施 洲 紀 鋒 余萬慶 李 冰

(1西南交通大學土木工程學院, 成都 610031)(2中國鐵路上海局集團有限公司南京鐵路樞紐工程建設指部, 南京 200142)

沉井基礎具有自身剛度大、整體性強、能夠承受巨大的垂直和水平荷載等優(yōu)點,廣泛應用于橋梁工程中[1].目前,橋梁沉井基礎的平面面積隨橋梁跨徑的增大而不斷增加,滬蘇通長江大橋和五峰山長江大橋沉井面積已分別突破5 100和7 200 m2.隨著沉井平面面積的不斷增大,其施工過程的復雜性及施工風險驟增,施工中一旦發(fā)生事故會造成大量經濟損失和不良社會影響.因此,如何針對沉井基礎工程的特點建立合理高效的風險評估體系,成為目前沉井施工過程中亟待解決的現實問題.長期以來,國內外學者不斷對沉井工程中的風險問題開展研究.Abdrabbo等[1]從施工工藝、地質條件等角度對一般工程中的沉井施工風險進行了系統分析.劉沐宇等[2]運用主成分分析法,獲得武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇沉井基礎施工中主要的風險因素,如井底流沙、不均勻開挖等.針對施工過程中風險源隨各類施工控制措施的實施而不斷發(fā)生變化的問題,鄧友生等[3]采用MIDAS-GTS軟件建立了武漢鸚鵡洲長江大橋北錨碇沉井的三維計算模型,模擬了沉井施工變位情況,詳細分析了施工中不同控制對策下的沉井變位風險.彭儀普等[4]結合GPS-RTK信息化實時監(jiān)控和有限元分析方法,模擬了大型沉井定位著床及施工過程風險,對沉井下沉中可能存在的幾何姿態(tài)和不利受力風險開展研究.曹茹接[5]利用有限差分法原理對沉井的施工過程受力風險進行動態(tài)模擬,并對不同控制措施的防護效果進行評估.

在橋梁施工風險評估中,基于貝葉斯網絡風險事故鏈[6]、動態(tài)傳遞鏈模型[7]的動態(tài)風險評估日益發(fā)展.然而,目前針對橋梁大型沉井施工的動態(tài)風險評估工作較少.本文將風險分析與施工監(jiān)測系統相結合,構建了基于監(jiān)測數據的沉井基礎動態(tài)風險評估指標體系,提出了一種基于集對分析理論的動態(tài)風險評估方法,對五峰山長江大橋北錨碇沉井基礎施工階段進行動態(tài)風險評估.

1 沉井施工動態(tài)風險評估指標體系

1.1 風險指標及體系構建

既有的風險評估中,通常先識別與人員、機具、物料相關的風險源,再進行風險等級評估[8-10],對沉井結構風險動態(tài)變化特性的針對性不強.考慮到沉井施工中的實時監(jiān)測系統對施工過程進行了較全面的監(jiān)控,沉井結構應力、變形等監(jiān)測指標同樣能夠指示施工中沉井的風險狀態(tài),因此可替代風險源作為風險評估基本指標.將隨時間不斷變化的各項監(jiān)測數據應用于構建沉井施工動態(tài)風險評估指標時,沉井結構受力、位移參數可直接作為動態(tài)風險評估指標.土壓力指標因基底、井壁土體及開挖不均勻性的影響不便于直接應用,可對其多測點取平均值并換算為基底和井壁的整體土壓力,再根據沉井浮力和自重值換算為下沉系數.下沉系數、沉井刃腳附近泥面標高以及沉井內外水位差即為沉井基礎動態(tài)風險評估指標體系的二級指標.為更好地反映沉井幾何姿態(tài),根據監(jiān)測的沉井幾何位移數據,計算出平面扭轉、中心偏位、四角高差、沉井撓度等指標參數.大型沉井基礎施工中常用的監(jiān)控指標[11-12]及對應的評估指標體系見表1.

