石學(xué)坤,崔鳳坤,袁 航,李賢鋒,張方敏

(1.中鐵十局集團(tuán)青島工程有限公司,山東 青島 266600;2.山東交通學(xué)院,山東 濟(jì)南 250357)

0 引 言

隨著我國鐵路項(xiàng)目建設(shè)的不斷增加,建設(shè)跨越既有路線橋梁的數(shù)量也隨之增加。為降低橋梁施工對(duì)既有線路營運(yùn)的影響,頂推施工法在新建橋梁跨越既有線方面得到了廣泛應(yīng)用。相較于傳統(tǒng)橋梁施工方式,頂推施工法是將橋梁在側(cè)位拼裝完成后,利用步履式千斤頂頂推至設(shè)計(jì)位置。采用頂推施工法不僅可以加快施工速度,而且能夠有效減少橋梁施工對(duì)既有線路運(yùn)營的影響。然而,頂推施工存在較多的并行環(huán)節(jié),尤其是曲線橋梁頂推施工時(shí),由于存在橋梁的頂推和糾偏等關(guān)鍵環(huán)節(jié),使得施工風(fēng)險(xiǎn)控制難度大大增加。

國內(nèi)外學(xué)者針對(duì)橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了一定的研究。其中王春生[1]結(jié)合專家調(diào)查法對(duì)大西客專聯(lián)絡(luò)左線特大橋施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了分析,并根據(jù)分析結(jié)果采取了風(fēng)險(xiǎn)控制措施;阮欣等[2]基于九堡大橋提出了橋梁施工動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方法,建立動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估和管理體系,對(duì)復(fù)雜橋梁施工中存在的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估進(jìn)行了系統(tǒng)說明;李濤等[3]對(duì)大跨自錨式懸索橋施工中存在的各種風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行了識(shí)別,并采取了防范風(fēng)險(xiǎn)的具體措施,研究發(fā)現(xiàn)制定的風(fēng)險(xiǎn)措施將施工風(fēng)險(xiǎn)降低到安全范圍內(nèi);李海文等[4]提出了基于動(dòng)態(tài)權(quán)重-二維云模型的橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型,并利用該模型對(duì)藏木雅魯藏布江特大橋進(jìn)行了風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,為青藏地區(qū)橋梁施工中的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估提供了新方法。

以“鄭濟(jì)鐵路ZJTLSG-1標(biāo)跨京滬高鐵特大橋”工程為依托,充分考慮耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工工藝和特點(diǎn),利用三角模糊數(shù)理論和熵權(quán)理論對(duì)橋梁施工全過程中的各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行權(quán)重計(jì)算,并且通過模糊綜合評(píng)判理論對(duì)耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估,充分融合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估中的主客觀因素。

1 施工風(fēng)險(xiǎn)判定方法

為了對(duì)耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工全過程中的重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行準(zhǔn)確識(shí)別,采用三角模糊數(shù)理論、熵權(quán)理論以及模糊綜合評(píng)判理論對(duì)施工全過程的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行識(shí)別,并對(duì)識(shí)別的風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行定量分析,構(gòu)建跨線橋梁風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別及判定的方法。

1.1 風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別

針對(duì)風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量研究,并總結(jié)出多種風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法及理論。因風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別項(xiàng)目的范圍和特點(diǎn)不同,國內(nèi)外學(xué)者提出的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別方法也有一定的差別。根據(jù)本項(xiàng)目的耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工工序及特點(diǎn),對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行分析,將各風(fēng)險(xiǎn)因素按等級(jí)進(jìn)行劃分。

1.2 風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重計(jì)算

(1)三角模糊數(shù)法。

為評(píng)估耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工中存在的重大風(fēng)險(xiǎn)源,利用三角模糊數(shù)法對(duì)已識(shí)別出的重大風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行評(píng)判。經(jīng)專家經(jīng)驗(yàn)評(píng)判后,再利用三角模糊數(shù)法對(duì)施工中相同等級(jí)的風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行排序,解決了傳統(tǒng)定性評(píng)價(jià)分析方法的局限性[5-7]。

