大跨度斜拉桥拆除工程风险评估

李 扬

(上海市政工程设计研究总院(集团)有限公司，上海 200092)

0 引 言

某大跨径斜拉桥因桥下通航等级提升，致使桥下净空无法满足通航要求，同时该桥建造年代较为久远，结构存在较多难以消除的疾患，故拟对其进行拆除重建。目前，国内外已经成功实施过一些斜拉桥的拆除[1-3]，但都是采用整体爆破手段。然而，对于桥位环境不适于爆破的斜拉桥则需要采用逆序法逐段拆除，目前尚无成功实施的案例。

相比爆破法拆除，斜拉桥逆序拆除技术更为复杂，其风险发生频率和损失程度也相应增加。为使项目决策更科学合理，保障项目顺利实施，对该桥拆除过程实施风险评估就显得尤为必要。事实上，在斜拉桥建设领域，国内外学者已经开展了大量风险评估研究，并取得了丰硕成果[4-6]。然而，在对大跨径斜拉桥逆序拆除方面，由于缺乏工程案例，其风险研究也暂未见报道。

笔者首先简要介绍项目概况和拆除方案，其次提出一套适用于大跨度斜拉桥逆序拆除项目风险评估方法，然后利用该方法进行风险识别、分析和评价，并提出相应风险应对措施。

1 项目概况及风险定义

1.1 项目概况

某双塔双索面预应力混凝土斜拉桥，跨径布置为(85+200+85)m，采用塔梁固结、塔墩分离的结构体系。主跨跨中设置30 m简支挂孔，边跨三分点处设置两个辅助墩，其总体布置如图1。桥面布置为2.5 m(人行道)+7 m(车行道)+2.5 m(人行道)，总宽12 m。桥下河道通航净宽为192 m，因航道等级提升，根据新的通航论证结果，通航净空要求由原来的3.1 m提高为7 m，因此需要对大桥进行拆除改造。

图1 某大跨度斜拉桥总体布置(单位：m)Fig. 1 Elevation of a long-span cable stayed bridge

1.2 拆除施工方案

桥梁拆除总体顺序遵循“先上部后下部，拆桥为建桥施工的逆顺序”原则，具体拆除方案为：

① 拆除桥面系附属设施；② 拆除位于跨中的挂孔段主梁，可采用浮吊吊装；③ 河跨标准段拆除，桥面悬臂挂篮切割后利用汽车吊转运；④ 岸跨采用满堂脚手支架支撑，斜拉索与河跨斜拉索同步对称放索；待河跨拆除之后，进行岸跨切割拆除；⑤ 在桥梁两岸各设置一块构件破碎场地，将切割分块的构件在场地内破碎、清运。

1.3 风险定义及风险评估工作内容

考察既有的风险研究成果，国内外学者对于风险定义虽有不同之处，但总体上都是围绕事故概率和后果等问题展开[7-9]。笔者采纳文献[9]的定义：风险是“在给定条件下，评估对象发生损失概率及其严重程度的组合”。

风险评估工作内容十分丰富，且对于不同领域，风险评估工作侧重点也有所不同。对于大跨度斜拉桥逆序拆除项目而言，风险评估核心工作内容主要有：风险识别、风险分析、风险评价和风险应对。

2 风险识别

2.1 鱼骨图法

常见风险识别有检查表法、故障树法、德尔菲法等[7]。这些方法很大程度上依赖于既有经验，而本项目在国内外尚无参考案例，且技术复杂、未知因素较多，利用上述方法进行风险识别易产生漏项。

鱼骨图法是一种帮助发现问题本质原因的方法，将其用于风险识别，可避免个人思维局限性，能较为全面地获得风险因素，且实施方便[10]。鱼骨图法用3个层次指标体系来分析问题，总指标即为“项目风险”，包括工期延误、质量问题等在内的一切没有如约完成的工程情况均可称为“项目风险”；I级指标通常是指“人、机、料、法、环”这5个方面；II级指标则是造成该方面的具体原因，此时可采用头脑风暴等形式，尽可能多而全地找出所有可能原因，而不仅限于自己掌控或正在执行的内容。

