石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險評估及管控*

張藝， 劉輝， 劉昶， 劉耀坤

(1.長沙理工大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長沙 410114；2.湖南理工學(xué)院 南湖學(xué)院， 湖南 岳陽 414000)

近年來橋梁安全事故頻發(fā)，其中施工期間的安全事故占比最高，加強施工期間橋梁建設(shè)風(fēng)險評估，將風(fēng)險防范的關(guān)口前移尤為重要。已有許多學(xué)者對橋梁建設(shè)期間的風(fēng)險評估進行了研究，如施洲等研究了高速公路鐵路兩用橋梁的施工風(fēng)險因素；黎立新等比選了山區(qū)橋梁建設(shè)采用的受力構(gòu)件類型，總結(jié)了山區(qū)橋梁設(shè)計安全理念；王飛球等開展了跨既有線高速鐵路橋梁的施工安全風(fēng)險評估。橋梁風(fēng)險評估方法也趨于多樣化、復(fù)雜化、綜合化，對橋梁各結(jié)構(gòu)的風(fēng)險評估趨于精細化、具體化。康俊濤等采用K-means聚類分析、貝斯網(wǎng)絡(luò)分析法對武漢某斜拉橋上部結(jié)構(gòu)開展了風(fēng)險評估；梁曉飛等使用Delphi法、AHP(層次分析法)及可信性測度法對某跨江橋梁基礎(chǔ)開展了風(fēng)險評估；王可意等采用AHP-DEA法對東洋河大橋樁基礎(chǔ)開展了風(fēng)險評估?？紤]到橋梁水下施工復(fù)雜，風(fēng)險因素多，權(quán)重優(yōu)化尤為重要，上述評價方法很少體現(xiàn)在優(yōu)化權(quán)重方面，而模糊數(shù)學(xué)綜合判斷法及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型評價方法能實現(xiàn)權(quán)重優(yōu)化，弱化人為因素。該文借助模糊數(shù)學(xué)綜合評判及BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對橋梁水下施工安全風(fēng)險進行評價。

1 施工安全風(fēng)險評估指標體系

依照傳統(tǒng)的施工安全風(fēng)險分類，從人員、機具設(shè)備、管理、環(huán)境、施工技術(shù)5個維度劃分風(fēng)險類型。為探討水下施工風(fēng)險因素，基于專家調(diào)查法及文獻查閱法，構(gòu)建兩級指標體系，其中一級指標包括人員風(fēng)險、安全管理風(fēng)險、環(huán)境風(fēng)險、材料設(shè)備風(fēng)險、施工技術(shù)風(fēng)險5個風(fēng)險指標，二級指標包括人員基礎(chǔ)素質(zhì)等19個風(fēng)險指標(見表1)。

表1 橋梁水下施工安全風(fēng)險評估指標體系

續(xù)表1

注：CI為一致性檢驗指標；CR為一致性比率。

2 施工風(fēng)險評估模型的建立

2.1 基于 AHP 的評價指標權(quán)重確定

為定性與定量分析橋梁水下施工過程的安全風(fēng)險，采用經(jīng)典的AHP法，依照9標度的AHP要素比較標準構(gòu)造矩陣A，得：

(1)

對矩陣A進行一致性檢驗，結(jié)果見表1。CR<0.1，矩陣A滿足一致性要求。

2.2 模糊綜合評價模型的構(gòu)建與分析

多級模糊綜合評價模型可反映評價對象的層次性及各層次因素的權(quán)重，避免因素過多造成難以分配權(quán)重。步驟如下：

R，得到：

Bi=Ai°Ri=(Bi1，Bi2，…，Bin)(i=1,2,…,p)

(2)

(4) 經(jīng)過模糊合成運算，得二級綜合評價結(jié)果如下：

(3)

