劉坤杰，郝 偉，王德凱，張 然

(蘭州交通大學(xué)土木工程學(xué)院,甘肅 蘭州 730070)

0 引言

我國西部地區(qū)群山連綿、萬壑千巖,在修建完善西部地區(qū)綜合立體交通網(wǎng)絡(luò)時(shí),跨越崇山峻嶺峽谷河流必不可少,因此橋梁建設(shè)成為西部山區(qū)交通系統(tǒng)不可或缺的一部分。然而該地區(qū)地質(zhì)條件復(fù)雜,滑坡、泥石流、崩塌等山地災(zāi)害頻發(fā)導(dǎo)致橋梁施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高,且對災(zāi)害應(yīng)對能力要求更高[1]。因此對山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工進(jìn)行安全評價(jià)從而預(yù)防事故的發(fā)生顯得尤為重要。

目前針對橋梁工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)的研究已有不少,如王飛球等[2]運(yùn)用4M1E分析方法建立橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指標(biāo)體系,構(gòu)建基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的跨既有線高速鐵路橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估模型,系統(tǒng)分析橋梁施工安全性;施洲等[3]基于傳統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)評估方法,引入DEMATEL算法識別動態(tài)評估風(fēng)險(xiǎn)源,構(gòu)建基于貝葉斯網(wǎng)絡(luò)分析模型的大型橋梁風(fēng)險(xiǎn)動態(tài)評估方法;安朗[4]結(jié)合大跨徑斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn),提出了基于MCMC法與CCRAA法的大跨徑斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警模型;Li等[5]用云熵權(quán)法對各風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)進(jìn)行賦權(quán),運(yùn)用云模型理論進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評價(jià);Sun等[6]提出了一種基于聚類分析、集值統(tǒng)計(jì)和熵權(quán)法的考慮多信息融合的創(chuàng)新型橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評估算法。然而,上述研究僅從橋梁類型與施工特點(diǎn)出發(fā)對橋梁施工安全進(jìn)行分析,缺乏對惡劣環(huán)境和自然災(zāi)害影響的考慮,且未形成完整的山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)的綜合評價(jià)體系,對山地災(zāi)害環(huán)境下的橋梁順利建設(shè)產(chǎn)生了一定的阻礙。

橋梁施工過程可視作一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng),施工過程的安全性可用系統(tǒng)的脆弱性刻畫。脆弱性理論在多個(gè)領(lǐng)域都有所應(yīng)用,秦旋等[7]將脆弱性作為綠色建筑工程項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的一部分,界定了脆弱性與風(fēng)險(xiǎn)之間的影響關(guān)系和影響路徑,彌補(bǔ)現(xiàn)階段對工程風(fēng)險(xiǎn)研究忽略脆弱性的不足,從新的視角詮釋綠色建筑項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)的認(rèn)知和評價(jià)問題;張蕾等[8]基于系統(tǒng)脆弱性的理論分析了隧道施工安全管理系統(tǒng)的組成要素及內(nèi)外部擾動源,通過ISM方法剖析脆弱性因素間的耦合關(guān)系,從而構(gòu)建了脆弱性評價(jià)的層級體系。根據(jù)已有文獻(xiàn),采用脆弱性評價(jià)研究系統(tǒng)的安全狀態(tài)更加直觀,對分析風(fēng)險(xiǎn)與系統(tǒng)之間的關(guān)系更為準(zhǔn)確快速。

鑒于此,本文以西北山區(qū)橋梁建設(shè)工程安全系統(tǒng)為研究對象,引入脆弱性的概念,考慮山地災(zāi)害影響與惡劣自然環(huán)境,構(gòu)建山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系,并建立基于CRITIC的多屬性決策組合賦權(quán)——二維云模型評價(jià)山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)的脆弱性。以此為山地災(zāi)害頻發(fā)的山區(qū)橋梁建設(shè)工程提供安全管理的新思路。

1 橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)

