大跨度斜拉橋拆除工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

李 揚(yáng)

(上海市政工程設(shè)計(jì)研究總院(集團(tuán))有限公司，上海 200092)

0 引 言

某大跨徑斜拉橋因橋下通航等級(jí)提升，致使橋下凈空無(wú)法滿(mǎn)足通航要求，同時(shí)該橋建造年代較為久遠(yuǎn)，結(jié)構(gòu)存在較多難以消除的疾患，故擬對(duì)其進(jìn)行拆除重建。目前，國(guó)內(nèi)外已經(jīng)成功實(shí)施過(guò)一些斜拉橋的拆除[1-3]，但都是采用整體爆破手段。然而，對(duì)于橋位環(huán)境不適于爆破的斜拉橋則需要采用逆序法逐段拆除，目前尚無(wú)成功實(shí)施的案例。

相比爆破法拆除，斜拉橋逆序拆除技術(shù)更為復(fù)雜，其風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生頻率和損失程度也相應(yīng)增加。為使項(xiàng)目決策更科學(xué)合理，保障項(xiàng)目順利實(shí)施，對(duì)該橋拆除過(guò)程實(shí)施風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估就顯得尤為必要。事實(shí)上，在斜拉橋建設(shè)領(lǐng)域，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)開(kāi)展了大量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究，并取得了豐碩成果[4-6]。然而，在對(duì)大跨徑斜拉橋逆序拆除方面，由于缺乏工程案例，其風(fēng)險(xiǎn)研究也暫未見(jiàn)報(bào)道。

筆者首先簡(jiǎn)要介紹項(xiàng)目概況和拆除方案，其次提出一套適用于大跨度斜拉橋逆序拆除項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法，然后利用該方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、分析和評(píng)價(jià)，并提出相應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。

1 項(xiàng)目概況及風(fēng)險(xiǎn)定義

1.1 項(xiàng)目概況

某雙塔雙索面預(yù)應(yīng)力混凝土斜拉橋，跨徑布置為(85+200+85)m，采用塔梁固結(jié)、塔墩分離的結(jié)構(gòu)體系。主跨跨中設(shè)置30 m簡(jiǎn)支掛孔，邊跨三分點(diǎn)處設(shè)置兩個(gè)輔助墩，其總體布置如圖1。橋面布置為2.5 m(人行道)+7 m(車(chē)行道)+2.5 m(人行道)，總寬12 m。橋下河道通航凈寬為192 m，因航道等級(jí)提升，根據(jù)新的通航論證結(jié)果，通航凈空要求由原來(lái)的3.1 m提高為7 m，因此需要對(duì)大橋進(jìn)行拆除改造。

圖1 某大跨度斜拉橋總體布置(單位：m)Fig. 1 Elevation of a long-span cable stayed bridge

1.2 拆除施工方案

橋梁拆除總體順序遵循“先上部后下部，拆橋?yàn)榻蚴┕さ哪骓樞颉痹瓌t，具體拆除方案為：

① 拆除橋面系附屬設(shè)施；② 拆除位于跨中的掛孔段主梁，可采用浮吊吊裝；③ 河跨標(biāo)準(zhǔn)段拆除，橋面懸臂掛籃切割后利用汽車(chē)吊轉(zhuǎn)運(yùn)；④ 岸跨采用滿(mǎn)堂腳手支架支撐，斜拉索與河跨斜拉索同步對(duì)稱(chēng)放索；待河跨拆除之后，進(jìn)行岸跨切割拆除；⑤ 在橋梁兩岸各設(shè)置一塊構(gòu)件破碎場(chǎng)地，將切割分塊的構(gòu)件在場(chǎng)地內(nèi)破碎、清運(yùn)。

1.3 風(fēng)險(xiǎn)定義及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作內(nèi)容

考察既有的風(fēng)險(xiǎn)研究成果，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)定義雖有不同之處，但總體上都是圍繞事故概率和后果等問(wèn)題展開(kāi)[7-9]。筆者采納文獻(xiàn)[9]的定義：風(fēng)險(xiǎn)是“在給定條件下，評(píng)估對(duì)象發(fā)生損失概率及其嚴(yán)重程度的組合”。

風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作內(nèi)容十分豐富，且對(duì)于不同領(lǐng)域，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估工作側(cè)重點(diǎn)也有所不同。對(duì)于大跨度斜拉橋逆序拆除項(xiàng)目而言，風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估核心工作內(nèi)容主要有：風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別、風(fēng)險(xiǎn)分析、風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)。

