基于集对分析理论的大型沉井基础施工动态风险评估

施 洲 纪 锋 余万庆 李 冰

(1西南交通大学土木工程学院, 成都 610031)(2中国铁路上海局集团有限公司南京铁路枢纽工程建设指部, 南京 200142)

沉井基础具有自身刚度大、整体性强、能够承受巨大的垂直和水平荷载等优点,广泛应用于桥梁工程中[1].目前,桥梁沉井基础的平面面积随桥梁跨径的增大而不断增加,沪苏通长江大桥和五峰山长江大桥沉井面积已分别突破5 100和7 200 m2.随着沉井平面面积的不断增大,其施工过程的复杂性及施工风险骤增,施工中一旦发生事故会造成大量经济损失和不良社会影响.因此,如何针对沉井基础工程的特点建立合理高效的风险评估体系,成为目前沉井施工过程中亟待解决的现实问题.长期以来,国内外学者不断对沉井工程中的风险问题开展研究.Abdrabbo等[1]从施工工艺、地质条件等角度对一般工程中的沉井施工风险进行了系统分析.刘沐宇等[2]运用主成分分析法,获得武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇沉井基础施工中主要的风险因素,如井底流沙、不均匀开挖等.针对施工过程中风险源随各类施工控制措施的实施而不断发生变化的问题,邓友生等[3]采用MIDAS-GTS软件建立了武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇沉井的三维计算模型,模拟了沉井施工变位情况,详细分析了施工中不同控制对策下的沉井变位风险.彭仪普等[4]结合GPS-RTK信息化实时监控和有限元分析方法,模拟了大型沉井定位着床及施工过程风险,对沉井下沉中可能存在的几何姿态和不利受力风险开展研究.曹茹接[5]利用有限差分法原理对沉井的施工过程受力风险进行动态模拟,并对不同控制措施的防护效果进行评估.

在桥梁施工风险评估中,基于贝叶斯网络风险事故链[6]、动态传递链模型[7]的动态风险评估日益发展.然而,目前针对桥梁大型沉井施工的动态风险评估工作较少.本文将风险分析与施工监测系统相结合,构建了基于监测数据的沉井基础动态风险评估指标体系,提出了一种基于集对分析理论的动态风险评估方法,对五峰山长江大桥北锚碇沉井基础施工阶段进行动态风险评估.

1 沉井施工动态风险评估指标体系

1.1 风险指标及体系构建

既有的风险评估中,通常先识别与人员、机具、物料相关的风险源,再进行风险等级评估[8-10],对沉井结构风险动态变化特性的针对性不强.考虑到沉井施工中的实时监测系统对施工过程进行了较全面的监控,沉井结构应力、变形等监测指标同样能够指示施工中沉井的风险状态,因此可替代风险源作为风险评估基本指标.将随时间不断变化的各项监测数据应用于构建沉井施工动态风险评估指标时,沉井结构受力、位移参数可直接作为动态风险评估指标.土压力指标因基底、井壁土体及开挖不均匀性的影响不便于直接应用,可对其多测点取平均值并换算为基底和井壁的整体土压力,再根据沉井浮力和自重值换算为下沉系数.下沉系数、沉井刃脚附近泥面标高以及沉井内外水位差即为沉井基础动态风险评估指标体系的二级指标.为更好地反映沉井几何姿态,根据监测的沉井几何位移数据,计算出平面扭转、中心偏位、四角高差、沉井挠度等指标参数.大型沉井基础施工中常用的监控指标[11-12]及对应的评估指标体系见表1.

表1 沉井施工监测内容与评估指标

1.2 风险指标等级评价标准

根据桥梁施工风险评估研究成果,可将风险等级划分为极低、较低、中等、高、极高的Ⅰ～Ⅴ级风险等级[2].对于极低及较低等级风险,在施工中按正常施工工艺控制;对于中等风险,应采取风险控制措施;对于高等级风险,应停止施工并分析原因,采取措施将风险降至中等及以下等级;对于极高等级风险,应采取专项施工措施控制风险.为建立沉井基础动态风险评估指标体系,参考以往的沉井基础施工监控经验[11-12],制定二级指标的风险等级内容及分级界限值如下:沉井结构应力采用各指标对应的设计应力值σ;沉井几何姿态中,针对平面扭转角度、四角高差、中心偏位、井墙挠度分别采用相应的监控限值lc、Δc、ε、γ作为指标;控制参数指标中,刃脚泥面标高、沉井内外水位差的控制限值为h、Δh,下沉系数可基于1.05～1.5的合理范围划分.根据工程情况,对上述指标进行评估等级区间划分,得到指标体系风险等级划分表(见表2).表中指标限值区间可根据实际工程结构特点及实际参数调整.