表1 沉井施工監(jiān)測內容與評估指標

1.2 風險指標等級評價標準

根據橋梁施工風險評估研究成果,可將風險等級劃分為極低、較低、中等、高、極高的Ⅰ～Ⅴ級風險等級[2].對于極低及較低等級風險,在施工中按正常施工工藝控制;對于中等風險,應采取風險控制措施;對于高等級風險,應停止施工并分析原因,采取措施將風險降至中等及以下等級;對于極高等級風險,應采取專項施工措施控制風險.為建立沉井基礎動態(tài)風險評估指標體系,參考以往的沉井基礎施工監(jiān)控經驗[11-12],制定二級指標的風險等級內容及分級界限值如下:沉井結構應力采用各指標對應的設計應力值σ;沉井幾何姿態(tài)中,針對平面扭轉角度、四角高差、中心偏位、井墻撓度分別采用相應的監(jiān)控限值lc、Δc、ε、γ作為指標;控制參數指標中,刃腳泥面標高、沉井內外水位差的控制限值為h、Δh,下沉系數可基于1.05～1.5的合理范圍劃分.根據工程情況,對上述指標進行評估等級區(qū)間劃分,得到指標體系風險等級劃分表(見表2).表中指標限值區(qū)間可根據實際工程結構特點及實際參數調整.

2 基于集對分析理論的動態(tài)風險評估

2.1 集對分析理論

大型沉井基礎施工中,將基于實時監(jiān)測系統的實測數據與監(jiān)控限值進行對比分析,結合表2中的風險等級劃分,實現初步的風險源等級評估.監(jiān)測數據隨時間不斷變化,將其帶入評估,即可實現動態(tài)評估.然而,沉井施工過程中監(jiān)測參數較多,初步風險評估中基于某一項數據評判的風險等級可能存在一定偏差,且不同類型監(jiān)測參數下的不同風險評估指標結果可能相互矛盾.為此,引入集對分析理論[13],建立基于多類型監(jiān)測參數的評估指標與綜合風險等級之間的聯系數,并將聯系數量化為動態(tài)風險指數m,進而實現更準確的風險等級劃分.

表2 指標體系風險等級劃分

根據表2中指標內容及評估等級結果,設定基于監(jiān)測參數的風險評估指標集合A={σ,lc,ε,Δc,…},指標風險等級劃分集合B={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},將集合A和B組成集對M=(A,B),建立基于多監(jiān)測參數的評估指標與風險等級之間的多元聯系數公式.為與各監(jiān)測指標5級風險等級的劃分相對應,將不同指標監(jiān)測數據量化成統一的無量綱值,采用五元聯系數μ進行評估分析,其表達式為

μ=a+bi+cj+dk+el

(1)

式中,a為同一度;b、c、d為差異度;i、j、k為差異度系數;bi、cj、dk為差異度分量;e為對立度;l為對立度系數;el為對立度分量.當μ=a,bi,cj,dk,el時,表示指標風險分別處于較低、低、中等、較高、極高等級.

2.2 動態(tài)風險評估模型

沉井基礎動態(tài)風險評估中,依據監(jiān)測系統中連續(xù)監(jiān)測的數據,從二級指標、一級指標、總體指標3個層次,逐層計算各級指標五元聯系數公式中的系數a、b、c、d、e.在計算一級指標和總體指標時,引入基于層次分析法的指標體系權重W,以調整評估指標的重要性程度.按照均分原則,確定差異度系數和對立度系數,并計算五元聯系數主值,即可得到動態(tài)風險指數m,根據其所處的風險等級區(qū)間確定風險等級.因此,評估模型主要包括指標權重W計算、五元聯系數計算、動態(tài)風險指數m計算和風險區(qū)間劃分與評估4個部分.

1)指標權重W的計算.考慮到不同沉井監(jiān)測參數指標對風險影響程度的差異,采用層次分析法[13]計算指標權重.即分別計算二級指標、一級指標層次內各指標的權重,并用于后續(xù)一級指標、總體指標層五元聯系數的計算.在各層次指標權重的計算過程中,首先分析同層次內各指標的相對重要性,并建立模糊判斷矩陣A=(aij)n×n,即采用1～9標度法[14]對二級指標中各項內容的重要性進行兩兩比較,并將所有比值按照對應位置向矩陣元素aij賦值,組成n階判斷矩陣A.其次,根據評價矩陣滿足公式AW=λmaxW,求得權重向量W={w1,w2,…,w4}T,其中λmax為最大特征值.最后,根據λmax來檢驗矩陣A是否滿足一致性.當計算隨機一致性比率小于0.1時[14],認為判斷矩陣有效.

