基于FAHP的鋼桁梁斜拉橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究

張寅濤，張芳全

(中交第一公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司 西安市 710068)

0 引言

隨著我國(guó)基礎(chǔ)設(shè)施的不斷完善和發(fā)展，大跨度橋梁和特殊結(jié)構(gòu)橋梁不斷出現(xiàn)，由于其結(jié)構(gòu)新穎、施工難度不斷增加以及施工過(guò)程中不確定因素較多，因此加強(qiáng)對(duì)橋梁施工過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估并采取合理防范措施對(duì)于保證工程的順利進(jìn)行尤為重要[1-3]。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估方面進(jìn)行了較為深入的研究[4-5]。2002年，同濟(jì)大學(xué)聯(lián)合中國(guó)交通第四航空學(xué)院等重要科研機(jī)構(gòu)、單位對(duì)上海崇明河穿越工程進(jìn)行了可行性評(píng)估，從此以后我國(guó)開(kāi)始重視橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)方面的研究，橋梁設(shè)計(jì)和施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估在國(guó)人眼中也變得不可忽視[6]；2008年嚴(yán)新編制了中國(guó)第一座橋梁工程“橋梁工程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估”，為橋梁風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估建立了基本理論框架和總體方法；2008 年阮欣提出了一套較為完整的風(fēng)險(xiǎn)管理系統(tǒng)，并在蘇通大橋橋塔施工安全風(fēng)險(xiǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用，取得了較為理想效果[7]；2011年交通運(yùn)輸部正式發(fā)布《公路橋梁和隧道工程施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估指南》(試行)，標(biāo)志著我國(guó)橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估逐漸走向正規(guī)化。但是上述橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究并沒(méi)有考慮施工組織等人為因素對(duì)風(fēng)險(xiǎn)的影響作用，同時(shí)評(píng)價(jià)指標(biāo)體系有待于進(jìn)一步完善[8-9]。

基于上述的國(guó)內(nèi)外研究成果，提出了基于加權(quán)平均法基本原理的模糊層次分析法(FAHP)對(duì)斜拉橋施工安全進(jìn)行全面、系統(tǒng)、客觀的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，并建立橋梁工程總體風(fēng)險(xiǎn)等級(jí)，為開(kāi)展橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估與管理提供參考依據(jù)。

1 模糊層次分析法

模糊層次分析法(FAHP)是基于模糊綜合評(píng)判法與層次分析優(yōu)勢(shì)而提出的一種定性與定量相結(jié)合的系統(tǒng)分析方法[10-12]。鋼桁梁斜拉橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估過(guò)程中FAHP主要包括以下步驟：

(1)建立風(fēng)險(xiǎn)因素集合：對(duì)引起橋梁施工過(guò)程中安全風(fēng)險(xiǎn)的各種潛在因素進(jìn)行組合。

(2)建立風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)集合：對(duì)橋梁施工過(guò)程中的風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)，并根據(jù)評(píng)價(jià)集合得到一個(gè)較為客觀、合理的評(píng)判結(jié)果。

(3)建立風(fēng)險(xiǎn)權(quán)重集：以橋梁專(zhuān)家評(píng)定打分為依據(jù)，結(jié)合模糊層次分析法基本原理確定各種風(fēng)險(xiǎn)的相對(duì)權(quán)重。

(4)單因素模糊評(píng)定；首先根據(jù)模糊層次分析法建立影響橋梁施工安全的單因素判斷矩陣，并對(duì)單因素風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行判別。

(5)施工過(guò)程綜合評(píng)定：采用加權(quán)平均法構(gòu)建模糊函數(shù)對(duì)各個(gè)單因素評(píng)判的結(jié)果根據(jù)各自權(quán)重對(duì)整個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)定，并進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，確定最不利施工安全影響因素，為施工安全措施提供依據(jù)。綜合評(píng)定的主要思路為先分別對(duì)各級(jí)事物進(jìn)行一次模糊綜合評(píng)判，再對(duì)上一級(jí)進(jìn)行模糊評(píng)判運(yùn)算，直至得出最終的評(píng)判結(jié)果。

