基于PCA-云模型跨湖橋梁施工風(fēng)險評價

張?zhí)鞂殻?王雪穎， 班 鵬， 陳 永

(1.中建三局基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)投資有限公司， 武漢 430073； 2.北京科技大學(xué) 土木與資源工程學(xué)院， 北京 100083)

隨著我國公路網(wǎng)不斷密集，橋梁工程數(shù)量高速增長。作為公路工程的咽喉部位，其安全可靠性關(guān)系每一個人的財產(chǎn)生命安全。據(jù)統(tǒng)計國內(nèi)外611座橋梁安全事故中，國內(nèi)橋梁安全事故351起，占57.4%，由施工原因引起的有199例，占比32.7%，造成了大量的人員傷亡和經(jīng)濟損失[1]。橋梁施工風(fēng)險評價有利于橋梁工程的風(fēng)險管理和安全可靠性保障。目前，國內(nèi)學(xué)者運用不同理論方法[2-5]、現(xiàn)場監(jiān)測[6-7]、數(shù)值模擬[8]、BIM技術(shù)[9]等不同方式對橋梁施工風(fēng)險進行分析和評價。以上理論研究針對多雨地區(qū)湖區(qū)橋梁施工相對較少，本文嘗試通過主成分分析結(jié)合云模型理論，從諸多施工風(fēng)險中提取主要影響因素，并綜合評價本工程的風(fēng)險等級，明確施工防護重點，提高現(xiàn)場管理效率，為橋梁現(xiàn)場施工安全管理提供參考。

1 工程背景

該橋梁工程跨越某城市湖區(qū)，包括五座匝道橋和一座收費站廣場。匝道橋主要為現(xiàn)澆梁，收費站廣場采用預(yù)制小箱梁施工。項目施工區(qū)域全部包括在某天然湖區(qū)內(nèi)，湖區(qū)部分填土，部分修建鋼棧橋臨時便道和操作平臺。主要施工工序包括水中鋼板樁圍堰施工、摩擦樁施工、碗口式滿堂支架搭設(shè)、現(xiàn)澆箱梁澆筑施工、架橋機架梁等。據(jù)施工組織總設(shè)計說明，該城市近30年最大年降雨量2 107.1 mm，年均降雨量1 269 mm，70%降水量集中在6～8月，該項目施工工期大部分落在6～8月之間。湖區(qū)第四系上更新統(tǒng)沖洪積層為黏性土、砂土、圓礫土，工程性質(zhì)一般～好，下伏巖層為志留系中統(tǒng)墳頭組 (sir) 泥巖地層，巖石堅硬程度為極軟巖，局部地段因含鈣質(zhì)或硅質(zhì)成分，抗壓強度較高；巖體完整程度為較破碎～較完整，橋梁設(shè)計凈高分布在13～16 m不等。

2 橋梁施工風(fēng)險分析

2.1 橋梁施工風(fēng)險評價體系的建立

橋梁工程體量大、里程長、施工設(shè)備雜多，造成施工環(huán)境復(fù)雜性和風(fēng)險不確定性。不同的施工風(fēng)險因素相互關(guān)聯(lián)和影響，構(gòu)成了復(fù)雜的網(wǎng)絡(luò)循環(huán)結(jié)構(gòu)[10]。除此之外，本工程施工工期緊且地處天然湖區(qū)，施工期間正逢梅雨季節(jié)，為橋梁施工增加更多的風(fēng)險因素，找出影響本工程的關(guān)鍵因素對指導(dǎo)現(xiàn)場施工尤其重要。風(fēng)險識別的方法很多，經(jīng)過比選，本文通過專家調(diào)查法調(diào)查七位有相關(guān)工程經(jīng)驗的項目經(jīng)理以及參考各類文獻[4-5]，從施工質(zhì)量、施工安全、人員健康、環(huán)境破壞、經(jīng)濟和工期六個方面構(gòu)建本工程施工風(fēng)險評價體系，每一方面包括不同的風(fēng)險因素，共計24類風(fēng)險因素，如圖1所示。

2.2 專家調(diào)查分析

對圖1中24個風(fēng)險因素進行評分并應(yīng)用信心指數(shù)法初步計算，得到以下專家風(fēng)險評價表，如表1。其具體風(fēng)險概率計算方法如下：

表1 專家調(diào)查風(fēng)險評價表

設(shè)某專家權(quán)重為γ，信心指數(shù)為θ(1≤θ≤10)，則第i個評價因素的概率或可能性為：

pi=γiθi×10%(1≤i≤26)

(1)

γi=(a+b)/2

(2)

