石潭湘江特大橋水下施工安全風險評估及管控*

張藝， 劉輝， 劉昶， 劉耀坤

(1.長沙理工大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410114；2.湖南理工學院 南湖學院， 湖南 岳陽 414000)

近年來橋梁安全事故頻發，其中施工期間的安全事故占比最高，加強施工期間橋梁建設風險評估，將風險防范的關口前移尤為重要。已有許多學者對橋梁建設期間的風險評估進行了研究，如施洲等研究了高速公路鐵路兩用橋梁的施工風險因素；黎立新等比選了山區橋梁建設采用的受力構件類型，總結了山區橋梁設計安全理念；王飛球等開展了跨既有線高速鐵路橋梁的施工安全風險評估。橋梁風險評估方法也趨于多樣化、復雜化、綜合化，對橋梁各結構的風險評估趨于精細化、具體化。康俊濤等采用K-means聚類分析、貝斯網絡分析法對武漢某斜拉橋上部結構開展了風險評估；梁曉飛等使用Delphi法、AHP(層次分析法)及可信性測度法對某跨江橋梁基礎開展了風險評估；王可意等采用AHP-DEA法對東洋河大橋樁基礎開展了風險評估。考慮到橋梁水下施工復雜，風險因素多，權重優化尤為重要，上述評價方法很少體現在優化權重方面，而模糊數學綜合判斷法及BP神經網絡模型評價方法能實現權重優化，弱化人為因素。該文借助模糊數學綜合評判及BP神經網絡對橋梁水下施工安全風險進行評價。

1 施工安全風險評估指標體系

依照傳統的施工安全風險分類，從人員、機具設備、管理、環境、施工技術5個維度劃分風險類型。為探討水下施工風險因素，基于專家調查法及文獻查閱法，構建兩級指標體系，其中一級指標包括人員風險、安全管理風險、環境風險、材料設備風險、施工技術風險5個風險指標，二級指標包括人員基礎素質等19個風險指標(見表1)。

表1 橋梁水下施工安全風險評估指標體系

續表1

注：CI為一致性檢驗指標；CR為一致性比率。

2 施工風險評估模型的建立

2.1 基于 AHP 的評價指標權重確定

為定性與定量分析橋梁水下施工過程的安全風險，采用經典的AHP法，依照9標度的AHP要素比較標準構造矩陣A，得：

(1)

對矩陣A進行一致性檢驗，結果見表1。CR<0.1，矩陣A滿足一致性要求。

2.2 模糊綜合評價模型的構建與分析

多級模糊綜合評價模型可反映評價對象的層次性及各層次因素的權重，避免因素過多造成難以分配權重。步驟如下：

R，得到：

Bi=Ai°Ri=(Bi1，Bi2，…，Bin)(i=1,2,…,p)

(2)

(4) 經過模糊合成運算，得二級綜合評價結果如下：

(3)

2.3 BP神經網絡風險評價模型的建立及訓練

2.3.1 風險評價等級的確定

鑒于BP神經網絡具有容錯能力強、計算快、圖像簡單易懂等優點，采用BP神經網絡作為橋梁建設風險評估模型。參照相關規范和文獻[11]、[12]及專家問卷調查結果構建統一的橋梁水下施工安全指標體系分類標準參考值，作為BP神經網絡數據訓練及檢驗的基礎。將表1中施工風險因素細化后，得到更具體的特征描述及相關數據標準或參考值(見表2，因篇幅有限，表格中只列舉部分內容)。

表2 指標體系分類標準參考值

續表2

采用模糊數學法，依照表2中的參考值，得出風險等級的分級區間(見表3)。

2.3.2 數據來源及訓練成果分析

采用19-6-4-1網絡結構，訓練函數為Traingd，訓練次數設為1 000次，學習速率為0.002，目標誤差為0.000 1。結合表2中評價指標的標準參考值，為加大訓練數據量，采用線性內插的方式生成21組數據作為輸入，并按下式進行歸一化：

(4)

式中：xi為變量的值；xmin和xmax分別為變量的最小值、最大值。

表3 風險等級的分級區間

將對應的評價結果作為期望輸出數據。在訓練151次后，達到最優效果(見圖1、圖2)。從圖2可以看出:訓練及檢測效果良好。

3 石潭湘江特大橋水下施工安全風險評估

3.1 工程概況

常祁(常寧—祁東)高速公路石潭湘江特大橋橫跨湘江河道，位于祁東與常寧交界的湘江河段，泉州渡口上游 634 m 處。橋軸線與湘江河道正交，水流方向與橋軸法線的夾角小于5°，橋區河段水深條件良好，河床穩定。主橋跨徑組合為(67+3×110+67) m，橋墩支點處梁高為6.9 m。梁底板底面曲線及底板頂面曲線均按照二次拋物線變化。主橋橋墩采用柱式墩，主墩樁基采用單排樁基礎，樁基均按嵌巖樁設計并進入微風化泥質粉砂巖層。