2.2 风险识别指标体系

利用鱼骨图法对该项目的风险源进行分析，定性地建立风险识别指标体系，如表1。限于篇幅，笔者对各风险因素具体含义不再赘述。

表1 风险识别指标体系Table 1 Risk identification index system

3 风险分析

3.1 层次分析法

风险分析方法有蒙特卡罗法、决策树法、层次分析法(AHP法)等[7]，其中层次分析法用于多级指标分析时具有较好精度。

3.1.1 建立判断矩阵

以上一层某元素为准则，对本层元素进行两两比较判断，按照表2的评分法则将比较结果数量化，形成判断矩阵。以Ⅰ级指标为例，若包含n个元素，则I级指标的判断矩阵A=(aij)n×n, (i,j=1, 2,…,n)，其中：aij表示从总指标层考虑元素i对元素j的相对重要程度。

表2 重要性评分法则Table 2 Grade principle for importance

3.1.2 层次单排序

获得某一层判断矩阵后，可对该层各元素对上一层元素重要性进行排序，称为层次单排序。单排序问题可归结为计算判断矩阵的最大特征根及特征向量。特征根和特征向量的计算方法有很多种，例如和积法、方根法、幂法等，笔者不再赘述。若判断矩阵A的最大特征根为λmax，对应特征向量为W=(w1,w2, …,wn)，w1,w2, …,wn即为该层各元素对上一层元素的权重系数，其数值越大则重要性越大。

应用层次分析法时，必须保证思维判断一致性，因此需对判断矩阵A进行一致性检验，即一致性比率CR应满足式(1)要求：

(1)

式中：CI为一致性指标；RI为平均随机一致性指标，与判断矩阵阶数n有关，可由表3查得[11]。

表3 平均随机一致性指标RI取值Table 3 RI value of mean random consistency index

3.1.3 层次总排序

层次分析法的最终目的，是求出II级指标层上各元素对于总指标层的权重，称为层次总排序。假定已经按照层次单排序方法算出I级指标层上各元素相对于总指标层的权重向量为W(Ⅰ)；Ⅱ级指标层上所有元素对Ⅰ级指标层上对应元素的排序权重向量为V(Ⅱ)，则II级指标层上元素对总指标层的合成排序向量W(Ⅱ)如式(2)：

W(Ⅱ)=W(Ⅰ)×V(Ⅱ)

(2)

3.2 风险权重排序

基于层次分析法，依据项目特点制作风险矩阵调查表，邀请多位专家依据表2准则对调查表中的风险进行两两判断。根据专家判断打分，构造判断矩阵(结果如表4、5)。

表4 Ⅰ级指标判断矩阵ATable 4 Judgment matrix A for index class Ⅰ

表5 Ⅱ级指标判断矩阵A1～A5Table 5 Judgment matrix A1～A5 for index class Ⅱ

通过求解上述判断矩阵最大特征根及特征向量，验证各判断矩阵一致性比率均满足式(1)要求；将所得各特征向量代入式(2)，可算出II级指标层上所有元素对总指标层的合成排序向量W(Ⅱ)，如式(3)：

W(Ⅱ)=(0.033,0.01,0.01,0.02,0.036,0.018,

0.156,0.191,0.004,0.014,0.03,0.006,0.125,0.033,0.077,0.011,0.019,0.157,0.059,0.011)

(3)

4 风险评价

4.1 模糊综合评价法

在计算出各风险因素的权重之后，还需用量化手段描述风险概率及其损失的严重程度，这一过程可利用模糊综合评价法[12]实现。

4.1.1 建立评价集合

定义风险评语集合U={极低，低，中，高，极高}用于对由风险严重程度进行描述，其对应评分集合G={1, 2, 3, 4, 5}。

4.1.2 构建模糊关系矩阵

利用评价集合对II级指标层所有元素进行一一评价，然后各元素得到某种评价次数除以总调查人数，即可得到模糊关系矩阵R的各个元素数值。

4.1.3 模糊合成

将II级指标层各元素对总指标层的权重向量W(Ⅱ)和模糊关系矩阵R进行模糊合成，可得到项目风险的综合隶属度M，如式(4)：

M=W(Ⅱ)×R

(4)

