基于混合算法的耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工风险评估

石学坤,崔凤坤,袁 航,李贤锋,张方敏

(1.中铁十局集团青岛工程有限公司,山东 青岛 266600;2.山东交通学院,山东 济南 250357)

0 引 言

随着我国铁路项目建设的不断增加,建设跨越既有路线桥梁的数量也随之增加。为降低桥梁施工对既有线路营运的影响,顶推施工法在新建桥梁跨越既有线方面得到了广泛应用。相较于传统桥梁施工方式,顶推施工法是将桥梁在侧位拼装完成后,利用步履式千斤顶顶推至设计位置。采用顶推施工法不仅可以加快施工速度,而且能够有效减少桥梁施工对既有线路运营的影响。然而,顶推施工存在较多的并行环节,尤其是曲线桥梁顶推施工时,由于存在桥梁的顶推和纠偏等关键环节,使得施工风险控制难度大大增加。

国内外学者针对桥梁风险评估进行了一定的研究。其中王春生[1]结合专家调查法对大西客专联络左线特大桥施工风险进行了分析,并根据分析结果采取了风险控制措施;阮欣等[2]基于九堡大桥提出了桥梁施工动态风险评估方法,建立动态风险评估和管理体系,对复杂桥梁施工中存在的风险评估进行了系统说明;李涛等[3]对大跨自锚式悬索桥施工中存在的各种风险进行了识别,并采取了防范风险的具体措施,研究发现制定的风险措施将施工风险降低到安全范围内;李海文等[4]提出了基于动态权重-二维云模型的桥梁风险评估模型,并利用该模型对藏木雅鲁藏布江特大桥进行了风险评估,为青藏地区桥梁施工中的风险评估提供了新方法。

以“郑济铁路ZJTLSG-1标跨京沪高铁特大桥”工程为依托,充分考虑耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工工艺和特点,利用三角模糊数理论和熵权理论对桥梁施工全过程中的各级风险源进行权重计算,并且通过模糊综合评判理论对耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工进行风险评估,充分融合风险评估中的主客观因素。

1 施工风险判定方法

为了对耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工全过程中的重大风险源进行准确识别,采用三角模糊数理论、熵权理论以及模糊综合评判理论对施工全过程的风险源进行识别,并对识别的风险源进行定量分析,构建跨线桥梁风险识别及判定的方法。

1.1 风险识别

针对风险识别国内外学者进行了大量研究,并总结出多种风险识别方法及理论。因风险识别项目的范围和特点不同,国内外学者提出的风险识别方法也有一定的差别。根据本项目的耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工工序及特点,对风险源进行分析,将各风险因素按等级进行划分。

1.2 风险指标权重计算

(1)三角模糊数法。

为评估耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工中存在的重大风险源,利用三角模糊数法对已识别出的重大风险源进行评判。经专家经验评判后,再利用三角模糊数法对施工中相同等级的风险指标进行排序,解决了传统定性评价分析方法的局限性[5-7]。

模糊数M属于模糊数集U,其中模糊数集U中的任意值x均属于[0,1]范围,记三角模糊数的隶属函数为U(a,b,c),即

(1)

式中:a≤b≤c,且a=b-α、c=b+β。

为了使专家评判结果与三角模糊数法建立相关性关系,并进行准确分析。根据风险等级给出专家评判变量为很高(VH)、高(H)、中(M)、低(L)、很低(VL),因此专家评判变量与三角模糊数之间的对应关系见表1。

表1 专家评判变量与三角模糊数对应关系

在模糊排序中,首先需要对各个相同级别的风险源依次进行相对性比较,即风险源1(ni)和风险源2(nj)对比,其中风险源1(ni)的得分表示为Uij;风险源2(nj)的得分表示为Uji,采用三角模糊数表示为Uij=(aij,bij,cij)、Uji=(aji,bji,cji),而且Uij为风险源1(ni)相对于风险源2(nj)的相对属性判断值,Uji为风险源2(nj)相对于风险源1(ni)的相对属性判断值。

根据三角模糊数的运算规则,可以得到模糊相对属性权重,通过将计算后得到的三角模糊数进行清晰化处理,进而可以对各种风险源进行排序评估,计算过程如下。

首先计算各个风险源的得分,即

(2)

计算相同级别的所有风险源得分总和,即

(3)

(4)

进而得到模糊相对权重向量ω=(ωU1,ωU2,ωU3)。

为了方便对各个风险源进行排序,需对得到的模糊相对权重向量进行清晰化处理,即

(5)

(2)熵权法。

根据耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工工序以及风险评价标准,为避免评价人员的主观性对风险因素产生不利影响,采用客观赋权的熵权法计算各风险源的权重值,计算过程如下。

将耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工进行风险等级划分,见表2。

表2 风险等级划分

根据风险等级划分标准,每个风险源均可建立一组m×n的参评数据矩阵,其中m表示m位专家对风险源风险等级的评价结果,构建关于相同等级风险源的评价矩阵,即

(6)

评价矩阵的标准化处理是将风险源评价指标的绝对值转化为相对值,即采用线性比例变换法将评价矩阵X=(xij)m×n转化成为标准化矩阵Y=(yij)m×n,计算公式如公式(7)所示。

(7)

计算各风险源的熵值

(8)

对各风险源权重赋值

(9)

(3)组合赋权。

综合运用三角模糊数法和熵权法对各风险指标进行计算评估,既避免了评估专家的主观性,又解决了单纯的理论计算的客观性问题。利用三角模糊数法和熵权法组合赋权的方法,计算各风险指标的最后权重值,以保证耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工风险指标的有效性。

