桥梁沉井基础施工风险主成分分析法*

刘沐宇　陈　珂　荆　武

(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室　武汉　430070)

桥梁沉井基础施工风险主成分分析法*

刘沐宇陈珂荆武

(武汉理工大学道路桥梁与结构工程湖北省重点实验室武汉430070)

摘要：提出了桥梁沉井基础施工风险主成分分析法，并将该方法应用于武汉鹦鹉洲长江大桥北锚沉井基础施工风险分析中.通过构建北锚沉井基础风险因素和施工工序对应关系矩阵，获得了北锚沉井基础的风险因素在3个降维后的施工工序(主成分)中的排名情况.结果表明，沉井施工对周围建筑物产生影响和井底流沙在沉井接高下沉中风险较大；井壁强度不足在钢壳制作中风险较大；前期组织不完善在前期准备中风险较大.

关键词：沉井基础；施工工序；风险因素；防范措施

刘沐宇(1963- ):男，博士，教授，博导，主要研究领域为桥梁工程

0引言

随着桥梁施工技术的不断发展，桥梁的跨度越来越大，然而所面临的风险也随之增大.沉井基础作为桥梁下部结构的组成部分[1]，由于施工的复杂性和多样性，使得其在施工中极易出现事故,这就需要施工人员及时了解沉井施工中存在的风险因素，采取相应的措施减少事故的发生.因此有必要对桥梁沉井基础的施工进行风险分析.

目前在桥梁的施工风险研究中，李书韬等[2]根据某大型悬索桥的施工工序，运用模糊层次分析法对其施工风险因素进行了权重计算；沈斌等[3]对润扬长江公路大桥北锚碇基坑部分进行了综合的施工风险分析，在沉井部分提出了沉井法的主要施工工艺以及沉井施工的风险对策；王荣文等[4]对沉井在设计和施工中容易发生的事故进行了归纳阐述，并对沉井的设计和施工要点进行了总结.本文以鹦鹉洲长江大桥北锚沉井基础为例，将其划分成7个工序和30个风险因素，并建立全面的对应矩阵，利用主成分分析法特有的处理施工工序和风险因素之间全面的对应关系这一特色，定量计算出每一个风险因素在降维后的施工工序中的风险程度大小并提出对策使施工风险降至最小.

1沉井基础施工风险主成分分析方法

1.1沉井基础施工风险主成分分析法思想

同一个风险因素可能在不同的工序中发生，用较少的工序来解释资料中较多的工序[5]，并把相关性较大的工序转换为相互独立的工序，能充分反映出数据分布特征，这种降维处理技术能够达到减少工序个数的目的，是主成分分析法的思想.

1.2沉井基础施工风险主成分分析法步骤

1) 构造一个n×p阶的全面对应矩阵(其中数据矩阵中有n个风险因素，每个风险因素中有p个施工工序).

(1)

2) 计算全面对应矩阵的相关系数矩阵.

(2)

(3)

3) 计算相关系数矩阵的特征值和特征向量

(4)

求出特征值之后按大小排列

(5)

并求出对应每一个特征值的特征向量eij(向量ei的第j个分量).

4) 计算降维后的工序贡献率及累计贡献率

(6)

(7)

一般取累计贡献率达到85%左右的工序个数作为主成分.

5) 计算主成分载荷(降维后的工序矩阵)

(8)

6) 计算n个风险因素在m个主成分中的得分

(9)

式中：zmn为第n个风险因素在第m个主成分中的得分;lmp为第p个工序在第m个主成分中的载荷；xpn为对应矩阵中第n个风险因素在第p个施工工序中的数值.

2工程应用

2.1鹦鹉洲长江大桥北锚沉井基础概况

鹦鹉洲长江大桥汉阳侧的北锚碇沉井基础是该大桥的主要基础工程之一，沉井为圆形，第一节直径为66.40 m，第二～九节的直径为 66.0 m，中间均设置直径是41.4 m的空心圆，沉井的总高度是45.50 m；周边均设直径分别是9.10,8.30和 8.70 m的圆筒，分9节制作，第一节是6.0 m的钢壳，第二～八节是钢筋混凝土，每节为 5 m，第九节是4.50 m，基底是以密实的砾砂作为持力层[6]，见图1.

图1　鹦鹉洲长江大桥北锚沉井基础施工图片

2.2鹦鹉洲大桥北锚沉井基础施工风险识别

根据工程资料和专家意见，识别出鹦鹉洲大桥北锚沉井基础的施工风险因素和施工工序(为了简便起见，采用代号表示每个风险因素和施工工序)，见表1和表2.

表1　鹦鹉洲大桥北锚沉井基础施工风险因素

表2　鹦鹉洲大桥北锚沉井基础施工工序

2.3鹦鹉洲大桥北锚沉井基础施工风险估计

由于桥梁上缺少相应的施工事故数据库，没有大量的客观数据去反映沉井施工中的每一种因素的风险程度，因此这里采用专家打分的方法近似代替统计数据的方式.具体的打分赋值标准见表3.

