基于PCA-云模型跨湖桥梁施工风险评价

张天宝， 王雪颖， 班 鹏， 陈 永

(1.中建三局基础设施建设投资有限公司， 武汉 430073； 2.北京科技大学 土木与资源工程学院， 北京 100083)

随着我国公路网不断密集，桥梁工程数量高速增长。作为公路工程的咽喉部位，其安全可靠性关系每一个人的财产生命安全。据统计国内外611座桥梁安全事故中，国内桥梁安全事故351起，占57.4%，由施工原因引起的有199例，占比32.7%，造成了大量的人员伤亡和经济损失[1]。桥梁施工风险评价有利于桥梁工程的风险管理和安全可靠性保障。目前，国内学者运用不同理论方法[2-5]、现场监测[6-7]、数值模拟[8]、BIM技术[9]等不同方式对桥梁施工风险进行分析和评价。以上理论研究针对多雨地区湖区桥梁施工相对较少，本文尝试通过主成分分析结合云模型理论，从诸多施工风险中提取主要影响因素，并综合评价本工程的风险等级，明确施工防护重点，提高现场管理效率，为桥梁现场施工安全管理提供参考。

1 工程背景

该桥梁工程跨越某城市湖区，包括五座匝道桥和一座收费站广场。匝道桥主要为现浇梁，收费站广场采用预制小箱梁施工。项目施工区域全部包括在某天然湖区内，湖区部分填土，部分修建钢栈桥临时便道和操作平台。主要施工工序包括水中钢板桩围堰施工、摩擦桩施工、碗口式满堂支架搭设、现浇箱梁浇筑施工、架桥机架梁等。据施工组织总设计说明，该城市近30年最大年降雨量2 107.1 mm，年均降雨量1 269 mm，70%降水量集中在6～8月，该项目施工工期大部分落在6～8月之间。湖区第四系上更新统冲洪积层为黏性土、砂土、圆砾土，工程性质一般～好，下伏岩层为志留系中统坟头组 (sir) 泥岩地层，岩石坚硬程度为极软岩，局部地段因含钙质或硅质成分，抗压强度较高；岩体完整程度为较破碎～较完整，桥梁设计净高分布在13～16 m不等。

2 桥梁施工风险分析

2.1 桥梁施工风险评价体系的建立

桥梁工程体量大、里程长、施工设备杂多，造成施工环境复杂性和风险不确定性。不同的施工风险因素相互关联和影响，构成了复杂的网络循环结构[10]。除此之外，本工程施工工期紧且地处天然湖区，施工期间正逢梅雨季节，为桥梁施工增加更多的风险因素，找出影响本工程的关键因素对指导现场施工尤其重要。风险识别的方法很多，经过比选，本文通过专家调查法调查七位有相关工程经验的项目经理以及参考各类文献[4-5]，从施工质量、施工安全、人员健康、环境破坏、经济和工期六个方面构建本工程施工风险评价体系，每一方面包括不同的风险因素，共计24类风险因素，如图1所示。

2.2 专家调查分析

对图1中24个风险因素进行评分并应用信心指数法初步计算，得到以下专家风险评价表，如表1。其具体风险概率计算方法如下：

表1 专家调查风险评价表

设某专家权重为γ，信心指数为θ(1≤θ≤10)，则第i个评价因素的概率或可能性为：

pi=γiθi×10%(1≤i≤26)

(1)

γi=(a+b)/2

(2)

式中：a、b为文献[11]表2-1风险指标范围左右区间值。

2.3 关键风险因素的提取

由以上分析可知本桥梁施工过程是一个多指标、多属性的复杂问题，为了便于施工管理和针对性防护，有必要找出影响本工程施工的主要风险因素。主成分分析法能够将多重映射混合影响下的多元因素通过降维处理转化成少数几个关键指标，取特征值大于1，通过Matlab计算得到以下六个主要成分，如表2[12]。

表2 主成分分析计算表

为了直观对比六个影响因素的相对重要程度以更好地指导现场施工管理，将表2转化成施工风险雷达图，如图2。可以定性看出风险相对大小：湖区架梁施工风险>桩基施工质量风险>支架坍塌>高处作业>钢板桩失稳>恶劣天气，前四个因素贡献率已累计超过85%，说明前四个风险因素是重中之重。以上风险因素均涉及到大型机械施工以及高处作业，由于架梁施工涉及大型机械和高处作业施工两个危险因素，因此其危险程度最大。

图2 施工风险因素雷达图

3 桥梁施工PCA-正态云模型及评价

3.1 云模型理论

云模型理论。云模型能够通过特定的映射关系，处理定性与定量描述的不确定性转换模型。云模型有三个数字特征：期望Ex、熵En以及超熵He。具体计算公式如式(3)-(5)[13]：

Ex=(cmin+cmax)/2

(3)

En=cmax-cmin/6

(4)

He=k

(5)

式中：Cmax和Cmin分别表示某一等级标准的最大与最小边界值，若缺少边界值，可根据实际隐含条件取边界极值；k为常数，一般取值0.1或者0.01，本文取0.01。