2 基于集对分析理论的动态风险评估

2.1 集对分析理论

大型沉井基础施工中,将基于实时监测系统的实测数据与监控限值进行对比分析,结合表2中的风险等级划分,实现初步的风险源等级评估.监测数据随时间不断变化,将其带入评估,即可实现动态评估.然而,沉井施工过程中监测参数较多,初步风险评估中基于某一项数据评判的风险等级可能存在一定偏差,且不同类型监测参数下的不同风险评估指标结果可能相互矛盾.为此,引入集对分析理论[13],建立基于多类型监测参数的评估指标与综合风险等级之间的联系数,并将联系数量化为动态风险指数m,进而实现更准确的风险等级划分.

表2 指标体系风险等级划分

根据表2中指标内容及评估等级结果,设定基于监测参数的风险评估指标集合A={σ,lc,ε,Δc,…},指标风险等级划分集合B={Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ,Ⅳ,Ⅴ},将集合A和B组成集对M=(A,B),建立基于多监测参数的评估指标与风险等级之间的多元联系数公式.为与各监测指标5级风险等级的划分相对应,将不同指标监测数据量化成统一的无量纲值,采用五元联系数μ进行评估分析,其表达式为

μ=a+bi+cj+dk+el

(1)

式中,a为同一度;b、c、d为差异度;i、j、k为差异度系数;bi、cj、dk为差异度分量;e为对立度;l为对立度系数;el为对立度分量.当μ=a,bi,cj,dk,el时,表示指标风险分别处于较低、低、中等、较高、极高等级.

2.2 动态风险评估模型

沉井基础动态风险评估中,依据监测系统中连续监测的数据,从二级指标、一级指标、总体指标3个层次,逐层计算各级指标五元联系数公式中的系数a、b、c、d、e.在计算一级指标和总体指标时,引入基于层次分析法的指标体系权重W,以调整评估指标的重要性程度.按照均分原则,确定差异度系数和对立度系数,并计算五元联系数主值,即可得到动态风险指数m,根据其所处的风险等级区间确定风险等级.因此,评估模型主要包括指标权重W计算、五元联系数计算、动态风险指数m计算和风险区间划分与评估4个部分.

1)指标权重W的计算.考虑到不同沉井监测参数指标对风险影响程度的差异,采用层次分析法[13]计算指标权重.即分别计算二级指标、一级指标层次内各指标的权重,并用于后续一级指标、总体指标层五元联系数的计算.在各层次指标权重的计算过程中,首先分析同层次内各指标的相对重要性,并建立模糊判断矩阵A=(aij)n×n,即采用1～9标度法[14]对二级指标中各项内容的重要性进行两两比较,并将所有比值按照对应位置向矩阵元素aij赋值,组成n阶判断矩阵A.其次,根据评价矩阵满足公式AW=λmaxW,求得权重向量W={w1,w2,…,w4}T,其中λmax为最大特征值.最后,根据λmax来检验矩阵A是否满足一致性.当计算随机一致性比率小于0.1时[14],认为判断矩阵有效.

2)五元联系数μ的计算.首先计算二级指标的联系数,根据施工中某一时刻的沉井基础指标实测数据,按照表2中的等级划分区间,计算式(1)中的a、b、c、d、e.代入不同风险等级区间的二级指标实测数据,得到五元联系数计算公式为

(2)

式中,S0～S5分别为二级指标Ⅰ～Ⅴ级风险区间划分的界限值;x为实测数据值.当x∈[S0,S1)时,联系数仅呈现同一性,对应较低风险;当x∈[S1,S2)、[S2,S3)、[S3,S4)、[S4,S5]时,联系数同一性逐步降低,差异性逐步增大,对应风险等级越来越高;当x>S5时,联系数呈现完全对立性而无工程意义,故不做考虑.记第t个二级指标的联系数为μt,同一度为at,差异度为bt、ct、dt,对立度为et,则式(2)可简化为

μt=at+bti+ctj+dtk+etl

(3)

基于二级指标联系数计算结果,结合二级指标权重W进行一级指标联系数的计算.假设第t个二级指标的权重为wt,则一级指标q的联系数μq的计算公式为

(4)

同样,基于一级指标联系数计算结果,结合一级指标权重W,计算总体指标联系数.

