橋梁沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)主成分分析法*

劉沐宇　陳　珂　荊　武

(武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室　武漢　430070)

橋梁沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)主成分分析法*

劉沐宇陳珂荊武

(武漢理工大學(xué)道路橋梁與結(jié)構(gòu)工程湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室武漢430070)

摘要：提出了橋梁沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)主成分分析法，并將該方法應(yīng)用于武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)分析中.通過(guò)構(gòu)建北錨沉井基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)因素和施工工序?qū)?yīng)關(guān)系矩陣，獲得了北錨沉井基礎(chǔ)的風(fēng)險(xiǎn)因素在3個(gè)降維后的施工工序(主成分)中的排名情況.結(jié)果表明，沉井施工對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生影響和井底流沙在沉井接高下沉中風(fēng)險(xiǎn)較大；井壁強(qiáng)度不足在鋼殼制作中風(fēng)險(xiǎn)較大；前期組織不完善在前期準(zhǔn)備中風(fēng)險(xiǎn)較大.

關(guān)鍵詞：沉井基礎(chǔ)；施工工序；風(fēng)險(xiǎn)因素；防范措施

劉沐宇(1963- ):男，博士，教授，博導(dǎo)，主要研究領(lǐng)域?yàn)闃蛄汗こ?/p>

0引言

隨著橋梁施工技術(shù)的不斷發(fā)展，橋梁的跨度越來(lái)越大，然而所面臨的風(fēng)險(xiǎn)也隨之增大.沉井基礎(chǔ)作為橋梁下部結(jié)構(gòu)的組成部分[1]，由于施工的復(fù)雜性和多樣性，使得其在施工中極易出現(xiàn)事故,這就需要施工人員及時(shí)了解沉井施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)因素，采取相應(yīng)的措施減少事故的發(fā)生.因此有必要對(duì)橋梁沉井基礎(chǔ)的施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)分析.

目前在橋梁的施工風(fēng)險(xiǎn)研究中，李書(shū)韜等[2]根據(jù)某大型懸索橋的施工工序，運(yùn)用模糊層次分析法對(duì)其施工風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行了權(quán)重計(jì)算；沈斌等[3]對(duì)潤(rùn)揚(yáng)長(zhǎng)江公路大橋北錨碇基坑部分進(jìn)行了綜合的施工風(fēng)險(xiǎn)分析，在沉井部分提出了沉井法的主要施工工藝以及沉井施工的風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策；王榮文等[4]對(duì)沉井在設(shè)計(jì)和施工中容易發(fā)生的事故進(jìn)行了歸納闡述，并對(duì)沉井的設(shè)計(jì)和施工要點(diǎn)進(jìn)行了總結(jié).本文以鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨沉井基礎(chǔ)為例，將其劃分成7個(gè)工序和30個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，并建立全面的對(duì)應(yīng)矩陣，利用主成分分析法特有的處理施工工序和風(fēng)險(xiǎn)因素之間全面的對(duì)應(yīng)關(guān)系這一特色，定量計(jì)算出每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素在降維后的施工工序中的風(fēng)險(xiǎn)程度大小并提出對(duì)策使施工風(fēng)險(xiǎn)降至最小.

1沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)主成分分析方法

1.1沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)主成分分析法思想

同一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素可能在不同的工序中發(fā)生，用較少的工序來(lái)解釋資料中較多的工序[5]，并把相關(guān)性較大的工序轉(zhuǎn)換為相互獨(dú)立的工序，能充分反映出數(shù)據(jù)分布特征，這種降維處理技術(shù)能夠達(dá)到減少工序個(gè)數(shù)的目的，是主成分分析法的思想.

1.2沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)主成分分析法步驟

1) 構(gòu)造一個(gè)n×p階的全面對(duì)應(yīng)矩陣(其中數(shù)據(jù)矩陣中有n個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素中有p個(gè)施工工序).

(1)

2) 計(jì)算全面對(duì)應(yīng)矩陣的相關(guān)系數(shù)矩陣.

(2)

(3)

3) 計(jì)算相關(guān)系數(shù)矩陣的特征值和特征向量

(4)

求出特征值之后按大小排列

(5)

并求出對(duì)應(yīng)每一個(gè)特征值的特征向量eij(向量ei的第j個(gè)分量).

4) 計(jì)算降維后的工序貢獻(xiàn)率及累計(jì)貢獻(xiàn)率

(6)

(7)

一般取累計(jì)貢獻(xiàn)率達(dá)到85%左右的工序個(gè)數(shù)作為主成分.