4.1.4 综合评分

项目风险综合评分结果u可由式(5)求得：

u=M·GT

(5)

将u值与评分集合G中各分值进行比较，即可按照较为接近的一类进行判定。

4.1.5 总体风险等级评定

利用上述方法分别对项目风险概率、风险损失进行评分，得到风险概率及损失等级，然后根据表6确定项目总体风险等级。对各类风险等级定义列于表7[12]。

表6 风险等级评价Table 6 Evaluation of risk level

表7 风险等级定义Table 7 Definition of risk level

4.2 风险概率等级评价

根据本项目特点制作风险概率调查表，并邀请前述专家在相应概率级别上打勾，将打勾次数除以专家人数后填入表8，即得风险概率模糊关系矩阵。

表8 风险概率模糊关系Table 8 Fuzzy relation of risk probability

利用式(4)、(5)可得到风险概率综合评分结果u=2.602，因此可认为该项目总体风险概率为中级。

4.3 风险损失等级评价

制作风险损失调查表，采用同样方法可得到风险损失模糊关系矩阵，如表9。

表9 cTable 9 Fuzzy relation of risk loss

(续表9)

利用式(4)、(5)可得到风险损失综合评分结果u=3.186，因此可认为该项目总体风险损失为中级。

4.4 总体风险等级评价

查询表6，可知本项目总体风险等级为中级，即项目有条件实施，但应采取一定措施降低风险。

5 风险应对

5.1 风险应对方法

在风险等级确定之后，需根据风险等级提出更加具有针对性风险应对措施。常见风险应对方法有风险自留、风险转移、风险控制、风险规避、风险预防等[7]。对于同一个风险因素，可采用其中的一种或多种应对方法。

5.2 风险应对措施

式(3)已揭示出对本项目风险影响最大的4个风险因素为：拉索临时工装风险K24、水体污染风险K52、破碎切割设备风险K23、设计计算风险K41。这主要是由于：① 拉索临时工装是斜拉索切割过程中索力转换装置，其失效将直接导致对应梁体节段坍塌；② 梁体切割时产生的碎块、粉尘极易造成水体污染；③ 梁体、桥塔节段中布设有大量钢筋和预应力钢束，对切割机性能要求极高；④ 老桥已经运营了30余年，其混凝土老化、斜拉索锚头锈蚀等情况严重，需在计算模型中充分考虑这些因素影响。

通过层次分析法得出风险权重排序结果符合实际情况。限于篇幅，笔者仅针对这4大风险提出相应的应对措施，如表10。

表10 风险应对措施Table 10 Corresponding risk countermeasures

(续表10)

风险因素应对措施水体污染风险K52破碎切割设备风险K23设计计算风险K41①在拟切割构件的周围布置防抛网,阻止碎块掉入河中;②原位进行大块切割,运至岸边场地再进行破碎;③施工过程中进行水质实时监测,如有异常立即停止,并研究解决。①切割和破碎设备通过招标后由专业的设备厂家提供,出厂前对设备进行保养,所有设备必须出具合格证书和保养凭证;②正式切割破碎前,先对整个切割和破碎过程进行预演调试。①聘请第三方咨询机构,对拆桥设计和计算文件进行复核、审查;②设计单位应充分考虑斜拉索锚头老化造成的无法完全重现原施工状态的问题,按照最不利工况进行结构验算,并预留一定的安全度。

6 结 论

笔者在总结风险评估主要工作内容基础上，提出了一套适用于大跨度斜拉桥拆除项目的风险评估方法。该方法核心内容包括：① 利用鱼骨图法进行风险因素识别；② 利用层次分析法进行风险权重分析；③ 利用模糊综合评价法进行风险等级评价。

利用所提出方法，对某大跨度斜拉桥拆除项目案例进行风险评估。构建起5个I级指标、20个II级指标组成的风险识别指标体系；然后对各风险因素的权重、概率、损失进行分析与评价。结果显示：该项目总体风险等级为中级；最后针对影响最大的4个风险因素提出了相应的应对措施。

笔者提出的风险评估方法可对今后类似工程建设风险评估提供参考，具有较好的社会经济效益。