橋梁運營安全風(fēng)險源辨識及預(yù)警指標(biāo)體系研究
——以鄂東長江公路大橋為例

段洪琳,鄒曉芳,楊德元,李美京,陳兵碩,李 佳

(1.招商新智科技有限公司，北京 100073；2.北京工業(yè)大學(xué)，北京 100124 )

0 引言

伴隨著橋梁工程建設(shè)事業(yè)的發(fā)展，橋梁運營中的交通安全問題受到了廣泛關(guān)注.橋梁工程前期設(shè)計和施工缺陷、運營期間道路交通管理的不到位都可能給橋梁運營留下重大的安全風(fēng)險隱患.橋梁作為大型的交通設(shè)施構(gòu)造物，承擔(dān)著社會重要的交通活動，一旦發(fā)生橋梁安全事故，不僅會影響來往車輛的正常通行，還會給社會發(fā)展造成不可預(yù)估的經(jīng)濟損失.因此，研究橋梁運營安全風(fēng)險問題具有重要意義[1-3].

國外關(guān)于橋梁風(fēng)險問題的研究較早，大部分是對橋梁結(jié)構(gòu)進行安全風(fēng)險評估.Bryan[4]評估了橋梁系統(tǒng)遭遇洪水損壞和車輛超載的風(fēng)險，計算出了2種事件分別作用下橋梁結(jié)構(gòu)失效的概率和共同作用下的聯(lián)合概率，為計算橋梁運營安全風(fēng)險事件的概率提出了借鑒.Zheng-bao LEI[5]在對大量橋梁撞擊事故分析基礎(chǔ)上，提出了橋梁防碰撞預(yù)警系統(tǒng)的關(guān)鍵因素，建立了一種新的橋梁主動防碰撞模型.Zhang-Lin GUO[6]提出了包含風(fēng)險識別、分析和解決方案的建設(shè)工程風(fēng)險預(yù)警系統(tǒng)，從而使預(yù)警體系更加完整和規(guī)范.

橋梁風(fēng)險的課題同樣吸引了國內(nèi)學(xué)者的廣泛關(guān)注，主要的研究如下.王詩青[7]針對橋梁風(fēng)險源進行辨識，并對應(yīng)對橋梁風(fēng)險的關(guān)鍵技術(shù)進行了研究.韓成博[8]結(jié)合大量的橋梁事故資料，將橋梁事故原因分成了人、物、環(huán)境和管理4個方面，建立了橋梁施工過程預(yù)警指標(biāo)體系.其中定性指標(biāo)包括結(jié)構(gòu)裂縫情況、掛籃系統(tǒng)和支架系統(tǒng)等，定量指標(biāo)包括內(nèi)力指標(biāo)和變形指標(biāo)等.王小飛[9]對橋梁施工期風(fēng)險進行分析，從人、物、施工技術(shù)、環(huán)境和組織管理安全5個方面建立了橋梁施工安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo).鄒敏威[10]對橋梁施工期事件易發(fā)部位進行了安全風(fēng)險預(yù)警研究，從人、機、料3個方面確定了橋梁工程施工階段的監(jiān)測指標(biāo).劉文濤[11]進行了橋梁施工期的風(fēng)險源辨識和風(fēng)險事件評估，并以此提出控制措施，對橋梁的風(fēng)險管理具有指導(dǎo)意義.

綜上所述，目前多數(shù)研究是針對橋梁建設(shè)期，對橋梁運營安全的風(fēng)險預(yù)警研究則較少.風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系在其他領(lǐng)域的研究取得了廣泛的成果，但關(guān)于橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系才剛剛起步.橋梁風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系有利于實時掌握橋梁上的交通運營狀況，對不安全的交通因素提前預(yù)警，以便及時采取管理措施，提高橋梁運營的安全，橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)研究具有重要意義.

1 橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系構(gòu)建

1.1 構(gòu)建目標(biāo)

科學(xué)準(zhǔn)確的指標(biāo)體系是進行危險點識別和管理的基礎(chǔ).橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系由若干個單方面指標(biāo)組成的有機整體，綜合反映運營水平，幫助找到橋梁運營安全問題的癥結(jié)進行分析和治理，引導(dǎo)橋梁運營期的安全風(fēng)險管理工作實現(xiàn)從被動到主動轉(zhuǎn)變.此外，橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系應(yīng)遵循系統(tǒng)性、科學(xué)性、定性與定量相結(jié)合、穩(wěn)定性與動態(tài)性相結(jié)合等基本原則，全面反映影響橋梁交通運營的各種風(fēng)險.

