基于模糊可拓模型的拼宽桥梁施工安全风险评估

陈礼彪，梁乾敏，卢兴利

（1.福建省高速公路集团公司，福州350000；2.长安大学，西安710064；3.中国科学院武汉岩土力学研究所，武汉430000）

1 引言

随着高速公路的通行量日益增长，为缓解其通行能力不足等问题，通常对桥梁进行改扩建，即对既有桥梁进行单侧拼宽或两侧拼宽。很多拼宽桥梁处于山区中，拼宽工序复杂，存在施工难度大、危险性高等特点，因而有必要对拼宽桥梁进行有效的施工安全风险评估和风险控制。

交通部颁发的《公路桥梁和隧道工程施工安全风险评估指南》中，采用指标体系法建立桥梁工程的总体风险评估体系，并采用风险矩阵法进行专项风险评估；薛亚东等【1】指出已有规范存在缺乏清晰完备的风险管理流程以及规范的风险评估指标体系等问题，总结并改进了规范中的风险评估过程；陆新鑫等【2】通过引入肯特指数法，建立基于肯特指数法的桥梁风险评价模型；马小锋等【3】在已有规范的基础上补充了千米级大跨桥梁的特有风险源，并采用指标体系法和矩阵法对重大风险源进行了量化估测。已有研究对规范做出了较多改进，但规范仍存在明显不足：（1）未考虑拼宽桥梁工程特有的单位作业及相应风险源；（2）规范及已有文献所用评估方法不能有效解决矛盾问题和不确定问题，导致评估结果不够合理可靠。

本文建立了模糊可拓评价模型，并结合拼宽桥梁施工特点，构建事故可能性和事故严重程度的指标体系，再通过风险矩阵法对全桥施工风险等级进行评定，最后以一座拼宽桥梁工程为依托工程进行实例分析，验证了本文方法的合理性及有效性。

2 模糊可拓评价模型

模糊可拓评价是结合物元理论、可拓集合理论和模糊数学，量化待评定因素，再确定各评估指标的权重以及各评估指标与评价目标间的关联度，进而得出全桥风险评估等级。模糊可拓评价模型建立过程如下。

2.1 确定经典域

物元的经典域如式1所示。

式中，Ri为某一具体风险事件；Ni为该风险事件Wi的风险指标；ui为第i个指标的评价等级；（ani，bni）为相应评价等级的取值范围。

2.2 确定待评物元

待评物元见式（2）：

式中，RT为待评物元；T为待评物元的取值范围；vi为某一个评估指标的具体量值。

2.3 评估指标的关联度求解

各评估指标间相互影响，关于各等级的关联函数公式见式（3）：

式中，v0ij为第j个评估指标在第i个等级下的取值范围；vip为第i个风险指标的取值范围。

2.4 确定评估指标权重

各评估指标的权重可通过熵权法来确定，某个指标的离散程度可用熵值来判断，判别规律大致为：指标的离散程度越大，由熵权法确定的评估指标权重就越大。该方法的具体流程如下：

1）判断矩阵Ri=（rij）m×n（i=1，2，…，m；j=1，2，…，n），其中，r为判断指标，m为评估指标等级，n为评估指标总个数。

3）确定指标熵权值见式（4）：

2.5 综合关联度

根据评估指标的权重和关联度，可计算出事故的综合关联度，计算公式见式（5）：

式中，p为研究的风险事件。

3 拼宽桥梁施工安全评估指标体系

本文收集了大量文献资料，再以两侧拼宽的苦竹山大桥作为依托工程，通过现场调研及专家咨询等方式，考虑桥梁工程的自然环境、设计参数以及施工过程等因素，并结合拼宽桥梁工程的特点，建立拼宽桥梁工程的施工安全评估指标体系。

3.1 工程概况

苦竹山大桥位于福建省龙岩市新罗区与上杭县境内。全桥总长332m，主桥为3×35m+4×35m+2×40m的连续-刚构T梁桥，桥梁平面位于半径R=2 598.5m的左偏圆曲线和直线上。桥梁桩基采用钻孔灌注桩，桥墩采用柱式墩；桥台采用板凳台、柱式台。桥梁左右幅第八跨上跨既有赣龙铁路及冶炼厂铁路专用线。桥位区属低山区坡地间沟谷地貌，地形起伏较大，为U形沟谷。沿线路轴线地面高程为602～635m，最大相对高差为33m，地形起伏较大。苦竹山大桥为既有桥梁双侧拼宽扩建，两侧各拼宽8m。

本拼宽桥梁工程的施工安全重大风险源主要源于基坑施工、墩柱施工、悬臂施工、主梁拼接作业以及盖梁拼接作业。本文结合拼宽桥梁的特点，以主梁拼接作业为例，介绍苦竹山大桥的施工安全风险评估指标体系。

3.2 事故可能性指标

事故可能性指标等级评定标准如表1所示。

3.3 事故严重程度指标

事故严重程度指标等级评定标准如表2所示。

表2 事故严重程度指标等级评定标准

3.4 风险等级评定标准

采用风险矩阵法综合考虑事故可能性和事故严重程度，进而确定拼宽桥梁施工安全风险等级。风险等级分为4级：低度（Ⅰ级）、中度（Ⅱ级）、高度（Ⅲ级）、极高（Ⅳ级）。

4 拼宽桥梁工程施工安全风险评估

实际的拼宽桥梁工程施工安全风险评估过程，应将各评估指标分等级量化，再结合苦竹山大桥拼宽作业的实际情况进行具体量化，进而确定各评估指标关联度并计算权重值，最终确定苦竹山大桥拼宽作业的风险等级。

4.1 评估指标量化值确定

先根据苦竹山大桥拼宽作业特点，确定事故可能性和事故严重程度的风险评估指标的量化值等级区间，再结合工程实际情况，最终确定各评估指标的量化值，如表3和表4所示。

表3 事故可能性评估指标量化值

表4 事故严重程度评估指标量化值

4.2 评估指标关联度计算

根据关联函数公式，计算出各评估指标的关联度，计算结果如表5和表6所示。

表5 事故可能性评估指标关联度

表6 事故严重程度评估指标关联度

4.3 风险等级确定

根据熵权法计算公式，再结合各评估指标的关联度计算，可得事故发生可能性关于各评价等级的综合关联度为[-0.149 8-0.069 0-0.162 1-0.480 5]，则事故发生可能性等级为2级，即属于偶然发生；同理，可得事故发生严重程度关于各评价等级的综合关联度为[-0.289 5-0.167 2-0.018 5-0.320 5]，则事故发生严重程度等级为2级，属于较大事故。

结合风险矩阵法可得，苦竹山大桥主梁拼接作业的风险等级为Ⅱ级，即中度风险，与现场情况基本相符，应采取相应措施进行风险控制。

5 结语

1）在实际工程的风险评估过程中，应在常用评估指标的基础上，结合该桥特点（如拼宽桥梁、转体施工桥梁等），增加关于事故可能性及事故严重程度相应的评估指标，建立全面完整的拼宽桥梁工程施工安全风险评估指标体系。

2）基于模糊可拓评价模型，建立了拼宽桥梁工程施工安全风险评估指标体系，并采用熵权法计算评估指标权重，最终得出全桥风险等级，与现场情况基本相符，验证了本文评估方法的合理性及有效性。