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        跨海橋隧樞紐人工島施工總體風(fēng)險評估體系研究

        2020-07-24 08:04:38黃曉初
        科技和產(chǎn)業(yè) 2020年7期
        關(guān)鍵詞:人工島總體一致性

        雷 銀, 黃曉初

        (1.上海同是科技股份有限公司 研究咨詢部, 上海 200120; 2.深中通道管理中心 安全環(huán)保部, 廣東 中山 528451)

        隨著經(jīng)濟建設(shè)的不斷發(fā)展,海上資源與空間不斷被開發(fā),海上人工島建設(shè)項目越來越多,其功能主要包括海上油氣開采、跨海交通運輸、島上觀光旅游等。

        由于海上環(huán)境的不確定性,使得人工島的建設(shè)風(fēng)險不容忽視。目前人工島建設(shè)風(fēng)險的研究主要集中在三個方面:一是滿足海上油氣開采功能的人工島建設(shè)風(fēng)險體系的研究,梁紅玉[1]以勝利油田卸油碼頭人工島建設(shè)項目為例,構(gòu)建了卸油碼頭人工島的風(fēng)險識別與評價體系;楊光勝等[2]以渤海灣典型人工島油氣開發(fā)為研究對象,對人工島全生命周期的危險有害因素進行辨識,探索建立人工島風(fēng)險分類分級標(biāo)準(zhǔn);二是以人工島分部分項工程或某個風(fēng)險類別為研究對象進行風(fēng)險與穩(wěn)定性分析,王公伯[3]從工程地質(zhì)條件角度構(gòu)建了海底地質(zhì)構(gòu)造、海床地層巖性、人工島地基承載力和海洋建設(shè)環(huán)境四大風(fēng)險評價指標(biāo),分析了萊州灣西部人工島建設(shè)的穩(wěn)定性;張友棟[4]從關(guān)鍵施工工序角度識別出鋼圓筒施工、鋼圓筒存儲與運輸、斜坡護岸施工以及不可抗力等四項關(guān)鍵工程風(fēng)險源,采用層次分析-模糊綜合評定法對填海造陸工程風(fēng)險進行了評價;王興剛等[5]應(yīng)用風(fēng)險分析技術(shù)探討了人工島海堤工程的建設(shè)和運營風(fēng)險;三是作為交通樞紐的人工島建設(shè)風(fēng)險研究,港珠澳大橋建設(shè)期間,王彥林等[6]定性分析了港珠澳大橋的建設(shè)條件風(fēng)險、結(jié)構(gòu)方案風(fēng)險、施工組織風(fēng)險以及運營管理風(fēng)險,但沒有形成量化指標(biāo)。

        本文針對施工前總體風(fēng)險評估的特定階段,借鑒港口工程建設(shè)特點,從外部環(huán)境和內(nèi)部要素梳理人工島建設(shè)的風(fēng)險因素,從工程復(fù)雜程度、施工環(huán)境、地質(zhì)條件、氣象水文、資料完整性五個方面構(gòu)建人工島施工總體風(fēng)險評估的指標(biāo)體系,結(jié)合分部分項工程研究成果進行指標(biāo)分級,對各指標(biāo)采用線性插值法確定分值,然后構(gòu)建單層次判斷矩陣,計算判斷矩陣的最大特征值和特征向量,以特征向量各分量表示該層次元素的重要性權(quán)重,對最后結(jié)果進行一致性檢驗[7]后,得到人工島的施工總體風(fēng)險評估分數(shù),劃分風(fēng)險等級,以期達到人工島工程定量風(fēng)險評估的目的,為今后類似工程提供可借鑒的依據(jù)。

        1 構(gòu)建指標(biāo)體系

        構(gòu)建風(fēng)險評估指標(biāo)體系遵循科學(xué)性、層次性、全面性、代表性和獨立性等原則。本次人工島工程施工安全總體風(fēng)險評估的指標(biāo)體系從工程復(fù)雜程度、施工環(huán)境、地質(zhì)條件、氣象水文、資料完整性等五大類孕險環(huán)境與致險因子進行構(gòu)建[3],在此基礎(chǔ)上進一步細化評估指標(biāo),盡量做到可量化便于操作。

