BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在跨既有線高速鐵路橋梁施工安全風(fēng)險評估中應(yīng)用研究

劉冬冰

（中鐵十六局集團第二工程有限公司， 天津 300000）

作為全球最大的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)國家，我國在橋梁建設(shè)和鐵路建設(shè)方面處于遙遙領(lǐng)先的位置，很多相應(yīng)的技術(shù)也向外輸出到西方歐美國家和亞非拉國家等。現(xiàn)在我國的鐵路交通網(wǎng)四通八達(dá)，而且密度呈現(xiàn)出越來越密的趨勢，同時帶來的是跨既有線高速鐵路橋梁的施工越來越多，這種施工特點除了工期要求緊張，工程質(zhì)量要求嚴(yán)格之外，還有兩點必須滿足，一個是必須既要充分考慮原有的橋梁施工的安全風(fēng)險評估，另一個就是充分考慮既有線高速鐵路的安全風(fēng)險評估。對于跨既有線橋梁施工項目這種特殊性質(zhì)的橋梁施工，除了常規(guī)的要求之外，對于施工過程中的施工影響要求和施工質(zhì)量要求都有著更高的要求，所以有必要對這兩個方面開展系統(tǒng)的分析和研究，尤其是對于直接關(guān)系既有線的運營安全的跨既有線橋梁施工質(zhì)量問題，必須要開展最高級別的反復(fù)論證和研究。而對于既有線橋梁施工這種橋梁工程而言，影響施工安全的影響因素眾多，而且各個影響因素不是獨立的，各個影響因素之間都有相互的非線性關(guān)系，所以有必要建立一套非線性的研究體系來對于施工過程中的質(zhì)量影響因素進(jìn)行詳細(xì)的分析，從而更好的保證橋梁施工過程中的安全風(fēng)險評估。本文基于跨京九線橋梁施工為研究目標(biāo)，詳細(xì)論述了施工過程中的施工影響要求和安全風(fēng)險評估，然后重點針對施工過程中的影響因素利用 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究了各個影響因素之間的相互聯(lián)系，從而對于施工過程中的安全風(fēng)險評估給出合理的措施。

1 跨京九鐵路特大橋38#～41#墩（64+116+64）m轉(zhuǎn)體連續(xù)梁施工項目簡介

本次研究的項目橋梁是跨越京九鐵路的項目，因為橋梁的跨度較長，所以屬于重大項目，該項目的總長度超過了 2000米，工程難度較大，該項目總的里程DK345+313.840～ DK345+559.540（營業(yè)線里程：K2246+250～450）。

涉及鄰近營業(yè)線及營業(yè)線施工項目位于京九線鐵路泰美站～惠州站區(qū)間范圍內(nèi)（K2246+250～450段），主要包括以下內(nèi)容：

1、工程項目臨近事項具體有：40#墩人工挖孔樁物理隔離設(shè)置、39、40#墩鉆孔樁、承臺、墩身及掛籃懸灌連續(xù)梁、橋面系施工。

2、營業(yè)線施工項目主要包括：39、40#墩連續(xù)梁轉(zhuǎn)體施工，防護(hù)棚架安裝及拆除。

38#墩承臺邊距既有京九線左線線路中心距離 74.65m，不涉及鄰近營業(yè)線施工。

3、39#承臺上方架有輸電線路一條，3#與4#樁基之間埋設(shè)電線桿一根，承臺與既有線之間埋設(shè)有鐵路信號電纜三條，距承臺邊1.69m；40#承臺上方架有輸電線路一條，40#承臺與既有線之間埋設(shè)有鐵路通訊光纜一條，電纜穿越承臺邊緣；以上2條輸電線路、2條鐵路通訊電纜需改遷。具體位置詳見：附圖1。立面圖見附圖2。