2)五元聯系數μ的計算.首先計算二級指標的聯系數,根據施工中某一時刻的沉井基礎指標實測數據,按照表2中的等級劃分區(qū)間,計算式(1)中的a、b、c、d、e.代入不同風險等級區(qū)間的二級指標實測數據,得到五元聯系數計算公式為

(2)

式中,S0～S5分別為二級指標Ⅰ～Ⅴ級風險區(qū)間劃分的界限值;x為實測數據值.當x∈[S0,S1)時,聯系數僅呈現同一性,對應較低風險;當x∈[S1,S2)、[S2,S3)、[S3,S4)、[S4,S5]時,聯系數同一性逐步降低,差異性逐步增大,對應風險等級越來越高;當x>S5時,聯系數呈現完全對立性而無工程意義,故不做考慮.記第t個二級指標的聯系數為μt,同一度為at,差異度為bt、ct、dt,對立度為et,則式(2)可簡化為

μt=at+bti+ctj+dtk+etl

(3)

基于二級指標聯系數計算結果,結合二級指標權重W進行一級指標聯系數的計算.假設第t個二級指標的權重為wt,則一級指標q的聯系數μq的計算公式為

(4)

同樣,基于一級指標聯系數計算結果,結合一級指標權重W,計算總體指標聯系數.

3)各級指標動態(tài)風險指數m的計算.依據監(jiān)測數據結果和權重,得到各級指標聯系數中同一度a、差異度b、c、d和對立度e.為計算五元聯系數主值,需進一步確定聯系數公式中差異度系數i、j、k和對立度系數l.由文獻[13]可知,μ∈[-1,1],參照風險等級劃分方法,采用邊坡穩(wěn)定[13]、煤礦安全[14]等風險評估系統常用的均分原則,將區(qū)間[-1,1]進行 五節(jié)點等分,取各等分點所對應的數值:i=0.5,j=0,k=-0.5,l=-1.0,即完成相關系數取值.代入式(1),可得各級指標動態(tài)風險指數的計算公式為

m=a+0.5b-0.5d-e

(5)

4)風險等級區(qū)間劃分與評估.參照均分原則,將[-1,1]按5個評估區(qū)間等分,建立風險等級評估標準,結果見表3.因評估中未考慮x>S5的極端狀況,故表中未考慮m=-1的情況.

表3 風險等級評估標準

3 動態(tài)風險評估實例

3.1 工程簡介

連鎮(zhèn)鐵路五峰山長江大橋主橋為主跨長1 092 m的鋼桁架懸索橋,承載著四線高速鐵路和八線高速公路.大橋北錨碇采用沉井基礎,長100.7 m,寬72.1 m,高56 m(見圖1).

沉井施工過程中分3次下沉.鑒于該沉井平面面積巨大,達到7 200.0 m2,施工中尚無有效工程經驗可借鑒,施工階段安全風險顯著,風險控制至關重要.沉井實際下沉施工過程中,去除沉井接高施工及就位后穩(wěn)定的非下沉施工時間,沉井下沉施工的總有效工作時間為134 d,其中第1～46天、第47～88天、第89～134天分別為第1、2、3次下沉的有效工作時間.

圖1 沉井基礎結構布置(單位:m)