圖1 神經網絡訓練均方差誤差曲線

圖2 神經網絡訓練樣本回歸曲線

該橋為常祁高速公路控制性工程，使用“四新”技術較多，綜合創新性強，施工期經歷兩個汛期(每年6—10月)。該段航道為Ⅲ級，施工期間常有船舶過往，各種復雜因素造成施工安全風險不易掌控，需開展橋梁水下施工風險評估，以防止事故發生。

3.2 基于AHP法的模糊綜合評價

對該橋水下施工風險進行評價，采用專家調查問卷的方法確定各風險因素的隸屬度。施工過程中涉及的一、二級風險指標評定及一致性檢驗結果見表1，均滿足一致性要求。專家成員主要由項目部經理、項目總工、高校教授、工程安全部人員、施工管理人員組成。10位專家對評價指標中每個因素打分評價，各影響因素的隸屬度=每個評價等級的專家數/10，結果見表4。

表4 石潭湘江特大橋水下施工風險各因素專家評價結果

由表4得石潭湘江特大橋水下施工風險評價矩陣，其中人員風險評價矩陣如下：

由表1可知人員風險各指標的權重如下：

A1=(0.277 2,0.160 1,0.461 3,0.095 4,0)

人員風險的模糊評價矩陣為：

B1=A1°R1=(0.108 9,0.268 1,0.443 7,

0.127 1,0.046 1)

同理，得：

B2=(0.166 9,0.166 9,0.405 9,0.207 7,0.059 9)

B3=(0.263 1,0.231 0,0.321 5,0.100 0,0.084 5)

B4=(0.172 8,0.191 2,0.384 3,0.151 7,0.100 0)

B5=(0.186 3,0.213 7,0.375 0,0.287 5,0.062 5)

由B1、B2、B3、B4、B5構成評價矩陣R：

R=

由表1可知水下施工風險各指標的權重為：

A=(0.120 9, 0.073 8, 0.214 7,0.214 7, 0.376 0)

水下施工風險的模糊評價矩陣為：

B=A°R=(0.189 1, 0.204 0,0.378 3,

0.189 0, 0.0731)

依照評價等級劃分原則，橋梁施工風險評價各等級的分值見表5。

表5 風險等級劃分

風險評價總得分為：

F=B×ST=0.189 0×85+0.204 0×70+

0.378 3×60+0.189 0×50+0.073 1×

30=64.686

對照表3，石潭湘江特大橋水下施工風險等級屬于Ⅲ級，為一般風險。

3.3 基于BP神經網絡的石潭湘江特大橋水下施工安全風險評價

為驗證基于AHP法的模糊綜合評價結果的準確性和可靠性，運用BP神經網絡評價模型開展該橋施工安全風險評價。通過查閱該橋地址資料、設計文件、施工組織設計及安全管理文件，得到相關定量指標數據，邀請項目參與者中的專家、管理人員進行評分，結果見表6。

表6 石潭湘江特大橋水下施工風險評價指標得分統計

將得到的數據向量歸一化后輸入訓練好的BP神經網絡評價模型中，運行后得到石潭湘江特大橋施工風險評價輸出值為66.373 8，與模糊綜合評價的誤差為2.61%。

4 水下施工主要安全風險特點及防范建議

4.1 主要風險

橋梁水下施工過程具有不可見的特點，施工完畢也不能開挖驗收，任何環節出錯都伴隨著一定的經濟損失及工期延誤。石潭湘江特大橋水下施工中的主要安全風險在于水面交通的布設規劃、汛期施工時采用的安全防范措施及施工人員所處水面環境的不斷變化，易造成溺水、物體打擊、觸電等風險。

橋梁水下施工的風險包括：1) 各級別航道在施工過程不能完全禁航，施工船只來往運輸物料過程中會加大碰撞風險；2) 大型橋梁施工時間長，難以避開汛期，搶險救治洪災的風險上升；3) 人員處于水上，個人防護措施難以保證到位，溺水、觸電等風險陡升；4) 其他如施工技術、管理、材料、人員造成的風險與一般性橋梁架設期間的風險類似。

4.2 安全防范建議

(1) 加強班組級別的三級教育，特別是特種設備施工人員務必持證上崗，從源頭上杜絕人員的操作性失誤導致的風險。

(2) 開展水上應急演練，培養工人的“四不傷害”(不傷害自己、不傷害他人、不被他人傷害、保護他人不受傷害)意識。

(3) 嚴防因材料質量原因、結構穩定性原因導致的施工質量安全問題。

(4) 經常性開展安全隱患排查，將發現的安全隱患及時處理，并定期進行安全隱患分析。

5 結語

在已有橋梁風險評估的基礎上，采用文獻總結與專家調查問卷的方法，設計了橋梁水下施工風險評價指標體系，將基于AHP法的模糊數學綜合評價與BP神經網絡評價相結合構建橋梁水下施工風險模型，對石潭湘江特大橋水下施工安全風險開展評估，得出該橋水下施工風險為一般風險。