39#墩鉆孔樁為11根，樁徑2m，承臺距京九線鐵路左線線路中心最近距離9.9m，承臺基坑深4.75m，距離京九線鐵路左線接觸網(wǎng)最近距離6.59m，距路基下坡腳護(hù)欄最近距離5.3m，基坑底與軌頂高差8.584m；橋墩高12m，轉(zhuǎn)體連續(xù)梁平行線路懸灌，梁體外側(cè)距線路中心最近距離16.15m。

40#墩鉆孔樁為11根，樁徑2m，承臺距京九線鐵路左線線路中心最近距離7.1m，承臺基坑深4.75m，距離京九線鐵路左線接觸網(wǎng)最近距離3.5m，距路基下坡腳護(hù)欄最近距離1.6m，基坑底與軌頂高差8.584m；橋墩高8.5m，轉(zhuǎn)體連續(xù)梁平行線路懸灌，梁體外側(cè)距線路右線中心最近距離7.09m。

2 研究項目安全指標(biāo)體系的評估與建立

作者通過多年的橋梁施工經(jīng)驗結(jié)合對一線施工工人的問卷調(diào)查，按照系統(tǒng)性、層次性和邏輯性的原則建立了跨既有線高速鐵路橋梁施工安全風(fēng)險評估指標(biāo)體系，整個體系劃分為兩個層次，一級體系層次包括具體的5個方面的風(fēng)險體系，分別是物資與設(shè)備一級風(fēng)險管理體系、施工管理一級風(fēng)險管理體系、人員一級風(fēng)險管理體系、環(huán)境一級風(fēng)險管理體系和施工技術(shù)一級風(fēng)險管理體系。

每一個一級體系層次又可以進(jìn)一步細(xì)分為若干個二級體系層次，具體來說物資與設(shè)備風(fēng)險管理體系包括7個二級體系層次，分別是材料質(zhì)量二級風(fēng)險管理體系、新材料不適應(yīng)二級風(fēng)險管理體系、材料創(chuàng)新發(fā)展二級風(fēng)險管理體系、設(shè)備維修檢測水平二級風(fēng)險管理體系、新設(shè)備不適應(yīng)二級風(fēng)險管理體系、設(shè)備技術(shù)創(chuàng)新發(fā)展二級風(fēng)險管理體系和設(shè)備更新提水平二級風(fēng)險管理體系。施工管理一級風(fēng)險管理體系包括9個二級體系層次，分別是應(yīng)急救援措施完善性二級風(fēng)險管理體系、安全管理措施費不到位二級風(fēng)險管理體系、施工組織設(shè)計貫徹利度二級風(fēng)險管理體系、信息處理不及時二級風(fēng)險管理體系、監(jiān)控方案合理性二級風(fēng)險管理體系、監(jiān)控數(shù)據(jù)完整度二級風(fēng)險管理體系、項目參與方溝通協(xié)調(diào)不及時二級風(fēng)險管理體系、施工安全風(fēng)險管理規(guī)章制度落實程度二級風(fēng)險管理體系、組織機構(gòu)不完備二級風(fēng)險管理體系。人員一級風(fēng)險管理體系包括6個二級體系層次，分別是人員基礎(chǔ)素質(zhì)水平二級風(fēng)險管理體系、人員工作水平二級風(fēng)險管理體系、人員操作失誤二級風(fēng)險管理體系、違章作業(yè)與違章指揮二級風(fēng)險管理體系、人員安全意識薄弱二級風(fēng)險管理體系和人員配置不足或不當(dāng)二級風(fēng)險管理體系。環(huán)境一級風(fēng)險管理體系包括 6個二級體系層次，分別是既有線侵限二級風(fēng)險管理體系、作業(yè)環(huán)境保障水平二級風(fēng)險管理體系、社會災(zāi)害二級風(fēng)險管理體系、地質(zhì)環(huán)境不良二級風(fēng)險管理體系、內(nèi)部社會環(huán)境保障水平二級風(fēng)險管理體系和自然環(huán)境災(zāi)害二級風(fēng)險管理體系。施工技術(shù)一級風(fēng)險管理體系包括6個二級體系層次，分別是橋梁設(shè)計長度與跨度二級風(fēng)險管理體系、勘測設(shè)計深度二級風(fēng)險管理體系、技術(shù)交底完整度二級風(fēng)險管理體系、施工質(zhì)量控制度二級風(fēng)險管理體系、新工藝新技術(shù)成熟度二級風(fēng)險管理體系和施工方案合理性二級風(fēng)險管理體系。

