基于AHP-熵權法的跨燃氣管道現澆梁施工風險評價

張天寶 王雪穎

(1.中建三局基礎設施建設投資有限公司 武漢 430073；2.北京科技大學土木與資源工程學院 北京 100083)

0 引言

橋梁是道路工程的咽喉部位，一般跨越里程長，常與現有公路、鐵路等縱橫交錯，特別是與燃氣管道相交時，易造成燃氣管道第三方破壞，增加了橋梁施工風險。對上世紀末歐美及俄羅斯的天然氣管道事故原因統計發現第三方破壞占比超過50%，成為首要原因[1]。據不完全統計，從2009～2012年，深圳市地下燃氣管網共發生79次事故，因開挖導致管道失效事故占71%，嚴重影響了施工進度和人員的安全[2]。為了保障橋梁安全高效施工，國內外學者從BIM動態模擬[3]、數值仿真[4]、實驗研究[5]、現場檢測[6]等方面對橋梁施工做出大量研究，對跨燃氣管道現澆梁施工風險研究較少。本文利用BIM技術動態模擬現澆梁施工，找出影響施工風險因素，建立風險評價體系；結合層次分析法和“熵”理論對跨燃氣管道現澆梁施工進行風險評價并提出風險對策，保障施工安全和進度。

1 工程概況

該現澆箱梁設計采用(33.5+40+30) m，與既有市政道路斜交74°。該市政次干路路面寬13 m，左側存在一處DN300次高壓燃氣管道，運行壓力0.6 MPa，采用DN300 mm鋼管，壁厚6.3 mm。橋梁承臺施工需開挖基坑，承臺邊與燃氣管道最小距離為3.4 m，最大距離為3.97 m，燃氣管道覆土厚度約為2 m。承臺開挖區域采用素土分層夯實、回填，靠近燃氣管道附近有一處超過3 m的邊坡，施工時處于該城市的梅雨季節，行車道旁有一處排水通道，排水能力有限，在下大雨時容易造成排水困難，浸泡地基土，具體位置分布如下圖1所示。

圖1 燃氣管道與現澆梁位置關系

2 施工風險分析

2.1 BIM施工模擬

根據設計圖紙、地質勘察報告以及施工方案構建了現澆箱梁施工BIM模型，對承臺施工、墩柱施工、現澆箱梁施工動態模擬，BIM模型如圖2所示。從施工模擬發現23#墩承臺設計標高與原地面標高高差達4.4 m，施工作業時屬于深基坑，同時該區域屬于黃土，施工階段正值該城市梅雨季節，承臺邊坡開挖風險較大。承臺邊距燃氣管道最小距離為3.4 m，根據規范要求，承臺施工處于燃氣管道危險范圍之內[7]。通過模擬吊車臨時占位，發現左幅23#墩附近高壓電線桿在汽車吊操作半徑之內，威脅操作司機及附近施工人員生命安全。模擬還發現凈空高度、地質條件影響了原施工方案滿堂支架施工，BIM模型如下圖所示。

圖2 跨燃氣管道現澆梁BIM模型

2.2 施工風險評價體系的建立

通過BIM動態模擬可以發現地質條件、外界條件均對該跨燃氣管道施工造成影響，安全管理也是重要影響因素，從以上3個方面建立風險評價體系。其中地質條件包括雨水沖刷、黃土地質、高邊坡、排水溝浸水4個因素；外界影響包括行車荷載的擾動、承臺施工開挖、樁基施工擾動、現澆梁混凝土澆筑、高壓電線桿干擾5個因素；安全管理包括安全方案不完善、應急預案不全面、安全交底未落實、安全教育不到位、邊坡防護不足5個因素，構建施工風險評價體系如下圖3所示。

圖3 跨燃氣管道現澆梁施工風險評價體系

2.3 熵權組合計算

跨燃氣管道現澆梁施工風險存在模糊性，層次分析法通過使用者的主觀認識對兩兩因素比較確定權重，主觀因素較大，熵權法是通過分析實際數據，根據數據的變化程度來計算其權重的，是定量分析。本文使用的是層次分析法與熵權法相結合的方法來確定權重，能夠兼顧主觀與客觀意見[8]，熵權組合確定權重的計算流程按以下步驟：①層次分析法計算權重；②熵權法計算熵權；③根據向量距離最短求出分配系數；④求出組合權值。

(1)AHP權重計算。通過對工作年限在7年以上相關管理人員調查以及現場踏勘，并對各風險因素進行比較打分，確定出A-Bi，Bi-Ci的判斷矩陣，如下表1～表4所示。

