基于模糊可拓模型的拼寬橋梁施工安全風(fēng)險評估

陳禮彪，梁乾敏，盧興利

（1.福建省高速公路集團公司，福州350000；2.長安大學(xué)，西安710064；3.中國科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所，武漢430000）

1 引言

隨著高速公路的通行量日益增長，為緩解其通行能力不足等問題，通常對橋梁進(jìn)行改擴建，即對既有橋梁進(jìn)行單側(cè)拼寬或兩側(cè)拼寬。很多拼寬橋梁處于山區(qū)中，拼寬工序復(fù)雜，存在施工難度大、危險性高等特點，因而有必要對拼寬橋梁進(jìn)行有效的施工安全風(fēng)險評估和風(fēng)險控制。

交通部頒發(fā)的《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南》中，采用指標(biāo)體系法建立橋梁工程的總體風(fēng)險評估體系，并采用風(fēng)險矩陣法進(jìn)行專項風(fēng)險評估；薛亞東等【1】指出已有規(guī)范存在缺乏清晰完備的風(fēng)險管理流程以及規(guī)范的風(fēng)險評估指標(biāo)體系等問題，總結(jié)并改進(jìn)了規(guī)范中的風(fēng)險評估過程；陸新鑫等【2】通過引入肯特指數(shù)法，建立基于肯特指數(shù)法的橋梁風(fēng)險評價模型；馬小鋒等【3】在已有規(guī)范的基礎(chǔ)上補充了千米級大跨橋梁的特有風(fēng)險源，并采用指標(biāo)體系法和矩陣法對重大風(fēng)險源進(jìn)行了量化估測。已有研究對規(guī)范做出了較多改進(jìn)，但規(guī)范仍存在明顯不足：（1）未考慮拼寬橋梁工程特有的單位作業(yè)及相應(yīng)風(fēng)險源；（2）規(guī)范及已有文獻(xiàn)所用評估方法不能有效解決矛盾問題和不確定問題，導(dǎo)致評估結(jié)果不夠合理可靠。

本文建立了模糊可拓評價模型，并結(jié)合拼寬橋梁施工特點，構(gòu)建事故可能性和事故嚴(yán)重程度的指標(biāo)體系，再通過風(fēng)險矩陣法對全橋施工風(fēng)險等級進(jìn)行評定，最后以一座拼寬橋梁工程為依托工程進(jìn)行實例分析，驗證了本文方法的合理性及有效性。

2 模糊可拓評價模型

模糊可拓評價是結(jié)合物元理論、可拓集合理論和模糊數(shù)學(xué)，量化待評定因素，再確定各評估指標(biāo)的權(quán)重以及各評估指標(biāo)與評價目標(biāo)間的關(guān)聯(lián)度，進(jìn)而得出全橋風(fēng)險評估等級。模糊可拓評價模型建立過程如下。

2.1 確定經(jīng)典域

物元的經(jīng)典域如式1所示。

式中，Ri為某一具體風(fēng)險事件；Ni為該風(fēng)險事件Wi的風(fēng)險指標(biāo)；ui為第i個指標(biāo)的評價等級；（ani，bni）為相應(yīng)評價等級的取值范圍。

2.2 確定待評物元

待評物元見式（2）：

式中，RT為待評物元；T為待評物元的取值范圍；vi為某一個評估指標(biāo)的具體量值。

2.3 評估指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度求解

各評估指標(biāo)間相互影響，關(guān)于各等級的關(guān)聯(lián)函數(shù)公式見式（3）：

式中，v0ij為第j個評估指標(biāo)在第i個等級下的取值范圍；vip為第i個風(fēng)險指標(biāo)的取值范圍。

2.4 確定評估指標(biāo)權(quán)重

各評估指標(biāo)的權(quán)重可通過熵權(quán)法來確定，某個指標(biāo)的離散程度可用熵值來判斷，判別規(guī)律大致為：指標(biāo)的離散程度越大，由熵權(quán)法確定的評估指標(biāo)權(quán)重就越大。該方法的具體流程如下：

1）判斷矩陣Ri=（rij）m×n（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），其中，r為判斷指標(biāo)，m為評估指標(biāo)等級，n為評估指標(biāo)總個數(shù)。

3）確定指標(biāo)熵權(quán)值見式（4）：

2.5 綜合關(guān)聯(lián)度

根據(jù)評估指標(biāo)的權(quán)重和關(guān)聯(lián)度，可計算出事故的綜合關(guān)聯(lián)度，計算公式見式（5）：

式中，p為研究的風(fēng)險事件。

3 拼寬橋梁施工安全評估指標(biāo)體系

本文收集了大量文獻(xiàn)資料，再以兩側(cè)拼寬的苦竹山大橋作為依托工程，通過現(xiàn)場調(diào)研及專家咨詢等方式，考慮橋梁工程的自然環(huán)境、設(shè)計參數(shù)以及施工過程等因素，并結(jié)合拼寬橋梁工程的特點，建立拼寬橋梁工程的施工安全評估指標(biāo)體系。