3.2 風險評估模型

五峰山長江大橋北錨碇沉井基礎施工過程中,采用實時監(jiān)測系統對沉井幾何變形、結構應力、基底土壓力、井內泥面標高等重要參數進行監(jiān)測[11].沉井幾何變位采用GPS+北斗系統實時在線監(jiān)測,并采用人工全站儀監(jiān)測校核;共設置9個幾何測點,分別位于沉井頂面四角、中心以及四周井墻頂面中部.采用振弦式應變計監(jiān)測沉井結構應力,包括對首節(jié)鋼殼、混凝土及其內部普通鋼筋應力的監(jiān)測,其中鋼殼應力測點布置于內部靠近底面位置以及鋼殼外壁,混凝土及鋼筋應力測點布置于鋼殼與混凝土交界處以及第3、4、6、9、10節(jié)頂部.在井墻和隔墻刃腳踏面底部以及各節(jié)井壁側面中部布置土壓力盒,測量井壁和井底的土壓力.此外,采用3D聲納系統和水位傳感器,分別測量刃腳土體埋深值和井內外水位值.通過自動采集箱采集傳感器信號,經由無線網絡將信號傳輸至服務器,進行分析處理,然后將信號發(fā)送到終端服務器,進一步處理得到監(jiān)測所需各類參數.圖2為第3次下沉階段部分幾何變形實測數據.

圖2 幾何姿態(tài)部分實測數據

沉井監(jiān)測數據是否超限等情況能夠直接反映施工安全與否,但無法對沉井施工風險狀態(tài)進行準確、合理、細化評判.為此,需構建基于集對分析理論的沉井基礎施工動態(tài)風險評估模型.模型構建前,根據現場工程的實際監(jiān)控限值(絕對值),劃分指標體系風險等級區(qū)間.各指標的具體限值為:鋼殼、混凝土、鋼筋應力分別為140、14.6、120 MPa;平面扭轉角度lc=80 cm;沉井中心偏位ε=50 cm;沉井四角高差Δc=40 cm;沉井撓度γ=50 mm;刃腳埋深h=200 cm;沉井內外水位差Δh=200 cm.

評估模型分別從二級指標、一級指標、總體指標3個方面來計算指標權重和五元聯系數,求得動態(tài)風險指數,進而得到沉井施工風險等級.具體計算過程如下:

① 指標權重的計算.根據表2中的指標體系,采用層析分析法,逐層計算沉井基礎的二級指標、一級指標、總體指標權重,結果見表4.

表4 風險指標權重

② 二級、一級指標聯系數及動態(tài)風險指數的計算.首先計算二級聯系數,將沉井施工監(jiān)測數據代入式(2)和(5),計算出二級指標的聯系數及聯系數主值.然后,將二級指標聯系數主值和表4中的風險指標權重代入式(4),計算出一級指標聯系數的參數.以出現下沉困難的第94天為例,計算得到的一級指標聯系數參數結果見表5.

表5 一級指標聯系數參數計算結果

③ 總體指標聯系數及動態(tài)風險指數的計算與評估.將二級指標聯系數主值結果以及表4中的風險指標權重代入式(4),計算得到總體指標動態(tài)風險指數.例如,將沉井第94天的一級指標結果代入式(4),計算得到其總體風險的五元聯系數μ=0.236 44+0.075 7i+0.433 78j+0.116 2k+0.137 8l;再根據式(5),計算出總體動態(tài)風險指數m=0.078 3,風險等級為Ⅲ級.

3.3 風險評估結果與分析

沉井下沉施工過程中,基于監(jiān)測參數計算的鋼殼、混凝土應力等10個二級指標動態(tài)風險指數變化曲線見圖3.

(a) 結構應力

(b) 幾何姿態(tài)

(c) 控制參數

由圖3(a)可見,沉井應力3項動態(tài)風險指數曲線在2次接高(第47和89天)時出現波動,說明沉井受力增大,受力不均勻的風險增大,對應著沉井因自重增加而受力更為復雜的風險狀態(tài).第102天時,混凝土應力指數A13降低至-0.47,對應Ⅳ級風險,并持續(xù)至沉井就位,說明沉井混凝土受力復雜且開裂風險較高.然而,鋼殼應力指數A11和鋼筋應力指數A12的曲線相對平穩(wěn),表明結構受力仍是安全的.

由圖3(b)可見,沉井平面扭轉角度指數A21全過程變化平緩且大都大于0.5,表明沉井平面扭轉角度風險小.沉井中心偏位指數A22始終為1,表明沉井基本無中心偏位風險.沉井四角高差指數A23在下沉施工全過程變化顯著,多次低于-0.2甚至接近-1.0,表明施工過程中沉井開挖不均勻,沉井幾何偏位風險大,施工控制困難.沉井撓度指數A24存在波動但大都大于0.6,說明沉井自身變形尚控制在良好狀態(tài).