(4)风险损失分析模型。

利用模糊综合评判法,首先根据桥梁施工特点确定模糊因素集和评价集V={v1,v2,v3,v4,v5}={重大、较大、中、较低、低},然后建立单因素评价矩阵,最后对单因素和多因素进行综合评价。其中模糊因素集由所有一级风险源或同一个一级风险源下的所有二级风险源构成,根据隶属函数关系,建立模糊评价模型,即

Gi=Wij·Rij

(10)

式中:Gi为一级风险因素模糊评价向量;Rij为二级风险因素模糊评价矩阵;Wij为二级风险因素模糊评价权向量。

2 工程应用

2.1 工程概况

跨京沪高铁特大桥151#～154#墩采用(50+85+50)m钢箱连续梁,起始里程DIK13+484.78～DIK13+671.38。在跨京沪高铁特大桥DK13+577、DK13+588、DK13+591处跨越既有京沪高铁、京沪、水白铁路,位于半径R=950 m曲线上。

跨京沪高铁特大桥下部结构采用钻孔灌注桩基础;桥墩采用单线圆端形空心桥墩;临时支墩在158#～160#设置临时支架搭建吊装作业平台,采用格构柱形式,基础为钻孔桩基础;本桥采用“边拼边顶”的方法完成钢箱的架设安装作业,钢箱梁全长186.7 m,在158#～160#墩之间的作业平台上分节段吊装焊接,然后依次顶推至153#墩;导梁总长85 m,约195 t,采用1 250 t履带吊一次性吊装就位,并与钢箱梁在153#墩焊接完成后,再进行跨线顶推作业;顶推施工采用步履式顶推施工工艺。

为了对跨京沪高铁特大桥耐候钢曲线钢箱梁顶推施工风险进行分析,将三角模糊数法和熵权法组合的方法加以利用,对存在各风险进行评价。

2.2 施工风险分析

按施工工序将跨京沪高铁特大桥(50+85+50)m连续钢箱梁桥划分为桩基施工、桥墩施工、支架安装施工、钢箱梁吊装及拼接施工等9个施工阶段,跨京沪高铁特大桥施工风险源见表3。

表3 跨京沪高铁特大桥施工风险源

2.3 确定各因素的权重值

(1)三角模糊数法。

邀请专家小组对跨京沪高铁特大桥各施工阶段中的风险源依次进行打分评价,本研究以钢箱梁顶推施工为例,按式(2)～式(5)分别计算各个风险源的权重值,见表4。

表4 各个风险源的权重值

由表4可知,根据三角模糊数法计算得到的各风险指标权重值,对其进行比较,得到各风险指标中P62的权重值最大,即跨京沪高铁特大桥钢箱梁顶推施工过程中主梁局部屈曲的权重值最高。

(2)熵权法。

以耐候钢曲线钢箱梁顶推施工为例,根据专家小组对各个风险源对应的风险因素的打分结果,按式(6)～式(7)对耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工各风险源进行权重值再计算。将评价矩阵X转化成为标准化矩阵Y,即

Y=

根据式(8)～式(9)计算风险源各系数,并最终得到各个风险指标的权重值,见表5。

表5 各个风险源的权重值

由表5可知,根据熵权法计算得到的各风险指标权重值,对其进行比较,得到排序结果由大到小依次为P62、P63、P65、P64、P66、P61。

(3)组合赋权。

根据三角模糊数法和熵权法计算得到的钢箱梁顶推施工过程中各风险因素的权重值,进行组合赋权,见表6。

表6 各个风险源的权重值

根据上述计算方法,结合三角模糊数法和熵权法得到对跨京沪高铁特大桥施工中各级风险指标权重值,再利用组合赋权法得到最终风险指标的权重值,见表7。

表7 各个风险源的权重值

由表7可知,通过比较一级风险源计算的组合权重值,得到排序结果由大到小依次为P6、P5、P4、P8、P7、P3、P9、P1、P2。经分析,跨京沪高铁特大桥施工过程中,耐候钢曲线钢箱梁顶推施工的权重值最高;桥墩施工的权重值最低。因此,基于计算分析结果,将耐候钢曲线钢箱梁顶推施工、导梁拼装及吊装施工、耐候钢钢箱梁吊装及拼接施工、落梁施工、导梁拆除施工、支架安装施工、桥面系及附属结构施工、桩基施工、桥墩施工共9种一级风险源作为跨京沪高铁特大桥施工过程中的风险源。

2.4 模糊综合评价

采用模糊综合评价法,对跨京沪高铁特大桥施工各级风险进行评价。以钢箱梁顶推施工为例,在确定各级风险源和风险评价集后,邀请专家小组对各级风险源做出评价,然后构建模糊评价矩阵Rij。

跨京沪高铁特大桥钢箱梁顶推施工中二级风险源组合权重为Wij。

W=(0.145,0.221,0.187,0.161,0.168,0.145)

根据模糊评价矩阵和风险源组合权重,利用式(10)得到钢箱梁顶推二级模糊综合评价结果GP6

GP6=(0.314,0.126,0.115,0.148,0.325)

根据上述计算过程,计算所有二级模糊综合评价结果为

R整体=

根据隶属度方法,并结合二级模糊综合评价结果,可以得到一级模糊综合评价结果,即

G整体=W整体·R整体=[0.087 0.085 0.1

0.124 0.129 0.131 0.102 0.105

0.092]

通过最大隶属原则,跨京沪高铁特大桥施工风险等级为重大风险,应加强风险防控。

3 结 语

(1)基于耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工工序的特点,应对其施工过程进行全面的风险识别,并综合考虑施工中存在的显性和隐性风险,建立合理的风险评估模型。

(2)根据上述理论方法计算结果分析,耐候钢曲线钢箱梁跨线顶推施工风险等级为重大风险。应采取进一步可靠的风险防控措施,降低顶推施工过程中风险发生概率,提高桥梁施工质量和安全性。