2 工程依托

以某雙塔鋼桁梁結(jié)合梁斜拉橋?yàn)楣こ桃劳?，根?jù)提出的FAHP分析方法對(duì)該橋梁施工過(guò)程安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估。該工程主要施工內(nèi)容包括塔柱與墩柱的基礎(chǔ)施工、塔柱施工、墩柱與輔助墩施工以及鋼桁梁施工四部分。其中塔柱與墩柱的基礎(chǔ)采用先平臺(tái)后圍堰施工方法，塔柱采用液壓爬模施工工藝，鋼桁梁采用架梁吊機(jī)懸臂施工工藝。根據(jù)施工組織設(shè)計(jì)文件確定了該項(xiàng)目的一級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)和二級(jí)風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)，并按照專(zhuān)家評(píng)估意見(jiàn)構(gòu)造了判斷矩陣，計(jì)算出了各指標(biāo)的權(quán)重值，如表1所示。

表1 橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分類(lèi)及相關(guān)權(quán)重

3 斜拉橋施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估

根據(jù)模糊層次分析法基本流程確定本工程施工風(fēng)險(xiǎn)因素集、評(píng)價(jià)集合、權(quán)重集，并依據(jù)加權(quán)平均法構(gòu)建模糊函數(shù)，在單因素模糊評(píng)定的基礎(chǔ)上進(jìn)行模糊綜合評(píng)定，從而為橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)控制措施提供依據(jù)。

3.1 風(fēng)險(xiǎn)因素集建立

該斜拉橋施工風(fēng)險(xiǎn)指標(biāo)分類(lèi)見(jiàn)表1所示，其中：

U ={u1，u2，u3，u4}

={基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)，主塔施工風(fēng)險(xiǎn)，邊墩與輔助墩施工風(fēng)險(xiǎn)，鋼桁梁施工風(fēng)險(xiǎn)}

且其中：

u1={u11，u12，u13，u14}

={鉆孔平臺(tái)搭設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，鋼護(hù)筒施工風(fēng)險(xiǎn)，鉆孔施工風(fēng)險(xiǎn)，圍堰施工風(fēng)險(xiǎn)}

u2={u21，u22，u23}

={主塔墩身施工風(fēng)險(xiǎn)，縱梁施工風(fēng)險(xiǎn)，塔吊與電梯安拆風(fēng)險(xiǎn)}

u3={u31，u32}

={模版施工風(fēng)險(xiǎn)，塔吊裝拆風(fēng)險(xiǎn)}

u4={u41，u42，u43，u44}

={鋼桁梁運(yùn)輸風(fēng)險(xiǎn)，浮吊架設(shè)風(fēng)險(xiǎn)，架梁機(jī)運(yùn)營(yíng)風(fēng)險(xiǎn)，拉索施工風(fēng)險(xiǎn)}

3.2 風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)建立

根據(jù)該斜拉橋工程施工風(fēng)險(xiǎn)對(duì)工程安全性的影響程度得到各個(gè)風(fēng)險(xiǎn)因素評(píng)價(jià)結(jié)果矩陣B，并根據(jù)以下公式轉(zhuǎn)化為風(fēng)險(xiǎn)值V：

通過(guò)風(fēng)險(xiǎn)值V將施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)分為低風(fēng)險(xiǎn)、中風(fēng)險(xiǎn)、高風(fēng)險(xiǎn)以及極高風(fēng)險(xiǎn)四個(gè)級(jí)別，并分別對(duì)應(yīng)風(fēng)險(xiǎn)一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)和四級(jí)，如表2所示。

表2 橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)指標(biāo)

3.3 權(quán)重集的建立

基于層次分析法基本原理建立(u1，u2，u3，u4)影響因素的風(fēng)險(xiǎn)判斷矩陣。以基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)u1為例說(shuō)明權(quán)重集的建立原理。

表3 施工風(fēng)險(xiǎn)因素判斷矩陣A1

即：

由表1可得基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)u1的權(quán)重向量：

W1={w11，w12，w13，w14}

={0.37，0.11，0.06，0.46}

進(jìn)一步：

其中，n=4，且：

本斜拉橋施工過(guò)程基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)影響因素判斷矩陣合理。

3.4 模糊綜合評(píng)價(jià)

(1)單因素評(píng)估

聘請(qǐng)11位橋梁工程專(zhuān)家對(duì)本工程施工過(guò)程各項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)因素進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)價(jià)，并按照下式確定各指標(biāo)的權(quán)重：

其中nij表示第i級(jí)指標(biāo)中第j個(gè)參數(shù)歸為同一風(fēng)險(xiǎn)檔次的專(zhuān)家人數(shù)，∑m為專(zhuān)家總數(shù)。

(2)模糊矩陣建立

按照上述權(quán)重的確定方法計(jì)算每個(gè)單因素評(píng)估向量Rij，并進(jìn)一步構(gòu)建各個(gè)一級(jí)影響因素的關(guān)系矩陣Ri。