        工程復(fù)雜程度主要從場區(qū)已有結(jié)構(gòu)保護措施復(fù)雜性、人工島護岸工程建設(shè)總體長度、人工島回填噸級、地基與基礎(chǔ)工程、島上隧道開挖圍護結(jié)構(gòu)、主體結(jié)構(gòu)及防水、附屬設(shè)施、施工技術(shù)復(fù)雜性、施工工藝成熟度、同類項目建設(shè)管理經(jīng)驗、施工組織便利性等方面進行評價。

        施工環(huán)境主要從工程離岸距離、工程水域掩護條件、工程水域水深、工程施工場地周邊妨礙物、水生物保護區(qū)、防臺避風(fēng)錨地等方面進行評價。

        地質(zhì)條件主要從工程所處的不良地質(zhì)與特殊性巖土、新構(gòu)造運動及地震方面進行評價。

        氣象水文條件包括臺(突、季)風(fēng)、浪高、潮差、潮流、霧、冰凍、冰凌、回淤程度等。

        資料完整性主要包括地質(zhì)水文氣象資料的完整性以及勘察設(shè)計資料的完整性。

        具體的風(fēng)險評估指標(biāo)體系見表1。

        表1 人工島工程總體風(fēng)險評估指標(biāo)體系

        續(xù)表1

        續(xù)表1

        2 確定指標(biāo)權(quán)重系數(shù)

        重要性指標(biāo)包括:權(quán)重大、對施工安全風(fēng)險影響不能忽略的指標(biāo),指標(biāo)取值變化對評估結(jié)果影響大的敏感指標(biāo),若干指標(biāo)組合后對風(fēng)險影響大的指標(biāo)等。采用權(quán)重系數(shù)γ對各評估指標(biāo)重要性進行區(qū)分。為盡可能避免人為取值的隨機性波動,采用層次排序法計算權(quán)重,層次排序法大體可分為四個步驟:

        1)建立風(fēng)險評價指標(biāo)的層次結(jié)構(gòu)。

        2)構(gòu)造兩兩判斷矩陣。將評價指標(biāo)進行兩兩比較,采用美國運籌學(xué)家T. L. Saaty教授提出的1-9刻度[8-9]進行標(biāo)注得到判斷矩陣。

        3)由判斷矩陣計算被比較的評估指標(biāo)的相對權(quán)值。

        圖1 層次結(jié)構(gòu)圖

        表2 判斷矩陣表

        4)計算各層次因子的組合權(quán)重。

        ①求判斷矩陣每行所有元素的幾何平均值wi:

        其中,i=1,2,…n,n為判斷矩陣階數(shù)。

        ③計算判斷矩陣的最大特征值λmax:

        式中,A為判斷矩陣;w=(1,2,…,n)T;(AW)i為向量(A·W)的第i個元素。

        ④一致性檢驗。為了考察判斷矩陣對于各元素重要性的對比設(shè)定是否標(biāo)準(zhǔn)一致,需要在各層次排序中進行一致性檢驗。當(dāng)檢驗指標(biāo)CR<0.10時,判斷矩陣才有滿意的一致性,否則需要調(diào)整判斷矩陣,直到檢驗通過。

        式中,CI為判斷矩陣的一般一致性指標(biāo),計算方法為:

        其中,一致性指標(biāo),平均隨機一致性指標(biāo)RI可由表3查得。

        表3 平均隨機一致性指標(biāo)RI取值表

        3 計算總體風(fēng)險值和風(fēng)險等級

        人工島工程施工安全總體風(fēng)險大小計算公式為:

        F=∑Xij(6)

        Xij=Rijγij(7)

        式中,Xij-評估指標(biāo)的分值,Rij-每個評估指標(biāo)的取值,γij-每個評估指標(biāo)的權(quán)重系數(shù)。i=1、2、3、4、5,j=1、2、…n,n為對應(yīng)第i個項別包括的評估指標(biāo)的數(shù)量。

        根據(jù)大量的應(yīng)用實例,風(fēng)險評估結(jié)果分級呈現(xiàn)正態(tài)分布的特點,在大部分港口工程中評估結(jié)論與工程實際相契合[10]?;诖?,構(gòu)建人工島工程的風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)風(fēng)險分數(shù)F值確定人工島施工總體風(fēng)險等級和風(fēng)險管控措施,如表4所示。