3)各级指标动态风险指数m的计算.依据监测数据结果和权重,得到各级指标联系数中同一度a、差异度b、c、d和对立度e.为计算五元联系数主值,需进一步确定联系数公式中差异度系数i、j、k和对立度系数l.由文献[13]可知,μ∈[-1,1],参照风险等级划分方法,采用边坡稳定[13]、煤矿安全[14]等风险评估系统常用的均分原则,将区间[-1,1]进行 五节点等分,取各等分点所对应的数值:i=0.5,j=0,k=-0.5,l=-1.0,即完成相关系数取值.代入式(1),可得各级指标动态风险指数的计算公式为

m=a+0.5b-0.5d-e

(5)

4)风险等级区间划分与评估.参照均分原则,将[-1,1]按5个评估区间等分,建立风险等级评估标准,结果见表3.因评估中未考虑x>S5的极端状况,故表中未考虑m=-1的情况.

表3 风险等级评估标准

3 动态风险评估实例

3.1 工程简介

连镇铁路五峰山长江大桥主桥为主跨长1 092 m的钢桁架悬索桥,承载着四线高速铁路和八线高速公路.大桥北锚碇采用沉井基础,长100.7 m,宽72.1 m,高56 m(见图1).

沉井施工过程中分3次下沉.鉴于该沉井平面面积巨大,达到7 200.0 m2,施工中尚无有效工程经验可借鉴,施工阶段安全风险显著,风险控制至关重要.沉井实际下沉施工过程中,去除沉井接高施工及就位后稳定的非下沉施工时间,沉井下沉施工的总有效工作时间为134 d,其中第1～46天、第47～88天、第89～134天分别为第1、2、3次下沉的有效工作时间.

图1 沉井基础结构布置(单位:m)

3.2 风险评估模型

五峰山长江大桥北锚碇沉井基础施工过程中,采用实时监测系统对沉井几何变形、结构应力、基底土压力、井内泥面标高等重要参数进行监测[11].沉井几何变位采用GPS+北斗系统实时在线监测,并采用人工全站仪监测校核;共设置9个几何测点,分别位于沉井顶面四角、中心以及四周井墙顶面中部.采用振弦式应变计监测沉井结构应力,包括对首节钢壳、混凝土及其内部普通钢筋应力的监测,其中钢壳应力测点布置于内部靠近底面位置以及钢壳外壁,混凝土及钢筋应力测点布置于钢壳与混凝土交界处以及第3、4、6、9、10节顶部.在井墙和隔墙刃脚踏面底部以及各节井壁侧面中部布置土压力盒,测量井壁和井底的土压力.此外,采用3D声纳系统和水位传感器,分别测量刃脚土体埋深值和井内外水位值.通过自动采集箱采集传感器信号,经由无线网络将信号传输至服务器,进行分析处理,然后将信号发送到终端服务器,进一步处理得到监测所需各类参数.图2为第3次下沉阶段部分几何变形实测数据.

图2 几何姿态部分实测数据

沉井监测数据是否超限等情况能够直接反映施工安全与否,但无法对沉井施工风险状态进行准确、合理、细化评判.为此,需构建基于集对分析理论的沉井基础施工动态风险评估模型.模型构建前,根据现场工程的实际监控限值(绝对值),划分指标体系风险等级区间.各指标的具体限值为:钢壳、混凝土、钢筋应力分别为140、14.6、120 MPa;平面扭转角度lc=80 cm;沉井中心偏位ε=50 cm;沉井四角高差Δc=40 cm;沉井挠度γ=50 mm;刃脚埋深h=200 cm;沉井内外水位差Δh=200 cm.

评估模型分别从二级指标、一级指标、总体指标3个方面来计算指标权重和五元联系数,求得动态风险指数,进而得到沉井施工风险等级.具体计算过程如下:

① 指标权重的计算.根据表2中的指标体系,采用层析分析法,逐层计算沉井基础的二级指标、一级指标、总体指标权重,结果见表4.

表4 风险指标权重

② 二级、一级指标联系数及动态风险指数的计算.首先计算二级联系数,将沉井施工监测数据代入式(2)和(5),计算出二级指标的联系数及联系数主值.然后,将二级指标联系数主值和表4中的风险指标权重代入式(4),计算出一级指标联系数的参数.以出现下沉困难的第94天为例,计算得到的一级指标联系数参数结果见表5.

表5 一级指标联系数参数计算结果

③ 总体指标联系数及动态风险指数的计算与评估.将二级指标联系数主值结果以及表4中的风险指标权重代入式(4),计算得到总体指标动态风险指数.例如,将沉井第94天的一级指标结果代入式(4),计算得到其总体风险的五元联系数μ=0.236 44+0.075 7i+0.433 78j+0.116 2k+0.137 8l;再根据式(5),计算出总体动态风险指数m=0.078 3,风险等级为Ⅲ级.

3.3 风险评估结果与分析

沉井下沉施工过程中,基于监测参数计算的钢壳、混凝土应力等10个二级指标动态风险指数变化曲线见图3.