2.3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評價模型的建立及訓(xùn)練

2.3.1 風(fēng)險評價等級的確定

鑒于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)具有容錯能力強、計算快、圖像簡單易懂等優(yōu)點，采用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為橋梁建設(shè)風(fēng)險評估模型。參照相關(guān)規(guī)范和文獻[11]、[12]及專家問卷調(diào)查結(jié)果構(gòu)建統(tǒng)一的橋梁水下施工安全指標體系分類標準參考值，作為BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)訓(xùn)練及檢驗的基礎(chǔ)。將表1中施工風(fēng)險因素細化后，得到更具體的特征描述及相關(guān)數(shù)據(jù)標準或參考值(見表2，因篇幅有限，表格中只列舉部分內(nèi)容)。

表2 指標體系分類標準參考值

續(xù)表2

采用模糊數(shù)學(xué)法，依照表2中的參考值，得出風(fēng)險等級的分級區(qū)間(見表3)。

2.3.2 數(shù)據(jù)來源及訓(xùn)練成果分析

采用19-6-4-1網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，訓(xùn)練函數(shù)為Traingd，訓(xùn)練次數(shù)設(shè)為1 000次，學(xué)習(xí)速率為0.002，目標誤差為0.000 1。結(jié)合表2中評價指標的標準參考值，為加大訓(xùn)練數(shù)據(jù)量，采用線性內(nèi)插的方式生成21組數(shù)據(jù)作為輸入，并按下式進行歸一化：

(4)

式中：xi為變量的值；xmin和xmax分別為變量的最小值、最大值。

表3 風(fēng)險等級的分級區(qū)間

將對應(yīng)的評價結(jié)果作為期望輸出數(shù)據(jù)。在訓(xùn)練151次后，達到最優(yōu)效果(見圖1、圖2)。從圖2可以看出:訓(xùn)練及檢測效果良好。

3 石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險評估

3.1 工程概況

常祁(常寧—祁東)高速公路石潭湘江特大橋橫跨湘江河道，位于祁東與常寧交界的湘江河段，泉州渡口上游 634 m 處。橋軸線與湘江河道正交，水流方向與橋軸法線的夾角小于5°，橋區(qū)河段水深條件良好，河床穩(wěn)定。主橋跨徑組合為(67+3×110+67) m，橋墩支點處梁高為6.9 m。梁底板底面曲線及底板頂面曲線均按照二次拋物線變化。主橋橋墩采用柱式墩，主墩樁基采用單排樁基礎(chǔ)，樁基均按嵌巖樁設(shè)計并進入微風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖層。

圖1 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練均方差誤差曲線

圖2 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練樣本回歸曲線

該橋為常祁高速公路控制性工程，使用“四新”技術(shù)較多，綜合創(chuàng)新性強，施工期經(jīng)歷兩個汛期(每年6—10月)。該段航道為Ⅲ級，施工期間常有船舶過往，各種復(fù)雜因素造成施工安全風(fēng)險不易掌控，需開展橋梁水下施工風(fēng)險評估，以防止事故發(fā)生。

3.2 基于AHP法的模糊綜合評價

對該橋水下施工風(fēng)險進行評價，采用專家調(diào)查問卷的方法確定各風(fēng)險因素的隸屬度。施工過程中涉及的一、二級風(fēng)險指標評定及一致性檢驗結(jié)果見表1，均滿足一致性要求。專家成員主要由項目部經(jīng)理、項目總工、高校教授、工程安全部人員、施工管理人員組成。10位專家對評價指標中每個因素打分評價，各影響因素的隸屬度=每個評價等級的專家數(shù)/10，結(jié)果見表4。

表4 石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險各因素專家評價結(jié)果

由表4得石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險評價矩陣，其中人員風(fēng)險評價矩陣如下：

由表1可知人員風(fēng)險各指標的權(quán)重如下：

A1=(0.277 2,0.160 1,0.461 3,0.095 4,0)

人員風(fēng)險的模糊評價矩陣為：

B1=A1°R1=(0.108 9,0.268 1,0.443 7,

0.127 1,0.046 1)

同理，得：

B2=(0.166 9,0.166 9,0.405 9,0.207 7,0.059 9)

B3=(0.263 1,0.231 0,0.321 5,0.100 0,0.084 5)