1.1 脆弱性理論

脆弱性的理念最早起源于對自然災(zāi)害學(xué)的研究,Timmerman P率先提出了脆弱性的概念。脆弱性主要包含了暴露性、易損性、適應(yīng)性等性質(zhì)。暴露性是指系統(tǒng)對來自內(nèi)外部可能導(dǎo)致危機(jī)的事件的接觸程度;易損性是指系統(tǒng)缺乏吸收干擾的能力,或者缺乏在危機(jī)因子的干擾下保持基本結(jié)構(gòu)、關(guān)鍵功能以及運(yùn)行機(jī)制不發(fā)生根本變化的緩沖能力;適應(yīng)性是指為了應(yīng)對實(shí)際發(fā)生的或預(yù)計(jì)到的變化及其各種影響,而在系統(tǒng)內(nèi)進(jìn)行調(diào)整的恢復(fù)能力[9]。目前脆弱性的概念廣泛應(yīng)用于各個(gè)研究領(lǐng)域,例如:災(zāi)害學(xué)、生態(tài)學(xué)、計(jì)算機(jī)科學(xué)、社會科學(xué)等。但由于不同學(xué)科領(lǐng)域研究的對象不同以及學(xué)科視角不同,對脆弱性的定義也有所不同。結(jié)合上述觀點(diǎn)以及脆弱性的相關(guān)理論,可以將橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性定義為:橋梁施工安全系統(tǒng)受到內(nèi)部或外部風(fēng)險(xiǎn)擾動時(shí)的變化程度,受到擾動時(shí)系統(tǒng)對其的應(yīng)對能力以及在擾動過后系統(tǒng)自身的恢復(fù)能力,見圖1。

1.2 構(gòu)建橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系

橋梁的建設(shè)是完善西北地區(qū)綜合立體交通網(wǎng)絡(luò)不可或缺的一部分,西北地區(qū)自然地質(zhì)環(huán)境復(fù)雜,氣候多變,特殊巖土多為膨脹性泥巖,此類土壤遇水侵蝕后會發(fā)生軟化崩解,加之該地區(qū)短時(shí)強(qiáng)降雨較集中,在暴雨的沖刷下使得橋梁基礎(chǔ)穩(wěn)定性降低。同時(shí)該地區(qū)地形切割陡峻,巖土體支離破碎,在人類工程活動空間不斷擴(kuò)大下以及雨水的影響導(dǎo)致滑坡、崩塌、泥石流等山地災(zāi)害頻發(fā)?；?、泥石流主要使橋梁墩臺以及基礎(chǔ)發(fā)生偏移,梁體產(chǎn)生裂縫;崩塌則為崩塌體直接撞擊橋面導(dǎo)致橋梁坍塌、橋面折斷或者梁體破壞,或?yàn)楸浪w撞擊橋梁墩柱致使墩臺破壞而導(dǎo)致橋梁整體坍塌。此外,該地區(qū)在水文條件的影響下形成溶洞或土洞,樁基礎(chǔ)施工過程中如果處理方法不當(dāng),往往會造成掉鉆、漏漿、坍孔等事故,給橋梁施工帶來極大的風(fēng)險(xiǎn)。西北山區(qū)晝夜溫差大,混凝土澆筑后結(jié)構(gòu)表面和內(nèi)部溫度梯度大,膨脹程度不一致很容易導(dǎo)致橋梁結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位的混凝土開裂,降低了結(jié)構(gòu)剛度以及結(jié)構(gòu)的承載力極限,從而降低了應(yīng)對山地災(zāi)害能力。同時(shí)在山區(qū)修建橋梁,橋梁線形不像平原一樣以直線為主,由于地形陡峭,為了避開山地災(zāi)害易發(fā)地段,不得不采用較多的平曲線以及較大的縱橫坡,給橋梁施工帶來了更多潛在風(fēng)險(xiǎn)。

通過上述對西北山區(qū)自然地質(zhì)環(huán)境以及橋梁施工技術(shù)的分析,本文基于公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評估指南、JTG B05—2015公路項(xiàng)目安全性評價(jià)規(guī)范[10]和JTG/T 3650—2020公路橋涵施工技術(shù)規(guī)范[11]等相關(guān)規(guī)范以及文獻(xiàn)資料[12-16],同時(shí)咨詢設(shè)計(jì)單位以及施工單位相關(guān)專家對橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行研究探討,從自然環(huán)境脆弱性、物資設(shè)備脆弱性、施工人員脆弱性、安全管理脆弱性、施工技術(shù)脆弱性這5個(gè)方面建立山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系,見圖2。

2 基于CRITIC的多屬性決策組合賦權(quán)方法

為了提高山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)的準(zhǔn)確性,本文采用CRITIC多屬性決策組合賦權(quán)方法將G1法確定的主觀權(quán)重與熵權(quán)法確定的客觀權(quán)重進(jìn)行集成優(yōu)化獲得評價(jià)指標(biāo)綜合權(quán)重。

