王景春，吳雨航，王利軍，劉 偉

(1.石家莊鐵道大學(xué) 土木工程學(xué)院，河北 石家莊 050043;2.中建鐵投路橋有限公司，湖北 武漢 460014)

我國公路建設(shè)規(guī)模不斷擴大，公路路網(wǎng)不斷加密，公路橋施工跨已有線路的情況越來越多。受橋梁自身條件、橋梁下方線路情況等固有條件的制約，跨線公路橋施工過程的風(fēng)險因素更加復(fù)雜多樣，施工風(fēng)險較高[1]。目前，《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險評估指南》(以下簡稱《指南》)對跨線公路橋施工安全風(fēng)險評價指標通常是依靠經(jīng)驗和工程實際狀況選取，尚未形成一套完備的跨線公路橋施工風(fēng)險指標體系。此外，跨線公路橋施工風(fēng)險評價指標的不確定性使得大部分評價方法較難反映其真實性[2]。因此，科學(xué)合理地選取風(fēng)險評價指標和評估方法成為跨線公路橋施工安全風(fēng)險管控的核心和關(guān)鍵。

近年來，許多學(xué)者從不同角度對跨線橋梁施工風(fēng)險展開了研究。王春生等[3]根據(jù)現(xiàn)場施工情況，采用專家打分法確定了跨既有線橋梁施工風(fēng)險；徐亞光等[4]通過數(shù)值模擬，對新建橋梁上部結(jié)構(gòu)施工與既有線運營存在的相互影響進行了安全風(fēng)險分析；陳海南等[5]針對跨既有線橋梁施工風(fēng)險因素復(fù)雜的特點，將BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)引入跨既有線橋梁施工，通過訓(xùn)練學(xué)習(xí)樣本得到施工風(fēng)險等級；田苾等[6]結(jié)合實踐，建立了基于系統(tǒng)動力學(xué)的跨既有線施工管理決策模型。以上研究在一定程度上促進了工程實踐，但很少能同時兼顧評價指標的不確定性，在應(yīng)用推廣上存在一定的局限性。

屬性區(qū)間識別理論能夠用區(qū)間來表示所選因素具有某種屬性的度量程度，能夠?qū)χ笜说牟淮_定性進行評定，有效解決了定性描述的度量問題[7]。而跨線橋公路橋風(fēng)險評估問題可歸納為定性問題的度量，因此，屬性識別理論為解決這一問題提供了理論基礎(chǔ)。該理論已經(jīng)成功應(yīng)用于隧道突涌水[8]、邊坡穩(wěn)定分析[9]、隧道塌方[10]、礦井通風(fēng)[11]等領(lǐng)域，并取得良好的效果?；诖?，將屬性識別理論引入跨線公路橋施工風(fēng)險評估，并運用距離判別思想，引入歐式距離對屬性識別模型中置信度取值主觀性較強的問題進行改進，提出改進的屬性區(qū)間識別模型。

1 改進的屬性綜合評估模型

1.1 單指標屬性測度分析

當tij≤aj1(tij≥aj1),取μij1=1,μij2=…=μijk=0；

當tij≥ajk(tij≤ajk),取μijk=1,μij1=…=μij(k-1)=0；

1.2 C-OWA算子賦權(quán)

Yager[12]提出的有序加權(quán)平均(OWA)算子理論是處理多屬性決策問題的有效方法，其核心思想是對數(shù)據(jù)二次排序，將極大值與極小值分配在影響較小的位置，在一定程度上減輕專家認知差異的影響。使用C-OWA算子對評價指標賦權(quán)，將評分得到的權(quán)重與組合數(shù)結(jié)合，實現(xiàn)指標的科學(xué)賦權(quán)。

使用C-OWA方法計算指標權(quán)重，計算原理如下：

(1)邀請x位專家對評價指標進行打分，分值區(qū)間為[0～10]，分值越高表明指標越重要。設(shè)x位專家的打分值為u={u1,u2,…,ux}，對其進行降序處理并從0開始編號,得v={v0,v1,…,vh,…,vx-1}。

(2)計算vh的權(quán)重

(1)

(3)利用σh+1對專家打分數(shù)據(jù)進行加權(quán)處理，得綜合分值

(2)

(4)計算評價指標的相對權(quán)重

(3)

1.3 多指標綜合屬性測度計算

結(jié)合指標權(quán)重，計算綜合屬性測度區(qū)間

(4)

(5)

引入均化系數(shù)α，計算綜合屬性測度

(6)

式中，α∈(0,1)。

1.4 改進屬性識別分析

根據(jù)置信度準則[13]，對置信度λ(0.5≤λ≤1)計算。

當C1>C2>…Ck，若滿足

(7)

則，評估對象風(fēng)險等級為Ck0。

當C1

(8)

則評估對象風(fēng)險等級為Ck0。

模型中置信度λ的取值為一個區(qū)間，不同的置信度取值可能導(dǎo)致評估結(jié)果不同。為降低置信度人為取值具有較強的主觀性的問題，運用距離判別思想，引入歐式距離對置信度準則進行改進。設(shè)分級空間每個等級Cp的屬性測度C1=(1,0,…,0),C2=(0,1,…,0),…,Ck=(0,0,…,1)，定義dp為綜合屬性測度與分類等級Ck之間的歐式距離，則

(9)

評價對象的分類等級

Cp=mindp(1≤p≤k)

(10)

2 指標體系及等級劃分

2.1 評價指標體系

由于跨線公路橋施工時要同時兼顧施工與橋下方線路兩方面的安全，現(xiàn)場存在諸多不確定因素。目前，針對跨線公路橋施工風(fēng)險評價指標尚未有統(tǒng)一標準。依據(jù)系統(tǒng)性和可操作性原則，參考《指南》、《公路鐵路交叉路段技術(shù)要求》和相關(guān)研究成果[14-15]，最終從橋梁自身條件、橋梁下方線路情況、施工因素、環(huán)境因素4個方面建立跨線公路橋施工風(fēng)險評估指標體系。如圖1所示。