(a) 结构应力

(b) 几何姿态

(c) 控制参数

由图3(a)可见,沉井应力3项动态风险指数曲线在2次接高(第47和89天)时出现波动,说明沉井受力增大,受力不均匀的风险增大,对应着沉井因自重增加而受力更为复杂的风险状态.第102天时,混凝土应力指数A13降低至-0.47,对应Ⅳ级风险,并持续至沉井就位,说明沉井混凝土受力复杂且开裂风险较高.然而,钢壳应力指数A11和钢筋应力指数A12的曲线相对平稳,表明结构受力仍是安全的.

由图3(b)可见,沉井平面扭转角度指数A21全过程变化平缓且大都大于0.5,表明沉井平面扭转角度风险小.沉井中心偏位指数A22始终为1,表明沉井基本无中心偏位风险.沉井四角高差指数A23在下沉施工全过程变化显著,多次低于-0.2甚至接近-1.0,表明施工过程中沉井开挖不均匀,沉井几何偏位风险大,施工控制困难.沉井挠度指数A24存在波动但大都大于0.6,说明沉井自身变形尚控制在良好状态.

由图3(c)可知,第102天前,沉井下沉系数A31、刃脚泥面标高指数A32和内外水位差指数A33稍有波动,其量值均接近1,风险等级较低,亦未发生涌砂、涌水等风险事件.第102天后,下沉系数指数A31波动显著,最低下降到-0.85,对应Ⅴ级风险,与沉井混凝土应力指数A13、四角高差指数A23的低值相对应,说明此阶段出现了小规模滞沉、突沉等风险[15].同时,其余风险指数并未处于低值,表明风险在可控范围内.

下沉期间一级指标动态风险指数变化曲线见图4.由图可见,结构应力指数A1从0.41逐步下降到-0.30,对应风险等级也从Ⅱ级升至Ⅴ级,符合第68天后沉井下沉深度增加且开挖工艺从预留核心土向“大锅底”转换时,沉井因底部支撑减少、受力复杂、风险增大的实际情况.几何姿态指数A2与沉井四角高差指数A23的曲线波动趋势一致,风险等级基本保持在可接受的Ⅲ级风险以内.控制参数指数A3与下沉系数指数A31的曲线发展趋势类似,且最高达到Ⅴ级风险;究其原因在于,作为重要的影响参数,下沉系数被赋予了较高权重值.由此可见,一级指数更为宏观地反映二级指数变化情况,并体现关键指标的变化趋势.

图4 一级指标动态风险指数变化曲线

总体动态风险指数变化曲线见图5.由图可见,第46天前,总体风险指数稳定在0.5以上,处于较低的Ⅰ、Ⅱ级风险.第46～90天时,沉井总体风险虽仍在Ⅱ级风险以内,但曲线波动较前期更为明显;原因在于,随着下沉深度的增加,沉井基底土的不均匀性、结构受力与变形更为复杂,施工控制难度增大.第90～129天,曲线波动显著,最低值为-0.09,对应Ⅲ级风险,反映了沉井出现滞沉、突沉等高风险事件.第130天后,下沉末期引入空气幕、降水等助沉措施,曲线逐步回升并趋于稳定,沉井总体风险降至可接受的Ⅱ级风险.

图5 总体动态风险指数变化曲线

基于集对分析理论的沉井动态风险指数评估计算结果能够全面、动态地反映五峰山长江大桥沉井基础下沉施工中的实际风险情况,为风险评估与控制提供一种新的量化方法.

4 结论

1) 将风险分析与沉井施工监测数据相结合,建立动态风险评估指标体系.引入集对分析理论和层次分析法(AHP),提出了基于五元联系数的三层次动态风险评估方法.

2) 沉井二级指标中,第102天混凝土应力指数A13降至-0.47,对应Ⅳ级风险,并持续至沉井就位,说明沉井混凝土受力复杂且开裂风险较高.下沉系数A31和四角高差A23的低值反映了第102天后出现小规模滞沉、突沉等风险;其余风险指数并未处于低值,表明风险在可控范围内.

3) 沉井一级指标中,结构应力指数A1在第68～112天中逐步降至-0.30,对应Ⅳ级风险,反映了混凝土等受力复杂风险增大的实际情况.控制参数指数A3与下沉系数指数A31的曲线发展趋势类似，评估为Ⅴ级风险，说明下沉系数为关键指标.

4) 总体动态风险指数在第90天前处于低值,之后指数曲线波动显著,最低值为-0.09,对应Ⅲ级风险,说明沉井整体处于中等风险状态.

5) 通过五峰山大桥沉井基础施工实例,验证了动态风险评估模型及其指标体系的可靠性,为桥梁基础等工程风险动态评估提供了新的量化方法.