CRITIC的多屬性決策組合賦權(quán)方法[17]綜合了各種賦權(quán)方法的特點(diǎn),該方法通過利用對比強(qiáng)度和沖突性結(jié)合構(gòu)造組合權(quán)重,其中對比度表示不同評價(jià)指標(biāo)方法對同一指標(biāo)賦權(quán)數(shù)值的差異,第j項(xiàng)指標(biāo)對比度可由標(biāo)準(zhǔn)差σj表示;沖突性表示不同指標(biāo)之間的相關(guān)程度,沖突性數(shù)值越小,正相關(guān)越顯著。其具體賦權(quán)步驟如下:

1)計(jì)算指標(biāo)沖突性:

(1)

其中,rij為評價(jià)指標(biāo)i和j之間的相關(guān)系數(shù)。

2)計(jì)算指標(biāo)信息承載量Cj,表達(dá)式如下:

(2)

3)信息量Cj反映指標(biāo)j的重要程度,計(jì)算最優(yōu)組合權(quán)重系數(shù)θj,表達(dá)式如下:

(3)

4)計(jì)算最優(yōu)組合權(quán)重wc:

wc=(θ1w1+θ2w2+…+θlwl),l=1,2,…,l

(4)

3 橋梁施工安全脆弱性評價(jià)模型

3.1 二維云模型

由于山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)因素復(fù)雜多變,為了更好地體現(xiàn)系統(tǒng)的應(yīng)對能力和恢復(fù)能力對橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性的影響,采用二維云模型[18],能夠更加客觀準(zhǔn)確地對待評對象進(jìn)行評價(jià)。由云模型理論可知,設(shè)F是服從正態(tài)分布的二維隨機(jī)函數(shù),Ex和Ey均為期望值,Enx和Eny均為標(biāo)準(zhǔn)差,則稱滿足式(5)的云滴drop(Xi,Yi,μi)構(gòu)成的模型為二維正態(tài)云模型。

(5)

其中,Xi,Yi均為云滴坐標(biāo);px,py均為條件云滴坐標(biāo);He為超熵;μi為隸屬度。

3.2 橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)云

山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性等級是由橋梁施工安全系統(tǒng)受到內(nèi)部或外部風(fēng)險(xiǎn)擾動時(shí),系統(tǒng)自身對擾動的應(yīng)對能力以及在擾動過后系統(tǒng)自身的恢復(fù)能力共同決定的,因此選取應(yīng)對能力和恢復(fù)能力作為綜合評價(jià)云的兩組基礎(chǔ)變量。邀請橋梁專家對二級指標(biāo)應(yīng)對能力和恢復(fù)能力進(jìn)行打分,采用10分制,并且分值精確到0.1。專家對應(yīng)對能力和恢復(fù)能力打分分別形成一個(gè)云滴,組成該指標(biāo)的應(yīng)對云和恢復(fù)云,統(tǒng)稱二維綜合評價(jià)云。通過式(6)計(jì)算出應(yīng)對云和恢復(fù)云的特征值。

(6)

其中,Ex為樣本期望值;En為熵;He為超熵;q為專家組數(shù);Xk為第k位專家打分值;S2為方差。

將指標(biāo)層應(yīng)對云特征值矩陣,指標(biāo)層恢復(fù)云特征值矩陣分別與對應(yīng)的權(quán)重向量矩陣進(jìn)行合成,得到準(zhǔn)則層應(yīng)對云和恢復(fù)云的特征值,進(jìn)而可求得二維綜合云的特征值。

(7)

3.3 脆弱性評價(jià)標(biāo)準(zhǔn)云

合理地劃分橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性等級,有利于對橋梁施工安全狀況做出準(zhǔn)確的評價(jià),進(jìn)而提出相應(yīng)的措施進(jìn)行管控。將區(qū)間[0,10]均分為五個(gè)區(qū)間,根據(jù)評價(jià)指標(biāo)的應(yīng)對能力和恢復(fù)能力將脆弱性程度劃分為Ⅰ級—Ⅴ級。按照式(8)計(jì)算標(biāo)準(zhǔn)云數(shù)字特征,具體內(nèi)容如表1所示。

表1 山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)等級劃分標(biāo)準(zhǔn)

(8)