1.2 構(gòu)建基本流程

橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系的優(yōu)劣直接影響到對橋梁運營評判結(jié)果的準(zhǔn)確性.因此，要求指標(biāo)能準(zhǔn)確全面地包含橋梁運營安全的各風(fēng)險因素，在遵循目標(biāo)的基礎(chǔ)上，梳理、篩選各方面風(fēng)險，通過修正和完善構(gòu)建出科學(xué)合理的指標(biāo)體系.為了能更加嚴(yán)謹(jǐn)有效地識別多方面因素的風(fēng)險指標(biāo)，本文基于風(fēng)險源辨識相關(guān)理論，結(jié)合鄂東長江公路大橋運營期間各方面的背景資料，從風(fēng)險事件梳理的角度，編制出風(fēng)險源清單.基于橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系的構(gòu)建目標(biāo)和原則，結(jié)合橋梁運營特點，從交通事故、橋墩撞擊、惡劣天氣、橋下空間異常、橋梁結(jié)構(gòu)異常和地質(zhì)災(zāi)害6種不同的事件類型方面建立橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系，并對風(fēng)險評價指標(biāo)的選取進行分析，既保證了風(fēng)險因素識別的高效率，又不易產(chǎn)生遺漏.橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系設(shè)計流程如圖1所示.

圖1 橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系設(shè)計流程

2 鄂東長江公路大橋運營安全分析

2.1 鄂東長江公路大橋簡介

鄂東長江公路大橋跨越繁忙的長江主航道，是G45、G50高速在湖北東部的共用過江通道，橋梁總長6.23 km，如圖2所示.橋面設(shè)計為雙向6車道，設(shè)計速度為100 km/h，于2010年9月28日正式通車運營.

圖2 鄂東長江公路大橋走勢圖

2.2 鄂東長江公路大橋運營安全風(fēng)險源辨識

2.2.1 風(fēng)險源的定義

風(fēng)險包括其產(chǎn)生過程的不確定性和造成的不良后果.根據(jù)國內(nèi)外已有的橋梁風(fēng)險相關(guān)研究成果，可認(rèn)為在橋梁運營期內(nèi)出現(xiàn)，對橋梁的運營安全產(chǎn)生危害，并帶來財產(chǎn)損失的風(fēng)險事態(tài)及風(fēng)險損失叫作橋梁運營期風(fēng)險.風(fēng)險源與風(fēng)險密不可分.風(fēng)險源是指風(fēng)險的產(chǎn)生地、發(fā)生地，或是風(fēng)險的構(gòu)成因素[12].帶來風(fēng)險的人、物或事件都可視為風(fēng)險源.

2.2.2 風(fēng)險源辨識

風(fēng)險因素具有特殊性和多樣性.風(fēng)險源辨識可為后續(xù)的風(fēng)險指標(biāo)體系研究提供基礎(chǔ)支撐.本文結(jié)合鄂東長江公路大橋運營期背景資料，采用定量事故統(tǒng)計模型和以往的事件、事故記錄相結(jié)合的方法進行風(fēng)險源辨識，從人、車、路、交通環(huán)境、自然環(huán)境、其他6個要素進行匯總，針對每一類別細分出風(fēng)險源.辨識過程如下[13].

1)確定分析目標(biāo).將鄂東長江公路大橋作為風(fēng)險源評估對象，以運營期的交通安全為目標(biāo).

2)調(diào)查收集資料.收集鄂東長江公路大橋運營期背景資料，包括地理環(huán)境、施工條件、結(jié)構(gòu)形式、車流量和事故信息，深入分析各風(fēng)險因素引發(fā)風(fēng)險事故的頻率和損失.

3)風(fēng)險源普查.結(jié)合鄂東長江公路大橋歷史事故上風(fēng)險源的表現(xiàn)形式，選用定量事故統(tǒng)計模型和以往的事件、事故記錄相結(jié)合的方法，對橋梁運營期間各風(fēng)險進行深入剖析，挖掘各種可能存在的潛在的風(fēng)險因素.