式中：a、b為文獻[11]表2-1風(fēng)險指標(biāo)范圍左右區(qū)間值。

2.3 關(guān)鍵風(fēng)險因素的提取

由以上分析可知本橋梁施工過程是一個多指標(biāo)、多屬性的復(fù)雜問題，為了便于施工管理和針對性防護，有必要找出影響本工程施工的主要風(fēng)險因素。主成分分析法能夠?qū)⒍嘀赜成浠旌嫌绊懴碌亩嘣蛩赝ㄟ^降維處理轉(zhuǎn)化成少數(shù)幾個關(guān)鍵指標(biāo)，取特征值大于1，通過Matlab計算得到以下六個主要成分，如表2[12]。

表2 主成分分析計算表

為了直觀對比六個影響因素的相對重要程度以更好地指導(dǎo)現(xiàn)場施工管理，將表2轉(zhuǎn)化成施工風(fēng)險雷達圖，如圖2?？梢远ㄐ钥闯鲲L(fēng)險相對大小：湖區(qū)架梁施工風(fēng)險>樁基施工質(zhì)量風(fēng)險>支架坍塌>高處作業(yè)>鋼板樁失穩(wěn)>惡劣天氣，前四個因素貢獻率已累計超過85%，說明前四個風(fēng)險因素是重中之重。以上風(fēng)險因素均涉及到大型機械施工以及高處作業(yè)，由于架梁施工涉及大型機械和高處作業(yè)施工兩個危險因素，因此其危險程度最大。

圖2 施工風(fēng)險因素雷達圖

3 橋梁施工PCA-正態(tài)云模型及評價

3.1 云模型理論

云模型理論。云模型能夠通過特定的映射關(guān)系，處理定性與定量描述的不確定性轉(zhuǎn)換模型。云模型有三個數(shù)字特征：期望Ex、熵En以及超熵He。具體計算公式如式(3)-(5)[13]：

Ex=(cmin+cmax)/2

(3)

En=cmax-cmin/6

(4)

He=k

(5)

式中：Cmax和Cmin分別表示某一等級標(biāo)準(zhǔn)的最大與最小邊界值，若缺少邊界值，可根據(jù)實際隱含條件取邊界極值；k為常數(shù)，一般取值0.1或者0.01，本文取0.01。

3.2 評價指標(biāo)的建立

選取架梁施工風(fēng)險、樁基施工質(zhì)量風(fēng)險、支架坍塌風(fēng)險、人員高處作業(yè)風(fēng)險、惡劣氣候條件6個關(guān)鍵因素進行分析。架梁施工最重要的是架橋機械以及專業(yè)人員的操作，架橋機的安全可靠性關(guān)系架梁的安全，機械的“價值量”以機械折舊費用表示，表示機械折舊費用的重要指標(biāo)就是機械累計工作臺班量，因此以機械累計工作臺班量Q以及安全培訓(xùn)平均分值G來表示架梁施工風(fēng)險；由于本工程樁基采用摩擦樁，以鉆孔樁樁側(cè)土摩阻力平均標(biāo)準(zhǔn)值qik(不考慮負摩阻力)來表示樁基施工質(zhì)量風(fēng)險；支架搭設(shè)完成需要經(jīng)過“三自”檢查，檢查后需整改的數(shù)量體現(xiàn)了支架搭設(shè)的質(zhì)量，以平均單跨橋梁支架整改數(shù)量N來表示支架坍塌風(fēng)險；高處作業(yè)風(fēng)險與作業(yè)高度有直接的關(guān)系，以作業(yè)高度H表征人員高處作業(yè)風(fēng)險；正常條件下，施工期間降雨概率較大并影響工期，以平均每月降雨量超過小雨的天數(shù)T表示惡劣氣候條件。鋼板樁施工與樁基施工相關(guān)，同用摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值表示。根據(jù)施工相關(guān)統(tǒng)計數(shù)據(jù)以及參照文獻[3]和[14]-[15]得到以下分級區(qū)間以及云模型圖,如表3和圖3。

表3 本工程危險性指標(biāo)區(qū)間分級表

圖3 各評價因子隸屬于風(fēng)險級別的云模型

3.3 風(fēng)險因子權(quán)重確定

以各因素的貢獻率比值作為各因素的權(quán)值，設(shè)第i個因素貢獻率為Ti(i=1,2,3…n),則第i個因素的權(quán)值為：

(6)