3.4 綜合評價(jià)脆弱性云圖

綜合評價(jià)脆弱性云圖可更加直觀地反映出橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性等級,將準(zhǔn)則層二維綜合評價(jià)云的特征值和標(biāo)準(zhǔn)云的特征值輸入到MATLAB正向云發(fā)生器,得到最終二維綜合評價(jià)脆弱性云圖,通過與標(biāo)準(zhǔn)云圖對比分析便可得到山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)等級。

3.5 貼近度

通過MATLAB生成的二維綜合評價(jià)脆弱性云圖,觀察二維云圖中的綜合云與標(biāo)準(zhǔn)云圖的相對位置關(guān)系來確定橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)等級,因?yàn)槎S云圖在三維視圖中呈現(xiàn)會存在一定的視覺誤差,為了提高橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)的準(zhǔn)確性,因此引入貼近度來計(jì)算綜合云和標(biāo)準(zhǔn)云的貼近度,根據(jù)式(9)來計(jì)算貼近度,貼近度越大說明越接近所對應(yīng)的脆弱性等級。

(9)

4 實(shí)例分析

4.1 工程概況

水家溝大橋位于天水市麥積區(qū)水家溝村南側(cè),橋梁全長646 m,最大橋高73 m,主橋采用預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)剛構(gòu),橋梁墩臺采用樁基礎(chǔ)。該橋地處水家溝,跨越山間溝谷農(nóng)田區(qū)以及民房,坡陡谷深,地形起伏大,是典型的侵蝕丘陵地貌。在雨期降水量大,山體穩(wěn)定性差,橋址區(qū)特殊巖土主要為濕陷性黃土及膨脹性泥巖,在雨水沖刷下迅速崩解軟化,同時(shí)在人類工程活動空間不斷擴(kuò)大下導(dǎo)致該地區(qū)滑坡、崩塌、泥石流等山地災(zāi)害頻發(fā),致使橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)較高。鑒于此,邀請10位專家分成5組,根據(jù)《天水市鄉(xiāng)村振興南北兩山片區(qū)基礎(chǔ)設(shè)施項(xiàng)目》地質(zhì)災(zāi)害評估意見和地質(zhì)勘察報(bào)告以及現(xiàn)場施工情況,對各個(gè)指標(biāo)的應(yīng)對能力和恢復(fù)能力進(jìn)行打分,分別用R1和R2表示,如表2所示。

表2 水家溝大橋施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)應(yīng)對和恢復(fù)能力分值

4.2 確定指標(biāo)權(quán)重與評價(jià)云圖

考慮到山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工的特點(diǎn),參照行業(yè)相關(guān)規(guī)范,將脆弱性評價(jià)指標(biāo)自上而下5個(gè)一級指標(biāo)26個(gè)二級指標(biāo)進(jìn)行打分,以此來確定各評價(jià)指標(biāo)的權(quán)重,分別采用G1法和熵權(quán)法計(jì)算出指標(biāo)的主客觀權(quán)重,應(yīng)用式(1)—式(4)計(jì)算出最終組合權(quán)重,結(jié)果見表3。

表3 水家溝大橋施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)組合權(quán)重

根據(jù)專家對脆弱性指標(biāo)的量化分值代入式(6),可得到二級指標(biāo)應(yīng)對云和恢復(fù)云的特征值,然后通過表3中指標(biāo)的組合權(quán)重和云特征值以及式(7)得到一級指標(biāo)的應(yīng)對云和恢復(fù)云的特征值,同理可得到綜合評價(jià)云的特征值,如表4所示。

表4 水家溝大橋施工安全系統(tǒng)脆弱性指標(biāo)應(yīng)對和恢復(fù)能力評價(jià)云數(shù)字特征

將計(jì)算出的綜合評價(jià)云特征值和標(biāo)準(zhǔn)云特征值輸入MATLAB正向云發(fā)生器,可得到綜合評價(jià)云和標(biāo)準(zhǔn)云對比圖,如圖3,圖4所示。為了進(jìn)一步明確一級指標(biāo)脆弱性等級,將自然環(huán)境L、物資設(shè)備J、施工人員K、安全管理X和施工技術(shù)M五個(gè)一級指標(biāo)的特征值輸入MATLAB正向云發(fā)生器,結(jié)合標(biāo)準(zhǔn)云繪制出一級指標(biāo)對比云圖,如圖5所示。