3.2 评价指标的建立

选取架梁施工风险、桩基施工质量风险、支架坍塌风险、人员高处作业风险、恶劣气候条件6个关键因素进行分析。架梁施工最重要的是架桥机械以及专业人员的操作，架桥机的安全可靠性关系架梁的安全，机械的“价值量”以机械折旧费用表示，表示机械折旧费用的重要指标就是机械累计工作台班量，因此以机械累计工作台班量Q以及安全培训平均分值G来表示架梁施工风险；由于本工程桩基采用摩擦桩，以钻孔桩桩侧土摩阻力平均标准值qik(不考虑负摩阻力)来表示桩基施工质量风险；支架搭设完成需要经过“三自”检查，检查后需整改的数量体现了支架搭设的质量，以平均单跨桥梁支架整改数量N来表示支架坍塌风险；高处作业风险与作业高度有直接的关系，以作业高度H表征人员高处作业风险；正常条件下，施工期间降雨概率较大并影响工期，以平均每月降雨量超过小雨的天数T表示恶劣气候条件。钢板桩施工与桩基施工相关，同用摩阻力标准值表示。根据施工相关统计数据以及参照文献[3]和[14]-[15]得到以下分级区间以及云模型图,如表3和图3。

表3 本工程危险性指标区间分级表

图3 各评价因子隶属于风险级别的云模型

3.3 风险因子权重确定

以各因素的贡献率比值作为各因素的权值，设第i个因素贡献率为Ti(i=1,2,3…n),则第i个因素的权值为：

(6)

由表2得到架梁施工风险、桩基施工质量风险、支架坍塌风险、人员高处作业、钢板桩失稳风险、恶劣气候条件贡献率分别为：0.324 2、0.232 6、0.185 4、0.111 0、0.090 2、0.056 4，本文计算中累计台班量和安全培训权值相等，分别为0.162 1。钢板桩失稳风险累加到桩基施工风险，钻孔桩桩侧土摩阻力平均标准值权值为0.322 8；整改点数量权值为0.185 4；高处作业权值为0.111 0；降雨天数权值为0.056 4。

3.4 综合确定度计算

综合确定度反映了综合各评价指标之后的施工风险大小。综合确定度越大表示对应的风险越大。其计算方法如式(7)：

(7)

式中：μ(x)为各指标隶属度；ωj为评价指标的权值。

3.5 评价流程

通过收集影响桥梁施工风险的各种因素，按照一定的逻辑关系构建评价体系，运用主成分分析提取贡献率大的作为关键因素，并将贡献率比值作为各指标的权重。对各评价指标风险分级，引用云模型理论得到各指标隶属度关系，最后计算综合确定度并得到桥梁施工风险等级。具体评价模型如下图4所示。

4 案例分析

结合本工程，根据统计机械使用台班记录表，本工程架梁机械累计台班使用量为598台班；由地质勘查报告可得钻孔桩桩侧土摩阻力平均标准值为82.45 MPa；平均单跨桥梁支架整改数量参照施工队伍整体素质，本工程取3处；降雨天数取前5年4-8月平均值，经计算平均为4天；施工队伍安全培训平均得分为86分；净空根据设计图纸取12 m。根据云模型计算可得到以下各级风险隶属度值，如表4。

图4 桥梁施工风险评价流程

表4 各级风险隶属度值

根据式(3)和权重(W1，W2，W3，W4，W5，W6)=(0.1621，0.3228，0.1854，0.1110，0.0564，0.1621)计算得到综合确定度为(U(Ⅰ)，U(Ⅱ)，U(Ⅲ)，U(Ⅳ)，U(Ⅴ))=(0.0000，0.2531，0.0672，0.0000，0.0000)可以发现U(Ⅱ)最大，由此可以判别为Ⅱ级风险。在施工期间将六个因素作为重点预警对象，施工期间共发生一般事故1起，暴露总人数为178人，安全事故发生率为0.005 6，死亡人数(率)为0(0%)，根据文献[16]，该工程处于个人风险可接受水平，与本工程二级风险(可接受)等级保持较好的一致性。

5 结论

1)采用专家调查法调查七名有相关经验的项目经理并结合施工自然地理环境，得到了本桥梁工程施工风险评价体系，通过主成分分析提取出本工程最主要六个施工影响因素：架梁施工风险、桩基施工质量风险、支架坍塌风险、人员高处作业、钢板桩失稳风险、恶劣气候条件，同时得到了桥梁施工风险雷达图，明确指出前四个风险因素是施工风险预防的重中之重，为施工风险管理指明了重点预防的方向。

2)选取机械工作台班累计量Q、桩侧摩阻力标准值qik、整改点数量N、净空高度H、降雨天数T以及安全培训平均得分G六个指标，引入云模型并结合主成分分析，事前评估该工程施工风险等级为Ⅱ级，属于中等风险，处于可接受风险范围，与实际情况和相关文献研究保持一致，证明该方法是可行的。同时需重视关键风险因素并实施针对性的预防措施，降低施工安全风险。