2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

2.1 魚(yú)骨圖法

常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別有檢查表法、故障樹(shù)法、德?tīng)柗品ǖ萚7]。這些方法很大程度上依賴(lài)于既有經(jīng)驗(yàn)，而本項(xiàng)目在國(guó)內(nèi)外尚無(wú)參考案例，且技術(shù)復(fù)雜、未知因素較多，利用上述方法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別易產(chǎn)生漏項(xiàng)。

魚(yú)骨圖法是一種幫助發(fā)現(xiàn)問(wèn)題本質(zhì)原因的方法，將其用于風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別，可避免個(gè)人思維局限性，能較為全面地獲得風(fēng)險(xiǎn)因素，且實(shí)施方便[10]。魚(yú)骨圖法用3個(gè)層次指標(biāo)體系來(lái)分析問(wèn)題，總指標(biāo)即為“項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)”，包括工期延誤、質(zhì)量問(wèn)題等在內(nèi)的一切沒(méi)有如約完成的工程情況均可稱(chēng)為“項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)”；I級(jí)指標(biāo)通常是指“人、機(jī)、料、法、環(huán)”這5個(gè)方面；II級(jí)指標(biāo)則是造成該方面的具體原因，此時(shí)可采用頭腦風(fēng)暴等形式，盡可能多而全地找出所有可能原因，而不僅限于自己掌控或正在執(zhí)行的內(nèi)容。

2.2 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)體系

利用魚(yú)骨圖法對(duì)該項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分析，定性地建立風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)體系，如表1。限于篇幅，筆者對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素具體含義不再贅述。

表1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)體系Table 1 Risk identification index system

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

3.1 層次分析法

風(fēng)險(xiǎn)分析方法有蒙特卡羅法、決策樹(shù)法、層次分析法(AHP法)等[7]，其中層次分析法用于多級(jí)指標(biāo)分析時(shí)具有較好精度。

3.1.1 建立判斷矩陣

以上一層某元素為準(zhǔn)則，對(duì)本層元素進(jìn)行兩兩比較判斷，按照表2的評(píng)分法則將比較結(jié)果數(shù)量化，形成判斷矩陣。以Ⅰ級(jí)指標(biāo)為例，若包含n個(gè)元素，則I級(jí)指標(biāo)的判斷矩陣A=(aij)n×n, (i,j=1, 2,…,n)，其中：aij表示從總指標(biāo)層考慮元素i對(duì)元素j的相對(duì)重要程度。

表2 重要性評(píng)分法則Table 2 Grade principle for importance

3.1.2 層次單排序

獲得某一層判斷矩陣后，可對(duì)該層各元素對(duì)上一層元素重要性進(jìn)行排序，稱(chēng)為層次單排序。單排序問(wèn)題可歸結(jié)為計(jì)算判斷矩陣的最大特征根及特征向量。特征根和特征向量的計(jì)算方法有很多種，例如和積法、方根法、冪法等，筆者不再贅述。若判斷矩陣A的最大特征根為λmax，對(duì)應(yīng)特征向量為W=(w1,w2, …,wn)，w1,w2, …,wn即為該層各元素對(duì)上一層元素的權(quán)重系數(shù)，其數(shù)值越大則重要性越大。

應(yīng)用層次分析法時(shí)，必須保證思維判斷一致性，因此需對(duì)判斷矩陣A進(jìn)行一致性檢驗(yàn)，即一致性比率CR應(yīng)滿(mǎn)足式(1)要求：

(1)

式中：CI為一致性指標(biāo)；RI為平均隨機(jī)一致性指標(biāo)，與判斷矩陣階數(shù)n有關(guān)，可由表3查得[11]。

表3 平均隨機(jī)一致性指標(biāo)RI取值Table 3 RI value of mean random consistency index

3.1.3 層次總排序

層次分析法的最終目的，是求出II級(jí)指標(biāo)層上各元素對(duì)于總指標(biāo)層的權(quán)重，稱(chēng)為層次總排序。假定已經(jīng)按照層次單排序方法算出I級(jí)指標(biāo)層上各元素相對(duì)于總指標(biāo)層的權(quán)重向量為W(Ⅰ)；Ⅱ級(jí)指標(biāo)層上所有元素對(duì)Ⅰ級(jí)指標(biāo)層上對(duì)應(yīng)元素的排序權(quán)重向量為V(Ⅱ)，則II級(jí)指標(biāo)層上元素對(duì)總指標(biāo)層的合成排序向量W(Ⅱ)如式(2)：

W(Ⅱ)=W(Ⅰ)×V(Ⅱ)

(2)