4.3 貼近度與評價(jià)結(jié)果

為了使評價(jià)結(jié)果更加精確,本文引入貼近度來進(jìn)一步確定水家溝大橋施工安全脆弱性等級。通過式(9)計(jì)算綜合評價(jià)云與標(biāo)準(zhǔn)云的結(jié)果貼近度,分別用N1—N5表示:N1=0.183,N2=0.381,N3=1.434,N4=0.330,N5=0.171,可知貼近度大小關(guān)系為:N3>N2>N4>N1>N5,評價(jià)結(jié)果與Ⅲ級標(biāo)準(zhǔn)云貼近度最大,故最終確定水家溝大橋施工安全脆弱性等級為“脆弱性中”Ⅲ級。

評價(jià)結(jié)果說明該項(xiàng)目整體脆弱性良好,其受到擾動時(shí)系統(tǒng)對其的應(yīng)對能力以及在擾動過后系統(tǒng)自身的恢復(fù)能力較好。由圖5可知,自然環(huán)境L和施工技術(shù)M脆弱性等級介于Ⅲ級和Ⅳ級之間,更接近標(biāo)準(zhǔn)云Ⅲ級則等級為“脆弱性中”,說明自然環(huán)境和施工技術(shù)是影響橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性的主要原因,通過現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)水家溝大橋小里程端和大里程端分別存在發(fā)育滑坡,同時(shí)水家溝屬于泥石流溝,暴雨是引發(fā)泥石流的關(guān)鍵因素,項(xiàng)目所在區(qū)汛期沖溝內(nèi)有洪水下泄,且部分施工段因雨水及洪水的集中,形成沖刷、淘蝕作用,嚴(yán)重影響原地表穩(wěn)定和施工安全,建議各類工程均應(yīng)做好防排水措施,防止水流沖刷邊坡,軟化或淘蝕基底,對施工不能避讓的潛在危險(xiǎn)斜坡地段和潛在危險(xiǎn)滑坡區(qū)進(jìn)行動態(tài)監(jiān)測預(yù)警研究,同時(shí)加強(qiáng)對橋梁施工技術(shù)的把控,經(jīng)整改后,自然環(huán)境L和施工技術(shù)M的脆弱性等級明顯降低,如圖6所示;而物資設(shè)備J、施工人員K和安全管理X的脆弱等級介于Ⅱ級和Ⅲ級之間,接近標(biāo)準(zhǔn)云Ⅱ級則等級為“脆弱性小”,建議對該方面繼續(xù)保持相關(guān)管理措施。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研資料顯示,本文采用基于CRITIC的多屬性決策組合賦權(quán)——二維云綜合評價(jià)模型獲得的水家溝大橋施工安全脆弱性評價(jià)結(jié)果與實(shí)際情況相符,進(jìn)一步驗(yàn)證了本文評價(jià)思路與方法的可靠性和實(shí)用性。

5 結(jié)論

1)將脆弱性理論引入橋梁工程,為山區(qū)橋梁工程施工安全管理提供新思路和新方法,在考慮一般環(huán)境橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)因素的同時(shí),以分析山地災(zāi)害對橋梁施工的影響為主,構(gòu)建了包含26個(gè)評價(jià)指標(biāo)的山地災(zāi)害環(huán)境下橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性評價(jià)指標(biāo)體系。

2)采用CRITIC的多屬性決策組合賦權(quán)方法確定最終權(quán)重,避免了使用單一賦權(quán)方法的局限性,使評價(jià)結(jié)果更加精確。利用二維云模型得到綜合評價(jià)云圖,初步反映橋梁施工安全系統(tǒng)脆弱性等級,進(jìn)一步利用貼近度更加準(zhǔn)確地反映出橋梁施工安全系統(tǒng)的最終脆弱性等級。

3)基于組合賦權(quán)二維云模型對水家溝大橋施工安全系統(tǒng)進(jìn)行脆弱性評價(jià),得到綜合脆弱性評價(jià)結(jié)果為“脆弱性中”Ⅲ級,與實(shí)際情況契合,驗(yàn)證了該方法的有效性和可行性,可為類似橋梁工程施工安全系統(tǒng)管理提供借鑒。

4)山地災(zāi)害環(huán)境復(fù)雜多變,而橋梁工程日新月異,因此針對山地災(zāi)害環(huán)境下的橋梁工程施工安全系統(tǒng)脆弱性的研究仍需不斷深入,后續(xù)研究可隨著橋梁施工技術(shù)與山地災(zāi)害環(huán)境實(shí)時(shí)監(jiān)測預(yù)警方面的研究繼續(xù)對該環(huán)境下橋梁工程施工安全系統(tǒng)脆弱性進(jìn)行評價(jià)。