4)風(fēng)險源篩選.各種風(fēng)險因素均可能引發(fā)風(fēng)險事件，而事件的嚴(yán)重程度又有所區(qū)別.排除風(fēng)險事故的概率極小且該風(fēng)險造成的損失輕微的因素；篩選出風(fēng)險事故的概率較大且該風(fēng)險造成的損失很大的因素.最終確定人、車、路、交通環(huán)境、自然環(huán)境、其他6個要素.

5)編制風(fēng)險源清單.基于篩選出的鄂東長江公路大橋運營期主要風(fēng)險因素，考慮到各因素之間的聯(lián)系和區(qū)別，將風(fēng)險源層次化、邏輯化和細致化，得到各風(fēng)險要素的類別，辨識出具體的風(fēng)險源.依據(jù)鄂東長江公路大橋運營期可能遭受的主要風(fēng)險因素及其風(fēng)險源，匯總并編制出風(fēng)險源清單見表1.

3 橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系

3.1 橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)

本文對鄂東長江公路大橋運營情況進行了詳細的調(diào)查統(tǒng)計，采用風(fēng)險源辨識相關(guān)方法，從風(fēng)險事件梳理的角度出發(fā)，對風(fēng)險源要素進行分類，建立了詳細的風(fēng)險源清單.為全面統(tǒng)計、篩選預(yù)警指標(biāo)提供了參考，保證了風(fēng)險因素指標(biāo)識別的高效和全面.采用理論分析法與專家咨詢法二者結(jié)合的方法，針對不同的事件類型篩選出鄂東長江公路大橋運營安全風(fēng)險監(jiān)測指標(biāo)見表2.

表1 鄂東長江公路大橋風(fēng)險源清單

表2 鄂東長江公路大橋運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)

3.2 橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系因素分析

鄂東長江公路大橋運營多發(fā)事件主要有交通事故、橋墩撞擊、惡劣天氣、橋梁結(jié)構(gòu)異常、地質(zhì)災(zāi)害5類.對各類事件的分析如下.

3.2.1 交通事故

交通事故是車輛在道路上因過錯或者意外造成人身傷亡或財產(chǎn)損失的事件.交通事故的發(fā)生概率及嚴(yán)重程度受人員、車輛、道路、環(huán)境4要素的影響[14].據(jù)此，將交通事故類因素劃分為人、車、交通運行、危險品運輸和道路設(shè)施5個層次.駕駛員行為是交通運行系統(tǒng)中最主動、關(guān)鍵的因素.引發(fā)橋梁運營交通事故的駕駛員違法行為主要有疲勞駕駛、醉酒駕駛和違規(guī)上橋.對應(yīng)風(fēng)險指標(biāo)分別為駕駛時長、血液酒精含量和人車蹤跡.橋梁運營風(fēng)險的車輛因素包括車輛故障、超限超載、急加急減速度過大、壓線行駛、頻繁換道和其他不安全行駛行為.交通運行狀態(tài)決定了車輛運行環(huán)境的質(zhì)量.交通量、速度、貨車比例大小密切影響著交通事故率的高低.危險品運輸風(fēng)險主要來自于危險品的泄漏.事故后果與危險品本身性質(zhì)、運輸量、與水距離有關(guān).路面狀況和交通安全設(shè)施是橋梁公路重要的交通環(huán)境[15].交通安全設(shè)施系統(tǒng)包括標(biāo)志、護欄和防眩設(shè)施，這些設(shè)施對于提供交通指引，降低環(huán)境干擾，減輕事故嚴(yán)重程度具有重要作用.

3.2.2 橋墩撞擊

橋墩撞擊是指橋墩受到物體撞擊造成橋梁損毀的事件.水位、水流速度、船的航線軌跡、撞擊力、撞擊角度等是影響橋墩撞擊事故嚴(yán)重程度的重要指標(biāo).橋墩是橋梁的支撐和承重部分，一旦遭遇到破壞，不僅會影響交通運行，甚至還會導(dǎo)致橋梁坍塌，造成巨大的損失.因此在橋梁運營管理中必須對橋墩撞擊的風(fēng)險給予充分的考慮，及時了解橋墩狀態(tài)，發(fā)現(xiàn)橋墩撞擊風(fēng)險并做出管理處置措施，避免對橋梁結(jié)構(gòu)造成破壞.