3.2 風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重排序

基于層次分析法，依據(jù)項(xiàng)目特點(diǎn)制作風(fēng)險(xiǎn)矩陣調(diào)查表，邀請(qǐng)多位專(zhuān)家依據(jù)表2準(zhǔn)則對(duì)調(diào)查表中的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行兩兩判斷。根據(jù)專(zhuān)家判斷打分，構(gòu)造判斷矩陣(結(jié)果如表4、5)。

表4 Ⅰ級(jí)指標(biāo)判斷矩陣ATable 4 Judgment matrix A for index class Ⅰ

表5 Ⅱ級(jí)指標(biāo)判斷矩陣A1～A5Table 5 Judgment matrix A1～A5 for index class Ⅱ

通過(guò)求解上述判斷矩陣最大特征根及特征向量，驗(yàn)證各判斷矩陣一致性比率均滿(mǎn)足式(1)要求；將所得各特征向量代入式(2)，可算出II級(jí)指標(biāo)層上所有元素對(duì)總指標(biāo)層的合成排序向量W(Ⅱ)，如式(3)：

W(Ⅱ)=(0.033,0.01,0.01,0.02,0.036,0.018,

0.156,0.191,0.004,0.014,0.03,0.006,0.125,0.033,0.077,0.011,0.019,0.157,0.059,0.011)

(3)

4 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)

4.1 模糊綜合評(píng)價(jià)法

在計(jì)算出各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重之后，還需用量化手段描述風(fēng)險(xiǎn)概率及其損失的嚴(yán)重程度，這一過(guò)程可利用模糊綜合評(píng)價(jià)法[12]實(shí)現(xiàn)。

4.1.1 建立評(píng)價(jià)集合

定義風(fēng)險(xiǎn)評(píng)語(yǔ)集合U={極低，低，中，高，極高}用于對(duì)由風(fēng)險(xiǎn)嚴(yán)重程度進(jìn)行描述，其對(duì)應(yīng)評(píng)分集合G={1, 2, 3, 4, 5}。

4.1.2 構(gòu)建模糊關(guān)系矩陣

利用評(píng)價(jià)集合對(duì)II級(jí)指標(biāo)層所有元素進(jìn)行一一評(píng)價(jià)，然后各元素得到某種評(píng)價(jià)次數(shù)除以總調(diào)查人數(shù)，即可得到模糊關(guān)系矩陣R的各個(gè)元素?cái)?shù)值。

4.1.3 模糊合成

將II級(jí)指標(biāo)層各元素對(duì)總指標(biāo)層的權(quán)重向量W(Ⅱ)和模糊關(guān)系矩陣R進(jìn)行模糊合成，可得到項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的綜合隸屬度M，如式(4)：

M=W(Ⅱ)×R

(4)

4.1.4 綜合評(píng)分

項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)綜合評(píng)分結(jié)果u可由式(5)求得：

u=M·GT

(5)

將u值與評(píng)分集合G中各分值進(jìn)行比較，即可按照較為接近的一類(lèi)進(jìn)行判定。

4.1.5 總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)定

利用上述方法分別對(duì)項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)概率、風(fēng)險(xiǎn)損失進(jìn)行評(píng)分，得到風(fēng)險(xiǎn)概率及損失等級(jí)，然后根據(jù)表6確定項(xiàng)目總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)。對(duì)各類(lèi)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定義列于表7[12]。

表6 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)Table 6 Evaluation of risk level

表7 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)定義Table 7 Definition of risk level

4.2 風(fēng)險(xiǎn)概率等級(jí)評(píng)價(jià)

根據(jù)本項(xiàng)目特點(diǎn)制作風(fēng)險(xiǎn)概率調(diào)查表，并邀請(qǐng)前述專(zhuān)家在相應(yīng)概率級(jí)別上打勾，將打勾次數(shù)除以專(zhuān)家人數(shù)后填入表8，即得風(fēng)險(xiǎn)概率模糊關(guān)系矩陣。

表8 風(fēng)險(xiǎn)概率模糊關(guān)系Table 8 Fuzzy relation of risk probability

利用式(4)、(5)可得到風(fēng)險(xiǎn)概率綜合評(píng)分結(jié)果u=2.602，因此可認(rèn)為該項(xiàng)目總體風(fēng)險(xiǎn)概率為中級(jí)。

4.3 風(fēng)險(xiǎn)損失等級(jí)評(píng)價(jià)

制作風(fēng)險(xiǎn)損失調(diào)查表，采用同樣方法可得到風(fēng)險(xiǎn)損失模糊關(guān)系矩陣，如表9。

表9 cTable 9 Fuzzy relation of risk loss

(續(xù)表9)