B4=(0.172 8,0.191 2,0.384 3,0.151 7,0.100 0)

B5=(0.186 3,0.213 7,0.375 0,0.287 5,0.062 5)

由B1、B2、B3、B4、B5構(gòu)成評價矩陣R：

R=

由表1可知水下施工風(fēng)險各指標的權(quán)重為：

A=(0.120 9, 0.073 8, 0.214 7,0.214 7, 0.376 0)

水下施工風(fēng)險的模糊評價矩陣為：

B=A°R=(0.189 1, 0.204 0,0.378 3,

0.189 0, 0.0731)

依照評價等級劃分原則，橋梁施工風(fēng)險評價各等級的分值見表5。

表5 風(fēng)險等級劃分

風(fēng)險評價總得分為：

F=B×ST=0.189 0×85+0.204 0×70+

0.378 3×60+0.189 0×50+0.073 1×

30=64.686

對照表3，石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險等級屬于Ⅲ級，為一般風(fēng)險。

3.3 基于BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險評價

為驗證基于AHP法的模糊綜合評價結(jié)果的準確性和可靠性，運用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型開展該橋施工安全風(fēng)險評價。通過查閱該橋地址資料、設(shè)計文件、施工組織設(shè)計及安全管理文件，得到相關(guān)定量指標數(shù)據(jù)，邀請項目參與者中的專家、管理人員進行評分，結(jié)果見表6。

表6 石潭湘江特大橋水下施工風(fēng)險評價指標得分統(tǒng)計

將得到的數(shù)據(jù)向量歸一化后輸入訓(xùn)練好的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價模型中，運行后得到石潭湘江特大橋施工風(fēng)險評價輸出值為66.373 8，與模糊綜合評價的誤差為2.61%。

4 水下施工主要安全風(fēng)險特點及防范建議

4.1 主要風(fēng)險

橋梁水下施工過程具有不可見的特點，施工完畢也不能開挖驗收，任何環(huán)節(jié)出錯都伴隨著一定的經(jīng)濟損失及工期延誤。石潭湘江特大橋水下施工中的主要安全風(fēng)險在于水面交通的布設(shè)規(guī)劃、汛期施工時采用的安全防范措施及施工人員所處水面環(huán)境的不斷變化，易造成溺水、物體打擊、觸電等風(fēng)險。

橋梁水下施工的風(fēng)險包括：1) 各級別航道在施工過程不能完全禁航，施工船只來往運輸物料過程中會加大碰撞風(fēng)險；2) 大型橋梁施工時間長，難以避開汛期，搶險救治洪災(zāi)的風(fēng)險上升；3) 人員處于水上，個人防護措施難以保證到位，溺水、觸電等風(fēng)險陡升；4) 其他如施工技術(shù)、管理、材料、人員造成的風(fēng)險與一般性橋梁架設(shè)期間的風(fēng)險類似。

4.2 安全防范建議

(1) 加強班組級別的三級教育，特別是特種設(shè)備施工人員務(wù)必持證上崗，從源頭上杜絕人員的操作性失誤導(dǎo)致的風(fēng)險。

(2) 開展水上應(yīng)急演練，培養(yǎng)工人的“四不傷害”(不傷害自己、不傷害他人、不被他人傷害、保護他人不受傷害)意識。

(3) 嚴防因材料質(zhì)量原因、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性原因?qū)е碌氖┕べ|(zhì)量安全問題。

(4) 經(jīng)常性開展安全隱患排查，將發(fā)現(xiàn)的安全隱患及時處理，并定期進行安全隱患分析。

5 結(jié)語

在已有橋梁風(fēng)險評估的基礎(chǔ)上，采用文獻總結(jié)與專家調(diào)查問卷的方法，設(shè)計了橋梁水下施工風(fēng)險評價指標體系，將基于AHP法的模糊數(shù)學(xué)綜合評價與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)評價相結(jié)合構(gòu)建橋梁水下施工風(fēng)險模型，對石潭湘江特大橋水下施工安全風(fēng)險開展評估，得出該橋水下施工風(fēng)險為一般風(fēng)險。