模糊數(shù)M屬于模糊數(shù)集U,其中模糊數(shù)集U中的任意值x均屬于[0,1]范圍,記三角模糊數(shù)的隸屬函數(shù)為U(a,b,c),即

(1)

式中:a≤b≤c,且a=b-α、c=b+β。

為了使專家評(píng)判結(jié)果與三角模糊數(shù)法建立相關(guān)性關(guān)系,并進(jìn)行準(zhǔn)確分析。根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)給出專家評(píng)判變量為很高(VH)、高(H)、中(M)、低(L)、很低(VL),因此專家評(píng)判變量與三角模糊數(shù)之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表1。

表1 專家評(píng)判變量與三角模糊數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系

在模糊排序中,首先需要對(duì)各個(gè)相同級(jí)別的風(fēng)險(xiǎn)源依次進(jìn)行相對(duì)性比較,即風(fēng)險(xiǎn)源1(ni)和風(fēng)險(xiǎn)源2(nj)對(duì)比,其中風(fēng)險(xiǎn)源1(ni)的得分表示為Uij;風(fēng)險(xiǎn)源2(nj)的得分表示為Uji,采用三角模糊數(shù)表示為Uij=(aij,bij,cij)、Uji=(aji,bji,cji),而且Uij為風(fēng)險(xiǎn)源1(ni)相對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)源2(nj)的相對(duì)屬性判斷值,Uji為風(fēng)險(xiǎn)源2(nj)相對(duì)于風(fēng)險(xiǎn)源1(ni)的相對(duì)屬性判斷值。

根據(jù)三角模糊數(shù)的運(yùn)算規(guī)則,可以得到模糊相對(duì)屬性權(quán)重,通過將計(jì)算后得到的三角模糊數(shù)進(jìn)行清晰化處理,進(jìn)而可以對(duì)各種風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行排序評(píng)估,計(jì)算過程如下。

首先計(jì)算各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的得分,即

(2)

計(jì)算相同級(jí)別的所有風(fēng)險(xiǎn)源得分總和,即

(3)

(4)

進(jìn)而得到模糊相對(duì)權(quán)重向量ω=(ωU1,ωU2,ωU3)。

為了方便對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行排序,需對(duì)得到的模糊相對(duì)權(quán)重向量進(jìn)行清晰化處理,即

(5)

(2)熵權(quán)法。

根據(jù)耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工工序以及風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn),為避免評(píng)價(jià)人員的主觀性對(duì)風(fēng)險(xiǎn)因素產(chǎn)生不利影響,采用客觀賦權(quán)的熵權(quán)法計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重值,計(jì)算過程如下。

將耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分,見表2。

表2 風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分

根據(jù)風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn),每個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源均可建立一組m×n的參評(píng)數(shù)據(jù)矩陣,其中m表示m位專家對(duì)風(fēng)險(xiǎn)源風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)的評(píng)價(jià)結(jié)果,構(gòu)建關(guān)于相同等級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源的評(píng)價(jià)矩陣,即

(6)

評(píng)價(jià)矩陣的標(biāo)準(zhǔn)化處理是將風(fēng)險(xiǎn)源評(píng)價(jià)指標(biāo)的絕對(duì)值轉(zhuǎn)化為相對(duì)值,即采用線性比例變換法將評(píng)價(jià)矩陣X=(xij)m×n轉(zhuǎn)化成為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y=(yij)m×n,計(jì)算公式如公式(7)所示。

(7)

計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)源的熵值

(8)

對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)源權(quán)重賦值

(9)

(3)組合賦權(quán)。

綜合運(yùn)用三角模糊數(shù)法和熵權(quán)法對(duì)各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算評(píng)估,既避免了評(píng)估專家的主觀性,又解決了單純的理論計(jì)算的客觀性問題。利用三角模糊數(shù)法和熵權(quán)法組合賦權(quán)的方法,計(jì)算各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的最后權(quán)重值,以保證耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的有效性。

