取值
评估指标取值首先根据工程实际情况和指标分级情况,确定指标所在的分级区间,然后,根据工程特征线性插值确定指标的分值。在确定指标所在的分级区间时,遵循最不利原则,越不利的情况取值越大。
根据MATLAB编程计算结果,深中通道东人工岛工程各指标权重向量:
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;
一般一致性指标CI=0.05;
一致性比率CR=0.03<0.10,判断矩阵通过一致性诊断;
施工总体风险评估分数F=∑Xij=73.51。
由此确定深中通道东人工岛施工总体风险评估分数F=73.51,属于Ⅳ级风险。
因此,深中通道东人工岛按Ⅳ级风险制定分级管理措施,包括日常管理、监控预警、全面专项整治以及必要的应急准备,与实际建设情况一致。
1)从工程复杂程度、地质条件、施工环境、气象水文、资料完整性五大致险因素构建满足人工岛工程施
工总体风险评估指标体系,基本涵盖全方位孕险因素,有利于对风险的全方位把控。
2)将明挖隧道工程按基坑开挖深度划定分值范围进行分级,并纳入人工岛工程总体风险评估指标体系中,完善了承担海上交通运输功能的人工岛工程总体风险评估指标体系。
3)基于层次结构的风险权重计算比单纯的重要性排序更为客观,运用MATLAB编程计算结果经过一致性检验,显示出风险评估分数的合理性。
4)总体风险评估结果代表施工准备阶段评估对象风险的整体印象,后续根据总体风险评估的结果针对性的做好专项评估工作,完善风险管理过程,施工中的风险管控根据施工进度重点关注当前阶段风险情况,进行动态跟踪与决策。
5)最后借深中通道东人工岛工程验证前文构建的用于评估承担交通运输功能的人工岛施工风险指标体系,其结果表明,该方法具有合理性和可靠性,可为未来类似海上岛隧枢纽人工岛工程的建设风险总体评估及管理提供参考依据。