表3　风险赋值标准

以施工风险因素(行)为样本，施工工序(列)为变量建立30×7阶矩阵作为数据表格.此表一式15份，给15个专家进行打分，并取其平均值.表中的数字代表每一个风险因素在各施工工序中发生的可能性的大小.打分样表见表4.

表4　专家打分样表

2.4鹦鹉洲大桥北锚沉井基础施工风险评价

这里将专家打分表作为原始统计数据进行主成分分析，依据前面所说的主成分分析法的原理，用统计分析软件SPSS中的因子分析进行计算,通过计算其相关系数矩阵和主成分矩阵，得到了3个主成分,分别命名为沉井施工(接高下沉并封底)，钢壳制作，施工准备工作(防护、地基处理).

最终计算得出每一个风险因素在3个主成分中的排名，见表5.

由表5可见，第一主成分中风险较大的2个因素是沉井施工对周围土层或建筑物产生影响和井底流砂.第二主成分中风险较大的因素是井壁强度不足.第三主成分中风险较大的因素是前期组织工作不完善.

3鹦鹉洲大桥北锚沉井基础风险对策

为了减少沉井施工对周围环境造成的影响，施工周边的地区应设置尽量多的沉降观测点，并不定时进行测量监测[7-8].

对于流砂事故，挖土时尽量避免在刃脚下开挖，防止砂石进入井内.用沉井降水的方法也可以减少井内外的水头差，及时对渗流的稳定性进行验算.对井底的软硬程度不均匀的土层进行加固或者换填处理.

表5　风险因素在3个主成分中的分值排名

为了降低井壁强度不足所带来的影响，钢构件的取用应该有质量保证，混凝土的配合比应该适当.尽量避免粘有杂物.接缝和拼缝过程必须严密并且支撑牢固.

在前期准备中，应严格按照先控制后细部的原则，不断补充还没进行到位的组织工作，认真做好记录，进行有效的组织管理.

4结论

1) 运用主成分分析法解决了桥梁沉井基础施工中施工工序与风险因素之间缺乏全面的对应关系(每一个施工工序都可能发生各种风险因素)的问题.

2) 计算结果表明:桥梁沉井施工对周围建筑物产生影响和井底流沙在沉井接高下沉中风险较大；沉井井壁强度不足在钢壳制作中风险较大；施工前期组织不完善在前期准备中风险较大.

3) 通过对鹦鹉洲大桥北锚沉井基础的施工风险分析，对主成分分析法在其他复杂的桥梁施工风险分析中的应用提供很好的借鉴.

参 考 文 献

[1]高纪兵.泰州长江公路大桥中塔深水大型沉井基础施工技术[D].重庆：重庆交通大学,2010.

[2]李书韬，程进.模糊层次分析方法在大跨度桥梁施工期风险评估中的应用[J].结构工程师，2011(10):159-162.

[3]沈斌.几种悬索桥锚碇结构基坑的施工风险分析及对策[J].公路交通科技 ,2008(4):108-112.

[4]王荣文，葛春辉.沉井设计和施工中的常见事故及其防治措施[J].特种结构,2007(3):103-105.

[5]李娜娜，施龙青，李忠建，等.主成分分析法在底板突水影响因素评价中的应用[J].煤矿开采，2011(2):26-28.

[6]李明华，杨灿文. 武汉鹦鹉洲长江大桥北锚碇新型沉井基础设计[J].桥梁建设，2011(4):1-4.

[7]袁勇.沉井施工风险分析[J].中国水运,2011(12):221-223.

[8]赵有明，田欣，牛亚洲，等.南京长江第四大桥北锚碇沉井基础施工关键技术[J].桥梁建设,2009(1):62-65.

中图法分类号：U443.13 1

doi:10.3963/j.issn.2095-3844.2015.01.001

收稿日期：2014-09-10

Principal Component Analysis Method of Construction
Risk of Open Caisson Foundation in a Bridge

LIU MuyuCHEN KeJING Wu

(HubeiKeyLaboratoryofRoadwayBridgeandStructure

Engineering,WuhanUniversityofTechnology，Wuhan430070,China)

Abstract：Principal components analysis method is a kind of risk analysis method which can reduce the dimensionality of complicated construction process and sort risk factors. This passage proposes principal component analysis method of risk analysis of construction of bridge open caisson foundation based on the principle, and it is applied to the risk analysis of construction of North Anchorage caisson foundation of the Parrot Island Yangtze River Bridge. Through determine the complete correspondence matrix according to risk factor and construction procedure, use the principal component analysis method to calculate the risk factor level ranking in 3 reduced dimension of construction process(principal component).The results show that: the influence of the construction of open caisson foundation on the surrounding building and bottom hole flowing sand are in high risk in construction of caisson sinking; the insufficient wall strength is in high risk in the making process of steel shell; the imperfect work of organization is in high risk in the process of preparation of construction of open caisson foundation.

Key words：open caisson foundation; construction procedure; risk factor; preventive measure

*高等学校博士点专项基金项目(批准号：20110143110016)、武汉市科技攻关项目(批准号：201160923308)资助