        表4 人工島工程施工安全總體風(fēng)險分級標(biāo)準(zhǔn)

        4 深中通道東人工島評估實例

        深圳至中山跨海通道是我國繼港珠澳大橋后又一具有世界影響力的重大交通運輸基礎(chǔ)設(shè)施工程,線路起于深圳市寶安區(qū)廣深沿江高速機場互通立交,向東通過廣深沿江高速支線與機荷高速公路對接,向西以島隧橋集群工程跨越珠江口,在中山市馬鞍島登陸。

        東人工島東西向長930 m,南北向1 136 m,形成陸域面積34.38萬m2,海域使用面積47.63萬m2,北側(cè)為深圳機場,緊鄰深圳福永碼頭布置與沿江高速下方。島上主線隧道855 m,機場互通匝道隧道是為實現(xiàn)深中通道與沿江高速互通、互聯(lián)而設(shè)置,E、F、G、H匝道總長1 839 m。周邊環(huán)境如圖2。

        圖2 深中通道東人工島周邊環(huán)境

        在對具體人工島工程進行總體風(fēng)險評估時,合理選取評估指標(biāo)并對其重要性進行排序。本文根據(jù)深中通道人工島的具體情況,選取具有代表性的11個因素,作為風(fēng)險評估指標(biāo)(見表5)。

        表5 東人工島工程總體風(fēng)險評估分數(shù)取值

        評估指標(biāo)取值首先根據(jù)工程實際情況和指標(biāo)分級情況,確定指標(biāo)所在的分級區(qū)間,然后,根據(jù)工程特征線性插值確定指標(biāo)的分值。在確定指標(biāo)所在的分級區(qū)間時,遵循最不利原則,越不利的情況取值越大。

        根據(jù)MATLAB編程計算結(jié)果,深中通道東人工島工程各指標(biāo)權(quán)重向量:

        γij={0.13,0.10,0.05,0.10,0.10,0.16,0.13,0.06,0.07,0.08,0.02}T;

        最大特征值λmax=11.47;

        一般一致性指標(biāo)CI=0.05;

        一致性比率CR=0.03<0.10,判斷矩陣通過一致性診斷;

        施工總體風(fēng)險評估分數(shù)F=∑Xij=73.51。

        由此確定深中通道東人工島施工總體風(fēng)險評估分數(shù)F=73.51,屬于Ⅳ級風(fēng)險。

        因此,深中通道東人工島按Ⅳ級風(fēng)險制定分級管理措施,包括日常管理、監(jiān)控預(yù)警、全面專項整治以及必要的應(yīng)急準(zhǔn)備,與實際建設(shè)情況一致。

        5 結(jié)論

        1)從工程復(fù)雜程度、地質(zhì)條件、施工環(huán)境、氣象水文、資料完整性五大致險因素構(gòu)建滿足人工島工程施

        工總體風(fēng)險評估指標(biāo)體系,基本涵蓋全方位孕險因素,有利于對風(fēng)險的全方位把控。

        2)將明挖隧道工程按基坑開挖深度劃定分值范圍進行分級,并納入人工島工程總體風(fēng)險評估指標(biāo)體系中,完善了承擔(dān)海上交通運輸功能的人工島工程總體風(fēng)險評估指標(biāo)體系。

        3)基于層次結(jié)構(gòu)的風(fēng)險權(quán)重計算比單純的重要性排序更為客觀,運用MATLAB編程計算結(jié)果經(jīng)過一致性檢驗,顯示出風(fēng)險評估分數(shù)的合理性。

        4)總體風(fēng)險評估結(jié)果代表施工準(zhǔn)備階段評估對象風(fēng)險的整體印象,后續(xù)根據(jù)總體風(fēng)險評估的結(jié)果針對性的做好專項評估工作,完善風(fēng)險管理過程,施工中的風(fēng)險管控根據(jù)施工進度重點關(guān)注當(dāng)前階段風(fēng)險情況,進行動態(tài)跟蹤與決策。

        5)最后借深中通道東人工島工程驗證前文構(gòu)建的用于評估承擔(dān)交通運輸功能的人工島施工風(fēng)險指標(biāo)體系,其結(jié)果表明,該方法具有合理性和可靠性,可為未來類似海上島隧樞紐人工島工程的建設(shè)風(fēng)險總體評估及管理提供參考依據(jù)。

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