(4)風(fēng)險(xiǎn)損失分析模型。

利用模糊綜合評(píng)判法,首先根據(jù)橋梁施工特點(diǎn)確定模糊因素集和評(píng)價(jià)集V={v1,v2,v3,v4,v5}={重大、較大、中、較低、低},然后建立單因素評(píng)價(jià)矩陣,最后對(duì)單因素和多因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)。其中模糊因素集由所有一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源或同一個(gè)一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源下的所有二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源構(gòu)成,根據(jù)隸屬函數(shù)關(guān)系,建立模糊評(píng)價(jià)模型,即

Gi=Wij·Rij

(10)

式中:Gi為一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素模糊評(píng)價(jià)向量;Rij為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素模糊評(píng)價(jià)矩陣;Wij為二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)因素模糊評(píng)價(jià)權(quán)向量。

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

跨京滬高鐵特大橋151#～154#墩采用(50+85+50)m鋼箱連續(xù)梁,起始里程DIK13+484.78～DIK13+671.38。在跨京滬高鐵特大橋DK13+577、DK13+588、DK13+591處跨越既有京滬高鐵、京滬、水白鐵路,位于半徑R=950 m曲線上。

跨京滬高鐵特大橋下部結(jié)構(gòu)采用鉆孔灌注樁基礎(chǔ);橋墩采用單線圓端形空心橋墩;臨時(shí)支墩在158#～160#設(shè)置臨時(shí)支架搭建吊裝作業(yè)平臺(tái),采用格構(gòu)柱形式,基礎(chǔ)為鉆孔樁基礎(chǔ);本橋采用“邊拼邊頂”的方法完成鋼箱的架設(shè)安裝作業(yè),鋼箱梁全長186.7 m,在158#～160#墩之間的作業(yè)平臺(tái)上分節(jié)段吊裝焊接,然后依次頂推至153#墩;導(dǎo)梁總長85 m,約195 t,采用1 250 t履帶吊一次性吊裝就位,并與鋼箱梁在153#墩焊接完成后,再進(jìn)行跨線頂推作業(yè);頂推施工采用步履式頂推施工工藝。

為了對(duì)跨京滬高鐵特大橋耐候鋼曲線鋼箱梁頂推施工風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行分析,將三角模糊數(shù)法和熵權(quán)法組合的方法加以利用,對(duì)存在各風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。

2.2 施工風(fēng)險(xiǎn)分析

按施工工序?qū)⒖缇哞F特大橋(50+85+50)m連續(xù)鋼箱梁橋劃分為樁基施工、橋墩施工、支架安裝施工、鋼箱梁吊裝及拼接施工等9個(gè)施工階段,跨京滬高鐵特大橋施工風(fēng)險(xiǎn)源見表3。

表3 跨京滬高鐵特大橋施工風(fēng)險(xiǎn)源

2.3 確定各因素的權(quán)重值

(1)三角模糊數(shù)法。

邀請(qǐng)專家小組對(duì)跨京滬高鐵特大橋各施工階段中的風(fēng)險(xiǎn)源依次進(jìn)行打分評(píng)價(jià),本研究以鋼箱梁頂推施工為例,按式(2)～式(5)分別計(jì)算各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重值,見表4。

表4 各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重值

由表4可知,根據(jù)三角模糊數(shù)法計(jì)算得到的各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重值,對(duì)其進(jìn)行比較,得到各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)中P62的權(quán)重值最大,即跨京滬高鐵特大橋鋼箱梁頂推施工過程中主梁局部屈曲的權(quán)重值最高。

(2)熵權(quán)法。

以耐候鋼曲線鋼箱梁頂推施工為例,根據(jù)專家小組對(duì)各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源對(duì)應(yīng)的風(fēng)險(xiǎn)因素的打分結(jié)果,按式(6)～式(7)對(duì)耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工各風(fēng)險(xiǎn)源進(jìn)行權(quán)重值再計(jì)算。將評(píng)價(jià)矩陣X轉(zhuǎn)化成為標(biāo)準(zhǔn)化矩陣Y,即