3.2.3 惡劣天氣

惡劣天氣包括風(fēng)、雨、雪、霧等不良天氣，不僅嚴(yán)重影響交通環(huán)境，而且極易引發(fā)事故.雨雪天氣下，路面濕滑易結(jié)冰，路面摩擦系數(shù)降低，當(dāng)駕駛員采取剎車或者加速等動作時，車輪失去抵抗側(cè)向力的能力，極易出現(xiàn)側(cè)滑甩尾，失去控制.霧天能見度的降低，會導(dǎo)致駕駛員獲取的外界信息減少，反應(yīng)時間大大增加，容易產(chǎn)生疏忽和錯覺.另外，由于橋梁高速公路上的車速快、流量大，車流前端發(fā)生交通事故，后面行駛的車流來不及做出反應(yīng)，極易引發(fā)后車碰撞，形成多車連環(huán)追尾的惡性交通事故.

3.2.4 橋梁結(jié)構(gòu)異常

橋梁結(jié)構(gòu)異常是指由于環(huán)境條件惡劣、養(yǎng)護維修欠缺、結(jié)構(gòu)材料自然老化等因素導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)破壞事件.橋梁結(jié)構(gòu)設(shè)施受內(nèi)外部因素的綜合影響，依據(jù)國內(nèi)外已有研究和鄂東公路長江大橋健康監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)果，把橋梁結(jié)構(gòu)監(jiān)測指標(biāo)分為伸縮縫、剛應(yīng)變、跨中撓度和溫度.橋梁結(jié)構(gòu)安全是橋梁交通正常運營的基礎(chǔ)和支撐，隨著橋梁建設(shè)事業(yè)的快速發(fā)展，如何提高橋梁的結(jié)構(gòu)質(zhì)量已經(jīng)成為亟須關(guān)注的熱點課題.利用風(fēng)險預(yù)警和評估方法解決橋梁結(jié)構(gòu)問題和實施風(fēng)險管理措施提供了參考.

3.2.5 地質(zhì)災(zāi)害

地質(zhì)災(zāi)害是在地質(zhì)動力作用下造成資源、環(huán)境被嚴(yán)重破壞的事件.影響鄂東長江公路大橋運營安全的典型地質(zhì)災(zāi)害主要有坍塌和泥石流.依據(jù)國內(nèi)外已有研究，將路基水毀寬度、水毀路段長度、災(zāi)害影響區(qū)范圍寬度、堆積體掩埋路面寬度作為橋梁運營安全地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險指標(biāo).地質(zhì)災(zāi)害嚴(yán)重影響到橋梁公路上車輛的正常通行，甚至?xí)?dǎo)致交通中斷.及時監(jiān)測地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生及其對橋梁公路交通的影響程度，對提出針對性的治理措施，及時搶修橋梁公路基礎(chǔ)設(shè)施，保障交通運輸?shù)陌踩珪惩ㄊ直匾?

4 結(jié)束語

本文以鄂東長江公路大橋為例，基于風(fēng)險源辨識相關(guān)理論進行風(fēng)險源辨識，從風(fēng)險事件梳理的角度，編制出橋梁運營安全風(fēng)險源清單.基于構(gòu)建橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系的目標(biāo)，結(jié)合橋梁運營特點，針對不同的事件類型，從交通事故、橋墩撞擊、惡劣天氣、橋梁結(jié)構(gòu)異常和地質(zhì)災(zāi)害5個方面建立橋梁運營安全風(fēng)險預(yù)警指標(biāo)體系，并對風(fēng)險評價指標(biāo)的選取進行分析.下一步研究將考慮以實際工程項目案例為基礎(chǔ)，將橋梁運營期預(yù)警、評價的數(shù)學(xué)模型與本指標(biāo)體系相結(jié)合，從而提高安全風(fēng)險預(yù)警、評價的有效性和科學(xué)性，期望為未來橋梁事業(yè)的發(fā)展和橋梁運營管理工作發(fā)揮導(dǎo)向作用.