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        石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險評估及管控*

        2020-12-07 08:52:40張藝劉輝劉昶劉耀坤
        公路與汽運 2020年6期
        關(guān)鍵詞:湘江大橋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)

        張藝, 劉輝, 劉昶, 劉耀坤

        (1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院, 湖南 長沙 410114;2.湖南理工學(xué)院 南湖學(xué)院, 湖南 岳陽 414000)

        近年來橋梁安全事故頻發(fā),其中施工期間的安全事故占比最高,加強施工期間橋梁建設(shè)風(fēng)險評估,將風(fēng)險防范的關(guān)口前移尤為重要。已有許多學(xué)者對橋梁建設(shè)期間的風(fēng)險評估進行了研究,如施洲等研究了高速公路鐵路兩用橋梁的施工風(fēng)險因素;黎立新等比選了山區(qū)橋梁建設(shè)采用的受力構(gòu)件類型,總結(jié)了山區(qū)橋梁設(shè)計安全理念;王飛球等開展了跨既有線高速鐵路橋梁的施工安全風(fēng)險評估。橋梁風(fēng)險評估方法也趨于多樣化、復(fù)雜化、綜合化,對橋梁各結(jié)構(gòu)的風(fēng)險評估趨于精細(xì)化、具體化。康俊濤等采用K-means聚類分析、貝斯網(wǎng)絡(luò)分析法對武漢某斜拉橋上部結(jié)構(gòu)開展了風(fēng)險評估;梁曉飛等使用Delphi法、AHP(層次分析法)及可信性測度法對某跨江橋梁基礎(chǔ)開展了風(fēng)險評估;王可意等采用AHP-DEA法對東洋河大橋樁基礎(chǔ)開展了風(fēng)險評估。考慮到橋梁水下施工復(fù)雜,風(fēng)險因素多,權(quán)重優(yōu)化尤為重要,上述評價方法很少體現(xiàn)在優(yōu)化權(quán)重方面,而模糊數(shù)學(xué)綜合判斷法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評價方法能實現(xiàn)權(quán)重優(yōu)化,弱化人為因素。該文借助模糊數(shù)學(xué)綜合評判及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對橋梁水下施工安全風(fēng)險進行評價。

        1 施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系

        依照傳統(tǒng)的施工安全風(fēng)險分類,從人員、機具設(shè)備、管理、環(huán)境、施工技術(shù)5個維度劃分風(fēng)險類型。為探討水下施工風(fēng)險因素,基于專家調(diào)查法及文獻查閱法,構(gòu)建兩級指標(biāo)體系,其中一級指標(biāo)包括人員風(fēng)險、安全管理風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、材料設(shè)備風(fēng)險、施工技術(shù)風(fēng)險5個風(fēng)險指標(biāo),二級指標(biāo)包括人員基礎(chǔ)素質(zhì)等19個風(fēng)險指標(biāo)(見表1)。

        表1 橋梁水下施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系

        續(xù)表1

        注:CI為一致性檢驗指標(biāo);CR為一致性比率。

        2 施工風(fēng)險評估模型的建立

        2.1 基于 AHP 的評價指標(biāo)權(quán)重確定

        為定性與定量分析橋梁水下施工過程的安全風(fēng)險,采用經(jīng)典的AHP法,依照9標(biāo)度的AHP要素比較標(biāo)準(zhǔn)構(gòu)造矩陣A,得:

        (1)

        對矩陣A進行一致性檢驗,結(jié)果見表1。CR<0.1,矩陣A滿足一致性要求。

        2.2 模糊綜合評價模型的構(gòu)建與分析

        多級模糊綜合評價模型可反映評價對象的層次性及各層次因素的權(quán)重,避免因素過多造成難以分配權(quán)重。步驟如下:

        R,得到:

        Bi=Ai°Ri=(Bi1,Bi2,…,Bin)(i=1,2,…,p)

        (2)

        (4) 經(jīng)過模糊合成運算,得二級綜合評價結(jié)果如下:

        (3)