由表2得到架梁施工風(fēng)險、樁基施工質(zhì)量風(fēng)險、支架坍塌風(fēng)險、人員高處作業(yè)、鋼板樁失穩(wěn)風(fēng)險、惡劣氣候條件貢獻率分別為：0.324 2、0.232 6、0.185 4、0.111 0、0.090 2、0.056 4，本文計算中累計臺班量和安全培訓(xùn)權(quán)值相等，分別為0.162 1。鋼板樁失穩(wěn)風(fēng)險累加到樁基施工風(fēng)險，鉆孔樁樁側(cè)土摩阻力平均標(biāo)準(zhǔn)值權(quán)值為0.322 8；整改點數(shù)量權(quán)值為0.185 4；高處作業(yè)權(quán)值為0.111 0；降雨天數(shù)權(quán)值為0.056 4。

3.4 綜合確定度計算

綜合確定度反映了綜合各評價指標(biāo)之后的施工風(fēng)險大小。綜合確定度越大表示對應(yīng)的風(fēng)險越大。其計算方法如式(7)：

(7)

式中：μ(x)為各指標(biāo)隸屬度；ωj為評價指標(biāo)的權(quán)值。

3.5 評價流程

通過收集影響橋梁施工風(fēng)險的各種因素，按照一定的邏輯關(guān)系構(gòu)建評價體系，運用主成分分析提取貢獻率大的作為關(guān)鍵因素，并將貢獻率比值作為各指標(biāo)的權(quán)重。對各評價指標(biāo)風(fēng)險分級，引用云模型理論得到各指標(biāo)隸屬度關(guān)系，最后計算綜合確定度并得到橋梁施工風(fēng)險等級。具體評價模型如下圖4所示。

4 案例分析

結(jié)合本工程，根據(jù)統(tǒng)計機械使用臺班記錄表，本工程架梁機械累計臺班使用量為598臺班；由地質(zhì)勘查報告可得鉆孔樁樁側(cè)土摩阻力平均標(biāo)準(zhǔn)值為82.45 MPa；平均單跨橋梁支架整改數(shù)量參照施工隊伍整體素質(zhì)，本工程取3處；降雨天數(shù)取前5年4-8月平均值，經(jīng)計算平均為4天；施工隊伍安全培訓(xùn)平均得分為86分；凈空根據(jù)設(shè)計圖紙取12 m。根據(jù)云模型計算可得到以下各級風(fēng)險隸屬度值，如表4。

圖4 橋梁施工風(fēng)險評價流程

表4 各級風(fēng)險隸屬度值

根據(jù)式(3)和權(quán)重(W1，W2，W3，W4，W5，W6)=(0.1621，0.3228，0.1854，0.1110，0.0564，0.1621)計算得到綜合確定度為(U(Ⅰ)，U(Ⅱ)，U(Ⅲ)，U(Ⅳ)，U(Ⅴ))=(0.0000，0.2531，0.0672，0.0000，0.0000)可以發(fā)現(xiàn)U(Ⅱ)最大，由此可以判別為Ⅱ級風(fēng)險。在施工期間將六個因素作為重點預(yù)警對象，施工期間共發(fā)生一般事故1起，暴露總?cè)藬?shù)為178人，安全事故發(fā)生率為0.005 6，死亡人數(shù)(率)為0(0%)，根據(jù)文獻[16]，該工程處于個人風(fēng)險可接受水平，與本工程二級風(fēng)險(可接受)等級保持較好的一致性。

5 結(jié)論

1)采用專家調(diào)查法調(diào)查七名有相關(guān)經(jīng)驗的項目經(jīng)理并結(jié)合施工自然地理環(huán)境，得到了本橋梁工程施工風(fēng)險評價體系，通過主成分分析提取出本工程最主要六個施工影響因素：架梁施工風(fēng)險、樁基施工質(zhì)量風(fēng)險、支架坍塌風(fēng)險、人員高處作業(yè)、鋼板樁失穩(wěn)風(fēng)險、惡劣氣候條件，同時得到了橋梁施工風(fēng)險雷達圖，明確指出前四個風(fēng)險因素是施工風(fēng)險預(yù)防的重中之重，為施工風(fēng)險管理指明了重點預(yù)防的方向。

2)選取機械工作臺班累計量Q、樁側(cè)摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值qik、整改點數(shù)量N、凈空高度H、降雨天數(shù)T以及安全培訓(xùn)平均得分G六個指標(biāo)，引入云模型并結(jié)合主成分分析，事前評估該工程施工風(fēng)險等級為Ⅱ級，屬于中等風(fēng)險，處于可接受風(fēng)險范圍，與實際情況和相關(guān)文獻研究保持一致，證明該方法是可行的。同時需重視關(guān)鍵風(fēng)險因素并實施針對性的預(yù)防措施，降低施工安全風(fēng)險。