Y=

根據(jù)式(8)～式(9)計(jì)算風(fēng)險(xiǎn)源各系數(shù),并最終得到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重值,見表5。

表5 各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重值

由表5可知,根據(jù)熵權(quán)法計(jì)算得到的各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重值,對(duì)其進(jìn)行比較,得到排序結(jié)果由大到小依次為P62、P63、P65、P64、P66、P61。

(3)組合賦權(quán)。

根據(jù)三角模糊數(shù)法和熵權(quán)法計(jì)算得到的鋼箱梁頂推施工過程中各風(fēng)險(xiǎn)因素的權(quán)重值,進(jìn)行組合賦權(quán),見表6。

表6 各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重值

根據(jù)上述計(jì)算方法,結(jié)合三角模糊數(shù)法和熵權(quán)法得到對(duì)跨京滬高鐵特大橋施工中各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)權(quán)重值,再利用組合賦權(quán)法得到最終風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)的權(quán)重值,見表7。

表7 各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)源的權(quán)重值

由表7可知,通過比較一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源計(jì)算的組合權(quán)重值,得到排序結(jié)果由大到小依次為P6、P5、P4、P8、P7、P3、P9、P1、P2。經(jīng)分析,跨京滬高鐵特大橋施工過程中,耐候鋼曲線鋼箱梁頂推施工的權(quán)重值最高;橋墩施工的權(quán)重值最低。因此,基于計(jì)算分析結(jié)果,將耐候鋼曲線鋼箱梁頂推施工、導(dǎo)梁拼裝及吊裝施工、耐候鋼鋼箱梁吊裝及拼接施工、落梁施工、導(dǎo)梁拆除施工、支架安裝施工、橋面系及附屬結(jié)構(gòu)施工、樁基施工、橋墩施工共9種一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源作為跨京滬高鐵特大橋施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)源。

2.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

采用模糊綜合評(píng)價(jià)法,對(duì)跨京滬高鐵特大橋施工各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)價(jià)。以鋼箱梁頂推施工為例,在確定各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源和風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集后,邀請(qǐng)專家小組對(duì)各級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源做出評(píng)價(jià),然后構(gòu)建模糊評(píng)價(jià)矩陣Rij。

跨京滬高鐵特大橋鋼箱梁頂推施工中二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)源組合權(quán)重為Wij。

W=(0.145,0.221,0.187,0.161,0.168,0.145)

根據(jù)模糊評(píng)價(jià)矩陣和風(fēng)險(xiǎn)源組合權(quán)重,利用式(10)得到鋼箱梁頂推二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果GP6

GP6=(0.314,0.126,0.115,0.148,0.325)

根據(jù)上述計(jì)算過程,計(jì)算所有二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果為

R整體=

根據(jù)隸屬度方法,并結(jié)合二級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,可以得到一級(jí)模糊綜合評(píng)價(jià)結(jié)果,即

G整體=W整體·R整體=[0.087 0.085 0.1

0.124 0.129 0.131 0.102 0.105

0.092]

通過最大隸屬原則,跨京滬高鐵特大橋施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為重大風(fēng)險(xiǎn),應(yīng)加強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)防控。

3 結(jié) 語

(1)基于耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工工序的特點(diǎn),應(yīng)對(duì)其施工過程進(jìn)行全面的風(fēng)險(xiǎn)識(shí)別,并綜合考慮施工中存在的顯性和隱性風(fēng)險(xiǎn),建立合理的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型。

(2)根據(jù)上述理論方法計(jì)算結(jié)果分析,耐候鋼曲線鋼箱梁跨線頂推施工風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)為重大風(fēng)險(xiǎn)。應(yīng)采取進(jìn)一步可靠的風(fēng)險(xiǎn)防控措施,降低頂推施工過程中風(fēng)險(xiǎn)發(fā)生概率,提高橋梁施工質(zhì)量和安全性。