由圖3(c)可知,第102天前,沉井下沉系數A31、刃腳泥面標高指數A32和內外水位差指數A33稍有波動,其量值均接近1,風險等級較低,亦未發(fā)生涌砂、涌水等風險事件.第102天后,下沉系數指數A31波動顯著,最低下降到-0.85,對應Ⅴ級風險,與沉井混凝土應力指數A13、四角高差指數A23的低值相對應,說明此階段出現了小規(guī)模滯沉、突沉等風險[15].同時,其余風險指數并未處于低值,表明風險在可控范圍內.

下沉期間一級指標動態(tài)風險指數變化曲線見圖4.由圖可見,結構應力指數A1從0.41逐步下降到-0.30,對應風險等級也從Ⅱ級升至Ⅴ級,符合第68天后沉井下沉深度增加且開挖工藝從預留核心土向“大鍋底”轉換時,沉井因底部支撐減少、受力復雜、風險增大的實際情況.幾何姿態(tài)指數A2與沉井四角高差指數A23的曲線波動趨勢一致,風險等級基本保持在可接受的Ⅲ級風險以內.控制參數指數A3與下沉系數指數A31的曲線發(fā)展趨勢類似,且最高達到Ⅴ級風險;究其原因在于,作為重要的影響參數,下沉系數被賦予了較高權重值.由此可見,一級指數更為宏觀地反映二級指數變化情況,并體現關鍵指標的變化趨勢.

圖4 一級指標動態(tài)風險指數變化曲線

總體動態(tài)風險指數變化曲線見圖5.由圖可見,第46天前,總體風險指數穩(wěn)定在0.5以上,處于較低的Ⅰ、Ⅱ級風險.第46～90天時,沉井總體風險雖仍在Ⅱ級風險以內,但曲線波動較前期更為明顯;原因在于,隨著下沉深度的增加,沉井基底土的不均勻性、結構受力與變形更為復雜,施工控制難度增大.第90～129天,曲線波動顯著,最低值為-0.09,對應Ⅲ級風險,反映了沉井出現滯沉、突沉等高風險事件.第130天后,下沉末期引入空氣幕、降水等助沉措施,曲線逐步回升并趨于穩(wěn)定,沉井總體風險降至可接受的Ⅱ級風險.

圖5 總體動態(tài)風險指數變化曲線

基于集對分析理論的沉井動態(tài)風險指數評估計算結果能夠全面、動態(tài)地反映五峰山長江大橋沉井基礎下沉施工中的實際風險情況,為風險評估與控制提供一種新的量化方法.

4 結論

1) 將風險分析與沉井施工監(jiān)測數據相結合,建立動態(tài)風險評估指標體系.引入集對分析理論和層次分析法(AHP),提出了基于五元聯系數的三層次動態(tài)風險評估方法.

2) 沉井二級指標中,第102天混凝土應力指數A13降至-0.47,對應Ⅳ級風險,并持續(xù)至沉井就位,說明沉井混凝土受力復雜且開裂風險較高.下沉系數A31和四角高差A23的低值反映了第102天后出現小規(guī)模滯沉、突沉等風險;其余風險指數并未處于低值,表明風險在可控范圍內.

3) 沉井一級指標中,結構應力指數A1在第68～112天中逐步降至-0.30,對應Ⅳ級風險,反映了混凝土等受力復雜風險增大的實際情況.控制參數指數A3與下沉系數指數A31的曲線發(fā)展趨勢類似，評估為Ⅴ級風險，說明下沉系數為關鍵指標.

4) 總體動態(tài)風險指數在第90天前處于低值,之后指數曲線波動顯著,最低值為-0.09,對應Ⅲ級風險,說明沉井整體處于中等風險狀態(tài).

5) 通過五峰山大橋沉井基礎施工實例,驗證了動態(tài)風險評估模型及其指標體系的可靠性,為橋梁基礎等工程風險動態(tài)評估提供了新的量化方法.