3.1 工程概況

苦竹山大橋位于福建省龍巖市新羅區(qū)與上杭縣境內(nèi)。全橋總長332m，主橋為3×35m+4×35m+2×40m的連續(xù)-剛構(gòu)T梁橋，橋梁平面位于半徑R=2 598.5m的左偏圓曲線和直線上。橋梁樁基采用鉆孔灌注樁，橋墩采用柱式墩；橋臺采用板凳臺、柱式臺。橋梁左右幅第八跨上跨既有贛龍鐵路及冶煉廠鐵路專用線。橋位區(qū)屬低山區(qū)坡地間溝谷地貌，地形起伏較大，為U形溝谷。沿線路軸線地面高程為602～635m，最大相對高差為33m，地形起伏較大。苦竹山大橋為既有橋梁雙側(cè)拼寬擴建，兩側(cè)各拼寬8m。

本拼寬橋梁工程的施工安全重大風(fēng)險源主要源于基坑施工、墩柱施工、懸臂施工、主梁拼接作業(yè)以及蓋梁拼接作業(yè)。本文結(jié)合拼寬橋梁的特點，以主梁拼接作業(yè)為例，介紹苦竹山大橋的施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系。

3.2 事故可能性指標(biāo)

事故可能性指標(biāo)等級評定標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

3.3 事故嚴(yán)重程度指標(biāo)

事故嚴(yán)重程度指標(biāo)等級評定標(biāo)準(zhǔn)如表2所示。

表2 事故嚴(yán)重程度指標(biāo)等級評定標(biāo)準(zhǔn)

3.4 風(fēng)險等級評定標(biāo)準(zhǔn)

采用風(fēng)險矩陣法綜合考慮事故可能性和事故嚴(yán)重程度，進(jìn)而確定拼寬橋梁施工安全風(fēng)險等級。風(fēng)險等級分為4級：低度（Ⅰ級）、中度（Ⅱ級）、高度（Ⅲ級）、極高（Ⅳ級）。

4 拼寬橋梁工程施工安全風(fēng)險評估

實際的拼寬橋梁工程施工安全風(fēng)險評估過程，應(yīng)將各評估指標(biāo)分等級量化，再結(jié)合苦竹山大橋拼寬作業(yè)的實際情況進(jìn)行具體量化，進(jìn)而確定各評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)度并計算權(quán)重值，最終確定苦竹山大橋拼寬作業(yè)的風(fēng)險等級。

4.1 評估指標(biāo)量化值確定

先根據(jù)苦竹山大橋拼寬作業(yè)特點，確定事故可能性和事故嚴(yán)重程度的風(fēng)險評估指標(biāo)的量化值等級區(qū)間，再結(jié)合工程實際情況，最終確定各評估指標(biāo)的量化值，如表3和表4所示。

表3 事故可能性評估指標(biāo)量化值

表4 事故嚴(yán)重程度評估指標(biāo)量化值

4.2 評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)度計算

根據(jù)關(guān)聯(lián)函數(shù)公式，計算出各評估指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度，計算結(jié)果如表5和表6所示。

表5 事故可能性評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

表6 事故嚴(yán)重程度評估指標(biāo)關(guān)聯(lián)度

4.3 風(fēng)險等級確定

根據(jù)熵權(quán)法計算公式，再結(jié)合各評估指標(biāo)的關(guān)聯(lián)度計算，可得事故發(fā)生可能性關(guān)于各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度為[-0.149 8-0.069 0-0.162 1-0.480 5]，則事故發(fā)生可能性等級為2級，即屬于偶然發(fā)生；同理，可得事故發(fā)生嚴(yán)重程度關(guān)于各評價等級的綜合關(guān)聯(lián)度為[-0.289 5-0.167 2-0.018 5-0.320 5]，則事故發(fā)生嚴(yán)重程度等級為2級，屬于較大事故。

結(jié)合風(fēng)險矩陣法可得，苦竹山大橋主梁拼接作業(yè)的風(fēng)險等級為Ⅱ級，即中度風(fēng)險，與現(xiàn)場情況基本相符，應(yīng)采取相應(yīng)措施進(jìn)行風(fēng)險控制。

5 結(jié)語

1）在實際工程的風(fēng)險評估過程中，應(yīng)在常用評估指標(biāo)的基礎(chǔ)上，結(jié)合該橋特點（如拼寬橋梁、轉(zhuǎn)體施工橋梁等），增加關(guān)于事故可能性及事故嚴(yán)重程度相應(yīng)的評估指標(biāo)，建立全面完整的拼寬橋梁工程施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系。

2）基于模糊可拓評價模型，建立了拼寬橋梁工程施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系，并采用熵權(quán)法計算評估指標(biāo)權(quán)重，最終得出全橋風(fēng)險等級，與現(xiàn)場情況基本相符，驗證了本文評估方法的合理性及有效性。