(3)二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估

以基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)u1為例說(shuō)明二級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估方法與步驟。

B1=W1·R1

B1歸一化后得：

進(jìn)一步：

根據(jù)表2，屬于高風(fēng)險(xiǎn)。

同理，主塔施工風(fēng)險(xiǎn)V2=2.78，為高風(fēng)險(xiǎn)；邊墩與輔助墩施工風(fēng)險(xiǎn)V3=1.87，為中風(fēng)險(xiǎn)；鋼桁梁施工風(fēng)險(xiǎn)V4=3.15，為高風(fēng)險(xiǎn)。

(4)一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估

同理，對(duì)斜拉橋施工過(guò)程一級(jí)指標(biāo)風(fēng)險(xiǎn)模糊評(píng)估如下：

通過(guò)上述分析，該斜拉橋施工過(guò)程整體風(fēng)險(xiǎn)屬于三級(jí)風(fēng)險(xiǎn)，為高度風(fēng)險(xiǎn)；施工過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)因素從大到小分別為鋼桁梁施工風(fēng)險(xiǎn)、基礎(chǔ)施工風(fēng)險(xiǎn)、主塔施工風(fēng)險(xiǎn)以及邊墩與輔助墩施工風(fēng)險(xiǎn)。因此，在該斜拉橋施工過(guò)程中合理采用保證鋼桁梁施工的風(fēng)險(xiǎn)措施對(duì)于過(guò)程的順利進(jìn)行具有非常重要的意義。

4 安全風(fēng)險(xiǎn)控制措施

根據(jù)上述基于模糊層次分析法的安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果，該鋼桁梁斜拉橋鋼桁梁施工風(fēng)險(xiǎn)最大，結(jié)合鋼桁梁懸臂施工工藝特點(diǎn)提出下述風(fēng)險(xiǎn)控制措施：

(1)架梁吊機(jī)在運(yùn)動(dòng)和吊裝過(guò)程中要保證機(jī)械穩(wěn)定性，避免發(fā)生傾覆，同時(shí)鋼桁梁懸臂對(duì)稱安裝。

(2)在施工作業(yè)區(qū)域及影響范圍內(nèi)設(shè)置安全網(wǎng)和警示標(biāo)志，確保施工人員及第三人人身安全。

(3)吊機(jī)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中應(yīng)嚴(yán)格控制前進(jìn)速度保證運(yùn)行平穩(wěn)，移動(dòng)到位后要及時(shí)進(jìn)行錨固。

(4)架梁吊機(jī)在正式工作前應(yīng)先進(jìn)行靜載試驗(yàn)消除彈性變形，如出現(xiàn)變形過(guò)大情況應(yīng)及時(shí)停止施工，查找原因并消除隱患。

(5)對(duì)于雨量充沛的地區(qū)，一般在吊機(jī)上設(shè)置防雨棚，并保證吊機(jī)的整體穩(wěn)定性。

(6)在強(qiáng)風(fēng)和雷暴等惡劣天氣下應(yīng)停止施工，采取應(yīng)急處治措施，確保機(jī)械設(shè)備牢固。

5 結(jié)論

隨著我國(guó)橋梁結(jié)構(gòu)形式的不斷創(chuàng)新、橋梁施工難度不斷增加以及施工過(guò)程中不確定因素的增多，加強(qiáng)對(duì)橋梁施工過(guò)程安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估對(duì)于保證工程的順利進(jìn)行尤為重要。主要研究成果如下：

(1)基于加權(quán)平均法構(gòu)建了可用于橋梁施工安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估的模糊層次分析法(FAHP)，其主要思路為先分別對(duì)各級(jí)事物進(jìn)行一次模糊綜合評(píng)判，再對(duì)上一級(jí)進(jìn)行模糊評(píng)判運(yùn)算，直至得出最終的評(píng)判結(jié)果。

(2)基于FAHP建立橋梁施工風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型對(duì)各影響因素和整體風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行評(píng)估，確定風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別。

(3)根據(jù)安全風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估結(jié)果可確定橋梁施工安全最不利影響因素，為風(fēng)險(xiǎn)控制措施的合理采取提供依據(jù)。

(4)以某雙塔鋼桁梁結(jié)合梁斜拉橋?yàn)楣こ桃劳校贔AHP分析方法建立了施工過(guò)程風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型，并對(duì)該橋梁施工過(guò)程安全進(jìn)行風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估，取得了理想效果，可為其他工程提供參考。