5) 計(jì)算主成分載荷(降維后的工序矩陣)

(8)

6) 計(jì)算n個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素在m個(gè)主成分中的得分

(9)

式中：zmn為第n個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素在第m個(gè)主成分中的得分;lmp為第p個(gè)工序在第m個(gè)主成分中的載荷；xpn為對(duì)應(yīng)矩陣中第n個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素在第p個(gè)施工工序中的數(shù)值.

2工程應(yīng)用

2.1鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨沉井基礎(chǔ)概況

鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋漢陽(yáng)側(cè)的北錨碇沉井基礎(chǔ)是該大橋的主要基礎(chǔ)工程之一，沉井為圓形，第一節(jié)直徑為66.40 m，第二～九節(jié)的直徑為 66.0 m，中間均設(shè)置直徑是41.4 m的空心圓，沉井的總高度是45.50 m；周邊均設(shè)直徑分別是9.10,8.30和 8.70 m的圓筒，分9節(jié)制作，第一節(jié)是6.0 m的鋼殼，第二～八節(jié)是鋼筋混凝土，每節(jié)為 5 m，第九節(jié)是4.50 m，基底是以密實(shí)的礫砂作為持力層[6]，見(jiàn)圖1.

圖1　鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨沉井基礎(chǔ)施工圖片

2.2鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

根據(jù)工程資料和專家意見(jiàn)，識(shí)別出鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎(chǔ)的施工風(fēng)險(xiǎn)因素和施工工序(為了簡(jiǎn)便起見(jiàn)，采用代號(hào)表示每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素和施工工序)，見(jiàn)表1和表2.

表1　鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)因素

表2　鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎(chǔ)施工工序

2.3鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)

由于橋梁上缺少相應(yīng)的施工事故數(shù)據(jù)庫(kù)，沒(méi)有大量的客觀數(shù)據(jù)去反映沉井施工中的每一種因素的風(fēng)險(xiǎn)程度，因此這里采用專家打分的方法近似代替統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的方式.具體的打分賦值標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)表3.

表3　風(fēng)險(xiǎn)賦值標(biāo)準(zhǔn)

以施工風(fēng)險(xiǎn)因素(行)為樣本，施工工序(列)為變量建立30×7階矩陣作為數(shù)據(jù)表格.此表一式15份，給15個(gè)專家進(jìn)行打分，并取其平均值.表中的數(shù)字代表每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素在各施工工序中發(fā)生的可能性的大小.打分樣表見(jiàn)表4.

表4　專家打分樣表

2.4鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

這里將專家打分表作為原始統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行主成分分析，依據(jù)前面所說(shuō)的主成分分析法的原理，用統(tǒng)計(jì)分析軟件SPSS中的因子分析進(jìn)行計(jì)算,通過(guò)計(jì)算其相關(guān)系數(shù)矩陣和主成分矩陣，得到了3個(gè)主成分,分別命名為沉井施工(接高下沉并封底)，鋼殼制作，施工準(zhǔn)備工作(防護(hù)、地基處理).

最終計(jì)算得出每一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素在3個(gè)主成分中的排名，見(jiàn)表5.

由表5可見(jiàn)，第一主成分中風(fēng)險(xiǎn)較大的2個(gè)因素是沉井施工對(duì)周圍土層或建筑物產(chǎn)生影響和井底流砂.第二主成分中風(fēng)險(xiǎn)較大的因素是井壁強(qiáng)度不足.第三主成分中風(fēng)險(xiǎn)較大的因素是前期組織工作不完善.

3鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎(chǔ)風(fēng)險(xiǎn)對(duì)策

為了減少沉井施工對(duì)周圍環(huán)境造成的影響，施工周邊的地區(qū)應(yīng)設(shè)置盡量多的沉降觀測(cè)點(diǎn)，并不定時(shí)進(jìn)行測(cè)量監(jiān)測(cè)[7-8].

對(duì)于流砂事故，挖土?xí)r盡量避免在刃腳下開(kāi)挖，防止砂石進(jìn)入井內(nèi).用沉井降水的方法也可以減少井內(nèi)外的水頭差，及時(shí)對(duì)滲流的穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算.對(duì)井底的軟硬程度不均勻的土層進(jìn)行加固或者換填處理.