圖1 跨線公路橋施工風(fēng)險評價指標體系

2.2 風(fēng)險等級劃分

根據(jù)《指南》，將跨線公路橋施工風(fēng)險等級劃分為低度風(fēng)險、中度風(fēng)險、高度風(fēng)險、極高風(fēng)險4個等級。針對《指南》中評價指標分級粗略、難以精確表達評價指標屬性的問題，以屬性區(qū)間識別模型的需求為目標，在《指南》的基礎(chǔ)上，對評價指標的分級進行細化。將評價指標以[0,10]進行量化。分級標準及接受準則如表1所示。量化標準見表2。

表1 風(fēng)險等級劃分

表2 評價指標量化標準

3 實例分析

3.1 工程概況

陽左高速立交橋位于國道307、207線陽泉繞城改線工程平定縣石門口鄉(xiāng)南西約1.5 km處，橋第2聯(lián)為預(yù)應(yīng)力混凝土T構(gòu)，跨越既有陽左高速匝道和既有陽左高速，孔跨布置為2～60 m，橋梁線形為直線橋，坡度較小，墩高14.769 m，橋下凈空大于5 m。該橋與陽左高速匝道斜交角為74°，與陽左高速斜交角為88°。施工方法為掛籃懸臂澆筑，在下方高速公路未封閉的條件下施工，對施工要求較高。橋址區(qū)屬于內(nèi)陸高原、暖溫帶季風(fēng)氣候帶的大陸性氣候，夏季盛行東南風(fēng)，髙溫多雨的大陸性季風(fēng)氣候是本區(qū)氣候的主要特征。橋址區(qū)地貌單元屬喀斯特侵蝕、剝蝕低山區(qū)，地形起伏變化較大，橋址區(qū)內(nèi)巖芯較破碎，表面可見少量小型溶孔，但未見溶洞發(fā)育，無滑坡、崩塌、泥石流發(fā)育，場地穩(wěn)定性較好。

3.2 工程概況分析過程

邀請10位專家(5位來自施工單位，2位來自設(shè)計單位，3位來自監(jiān)理單位)，根據(jù)表1中分級標準和表2中指標量化標準對各指標進行量化，量化分值見表3X列。使用C-OWA算子對各指標進行賦權(quán)，對各指標重要程度進行打分，分值區(qū)間為[0,10]，分值越高，表示該指標越重要，專家打分值見表3X′列。根據(jù)分級標準構(gòu)建二級指標的屬性測度函數(shù)，通過專家評分的算術(shù)平均值和單指標屬性測度區(qū)間計算公式，計算得到二級指標的屬性測度區(qū)間。通過式(1)～式(3)計算各指標權(quán)重，從而得到各指標綜合權(quán)重如表4所示。結(jié)合權(quán)重，取均化系數(shù)α=0.5，應(yīng)用式(4)～式(6)和式(9)分別計算橋梁自身條件、橋梁下方線路情況、施工因素及環(huán)境因素4個子系統(tǒng)的綜合屬性測度和歐式距離，進而求得整個施工系統(tǒng)的綜合屬性測度和歐式距離。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)式(10)判別各子系統(tǒng)和施工系統(tǒng)的風(fēng)險等級。計算結(jié)果如表5所示。

表3 評價指標安全性與重要度分值

表4 評價指標權(quán)重

表5 綜合屬性測度與歐式距離

3.3 工程概況結(jié)果分析

根據(jù)式(10)，風(fēng)險等級為歐式距離d1、d2、d3、d4中的最小值，由表5中歐式距離計算結(jié)果可知，橋梁自身條件風(fēng)險等級中d1值最小，因此風(fēng)險等級為 Ⅰ 級，即低度風(fēng)險。同理可得橋梁下方線路情況、施工因素、環(huán)境因素風(fēng)險等級處于Ⅱ級，為中度風(fēng)險。最終計算得陽左大橋施工風(fēng)險綜合評判結(jié)果為Ⅱ級，風(fēng)險可接受。該橋跨度小、線形簡單，自身條件較好，再加上橋下凈空較大，線路不易侵限，對施工干擾小，外部環(huán)境因素也基本上不影響施工，總體施工難度低，風(fēng)險較低。該橋主體結(jié)構(gòu)基本完工，施工過程未發(fā)生Ⅱ級以上風(fēng)險事故，實際風(fēng)險與本評估結(jié)果基本吻合。

4 結(jié)論

(1)針對跨線公路橋梁施工風(fēng)險特點，構(gòu)建了橋梁自身條件、橋梁下方線路情況、施工因素、環(huán)境因素4個一級指標和11個二級指標的風(fēng)險評估指標體系，全面反映跨線公路橋施工風(fēng)險影響因素，并使用C-OWA算子對指標進行賦權(quán)，弱化專家認知差異，使指標權(quán)重更加科學(xué)客觀。

(2)建立了跨線公路橋梁施工安全風(fēng)險評估的屬性區(qū)間識別模型。利用區(qū)間來表示所選因素具有某種屬性的度量程度，實現(xiàn)了對指標的不確定性進行評定，并結(jié)合歐式距離對原屬性識別準則進行優(yōu)化，使判別結(jié)果更加直觀、客觀。

(3)通過對陽左大橋施工風(fēng)險評估,可以看出該橋施工風(fēng)險等級為Ⅱ級，即中度風(fēng)險，風(fēng)險可接受。評估結(jié)果與工程實際基本吻合，驗證了模型的正確性。