3 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)理論基礎(chǔ)及算法

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)是機器學(xué)習(xí)方法在傳統(tǒng)的統(tǒng)計理論的應(yīng)用成果，唯一的差別是傳統(tǒng)的統(tǒng)計理論遵循的是經(jīng)驗風(fēng)險最小，而 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)遵循的是結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小，該方法最大的特點就是適用于小樣本數(shù)據(jù)，而神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)適用于大樣本數(shù)據(jù)，所以對于跨既有線高速鐵路橋梁施工安全風(fēng)險評估這種小樣本數(shù)據(jù)，BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的適用性更強。

BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)采用的是三層結(jié)構(gòu)，中間隱層節(jié)可以根據(jù)不同的實際問題而做出變化，從而擴大了適用范圍；同時通過 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的分析加權(quán)閾值可以提高訓(xùn)練數(shù)據(jù)的維數(shù)，將非線性問題的求解引入到高維空間，這樣既可以保障不同實際問題的樣本數(shù)據(jù)不受維數(shù)的限制，同時可以避免神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的維數(shù)短板。計算過程簡單明了，物理意義更加明確。通過新技術(shù)的應(yīng)用，研究項目安全風(fēng)險評估的所有運行過程都將會及時透明的展示給項目參與者。信息化的安全風(fēng)險評估管理系統(tǒng)的優(yōu)勢在于其可以自動化的進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，加快信息流通的速度。

4 研究項目的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)風(fēng)險評估過程

4.1 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析加權(quán)閾值的選取

神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析加權(quán)閾值影響著數(shù)據(jù)從原始空間映射到高維空間的方式，所以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析加權(quán)閾值的選擇是 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析建模過程中的重要環(huán)節(jié)，本次研究沒有選擇復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析加權(quán)閾值，而是選擇了具有徑向?qū)ΨQ解析的反距離褶積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)分析加權(quán)閾值，具體表達(dá)式如下：

4.2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型驗證

對于選定的分析加權(quán)閾值，建立了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，我們對于模型進(jìn)行了驗證，驗證結(jié)果如表2所示。

表2 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型驗證表格

從表中可以看到，通過BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)平均誤差控制在0.3%以內(nèi)，擬合情況良好，證明了模型建立的分析加權(quán)閾值選擇正確，參數(shù)訓(xùn)練合理。

4.3 研究項目的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)安全風(fēng)險預(yù)估

利用已經(jīng)建立好的BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對跨京九鐵路特大橋施工安全進(jìn)行風(fēng)險預(yù)測，第一步就是將跨京九鐵路特大橋施工安全的 34個風(fēng)險指標(biāo)進(jìn)行歸一化處理作為BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的輸入數(shù)據(jù)，然后通過BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的計算得到跨京九鐵路特大橋施工安全的風(fēng)險指數(shù)是0.20138，這屬于一個低風(fēng)險的范疇，與跨京九鐵路特大橋項目的風(fēng)險設(shè)計相一致，驗證了方法的適用性。

5 結(jié)論

論文形成了四大類風(fēng)險指標(biāo)，系統(tǒng)性開展了 BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在跨京九鐵路特大橋38#～41#墩（64+116+64）m轉(zhuǎn)體連續(xù)梁施工風(fēng)險評估中的應(yīng)用，應(yīng)用結(jié)果表明通過這種非線性統(tǒng)計算法得到的風(fēng)險評估結(jié)果與項目最初設(shè)計的風(fēng)險評估結(jié)果一致，充分說明了方法的適用性和合理性。