表5　風(fēng)險(xiǎn)因素在3個(gè)主成分中的分值排名

為了降低井壁強(qiáng)度不足所帶來(lái)的影響，鋼構(gòu)件的取用應(yīng)該有質(zhì)量保證，混凝土的配合比應(yīng)該適當(dāng).盡量避免粘有雜物.接縫和拼縫過(guò)程必須嚴(yán)密并且支撐牢固.

在前期準(zhǔn)備中，應(yīng)嚴(yán)格按照先控制后細(xì)部的原則，不斷補(bǔ)充還沒(méi)進(jìn)行到位的組織工作，認(rèn)真做好記錄，進(jìn)行有效的組織管理.

4結(jié)論

1) 運(yùn)用主成分分析法解決了橋梁沉井基礎(chǔ)施工中施工工序與風(fēng)險(xiǎn)因素之間缺乏全面的對(duì)應(yīng)關(guān)系(每一個(gè)施工工序都可能發(fā)生各種風(fēng)險(xiǎn)因素)的問(wèn)題.

2) 計(jì)算結(jié)果表明:橋梁沉井施工對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生影響和井底流沙在沉井接高下沉中風(fēng)險(xiǎn)較大；沉井井壁強(qiáng)度不足在鋼殼制作中風(fēng)險(xiǎn)較大；施工前期組織不完善在前期準(zhǔn)備中風(fēng)險(xiǎn)較大.

3) 通過(guò)對(duì)鸚鵡洲大橋北錨沉井基礎(chǔ)的施工風(fēng)險(xiǎn)分析，對(duì)主成分分析法在其他復(fù)雜的橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)分析中的應(yīng)用提供很好的借鑒.

參 考 文 獻(xiàn)

[1]高紀(jì)兵.泰州長(zhǎng)江公路大橋中塔深水大型沉井基礎(chǔ)施工技術(shù)[D].重慶：重慶交通大學(xué),2010.

[2]李書(shū)韜，程進(jìn).模糊層次分析方法在大跨度橋梁施工期風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的應(yīng)用[J].結(jié)構(gòu)工程師，2011(10):159-162.

[3]沈斌.幾種懸索橋錨碇結(jié)構(gòu)基坑的施工風(fēng)險(xiǎn)分析及對(duì)策[J].公路交通科技 ,2008(4):108-112.

[4]王榮文，葛春輝.沉井設(shè)計(jì)和施工中的常見(jiàn)事故及其防治措施[J].特種結(jié)構(gòu),2007(3):103-105.

[5]李娜娜，施龍青，李忠建，等.主成分分析法在底板突水影響因素評(píng)價(jià)中的應(yīng)用[J].煤礦開(kāi)采，2011(2):26-28.

[6]李明華，楊燦文. 武漢鸚鵡洲長(zhǎng)江大橋北錨碇新型沉井基礎(chǔ)設(shè)計(jì)[J].橋梁建設(shè)，2011(4):1-4.

[7]袁勇.沉井施工風(fēng)險(xiǎn)分析[J].中國(guó)水運(yùn),2011(12):221-223.

[8]趙有明，田欣，牛亞洲，等.南京長(zhǎng)江第四大橋北錨碇沉井基礎(chǔ)施工關(guān)鍵技術(shù)[J].橋梁建設(shè),2009(1):62-65.

中圖法分類號(hào)：U443.13 1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.001

收稿日期：2014-09-10

Principal Component Analysis Method of Construction
Risk of Open Caisson Foundation in a Bridge

LIU MuyuCHEN KeJING Wu

(HubeiKeyLaboratoryofRoadwayBridgeandStructure

Engineering,WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070,China)

Abstract：Principal components analysis method is a kind of risk analysis method which can reduce the dimensionality of complicated construction process and sort risk factors. This passage proposes principal component analysis method of risk analysis of construction of bridge open caisson foundation based on the principle, and it is applied to the risk analysis of construction of North Anchorage caisson foundation of the Parrot Island Yangtze River Bridge. Through determine the complete correspondence matrix according to risk factor and construction procedure, use the principal component analysis method to calculate the risk factor level ranking in 3 reduced dimension of construction process(principal component).The results show that: the influence of the construction of open caisson foundation on the surrounding building and bottom hole flowing sand are in high risk in construction of caisson sinking; the insufficient wall strength is in high risk in the making process of steel shell; the imperfect work of organization is in high risk in the process of preparation of construction of open caisson foundation.

Key words：open caisson foundation; construction procedure; risk factor; preventive measure

*高等學(xué)校博士點(diǎn)專項(xiàng)基金項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：20110143110016)、武漢市科技攻關(guān)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào)：201160923308)資助