利用式(4)、(5)可得到風(fēng)險(xiǎn)損失綜合評(píng)分結(jié)果u=3.186，因此可認(rèn)為該項(xiàng)目總體風(fēng)險(xiǎn)損失為中級(jí)。

4.4 總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)

查詢(xún)表6，可知本項(xiàng)目總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中級(jí)，即項(xiàng)目有條件實(shí)施，但應(yīng)采取一定措施降低風(fēng)險(xiǎn)。

5 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)

5.1 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)方法

在風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)確定之后，需根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)提出更加具有針對(duì)性風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施。常見(jiàn)風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)方法有風(fēng)險(xiǎn)自留、風(fēng)險(xiǎn)轉(zhuǎn)移、風(fēng)險(xiǎn)控制、風(fēng)險(xiǎn)規(guī)避、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)防等[7]。對(duì)于同一個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素，可采用其中的一種或多種應(yīng)對(duì)方法。

5.2 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施

式(3)已揭示出對(duì)本項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)影響最大的4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素為：拉索臨時(shí)工裝風(fēng)險(xiǎn)K24、水體污染風(fēng)險(xiǎn)K52、破碎切割設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)K23、設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)K41。這主要是由于：① 拉索臨時(shí)工裝是斜拉索切割過(guò)程中索力轉(zhuǎn)換裝置，其失效將直接導(dǎo)致對(duì)應(yīng)梁體節(jié)段坍塌；② 梁體切割時(shí)產(chǎn)生的碎塊、粉塵極易造成水體污染；③ 梁體、橋塔節(jié)段中布設(shè)有大量鋼筋和預(yù)應(yīng)力鋼束，對(duì)切割機(jī)性能要求極高；④ 老橋已經(jīng)運(yùn)營(yíng)了30余年，其混凝土老化、斜拉索錨頭銹蝕等情況嚴(yán)重，需在計(jì)算模型中充分考慮這些因素影響。

通過(guò)層次分析法得出風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重排序結(jié)果符合實(shí)際情況。限于篇幅，筆者僅針對(duì)這4大風(fēng)險(xiǎn)提出相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施，如表10。

表10 風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)對(duì)措施Table 10 Corresponding risk countermeasures

(續(xù)表10)

風(fēng)險(xiǎn)因素應(yīng)對(duì)措施水體污染風(fēng)險(xiǎn)K52破碎切割設(shè)備風(fēng)險(xiǎn)K23設(shè)計(jì)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)K41①在擬切割構(gòu)件的周?chē)贾梅罀伨W(wǎng),阻止碎塊掉入河中;②原位進(jìn)行大塊切割,運(yùn)至岸邊場(chǎng)地再進(jìn)行破碎;③施工過(guò)程中進(jìn)行水質(zhì)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),如有異常立即停止,并研究解決。①切割和破碎設(shè)備通過(guò)招標(biāo)后由專(zhuān)業(yè)的設(shè)備廠家提供,出廠前對(duì)設(shè)備進(jìn)行保養(yǎng),所有設(shè)備必須出具合格證書(shū)和保養(yǎng)憑證;②正式切割破碎前,先對(duì)整個(gè)切割和破碎過(guò)程進(jìn)行預(yù)演調(diào)試。①聘請(qǐng)第三方咨詢(xún)機(jī)構(gòu),對(duì)拆橋設(shè)計(jì)和計(jì)算文件進(jìn)行復(fù)核、審查;②設(shè)計(jì)單位應(yīng)充分考慮斜拉索錨頭老化造成的無(wú)法完全重現(xiàn)原施工狀態(tài)的問(wèn)題,按照最不利工況進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算,并預(yù)留一定的安全度。

6 結(jié) 論

筆者在總結(jié)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估主要工作內(nèi)容基礎(chǔ)上，提出了一套適用于大跨度斜拉橋拆除項(xiàng)目的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法。該方法核心內(nèi)容包括：① 利用魚(yú)骨圖法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)因素識(shí)別；② 利用層次分析法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重分析；③ 利用模糊綜合評(píng)價(jià)法進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)評(píng)價(jià)。

利用所提出方法，對(duì)某大跨度斜拉橋拆除項(xiàng)目案例進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。構(gòu)建起5個(gè)I級(jí)指標(biāo)、20個(gè)II級(jí)指標(biāo)組成的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別指標(biāo)體系；然后對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重、概率、損失進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。結(jié)果顯示：該項(xiàng)目總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為中級(jí)；最后針對(duì)影響最大的4個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素提出了相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。

筆者提出的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法可對(duì)今后類(lèi)似工程建設(shè)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供參考，具有較好的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。