表1 A-Bi的判斷矩陣

表2 B1-Ci的判斷矩陣

表3 B2-Ci的判斷矩陣

表4 B3-Ci的判斷矩陣

矩陣一致性檢驗結果見表5。

表5 矩陣一致性檢驗

當λmax≥n，且隨機一致性比例CR≤0.10時，即認為判斷矩陣具有滿意的一致性，說明權值分配是合理的；否則就需要調整判斷矩陣，直到取得滿意的一致性為止，由以上計算均滿足一致性檢驗要求。通過層次分析法最終計算得到各層次權重分布，如表6所示。

表6 層次分析法權重計算結果

(2)熵權計算。由于選取的指標大多屬于定性指標模糊性較大，采用五級評分法[9]對所有指標進行評分，見表7。根據熵權計算方法[10]計算得到各風險因素風險等級評分及熵權值如表8所示。

表7 風險等級評價

表8 風險因素評分及熵權值

(1)

分配系數之間的差異用α、β表示：

D=|α-β|

(2)

構造方程組并求得系數：

(3)

經計算，綜合權重為：[0.113 3；0.076 3；0.054 7；0.040 3；0.049 0；0.152 5；0.226 1；0.074 1；0.071 7；0.029 6；0.027 9；0.046 7；0.041 2；0.032 7]

3 模糊綜合評價

跨燃氣管道現澆梁左右幅22#、23#墩與燃氣管道相距較近，為了保障現澆箱梁安全施工，需對該4座橋墩進行模糊綜合評價。模糊綜合評價的步驟主要可以分為：①確定評價指標因素集和評語集即風險分級；②通過權重計算方法計算權重，見圖4；③結合隸屬度函數進行多級綜合評價；④分析通過所建立的模型模糊評價得出的結果。本文選取的隸屬度函數為直線型梯形分布函數[11]，求得隸屬度如表9、表10所示。

圖4 權重分布

表9 23#樁的隸屬度計算

表10 22#樁的隸屬度計算

根據以上算法求得4個墩柱的綜合隸屬度如下：

23#左：[0.248 7 0.371 2 0.239 8 0.0781 2 0.098 2]根據最大隸屬度原則，屬于嚴重Ⅳ。

23#右：[0.082 7 0.442 8 0.262 4 0.049 9 0.198 0]根據最大隸屬度原則，屬于嚴重Ⅳ。

22#左：[0.000 0 0.073 7 0.394 0 0.311 4 0.256 8]根據最大隸屬度原則，屬于中等Ⅲ。

22#右：[0.022 7 0.141 7 0.330 7 0.338 8 0.202 1]根據最大隸屬度原則，屬于不嚴重Ⅱ。

參照表7，各墩施工風險嚴重程度如圖5所示。

4 施工對策及建議

減少對燃氣管道的擾動和側壓力對于燃氣管道的保護十分重要[12]，根據不同施工階段提出“早隔離、少擾動、快施工、勤測量”4個原則，以下對現澆梁每個施工階段提出不同的防控措施：

圖5 風險嚴重程度示意

(1)樁基施工。樁基施工前，在樁基與燃氣管道之間打設鋼板樁進行隔離，減小施工側壓力；旋挖鉆機成孔速度快，對周圍土體擾動小，可選用該設備樁基成孔；成孔過程中，鉆渣堆載、機械停靠遠離燃氣管道側并及時清運鉆渣，減少對燃氣管道的擾動作用[13]。

(2)承臺施工。承臺施工前，在承臺外邊線四周打設鋼板樁進行支護，再進行承臺基坑開挖及鋼筋混凝土施工。承臺基坑施工期間，在鋼板樁上設置變形觀測點，實施全程監控，避免基坑周邊土體變形。對燃氣管道進行管溝開挖回填、砌筑箱涵、回填砂保護。

(3)現澆箱梁施工。將燃氣管道上方支架形式由原滿堂支架改為少支點支架形式，原方案跨路門洞處2排鋼立柱優化成4排布置，避免在燃氣管道附近產生應力集中，并在施工過程中對架體進行沉降和變形觀測，確保架體整體穩定性。施工過程中，在燃氣管道周圍設置警示標識線，禁止無關人員、材料、機械等停放在燃氣管道上方。

5 結論

(1)建立了跨燃氣管道現澆梁BIM三維模型，通過動態模擬識別出影響施工的風險因素，構建了跨燃氣管道現澆梁風險評估體系，為防止出現“錯、漏、碰、缺”等施工問題提供了決策依據。

(2)結合層次分析法和熵理論對4座橋墩的施工風險進行模糊綜合評價，發現左幅23#屬于嚴重Ⅳ，右幅23#屬于嚴重Ⅳ，左幅22#屬于中等Ⅲ，右幅22#右屬于不嚴重Ⅱ，最后根據風險評估結論提出了應對措施和策略，為安全施工明確方向。