        2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評價模型的建立及訓(xùn)練

        2.3.1 風(fēng)險評價等級的確定

        鑒于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有容錯能力強、計算快、圖像簡單易懂等優(yōu)點,采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為橋梁建設(shè)風(fēng)險評估模型。參照相關(guān)規(guī)范和文獻[11]、[12]及專家問卷調(diào)查結(jié)果構(gòu)建統(tǒng)一的橋梁水下施工安全指標(biāo)體系分類標(biāo)準(zhǔn)參考值,作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訓(xùn)練及檢驗的基礎(chǔ)。將表1中施工風(fēng)險因素細(xì)化后,得到更具體的特征描述及相關(guān)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)或參考值(見表2,因篇幅有限,表格中只列舉部分內(nèi)容)。

        表2 指標(biāo)體系分類標(biāo)準(zhǔn)參考值

        續(xù)表2

        采用模糊數(shù)學(xué)法,依照表2中的參考值,得出風(fēng)險等級的分級區(qū)間(見表3)。

        2.3.2 數(shù)據(jù)來源及訓(xùn)練成果分析

        采用19-6-4-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),訓(xùn)練函數(shù)為Traingd,訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為1 000次,學(xué)習(xí)速率為0.002,目標(biāo)誤差為0.000 1。結(jié)合表2中評價指標(biāo)的標(biāo)準(zhǔn)參考值,為加大訓(xùn)練數(shù)據(jù)量,采用線性內(nèi)插的方式生成21組數(shù)據(jù)作為輸入,并按下式進行歸一化:

        (4)

        式中:xi為變量的值;xmin和xmax分別為變量的最小值、最大值。

        表3 風(fēng)險等級的分級區(qū)間

        將對應(yīng)的評價結(jié)果作為期望輸出數(shù)據(jù)。在訓(xùn)練151次后,達到最優(yōu)效果(見圖1、圖2)。從圖2可以看出:訓(xùn)練及檢測效果良好。

        3 石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險評估

        3.1 工程概況

        常祁(常寧—祁東)高速公路石潭湘江特大橋橫跨湘江河道,位于祁東與常寧交界的湘江河段,泉州渡口上游 634 m 處。橋軸線與湘江河道正交,水流方向與橋軸法線的夾角小于5°,橋區(qū)河段水深條件良好,河床穩(wěn)定。主橋跨徑組合為(67+3×110+67) m,橋墩支點處梁高為6.9 m。梁底板底面曲線及底板頂面曲線均按照二次拋物線變化。主橋橋墩采用柱式墩,主墩樁基采用單排樁基礎(chǔ),樁基均按嵌巖樁設(shè)計并進入微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。

        圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練均方差誤差曲線

        圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本回歸曲線

        該橋為常祁高速公路控制性工程,使用“四新”技術(shù)較多,綜合創(chuàng)新性強,施工期經(jīng)歷兩個汛期(每年6—10月)。該段航道為Ⅲ級,施工期間常有船舶過往,各種復(fù)雜因素造成施工安全風(fēng)險不易掌控,需開展橋梁水下施工風(fēng)險評估,以防止事故發(fā)生。

        3.2 基于AHP法的模糊綜合評價

        對該橋水下施工風(fēng)險進行評價,采用專家調(diào)查問卷的方法確定各風(fēng)險因素的隸屬度。施工過程中涉及的一、二級風(fēng)險指標(biāo)評定及一致性檢驗結(jié)果見表1,均滿足一致性要求。專家成員主要由項目部經(jīng)理、項目總工、高校教授、工程安全部人員、施工管理人員組成。10位專家對評價指標(biāo)中每個因素打分評價,各影響因素的隸屬度=每個評價等級的專家數(shù)/10,結(jié)果見表4。

        表4 石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險各因素專家評價結(jié)果

        由表4得石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險評價矩陣,其中人員風(fēng)險評價矩陣如下:

        由表1可知人員風(fēng)險各指標(biāo)的權(quán)重如下:

        A1=(0.277 2,0.160 1,0.461 3,0.095 4,0)

        人員風(fēng)險的模糊評價矩陣為:

        B1=A1°R1=(0.108 9,0.268 1,0.443 7,

        0.127 1,0.046 1)

        同理,得:

        B2=(0.166 9,0.166 9,0.405 9,0.207 7,0.059 9)

        B3=(0.263 1,0.231 0,0.321 5,0.100 0,0.084 5)

        B4=(0.172 8,0.191 2,0.384 3,0.151 7,0.100 0)

        B5=(0.186 3,0.213 7,0.375 0,0.287 5,0.062 5)

        由B1、B2、B3、B4、B5構(gòu)成評價矩陣R:

        R=

        由表1可知水下施工風(fēng)險各指標(biāo)的權(quán)重為:

        A=(0.120 9, 0.073 8, 0.214 7,0.214 7, 0.376 0)

        水下施工風(fēng)險的模糊評價矩陣為:

        B=A°R=(0.189 1, 0.204 0,0.378 3,

        0.189 0, 0.0731)

        依照評價等級劃分原則,橋梁施工風(fēng)險評價各等級的分值見表5。

        表5 風(fēng)險等級劃分

        風(fēng)險評價總得分為:

        F=B×ST=0.189 0×85+0.204 0×70+

        0.378 3×60+0.189 0×50+0.073 1×

        30=64.686

        對照表3,石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險等級屬于Ⅲ級,為一般風(fēng)險。

        3.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險評價

        為驗證基于AHP法的模糊綜合評價結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性,運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型開展該橋施工安全風(fēng)險評價。通過查閱該橋地址資料、設(shè)計文件、施工組織設(shè)計及安全管理文件,得到相關(guān)定量指標(biāo)數(shù)據(jù),邀請項目參與者中的專家、管理人員進行評分,結(jié)果見表6。

        表6 石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險評價指標(biāo)得分統(tǒng)計

        將得到的數(shù)據(jù)向量歸一化后輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型中,運行后得到石潭湘江特大橋施工風(fēng)險評價輸出值為66.373 8,與模糊綜合評價的誤差為2.61%。

        4 水下施工主要安全風(fēng)險特點及防范建議

        4.1 主要風(fēng)險

        橋梁水下施工過程具有不可見的特點,施工完畢也不能開挖驗收,任何環(huán)節(jié)出錯都伴隨著一定的經(jīng)濟損失及工期延誤。石潭湘江特大橋水下施工中的主要安全風(fēng)險在于水面交通的布設(shè)規(guī)劃、汛期施工時采用的安全防范措施及施工人員所處水面環(huán)境的不斷變化,易造成溺水、物體打擊、觸電等風(fēng)險。

        橋梁水下施工的風(fēng)險包括:1) 各級別航道在施工過程不能完全禁航,施工船只來往運輸物料過程中會加大碰撞風(fēng)險;2) 大型橋梁施工時間長,難以避開汛期,搶險救治洪災(zāi)的風(fēng)險上升;3) 人員處于水上,個人防護措施難以保證到位,溺水、觸電等風(fēng)險陡升;4) 其他如施工技術(shù)、管理、材料、人員造成的風(fēng)險與一般性橋梁架設(shè)期間的風(fēng)險類似。

        4.2 安全防范建議

        (1) 加強班組級別的三級教育,特別是特種設(shè)備施工人員務(wù)必持證上崗,從源頭上杜絕人員的操作性失誤導(dǎo)致的風(fēng)險。

        (2) 開展水上應(yīng)急演練,培養(yǎng)工人的“四不傷害”(不傷害自己、不傷害他人、不被他人傷害、保護他人不受傷害)意識。

        (3) 嚴(yán)防因材料質(zhì)量原因、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原因?qū)е碌氖┕べ|(zhì)量安全問題。

        (4) 經(jīng)常性開展安全隱患排查,將發(fā)現(xiàn)的安全隱患及時處理,并定期進行安全隱患分析。

        5 結(jié)語

        在已有橋梁風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上,采用文獻總結(jié)與專家調(diào)查問卷的方法,設(shè)計了橋梁水下施工風(fēng)險評價指標(biāo)體系,將基于AHP法的模糊數(shù)學(xué)綜合評價與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價相結(jié)合構(gòu)建橋梁水下施工風(fēng)險模型,對石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險開展評估,得出該橋水下施工風(fēng)險為一般風(fēng)險。

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